鋪管船運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

王曉波，李建楠，孟祥偉，聶 霞，牛建樂(.海洋石油工程股份有限公司，天津 30045；.貝特海利科技有限公司，北京 000)

鋪管船運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

王曉波1，李建楠1，孟祥偉1，聶 霞2，牛建樂2
(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.貝特海利科技有限公司，北京 100102)

為了減少鋪管船在風(fēng)浪中的升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)托管架、纜繩以及鋪管作業(yè)效率的影響，可在鋪管船上建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)。文章以鋪管船F(xiàn)ORTUNA為研究對(duì)象，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，并用MOSES軟件建立模型，進(jìn)行頻域和時(shí)域分析，分析涵蓋了各個(gè)不同鋪管半徑的作業(yè)工況。分析結(jié)果表明，這套運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理，且技術(shù)上可行。

鋪管船；運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償；液壓系統(tǒng)；托管架；儲(chǔ)能器

托管架鋪管是目前世界上海底石油管道鋪設(shè)的常用方法，這種方法施工方便，投資最省，工期最短[1]。而托管架鋪管船在實(shí)際鋪管時(shí)會(huì)遭遇到各種海況，這時(shí)鋪管船需要棄管、自存或者航行等。在此過程中托管架會(huì)隨鋪管船上下升沉，連接托管架和船上絞車的纜繩也會(huì)因此承受著不可預(yù)測(cè)的瞬間變化的力，或張緊，或放松，影響纜繩的使用壽命。

為了保證鋪管作業(yè)的順利進(jìn)行，提高鋪管的作業(yè)效率，減小各種海況對(duì)鋪管作業(yè)及纜繩的影響，就必須合理地解決鋪管船升沉運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償問題。補(bǔ)償系統(tǒng)在起重船上應(yīng)用較為廣泛[2-5]，而在鋪管船上類似的研究至今少見。為此，本文對(duì)鋪管船運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，它能夠有效地補(bǔ)償托管架上下升沉運(yùn)動(dòng)，從而減小對(duì)管線鋪設(shè)的影響；同時(shí)緩解連接托管架的纜繩上力的變化，使得纜繩一直處于變化較為平緩的張緊狀態(tài)。進(jìn)而在選用纜繩時(shí)可適當(dāng)降低規(guī)格，節(jié)約費(fèi)用。所以開展鋪管船運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的研究，對(duì)于我國鋪管船的發(fā)展，提升我國海洋石油開發(fā)能力具有重要意義。

1 鋪管船及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的總體介紹

本文以169 m起重鋪管船F(xiàn)ORTUNA為研究對(duì)象,其主尺度如下:總長，169 m；型寬，46 m；設(shè)計(jì)吃水，8 m；型深，13.5 m；結(jié)構(gòu)吃水，9 m。

為鋪管船F(xiàn)ORTUNA設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)位于船尾，在船尾桁架結(jié)構(gòu)頂部安裝有連桿，連桿端部安裝固定滑輪組，用以導(dǎo)向連接絞車和托管架的纜繩。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的液壓缸的兩端分別與連桿和船尾桁架結(jié)構(gòu)鉸接，見圖1。

圖1 鋪管船運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)布置示意圖

2 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理

2.1運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

為鋪管船F(xiàn)ORTUNA設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償液壓系統(tǒng)是由一套位于連桿之下，連接連桿和船尾桁架的液壓缸等組成的液壓系統(tǒng)，與液壓缸相連的是調(diào)節(jié)缸內(nèi)氣體壓強(qiáng)的上部儲(chǔ)能器、下部儲(chǔ)能器以及氣瓶等，見圖2，液壓系統(tǒng)的參數(shù)見表1。

圖2 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成圖

表1 液壓系統(tǒng)參數(shù)

液壓缸：液壓缸數(shù)量應(yīng)根據(jù)實(shí)際合理選取，缸內(nèi)活塞上部和下部的壓力差提供有效的推力，通過活塞桿，頂住連桿。

儲(chǔ)能器：儲(chǔ)能器內(nèi)有空氣和油，設(shè)置有上部儲(chǔ)能器和下部儲(chǔ)能器，二者配合調(diào)節(jié)儲(chǔ)能器內(nèi)空氣體積，從而改變壓強(qiáng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)氣體壓強(qiáng)。

氣瓶：給儲(chǔ)能器提供空氣，增加或減少氣瓶數(shù)量會(huì)相應(yīng)減小或增大與之相連的儲(chǔ)能器的氣體壓強(qiáng)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置合理的氣瓶數(shù)量。

關(guān)閉閥：考慮適應(yīng)不同的鋪管半徑，以及鋪管作業(yè)、棄管、自存和航行等工況，總的氣瓶數(shù)量應(yīng)足夠，但實(shí)際操作中，要通過關(guān)閉閥控制與各儲(chǔ)能器相連的氣瓶數(shù)量。

