铺管船用张紧器张紧系统分析

!技术讨论#铺管船用张紧器张紧系统分析3张俊亮1　王晓波2　林　立1　赵东岩2　钟朝延2(11中国石油大学(北京)　21海洋石油工程股份有限公司) 摘要　铺管船用张紧器是海洋铺管船的关键设备,张紧器张紧系统是张紧器保持管线恒张力的保证。

介绍了国内外铺管船用张紧器张紧系统现状,并加以分析,指出铺管船用张紧器张紧方式为在浅海采用螺旋夹紧、马达驱动,在深海采用液压缸夹紧、交流伺服电动机驱动。

通过仿真,液压夹紧缸在快进、工进、保压、快退阶段均能达到系统要求;交流伺服电动机通过恒转矩的输出,在液压缸夹紧的前提下,对管线进行恒张力控制。

分析结果表明,液压夹紧系统和电动机驱动系统满足系统的工作需要,系统稳定可靠。

关键词　铺管船　张紧器　张紧系统　夹紧　驱动　仿真引 言随着科学技术的进步和人类对海洋石油资源认知水平的不断提高,海洋石油天然气开发已成为世界石油工业的热点和科技创新的前沿。

海洋管道是最重要的海洋石油天然气运输渠道,海洋铺管设备也随着海洋油气开发的深入不断发展。

铺管船用张紧器是铺管的关键设备,张紧力的大小对管线铺设深度有直接影响,张紧器张紧系统实现管线恒张力控制。

在铺设过程中,管道受自重、浪、流的影响,承受较大的弯曲应力,且弯曲应力不断变化。

为了使管道弯曲应力小于材料的屈服极限,确保管道不被破坏,用张紧器进行送管并实时调整管道的张紧力,使管道的张力基本恒定不变,始终保持在允许的范围内[1]。

随着海洋勘探开发从浅海走向深海,铺管深度从150m到3000m[2],张紧器张紧系统中夹紧方式也由最初的半自动刚性夹紧发展为全自动柔性夹紧。

国内外张紧器张紧系统状况目前,我国拥有4台铺管船用张紧器:从美国进口3台,自主研发1台。

3台进口张紧器分别配套在滨海106号、109号和蓝疆号铺管船上。

其中,蓝疆号铺管船配套的张紧器最为先进,单台最大张紧力为7101982kN(7215tf),采用螺旋压紧装置夹紧管线,液压马达实现管线的输送。

张紧系统主要由上下2套履带驱动机构组成。

上履带驱动机构安装在上部可升降的动框架上,动框架由电动机驱动的4个螺旋压紧装置使其上下运动;下履带驱动机构安装在下部固定框架上,电动机驱动4个螺旋压紧装置,提升动框架和上履带板,把管线穿入上下履带板中间后,再反向旋转螺杆,使动框架带动上履带板等部件下降压紧在管线上。

在铺管过程中,2台液压马达被驱动,产生所需要的扭矩,带动夹持着管线的履带板运动。

国内早在1996年就确立了“滩海铺管船用张紧器”的研究课题,并进行了陆上整机模拟试验。

1998年在胜利滩海油田进行了样机工业试验,性能基本满足需要,各部分运行正常[1],最大张紧力为147110kN(15 tf)。

该样机采用的张紧方式与蓝疆号铺管船用张紧器基本相同,区别在于国产样机采取手动旋转螺旋压紧装置夹紧管线,而蓝疆号采取电动机驱动螺旋压紧装置。

相对国内而言,国外对铺管船用张紧器的研究开始时间比较早,如意大利RE MACUT公司有50多年的生产经验;美国W ESTECH公司早在30年—761—2008年　第36卷　第9期石　油　机　械CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY3基金项目:国家863项目“深水海底管道铺设技术”(2006AA09A105)。

前就开始研究生产;荷兰S AS公司从1968年开始生产。

这些公司在张紧器生产方面技术成熟,有丰富的设计、制造经验,张紧器最大张紧力的大小可根据用户要求进行设计,各公司张紧器的张紧系统各有不同,RE MACUT公司的张紧器张紧系统多采用螺旋夹紧、电动机驱动的方式[3]。

