深水海管鋪設張緊器液壓系統設計研究

王 增，羅 超，郭俊華，胡友松

(海油石油工程股份有限公司 天津300461)

近年來，隨著我國荔灣、陵水等深水油氣田的開發，深水油氣田作業能力不足的問題日益凸顯。而深水海底管道作為深水油氣田的重要組成部分，鋪設難度大，作業風險高，相關作業設備目前主要依靠進口，一定程度上制約著我國海洋石油工業的發展。

張緊器作為深水鋪管船主要設備之一，其性能直接影響著深海鋪管施工的進程和風險，而目前大型張緊器主要由液壓系統控制和驅動，液壓系統的性能決定著張緊器的工作性能。因此，研究張緊器液壓系統對設備國產化具有十分重要的實際意義。

1 張緊器工作原理和整體結構設計

1.1 張緊器工作原理

海上鋪管作業中，管線從鋪管船船上下水時，從船體到水底有一段較長的懸空段，由于鋪管船受風、浪和潮汐的影響上下垂蕩，使得懸空段管線長度和管線應力不斷變化。如果將管線固定在船上，當船體上升時，管線將承受很大的拉力，這個拉力可能使管線超過其能夠承受的最大拉應力而造成管線的破壞或使鋪管船定位錨走錨造成事故；當船體下降或管線自由放在船體上時，管線受自重或波流力的作用，將承受很大的彎曲應力，該應力可能超過管線材料的屈服極限，從而引起管線產生塑性變形。

張緊器的作用就是保證管線具有一定的拉力，防止上述原因造成的管線損壞，使鋪管施工作業安全可靠。當船體上升時，管線張緊力逐漸增大，當達到設定的最大張緊力時，液壓馬達正向轉動，管線向后串動，這時管線放松，使管線張緊力不超過最大值；當船體下降時，管線張緊力逐漸減小，當達到設定的最小張緊力時，馬達拉動管線向前串動，保持管線張緊力不小于允許的最小張緊力值；當管線張緊力在最大值和最小值之間變化時，管線被張緊器夾緊，不產生縱向串動，保證船上的焊接施工。

1.2 張緊器整體結構設計

目前，最常用的海洋管線鋪設方法包括卷管鋪設、拖拽鋪設、S 型鋪設和J 型鋪設等。對于S 型鋪設或J 型鋪設，張緊器結構差別都不大，主要包括壓緊機構、履帶機構、驅動系統、底座和張力傳感系統5 部分，具有恒張力控制，可自動或手動控制，安裝調整方便，自動轉換速度快等系統特征[1]。國產小型張緊器如圖1 所示[2]。由意大利REMACUT 公司生產的先進大型張緊器如圖2 所示。參考國內外先進張緊器結構特征，張緊器整體結構布置如圖3 所示。

圖1 國產張緊器Fig.1 Domestic tensioner

圖2 意大利產張緊器Fig.2 Italian tensioner

1.2.1 壓緊機構

壓緊機構通過履帶總成向管子提供正壓力，是決定張緊力大小的關鍵部分，通過垂直對稱布置的4 個液壓缸將管子夾持在兩個履帶中間。

1.2.2 履帶機構

履帶機構由若干鏈節組成，鏈節之間用鉸鏈聯結，其外側安裝橡膠緩沖墊塊，用于加大摩擦力和使載荷均勻；橡膠墊塊呈V 型，用于加大與管壁的接觸面積，降低接觸比壓。

圖3 張緊器結構示意圖Fig.3 Structure diagram of tensioner

1.2.3 驅動系統

液壓馬達提供的驅動力通過行星齒輪減速器驅動鏈輪，鏈輪驅動履帶完成鋪管作業時對管子的收放動作。

1.2.4 底座

底座直接焊接在甲板上，張緊器可以在底座上滑動，這樣可以通過測力傳感器測量管線的張力，為張緊器的控制提供依托。

1.2.5 張力傳感器系統

電子測力傳感器安裝在張緊器和底座之間，用以測量管線張力。

2 張緊器液壓控制系統初步設計

2.1 工況分析

對于張緊器的液壓系統，如圖3 所示，主要有兩類直接執行元件：壓緊缸和液壓馬達，二者的負載主要由工作負載Fw、慣性負載Fa、摩擦負載Ff、運動部件自重負載FG、背壓負載Fb等組成。

