淺析深水鋪管船托管架監控系統

李書霖 交通運輸部煙臺打撈局

1.引言

托管架作為深水鋪管船的一個非常關鍵的設備，在船舶進行鋪管作業的時候懸掛在船舶艉部，起到海管在下水的過程中控制海管在托管架上的曲率的作用，防止海管因為在上彎段彎矩過大而導致的屈服或破裂，確保海管沿著托管架順利入水。海管在上彎段時由安裝在托管架上的輥輪組支撐，其高度可以調節，以適應不同管徑及不同鋪設深度的要求如圖1所示。

為了確保鋪設的海管處于正確位置，海管脫離托管架入水前要對海管的姿態、輥輪的受力情況以及托管架的工作角度（托管架與船體的相對角度）等狀態通過安裝在其上面的負載監測、CCTV（視頻監控系統）、聲吶、角度監測和深度監測等設備進行實時的監測，確保鋪管作業處于良好的狀態。

2.托管架監測系統

托管架監測系統主要包含以下5個方面：聲吶系統、水下CCTV系統、角度監測系統、托管架壓力測量系統和輥輪壓力測量系統、深度測量系統。托管架監測系統的主要目的是實現對各輥輪組上的管線的狀態進行實時的跟蹤和監視，確保海管鋪設工作的順利進行。

2.1 托管架監測系統的功能

托管架監測系統應該具體如下的功能：

（1）管線經過托管架的全過程監控，主要是管線離開托管架最后一組輥輪時的姿態；

（2）顯示托管架相對于船體的角度；

（3）顯示管線在移動過程中相對于托管架的位置和角度；

（4）顯示船體和托管架的相對位置；

（5）顯示托管架的入水深度；

（6）顯示管線在托管架運行過程中各輥輪所受的力的大小和方向；

（7）顯示托管架作用于船體的力和方向；

（8）顯示各個分系統的報警值；

（9）記錄鋪管過程中各個分系統的參數及報警值。

2.2 托管架監測系統的系統構成

2.2.1 托管架壓力監測系統和輥輪壓力監測系統

托管架壓力監測系統和輥輪壓力監測系統用于顯示托管架作用于船體的力和方向及管線在托管架運行過程中各個輥輪所受的力的大小和方向。

（1）托管架壓力監測系統

托管架壓力負載監測設備并不是單獨存在的，而是集成于連接托管和船體的兩個軸銷的內部，在制作測力軸銷時先車出軸銷的大致輪廓，再將軸銷的內部掏空，在其內部按照測力位置布置相應的壓應片，然后充入惰性氣體，將其密封。其壓應片的監測數據輸出至托管架監測系統，在鋪管工作中，通過測量大軸橫向和縱向的剪切力來計算托管架負載，進而對托管架進行調整。銷軸用于連接托管架、絞車支持架和船體，并且當絞車運轉、帶動托管架升降來調整鋪管位置時，銷軸和托管架保持相對靜止，絞車支持架和船體相對靜止，銷軸和船體則產生相對運動。因此，在銷軸和絞車支持架的連接部分將產生剪切力，當銷軸上受力大于設定警戒點后，控制室內將會產生報警，提醒操作人員改變作業工況。

圖1 托管架系統

圖2 托管架聲納系統示意圖

通過對該剪切力的監測可以直觀的反映出托管架的位置是否需要調整，托管架升降作業是否正常以及是否有意外情況發生，同時每一個剪切力在數據處理的過程中均應當拆分成X軸和Y軸兩個方向來顯示，從而更加直觀的顯示出軸銷在每個方向所承受的力的大小。

（2）托管架輥輪壓力監測系統

托管架輥輪壓力的監測通過安裝在托管架測力輥輪上的測力軸（附有測力傳感器）來實現，用于監測管線在托管架上運行過程中輥輪組實時受力的大小和方向，并輸出至托管架監測系統實時的顯示，同時設置報警值，當測量值大于報警預設值系統發出報警。

