用于深水海管铺设的储缆绞车设计研究

绞车容绳量大，可以适应深水、特深水等海域的海 洋铺管作业。
我国的深水和超深水铺管技术和设备与国外相 比具有很大差距。国外在收放绞车的研制方面已能 满足２ ０００ ｍ以上的超深水作业要求，其中， Ｂｏｄｅｗｅｓ公司研制了具备１０ ０００ ｋＮ拉力的收放绞 车，钢缆容绳量达３ ２００ ｍ。我国还没有开展深水 铺管船用大型收放绞车的研究工作，国内相关研究 文献也很少，没有进行过系统的研究。本文在国家 高技术发展研究计划（８６３计划）项目支持下重点研 究了用于深水海管铺设的储缆绞车的设计，将对该 类设备的国产化具有重要意义。
按结构形式分，主要有２种收放绞车。拉力级 别＜２ ５００ ｋＮ的收放绞车多是以单滚筒形式为 主；绞车拉力＞２ ５００ ｋＮ时，由于绞车滚筒体所需 要的容绳量增加等导致滚筒体体积增大，给设计 和生产加工带来诸多困难，从而使超过该级别的 收放绞车以摩擦形式的绞车为主，也称为双滚筒 收放绞车［２］。这种以摩擦形式工作的双滚筒收放 绞车还必须配置１台储缆绞车。这种组合形式的
２．Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｏｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｆｉｎ ３００４５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＲ ｗｉｎｃｈ ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ ａ ｓｔｏｒａｇｅ ｗｉｎｃｈ ａｎｄ ａ ｄｏｕｂｌｅ－ｄｒｕｍ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｉｎｃｈ，ｗｈｉｃｈ ａｐｐｌｙ ｔｏ
２０１０年第３９卷 第１１期第３２页
石油矿场机械 ＯＩＬ ＦＩＥＬＤ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ
文章编号：１００１－３４８２（２０１０）１１－００３２—０５
２０１０。３９（１１）：３２～３６
用于深水海管铺设的储缆绞车设计研究
喻开安１，李志刚２。徐祥娟２。张 宏１。曾 鸣１
（１．中国石油大学（北京）机电工程学院，北京１０２２４９｝２．海洋石油工程股份有限公司，天津３００４５１）
实际链条节数ｚ＝３５０ ３．６排缆器设计
储缆绞车滚筒的一端安装有链轮，通过链传动 驱动排缆器的螺杆转动，从而使排缆器左右移动。 当储缆绞车每收放完１圈钢缆时，牵绳器前进或后 退固定螺距；当储缆绞车每收放完１层钢缆时，牵绳 器终止１个行程，同时自动反向移动进入下一个行 程，实现钢缆整齐有序地缠绕在滚筒上。排绳器主 要由螺杆、牵绳器组成。
统的设计口］．石油矿场机械，２００９，３８（２）：５２—５４．
收稿日期：２０１０—０５—１８ 基金项目：国家高技术发展研究计划（８６３计划）项目“深水海底管道铺设技术”（２００６ＡＡ０９Ａ１０５） 作者简介：喻开安（１９６３一），男，重庆人，教授，１９９３年博士毕业于西南石油大学，１９９３－－１９９５年为浙江大学博士后，现从事
实现钢缆的收放操作‘３。４］。
设计寿命
３０ ａ，工作５００ ｈ／ａ
最大张紧力
双滚筒绞车４ ０００ ｋＮ；储缆绞车２５０ ｋＮ
最大出绳速度
４０ ｍ／ｒａｉｎ
万方数据
石油矿场机械
２０１０年１１月
最大收绳速度 储缆绞车容绳量
２０ ｍ／ｒａｉｎ ３ ５００ ｍ
２储缆绞车的整体结构和工作原理