根據鋪管施工的特點可知，鋪管時，壓緊缸帶動上履帶總成向下壓緊管線，驅動力為F，機械效率為ηm：

啟動加速階段，F＝(Ff+Fa+Fb-FG)/ηm

快進階段，F＝(Ff+Fb-FG)/ηm

壓緊階段，F＝(Ff+Fw+Fb-FG)/ηm

結束鋪管時，壓緊缸帶動上履帶總成上行松開管線：

啟動加速階段，F＝-(Ff+Fa+Fb+FG)/ηm

快進階段，F＝-(Ff+Fb+FG)/ηm

減速制動階段，F＝-(Ff+Fb+FG-Fa)/ηm

因此壓緊缸的負載循環圖和速度循環圖如圖4所示。

圖4 壓緊缸負載和速度循環圖Fig.4 Cylinder load and speed cycle diagram

液壓馬達在管線張緊力達到設定的最大張緊力時，帶動履帶正向轉動，驅動力矩為M，履帶到鏈輪回轉中心的平均半徑為Rs，機械效率為ηm：

啟動加速階段，M＝(Ff+Fw+Fa)Rs/ηm

工進階段，M＝(Ff+Fw)Rs/ηm

減速制動階段，M＝(Ff+Fw-Fa)Rs/ηm

在管線張緊力低于設定的最小張緊力時，履帶帶動管線逆向轉動：

啟動加速階段，M＝-(Ff+Fw+Fa)Rs/ηm

工進階段，M＝-(Ff+Fw)Rs/ηm

減速制動階段，M＝-(Ff+Fw-Fa)Rs/ηm

因此液壓馬達的負載循環圖和速度循環圖如圖5 所示。

通過對壓緊缸和液壓馬達的工況分析可知，液壓系統的最大壓力出現在液壓馬達的啟動階段和壓緊缸的夾緊階段，最大流量出現在壓緊缸的快進階段和液壓馬達的正常轉動階段。系統油液溫升驗算在以上幾個階段進行即可。

圖5 液壓馬達扭矩和轉度循環圖Fig.5 Hydraulic motor torque and rotation cycle diagram

2.2 液壓系統主要參數的選擇

液壓系統的主要參數——工作壓力和流量是選擇液壓元件的主要依據，而系統的工作壓力和流量分別取決于液壓執行元件工作壓力、回路上壓力損失和液壓執行元件所需流量、回路泄漏。所以，只要確定了液壓執行元件的主要參數即可確定液壓系統的主要參數。

2.2.1 壓緊缸的主要結構參數

張緊器額定張緊力Ft＝275 t，由4 個壓緊缸提供壓力Nt，摩擦系數f 取0.5，即：

計算可得Nt＝550 t，則每個壓緊缸提供137.5 t的壓力。查參考文獻[2]表17-2-11 和表17-1-1，初步確定壓緊缸工作壓力pmax＝31.5 MPa，為高壓系統。

壓緊缸活塞有效工作面積A 可由式2 計算：

計算可得A＝0.043 m2，液壓缸內徑為D，活塞桿直徑為d，查參考文獻[3]表4-5，初取d＝0.7D，帶入公式3：

計算得：D＝0.327 m，d＝0.7D＝0.229 m

根據GB/T 2348—1993，圓整D＝360 mm，d＝250 mm。

2.2.2 液壓馬達的主要性能參數

馬達驅動力矩為M，履帶到鏈輪回轉中心的平均半徑為Rs，則：

取Rs＝0.5 m，帶入計算得：M＝673 750 Nm

依據張緊器的最大放管速度Vmax，可以由式5 計算液壓馬達的最大轉速nsmax，單位r/min：

將Vmax＝40 m/min，Rs＝0.5 m，帶入式5 計算得：

液壓馬達最大驅動功率Nmax，單位kW：

根據M 和nsmax的計算結果，帶入式6 計算得：

液壓馬達排量Vm，單位m3/r：

pmax＝31.5 MPa，M＝673 750 Nm，機械效率ηm取0.95，減速比k 取20，分別帶入以上各式計算得：

根據壓緊缸主要結構參數和液壓馬達主要性能參數的計算，初步確定液壓系統的最大壓力pmax＝31.5 MPa，最大排量Vmax＝0.14 m3/r。

2.3 液壓系統圖的擬定

根據張緊器鋪管工藝過程需要，液壓系統主要滿足管線夾緊和張力調節等功能，其液壓系統主要由速度控制回路、方向控制回路、壓力控制回路、同步控制回路等幾大部分組成。同時液壓系統應盡量達到安全性好，功率損耗低，運動平穩性好，油液發熱量小，成本低，可操作和可維修性好等要求。

2.3.1 速度控制回路

速度控制回路包括調整壓緊缸工作行程速度的調速回路和液壓馬達轉速的調節回路。

為了提高張緊器的工作效率和所保護鋪設的管線不受損壞，液壓系統的調速回路應使壓緊缸在空載時快速前進，在接近管線時減緩速度，緩慢壓緊管線。而施工海域不同，管線規格不同，收放管線的速度也不同，因此液壓馬達在整個工作行程周期需要轉速可調。

2.3.2 方向控制回路

在液壓系統中，控制執行元件的起動、停止和換向的回路，稱為方向控制回路。方向控制回路采用控制進入執行元件的液流通斷或改變方向來實現換向和鎖緊的功能。實現方向控制的基本方法有閥控、泵控、執行元件控制，張緊器的壓緊缸和液壓馬達都涉及換向和鎖緊問題。由于張緊器液壓系統流量較大，換向平穩性要求較高，更宜選擇平穩性好，成本較低的閥控方式進行方向控制。