S AS公司自1969年以来销售近100台(套)张紧器,所采取的张紧系统与最大张紧力有关,最大张紧力小于490133k N的张紧器张紧系统多采用螺旋夹紧、液压马达驱动;最大张紧力大于490133kN(50tf)的张紧器多采用液压缸夹紧、交流电动机驱动的形式[4]。

液压缸夹紧、交流电动机驱动的工作过程为:液压缸通过上履带将管线夹紧在下履带上,监控系统实时监测管线受到的夹紧力,当夹紧力满足要求时,液压缸进油口关闭,液压泵站停止运行,液压缸保持稳定压力。

管时,监控系统通过安装在驱动轴上的编码器监测铺管速度,并控制驱动电动机按照要求的铺管速度运行,当船上升时,驱动电动机加速送管;当船下降时,驱动电动机减速送管,使张紧力时刻保持在设定值范围内。

张紧器结构及工作过程张紧器机械结构示意图如图1所示,由上、下履带和机架构成,上履带可沿导杆上下运动,下履图1　张紧器机械结构示意图1、5—夹紧装置;2、4—导向杆;3—机架;6、8—驱动轴;7—管;9—履带总成带驱动机构固定在机架上。

张紧系统由管线夹紧系统、管线输送系统组成。

在铺管过程中,夹紧系统通过上履带将管线压紧在下履带上,保持恒定的夹紧力。

管线从铺管船船尾下水时,从船尾到海底有一段比较长的悬空段,由于铺管船受风、浪、潮的影响上下垂荡,管线从船尾到海底之间的距离不断变化,这就使得悬空管段的长度与管线应力也随着变化。

如果将管线固定在船上,当船上升时,管线将承受很大的拉力,这个拉力可能使管线超过应力极限,造成破坏或使铺管船定锚走锚造成事故;当船下降或将管线自由放在船上时,管线受自身重力和波流力的作用,将承受很大弯曲应力,该应力将超过管线材料的屈服极限,从而使管线产生塑性变形[3]。

张紧系统可实现管线的恒张力控制。

铺管时,监测系统通过安装在驱动轴上的编码器和张紧器与船甲板之间的传感器实时监测铺管速度和管线张紧力。

当铺管船平稳地铺管时,管线输送系统使铺管速度在设定的范围内。

当船上升时,管线输送系统加速放管;当船下降时,减慢放管速度,确保张紧力在一定的范围内。

张紧器张紧系统分析张紧器张紧系统的主要作用是保证管线的恒张力控制,在此基础上,全面考虑系统结构、操作、能耗等因素。

通过分析国内外张紧系统的组成,可将张紧方式归纳为螺旋夹紧和液压马达驱动、螺旋夹紧和电动机驱动、液压缸夹紧和电动机驱动3种。

11螺旋夹紧和液压马达驱动这种夹紧装置简单,操作者启动电动机带动丝杠旋转,使上履带上下运动。

但夹紧过程必须在现场人工调节,属于刚性夹紧,自适应能力差。

且在铺管过程中,管线由于水泥涂层厚度不均等各种原因,会造成管线直径尺寸有波动,管径的变化会影响夹紧力,从而影响张紧力大小。

液压马达的调速方便,成本低。

但无论是在马达驱动管线铺设还是马达停止运转管线焊接过程中,液压泵站一直处于工作状态,造成能源浪费。

21螺旋夹紧和电动机驱动这种张紧方式用电动机代替液压马达驱动,不需要液压泵站,整体张紧系统简单。

电动机驱动有2种方式:直流电动机和交流伺服电动机驱动。

随着控制技术和交流电动机技术的发展,采用变频控制的交流伺服电动机相对于直流电动机的启动更快更平滑、控制方式可靠、防护等级更高,在管线焊接过程中,电动机停止运行,系统能耗较低。

所以,近几年普遍采取交流伺服电动机驱动,但变频器2电动机的控制系统成本较高。

31液压缸夹紧和电动机驱动液压夹紧缸属于柔性夹紧,监控系统实时监测夹紧力大小。

当夹紧力达到设定值时,液压缸进油—861— 石　油　机　械2008年　第36卷　第9期口断路,液压缸保压,液压系统的蓄能器平衡液压缸因泄漏引起的压力变化,液压泵站停止工作;当监测到夹紧力小于设定值时,监控系统会自动启动液压泵站,直至夹紧力满足要求。

所以夹紧过程是闭环控制,不仅自适应能力强,而且节约能源。

由以上3种张紧方式的分析可以看出,螺旋夹紧装置简单、操作方便,但稳定性差;液压缸夹紧稳定可靠,但控制系统复杂;马达驱动控制简单,而能耗高;电动机驱动控制方式灵活,可是成本较高。

所以,要针对不同任务的张紧器选择不同的张紧系统。

滩海铺管船用张紧器要求最大张紧力小,铺管过程受风浪影响相对深海要小,一般采用螺旋夹紧和马达驱动的张紧形式。

而对于铺管深度3 000m的深水铺管张紧器而言,最大张紧力大、在铺管过程中受海浪影响大,要求夹紧系统稳定、驱动系统运行可靠,所以采用液压缸夹紧和交流伺服电动机驱动的张紧方式。

张紧器张紧系统仿真分析对液压夹紧系统和驱动系统分别进行仿真分析,仿真结果如图2、图3所示。

图2　液压夹紧系统仿真结果在快进阶段,液压缸在调速阀和变量泵的共同作用下,驱动上履带以一定的速度向下运动,当运动到一定位置后减速(图2a);工进阶段,液压缸继续驱动上履带向下运动,接触到管线后减速运动,当监测到的张紧力达到系统要求时,液压缸停止运行(图2b);保压阶段,变量泵停止工作,液压缸进油口关闭,液压缸在蓄能器的作用下保持夹紧力;图2c表示在有无蓄能器作用下,夹紧力的大小变化。

从图2中可以看出,利用蓄能器的保压作用可在一定时间内使夹紧力维持在允许范围内;快退阶段,通过调节变量泵的流量可以改变液压缸上行速度(图2d)。

通过分析,张紧器的夹紧系统在工作的各个阶段,都有较好的稳定性,特别是保压阶段,利用蓄能器的油压补充功能,补充液压缸因泄漏引起的压降,使系统长时间保持稳定的压力。

驱动系统通过电动机控制铺管速度的变化,使管线所受张力保持基本恒定,如图3a所示。

虽然电动机输出转矩在开始阶段有一定的波动,但通过调整电动机转速使电动机很快进入恒定转矩输出阶段,如图3b所示。

图3　管线恒张力仿真曲线(下转第178页)—961—2008年　第36卷　第9期张俊亮等:铺管船用张紧器张紧系统分析 与空气中的氧隔离,将化学降解降低到最低程度;由于采用壳牌公司的管理模式,现场不允许聚合物干粉及溶液有任何泄露,特别是有毒、有害化学药剂;对工艺流程中所有设备及输送介质进行全方位监测,如设备温度、压力、排量、润滑油温度、工作状态、故障点、故障原因、介质温度、粘度、pH值等。

针对以上工艺技术要求,新世纪机械制造有限公司做了深入的调研、设计和厂内试验,完成了总体方案设计,通过了甲方严格审查和认可。

方案设计如下:(1)采用氮气封闭工艺,将聚合物干粉、溶液进行全程封闭,隔绝与空气中氧的接触,减小化学降解。

(2)在泵的入口及出口安装压力开关,确保泵压和管线压力不超压,实现安全运转。

(3)在工艺管线的关键位置安装气动紧急关断阀,当事故发生时防止化学药剂外泄。

(4)在工艺流程中适当位置安装在线粘度计、温度计和pH计,随时监测溶液的物理化学性质。

(5)工艺控制系统采用世界上最先进的现场总线控制系统,现场仪表、传感器及气动或电动阀采用现场总线型,更加全面地检测分析和精确控制现场设备的运行状态。

通过以上研究与试验,使国内三次采油地面工艺设备的技术水平与国际接轨,进一步提高了工艺技术指标的保障能力,为开拓国际市场奠定了坚实基础。

结 论(1)三次采油地面工艺设备经过多年的摸索和改进,特别是橇装配注站的研制成功和不断完善,工艺性能指标的保障能力得到了长足进步,达到了国际先进水平,为各油田通过三次采油工艺提高采收率提供了可靠保障。