储缆绞车主要由滚筒驱动电机（２台）、减速器 （２台）、开式齿轮传动装置、储缆滚筒、链传动装置、 排缆器、机架等组成，整体结构如图２所示。
（５）
ｅ）２齿轮齿顶圆直径
ｄ。ｌ＝ｄ１＋２ｈ。＝ห้องสมุดไป่ตู้０４ ｍｍ
（６）
以２一ｄ２＋２ｈ。＝２ ２０８ ｍｍ
（７）
ｆ） ２齿轮宽度
６一西ｄｄｌ＝０．５５×２７２＝１５０ ｍｍ
（８）
取Ｂ１＝１５０ ｍｍ，Ｂ２＝１４５ ｍｍ。
３．４滚筒设计 ３．４．１滚筒主体结构
储缆绞车的滚筒结构如图３所示。滚筒外径 Ｄ＝２ ３５４ ｍｍ，滚筒长度Ｌ一３ ２４８ ｍｍ。
３．３齿轮传动设计 储缆绞车的齿轮传动由一对开式齿轮组成，计
算主要参数和几何尺寸。 ａ）齿轮模数
，，ｚ一１６
ｂ）小齿轮和大齿轮的齿数
ｚｌ一１２，２２＝１３６
ｃ）２齿轮分度圆直径
ｄ１＝ｍｚｌ＝２７２ ｍｍ
（３）
ｄ２＝ｍｚ２＝２ １７６ ｍｍ
（４）
ｄ）齿轮传动的中心距
口＝（ｄｌ＋ｄ２）／２＝（２７２＋２ １７６）／２—１ ２２４ ｍｍ
摘要：储缆绞车与双滚筒摩擦绞车一起构成大型收放绞车，用于深水或超深水铺管船上的收弃管作
业。储缆绞车主要起客绳作用，由电机、减速器、齿轮传动装置、储缆滚筒、链传动装置、排缆器、机
架等组成。根据设计要求，选择了电动机和减速器，设计了齿轮传动和链传动，并对储缆滚筒和排
缆器进行了结构设计和相应的强度计算。设计的储缆绞车可作为３ ０００ ｍ水深铺管船的铺管设
２台滚筒驱动电机输出轴与减速器连接，减速 器输出轴端安装开式小齿轮，开式大齿轮用螺栓与 储缆滚筒连接，小齿轮与大齿轮啮合驱动滚筒转动。 电机的正反转实现滚筒的储缆或放缆。
１一电动机｝２一减速器；３一机架；４一开式大齿轮； ５一储缆滚筒；６一排缆器；７一链轮 图２储缆绞车的整体结构
排缆器安装在储缆绞车的人绳端，主要作用是 使钢缆在储缆滚筒上有序排列。由于深水铺管船收 放钢缆较长，如果不安装排缆器，钢缆在储缆滚筒上 的缠绕就会出现乱绳，致使钢缆过早失效［５］。为此， 在滚筒的一端安装１个链轮，通过链传动驱动排缆 器的螺杆转动，从而使牵缆器左右移动，实现钢缆在 储缆滚筒上有序缠绕。
备，可储直径Ｄ１１６ ｍｍ的钢缆３ ５００ ｍ以上。
关键词：深水铺管船；储缆绞车；设计
中图分类号：ＴＥ９５２
文献标识码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｗｉｎｃｈ ｆｏｒ Ｄｅｅｐ Ｗａｔｅｒ Ｐｉｐｅ Ｌａｙｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ
ＹＵ Ｋａｉ—ａｎｌ，ＬＩ Ｚｈｉ—ｇａｎｇｚ，ＸＵ Ｘｉａｎｇ－ｊｕａｎ２，ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎ９１，ＺＥＮＧ Ｍｉｎ９１ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２４９，Ｃｈｉｎａ；
由式（９）计算得 ａ＝２７．２＜１５７ ＭＰａ
满足强度要求。 ｂ）稳定性验算。
滚筒失去稳定时的临界压力为
硝
夕ｗ２５２ ５００ Ｒ０３
（１０）
式中
Ｒ一昙一１ １７７ ｍｍ Ｚ
故Ｐ。一１０８．７ ＭＰａ。 滚筒壁单位压力为
夕一赘叫·７３ ＭＰａ
：～定荤慧茎的设计计算
。，，。．
链条节数
．
ｚ。２ Ｚ厶ａｏ＿．｝一鱼弓兰＝２３８．１１＋１１０＝３４８．１１
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ ｗａｔｅｒ ｐｉｐｅ ｌａｙｉｎｇ ｖｅｓｓｅｌ；ｓｔｏｒａｇｅ ｗｉｎｃｈ；ｄｅｓｉｇｎ