2.2鋪管船運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)托管架向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，纜繩上的力增加，帶動(dòng)連桿向下運(yùn)動(dòng)，液壓缸氣體被壓縮，壓強(qiáng)增加，將連桿向上頂，進(jìn)而使得纜繩帶動(dòng)托管架向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)托管架向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，纜繩上的力變小，活塞桿向上運(yùn)動(dòng)，液壓缸氣體體積變大，壓強(qiáng)減小，將連桿向上頂?shù)牧p小，進(jìn)而使得纜繩帶動(dòng)托管架向下運(yùn)動(dòng)。如此往復(fù)，起到補(bǔ)償托管架運(yùn)動(dòng)，同時(shí)起到緩解連接托管架纜繩上變化力的作用。

3 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的可行性分析

3.1MOSES建模

本文用MOSES軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)在不同鋪管半徑的狀態(tài)進(jìn)行分析,分析模型見圖3～圖6。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)在MOSES模型中是以虛擬的非線性彈簧的形式呈現(xiàn)的。不同鋪管半徑時(shí)所用管子管徑見表2。

圖3 MOSES模型的俯視圖

圖4 鋪管半徑為80 m的MOSES模型

圖5 鋪管半徑為275 m的MOSES模型

圖6 鋪管半徑為365 m的MOSES模型

表2 不同鋪管半徑時(shí)所用管子管徑

3.2運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的初始設(shè)置

分析過程中，通過反復(fù)調(diào)試計(jì)算，設(shè)置合理的氣瓶數(shù)量。對(duì)于不同鋪管半徑，在操作作業(yè)時(shí)，需根據(jù)實(shí)際的環(huán)境條件，來調(diào)整開啟的氣瓶數(shù)量，調(diào)整合理的液壓缸零位壓強(qiáng)。調(diào)整結(jié)果見表3。與之對(duì)應(yīng)的液壓缸允許的沖程、壓強(qiáng)和受力見表4～表6。

3.3鋪管船和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析

當(dāng)鋪管船作業(yè)時(shí)，受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境影響，會(huì)連帶托管架產(chǎn)生搖擺和上下升沉運(yùn)動(dòng)。

表3 不同鋪管半徑時(shí)的零位壓強(qiáng)

表4 鋪管半徑80 m的液壓缸允許受力

表5 鋪管半徑275 m的液壓缸允許受力

表6 鋪管半徑365 m的液壓缸允許受力

當(dāng)托管架向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，纜繩上的受力增加，帶動(dòng)連桿向下運(yùn)動(dòng)，液壓缸氣體被壓縮，壓強(qiáng)增加，將連桿向上頂，進(jìn)而使得纜繩帶動(dòng)托管架向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)托管架向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，纜繩上的受力變小，活塞桿向上運(yùn)動(dòng)，液壓缸氣體體積變大，壓強(qiáng)減小，將連桿向上頂?shù)牧p小，進(jìn)而使得纜繩帶動(dòng)托管架向下運(yùn)動(dòng)。循環(huán)往復(fù)的過程中，液壓缸的沖程和受力也會(huì)隨之不斷地變化。我們用MOSES進(jìn)行頻域水動(dòng)力分析，并通過3 h時(shí)域模擬分析，得到鋪管船遭遇表7中的環(huán)境條件時(shí)，液壓缸的沖程和受力結(jié)果見表8。

表7 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)分析的環(huán)境條件

表8 MOSES分析結(jié)果

從表8各個(gè)工況分析的結(jié)果可以看出，液壓缸在運(yùn)動(dòng)的過程中實(shí)際的沖程和受力均在其能力承受范圍之內(nèi)。由此得出結(jié)論，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足要求，技術(shù)上可行。

4 結(jié)束語

1)該設(shè)計(jì)方案能夠有效地提高鋪管船的作業(yè)效率，減小各種海況對(duì)鋪管作業(yè)、托管架及纜繩的影響，技術(shù)上可行，潛在回報(bào)高。

2)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣泛而且靈活，可適用于不同的鋪管半徑，以及鋪管作業(yè)、棄管、自存和航行等工況。

3)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的液壓缸盡量豎直安放，減小側(cè)向力的影響。

[1]王朝, 袁曉林, 于振華，等. 海底管道鋪設(shè)技術(shù)及發(fā)展[J]. 城市建設(shè)理論研究, 2013(29):262-263.

[2] 邵曼華,寇雄,趙鵬程. 幾種船用起重機(jī)波浪補(bǔ)償裝置[J]. 機(jī)械工程師,2004(2):14-16.

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Heavy motions produce negative effects on stingers,slings and pipe-laying efficiency as a pipelay vessel operates in stormy waves,but a motion compensation system can be built on the vessel to reduce the effects.This thesis focuses on the research of the pipelay vessel FORTUNA and designs the system for it.In addition,the thesis introduces the structural composition and working principle of the system,and establishes models with MOSES software as well as analyzes the system in both frequency domain and time domain.The analysis involves operating conditions of the pipelay mode with different radii,and its results show the system is well-designed and technically feasible.

pipelay vessel;motion compensation;hydraulic system;stinger;accumulator

PE75

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.06.004

王曉波(1972-)，男，天津人，高級(jí)工程師，工程碩士，主要從事海底管道工程設(shè)計(jì)和工程管理工作。

2015-07-06