2.2.2 聲吶系統

在托管架的最末端各裝有一臺掃描聲吶，其主要作用有如下幾點：

（1）監測托管架離開最后一組輥輪時是否脫離中心位置，其工作原理如圖2所示。

托管架最末端的兩臺聲吶同時掃描，從而確定托管架離開輥輪時是否偏離中心位置并將掃描結果輸出至托管架監測系統，同時設置報警范圍，當托管架偏離中心位置超過報警范圍時托管架監測系統將發出報警，提醒作業人員及時調整相關設備的參數確保管線離開輥輪時處于中心位置。

（2）實時監測鋪管區域海底的實時地貌及管線在海底的狀態

采用掃描式聲吶可以將海底的地貌實時的顯示出來，對海管在海底的著床情況實時的監測，從而及時的調整船舶的艏向，確保海管沿著預定的規劃鋪設。

（3）實時的監測鋪管區域的水深

托管架末端的掃描聲吶同時起到測量鋪管區域作業水深的作用，并將測量數據輸出至托管監測系統實時監測鋪管作業區域大洋水深。

（4）實時監測海管離開托管架一段距離內的狀態信息

在水文條件較好的情況下，海管離開托管架一定距離內的狀態信息的監測主要有托管架末端的水下攝像頭來實現，當水文條件惡劣水下攝像頭無法清晰的采集水下畫面時，該功能主要由聲吶的掃描成像功能來實現，并將實時監測的數據輸出至托管架監測系統。

2.2.3 CCTV系統

CCTV系統包含水下和水上兩部分，水下攝像頭布置于每一組輥輪組的立柱上，用于實時監測記錄海管通過輥輪組的實時畫面及監測輥輪的運轉情況，在托管架的最末端設置有兩個朝向托管架后方的水下攝像頭，用于監測海管離開托管架后一段距離內的狀態。

在托管架的A字架上布置水上云臺式攝像頭，用于實時監測托管架絞車鋼絲繩的纏繞情況及托管架周邊的海況，確保作業安全。

CCTV系統有獨立的監視器顯示采集的畫面，實時的調取任意攝像頭的畫面，并具備有錄像功能，能夠保存一段時間內攝像頭的畫面。同時將攝像頭所采集的實時畫面集中輸出至托管架監測系統，托管架監測系統配置有鍵盤和操作手柄，可以進行信號切換，使監測系統顯示器也可顯示CCTV的圖像。

2.2.4 角度監測系統

托管架角度監測系統共配備有3個傾斜測量儀，其中兩個裝在第一節托管架的最末端，用于測量托管架相對水平面的角度，第三個傾斜測量儀作為參考測量儀裝在船體上，用于測量船體的傾斜角度，三個傾斜測量儀的數據同時輸出至托管架監測系統，當進行鋪管作業時，系統會將兩組數據相比較，從而計算出托管架與船體的相對張角。

2.2.5 深度測量系統

深度測量系統包含有兩個測深傳感器，其中一個作為托管架入水深度測量傳感器安裝于托管架的最末端，另外一個作為參照傳感器安裝于托管架控制室的外部，用于測量鋪管作業處的大氣壓，兩組測量數據同時輸出至托管架監測系統，系統通過兩個壓力傳感器的壓強差來計算托管架最末端精確的入水深度。

3.托管架監測系統的功能設置

托管架監測系統能夠對5個分系統所監測的數據進行實時的顯示與記錄,當數據超過報警值時發出報警，提醒作業人員注意，但是出于安全方面的考慮，托管件監測系統不允許參與托管架的控制，僅僅是對各個參數的顯示和報警。

4.結束語

深海油氣的開發是未來油氣產量的主要增長點，我局投入重金建造的5000噸起重鋪管船，其具備有3000米水深的S型鋪管能力，其托管架系統是實現該鋪管功能的關鍵設備。

通過對托管架監測系統的系統構成和功能設置分析和研究，對其功能有了詳細的了解，為將來煙臺5000噸起重鋪管船托管架監測系統的招標、定貨技術的簽訂有了可靠的技術依據，并為以后的使用與管理打下基礎，為其安全運營營造良好的前提條件。