当前，海洋油气勘探开发已从浅海走向深海，甚 至超深海。深水油气开发已成为世界石油工业的热 点和科技创新的前沿，深水和超深水铺管作业设备 研究是深水油气开发的重要研究内容之一。
收放绞车（也称ＡＲ绞车，即Ａｂａｎｄｏｎｍｅｎｔ＆ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｗｉｎｃｈ）是铺管船上的关键设备之一。主 要用于铺管过程中遭遇大风浪无法进行铺管作业时 的弃管以及过后重新铺管时的收管，也可用于其他 拖曳和起重等辅助工作口］。
石油仪器，２００９，２３（１）：３５—３６． Ｅ２３ 中海油能源发展油建渤海装备分公司．钻井气体监测
仪系统操作手册［Ｋ］．２００９． ［３］邓忠彬，王涛，王幼平．海洋钻井多参数仪系统的研
究［Ｊ］．石油矿场机械，２０１０，３９（７）：５４—５９． ［４３张东旭，齐明侠．基于现场总线的钻机工作参数监视系
１ 收放绞车总体方案和设计参数
深水铺管船ＡＲ绞车的持续拉力大，钢缆长度 长，其结构形式采用双滚筒绞车外加１台储缆绞车， 总体布置方案如图１所示。
图１ 收放绞车的总体布置方案
图１中，双滚筒绞车用于牵引钢缆，承受收管或 弃管过程中钢缆所受的巨大载荷，钢缆从双滚筒绞 车出来后进入储缆绞车。储缆绞车用于缠绕钢缆， 通过多层缠绕可储放长度很长的钢缆，还承受多层 钢缆的巨大重力，且必须与双滚筒绞车同步转动来
３．６．１螺杆
（２） 、。。’
考虑一定的安全系数后取电机总功率为２２０ ｋＷ，储缆绞车选用２台电机，则每台电机的功率为 １１０ ｋＷ。为此，选用２台西门子１ＬＧ４３１６－６ＡＡ６型 电机。
３．２减速器 为了减小安装空间，希望减速器输入轴与输出
轴夹角为９０。。考虑电机驱动功率后，储缆绞车减 速器选用ＮＧＷ—Ｓ１０２型行星齿轮减速器［６］。
图３储缆绞车滚筒
万方数据
３．４．２强度计算
ｉ５：。一反＝１ ｄ—ｘ２ｄ＋Ｌ
１３２·６４ ｍｍ
ａ） 滚筒壁内表面最大压应力。ｄ。ｉ。５ｄ＋（１一等）气－－ｄ，５１ １３２．０６ ｍｍ
根据上述结构设计尺寸，已知Ｌ＜３Ｄ。故滚筒
选ｄ。＝１ １３２．５ ｍｍ
壁内表面最大压应力应满足以下强度条件，即
齿根圆直径
４．３防护性能 采用隔爆型设计，满足防爆等级：ＥｘｄⅡＣＴ４，
防护等级：ＩＰ６７。
５ 结语
由于采用了高性能的军用级ＰＣＩ０４嵌入式计 算机作为系统核心，并采用了贴片元器件，使其系统 结构变得紧凑，进一步提高了可靠性和抗干扰能力。 该系统经过海上１ ａ多时间使用，用户反映效果
参考文献： ［１］王银生，杨锦舟．井下工程参数随钻测量仪的研制［Ｊ］．
石油机械设备方面的教学与研究工作，Ｅ－ｍａｉｌ：ｋａｉａｎｙｕ＠１６３．ｃｏｍ．
万方数据
·３３·
ｗｉｎｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｔｏｒａｇｅ ｔｈｅ ｃａｂｌｅ．Ｉｔ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｍｏｔｏｒ，ｒｅｄｕｃｅｒ，ｇｅａｒ ｄｒｉｖｅ，ｓｔｏｒａｇｅ ｒｏｌｌｅｒ，ｓｐｒｏｃｋｅｔ ｄｒｉｖｅ，ａｌｉｇｎｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｒｏｐｅ ｄｅｖｉｃｅ，ｆｒａｍｅ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅｒ ｗａｓ ｓｅｌｅｃｔｅｄ，ｇｅａｒ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｓｐｒｏｃｋｅｔ ｄｒｉｖｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃ— ｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｔｏｒａｇｅ ｗｉｎｃｈ ａｎｄ ａｌｉｇｎｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｒｏｐｅ ｄｅｖｉｃｅ．Ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｗｉｎｃｈ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃａｎ ｕｓｅ ｉｎ ３０００ ｍｅｔｅｒ ｐｉｐｅ ｌａｙｉｎｇ ｖｅｓｓｅｌ．Ｉｔ ｃａｎ ａｌｓｏ ｂｅ ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｆｏｒ ｓｔｏｒａｇｅ ３５００ ｍｅ— ｔｅｒ ｃａｂｌｅ ｔｈａｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｉｓ １ １６ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ．
３储缆绞车主要部件选择和结构设计
３．１电动机
储缆绞车采用２台电机同步控制驱动，电机功
率计算公式为
Ｐ２赢Ｆ＿‘
（１）
式中，Ｆ为钢缆持续拉力，２５０ ｋＮ；口为储缆绞车收、 放过程中速度最大者，４０ ｍ／ｍｉｒａ Ｐ为所需驱动 功率。
由式（１）可计算得所需电机功率为
Ｐ‘ ：兰！Ｑ ＱＱＱ丕Ｑ：堕！：１６７ ｋＷ １ ０００
盯＝Ａ詈≤仃ｙｐ
（９）ｄｆ＝ｄ－－ｄｒ２１ ０９２．９５ ｍｍ。
苎！：三望鎏，壁内。耋要：大压应力，。Ｍ。Ｐａ；．Ａ？
卷筒层数有关ＳＪ系数，取Ａ一２；Ｓ。，为钢丝绳最大
篓妻：曼ｘ２２５×１ Ｎ地为滚筒 ｏｏｏ×吼．８＝，２．。４５，００．ｏ
绳槽节距，ｔ。＝１２０ ｒａｍ！艿为滚筒壁厚，艿＝１５０ ｍｍ； 口卯为许用压应力，口卵一１５７ ＭＰａ。
其他电子元器件能否正常运行。
良好。
４．２抗振动措施 为了提高系统的抗振动性能，首先从电路板的
安装人手，采用了抗振动结构，并对液晶显示器进行 了有效地加固。这样即使有较大的机械振动，该系 统也能正常、稳定地工作。
该系统能实时显示并记录钻井时井筒内冒出的 气体状态，实现现场声光报警，是一套非常实用的钻 井气体监测系统。实验证明，该系统测量精度高、可 靠性好，值得推广应用。
ｄｅｐｌｏｙｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｔｒｅａｔｉｎｇ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｆｏｒ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｏｒ ｕｌｔｒａ ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ｐｉｐｅ ｌａｙｉｎｇ ｖｅｓｓｅｌ．Ｔｈｅ ｓｔｏｒａｇｅ
－●Ｈ—＋－斗斗·＋·＋－＋－＋呻－＋－＋·＋－＋－＋－＋－＋－＋－—●—＋·＋·０··■—－——·■··■—·■—－■－·■－－■—－—一－■－·－＋－■－－——－．．一－－●一－＋·．．一一＋·＋一＋－＋－＋·＋－＋·＋－＋·＋呻·