2.3.3 壓力控制回路

壓力控制回路是利用壓力控制閥來控制液壓系統管路內的壓力，以滿足執行元件驅動負載的要求。張緊器液壓系統的壓力控制回路包括系統的調壓、減壓、卸荷、平衡回路。

2.3.4 同步控制回路

張緊器采用4 個相同壓緊缸分別對稱排列在履帶總成的兩側，由一個泵提供高壓液流。在這種一泵多缸的系統中，盡管液壓缸的有效工作面積相等，但是由于運動中所受負載不均衡，摩擦阻力不相等，泄漏量的不同以及制造上的誤差等原因，可能使液壓缸動作不同步，需要利用同步控制回路來克服這些影響，補償它們在流量上所造成的變化，從而使管線在履帶總成間均勻受力。

2.3.5 液壓系統原理圖設計

考慮速度控制回路、壓力控制回路、方向控制回路、同步控制回路等各回路的功能需求，完成張緊器的液壓控制系統設計如圖6 所示，可以滿足管線夾緊和張力調節等功能，實現自動控制。

系統的主動力由恒壓變量泵2 提供，利用伺服電動機1 控制泵的轉速，具體工作過程如下：

①鋪管開始階段。夾緊缸夾緊管線，液壓馬達不動作。開始時，變量泵2 的排量調節到大值，通過控制信號將換向閥6 置于右位，換向閥9 置于左位，系統壓力經過直動式減壓閥7 減壓后，達到液壓缸預先計算好的壓力值，部分能量進入蓄能器28，接近管線時，降低泵的轉速，根據壓力傳感器24 的反饋，緩慢壓緊管線。完成夾緊過程后，換向閥6、9 恢復到中位。

圖6 張緊器液壓驅動系統原理圖Fig.6 Schematic diagram of tensioner hydraulic drive system

②人工放管收管階段。此時夾緊缸處于自動控制狀態，液壓馬達帶動管線前后運動。調大變量泵的排量，通過控制信號將換向閥6 置于左位，通過控制換向閥33 的動作來實現管線的收放(換向閥33 置于左位，液壓馬達正轉，放管；換向閥33 置于右位，液壓馬達反轉，收管)。管線的收放速度與馬達轉速有關，而轉速取決于恒壓變量泵的排量，所以適當調節變量泵的排量就可以控制鋪管速度。

③恒張力控制階段。液壓馬達和液壓缸都處于自動控制狀態。實時的壓力和張緊力由壓力傳感器24 和張力傳感器29 提高，在PLC 中同分別設定值進行對比。如果處于設定范圍內，雙向液壓鎖和換向閥6、9、33 的中位對壓緊缸和馬達進行三重鎖緊，以防止意外發生；如果由于泄露等原因，使得管線的夾緊力減小，當小到設定的下限值時，驅動電路發出信號，使泵為液壓缸增壓，使夾緊力增加到設定范圍內。管線的張緊力主要是受海浪大小影響：當船上升時，管線內部張力增大，如果超過設定上限值，控制系統發出信號使換向閥6 和33 置于左位，馬達正轉，放管，從而使管線應力減小；當船下降時，管線被放松，內部張力減小，如果張力低于設定的下限值，控制系統發出信號使換向閥6 置于左位，換向閥33置于右位，馬達反轉收管，從而使管線張緊力保持在一個恒定的范圍內。

④鋪管完畢，放松管線。換向閥6 動作，處于右位，換向閥9 處于左位，壓緊缸活塞桿帶動上履帶上升，管線松開。

⑤設計一臺備用的恒壓變量泵，當其中一臺出現問題時，可由另一臺提供動力。當系統流量需要特別大時，也可以兩臺泵同時工作，以保證系統流量。

⑥系統設計有蓄能器，其主要作用有兩個，一是當液壓泵出現問題時，可以提供短時的壓力；另外可以在系統工作時吸收、釋放能量，以減小系統油壓沖擊和噪聲。

⑦當壓緊缸因泄露量的不同以及制造上的誤差等原因出現行程不一致時，通過對比位移傳感器14、15、22、23 發出的信號，對相應壓緊缸的比例調速閥的開口實施調整，改變進入壓緊缸的流量，從而將壓緊缸行程調整到一致水平。

3 結 論

本文在理解鋪管船張緊器工作原理和整體結構的基礎上，對張緊器工況進行了全面分析，為液壓系統的溫升核算奠定了基礎。同時本文還對張緊器液壓系統的主要技術參數進行了計算選擇，確定張緊器液壓系統為大功率高壓系統，并以此為依據設計了液壓系統的壓力控制回路、速度控制回路、方向控制回路、同步控制回路，擬定了張緊器液控系統總體圖，明確了張緊器工作控制過程，為3 000 m 深水鋪管張緊器國產化詳細設計奠定了基礎。■