無動力電纜收放機構的研究與設計

凌聰

中海油能源發展裝備技術有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524057

前言

本文思考及研究在單點電滑環故障返修期間提供一種可替代的臨時電纜收放機構的一種可靠性替代研究設計方案，對機構設計流程中技術要點進行分析，總結。為后續同類型機構設計提供了一定的借鑒經驗。希望借此提高整個行業的設計水平，對促進科學技術進步，都具有較大意義。

1 研究背景

某海上生產油輪單點電滑環返廠維修期間，為保障作業區內兩生產平臺的生產供電，需根據FPSO單點系泊艏向角統計分析，單點電纜彎曲半徑對轉筒和卷筒等繞轉機構尺寸的要求，安裝空間對機構中運動部件行程的限制等因素思考及設計一套模塊式無動力高壓電纜收放機構[1]。

2 設計依據

2.1 油輪轉動參考數據

根據歷年《FPSO單點系泊艏向角系統統計分析報告》，單點系泊艏向角統計分析數據顯示，第四季度到第一季度，艏向角的方向性比較明顯，基本停留在東北角50~70度，平均發生全回轉的次數順時針為2~4次，平均發生逆時針全回轉的次數為1~2次。在此特定角度限制范圍內，開展臨時電纜收放機構的設計。

2.2 電纜收放機構－電纜收放圈數極限需求

（1）擬投用機構供電的時間區間在xx年12月至xx年03月，參考該時間區間的船體轉動極限角度。

（2）電纜彎曲半徑對轉筒和卷筒等繞轉機構尺寸的要求。

（3）安裝空間對機構中運動部件行程的限制。

（4）臨時收放機構中電纜收放圈數設置為：

1）電纜滾輪支撐平臺整體隨船體轉動2.5圈（900度），即電纜在中心卷筒盤卷2.5圈；

2）旋轉報警值設在1圈（360度）時報警，最高旋轉角速度為4°/min，預留1.5圈裕量，可實現應急處理時間約為135min。

2.3 機構配套電纜選型

標準：VDE0250-813，訂制專用保護加強層（高強度尼龍線）設計的高壓電纜。電壓：25kV，外徑：41mm，重量：3379kg/km，最小彎曲半徑10D，最大拉力：15N/mm2。

3 收放機構設計

整套收放機構分為四大部分：中心卷筒、滾輪系、重錘及護管、滾輪系支撐平臺。

中心卷筒安裝于電滑環原有基座上。滾輪系及其支撐平臺整體安裝于滑環堆棧支撐橫梁上。重錘護管固定于單點艙壁，重錘通過鋼絲繩和滑輪組連接于動滾輪的滑塊座上[2]。

電纜從單點艙壁接線箱（新增）出線（分A平臺和B平臺兩組，每組并排4根），繞過固定導向筒（高壓電纜通過設計的應力自斷式電纜夾，固定于導向筒），經過輥子托架上方，繞過動滾輪，經過另一側輥子托架上方，繞過定滾輪，進入中心卷筒，在中心卷筒上用防渦流電纜夾用螺栓固定后，末端通過中心卷筒中，通過中心筒設計的中空內部到達并接入海纜箱；兩組電纜分別通過上、下兩層滾輪系，上、下兩層滾輪系獨立運動。

當單點艙壁接線箱、滾輪系及其支撐平臺整體隨油輪船體轉動時，高壓電纜將在中心卷筒上盤卷，電纜盤卷將帶動機構的動滾輪直線運動和自轉，從而促使固定導向筒與動滾筒之間預留的部分電纜長度輸送給中心卷筒；當油輪船體反向轉動時，中心卷筒將釋放盤卷的部分電纜，此時，設計的重錘總成將通過連接鋼絲繩驅動，動滾輪做反向直線運動，中心卷筒釋放的部分電纜重新輸送回滾輪系間。

3.1 中心筒設計

（1）用于盤卷電纜（上下兩層），筒體中空用于通過電纜。

（2）選用非磁性不銹鋼316，盡可能減小電纜盤卷產生的渦流感應。心形設計，外徑為1.8米，一圈可回收電纜4.5米，進線口弧度直徑為860mm，滿足電纜彎曲半徑，可順時和逆時針方向回收電纜2.5圈（900度）。

（3）每組電纜4根垂直并排，用ETFE張拉膜整體固定保持并排形態，電纜在筒內采用防渦流電纜固定夾。

3.2 滾輪系設計

滾輪系安裝在支撐平臺上，分上下兩層，分別用于A平臺和B平臺兩組電纜繞行，每層滾輪系包括：

（1）一套固定導向筒（直徑：Ф840mm），螺栓固定于支撐平臺上，用于艙壁接線箱出線導向；

（2）一套定滾輪（直徑：Ф840mm），螺栓固定于支撐平臺上，用于中心卷筒進線導向；定滾輪裝配有上、下軸承（上軸承選用：圓錐滾子軸承3000型;下軸承選用：深溝球軸承，6000型)，可以自由自轉動，以減少電纜摩擦；

（3）一套動滾輪（直徑：Ф840mm）和一組雙軌導軌（長7.7m）組合，雙軌導軌用螺栓固定于支撐平臺縱向中線上。動滾輪通過底座和滑塊安裝于雙軌導軌上，并在導軌上做直線滑動，同時動滾輪裝配有上下軸承（與定滾輪型號一致），可以自由自轉動，動滾輪在雙導軌上的直線滑動實現了電纜在滾輪系間的收納和釋放，動滾輪與定滾輪中心直線距離6.65m，可以收納和釋放電纜13.3m。

（4）兩排輥子托架，用螺栓固定于支撐平臺上，用于定滾輪和動滾輪之間架空電纜垂墜時減少摩擦、支撐用。

3.3 重錘系統設計

（1）共設兩套重錘及護管，分別用于兩層滾輪系的獨立牽拉，重錘護管固定于艙壁，重錘通過導向滑輪和鋼絲繩連接于動滾輪滑塊底座上，每組重錘預設牽拉重量100kg，配置多級重量組合，可根據牽引力增減重錘重量組合（最小10kg級），重錘在管內上下往復運動，最大行程7.7m，護管能有效減少船體晃動對重錘擺動的影響。

（2）設計快速加載L型劃入式重塊，兩套防卡滯引導輪機構。

3.4 滾輪系支撐平臺設計

（1）滾輪系支撐平臺用以支撐滾輪系、電纜以及重錘，總體尺寸：7.77x3.53x1.78m（不含欄桿和重錘滑輪臂高度），共分兩層，下層兩側設計為玻璃鋼格柵維修走道。支撐平臺采用鉚接鋼結構模塊設計有利于海上安裝，支撐平臺采用支腿和抱卡安裝固定于滑環堆棧支撐橫梁上。滾輪系與支撐平臺設間接地設計。

（2）支撐平臺考慮自重、支撐滾輪系重量、電纜重量、重錘重量、電纜拉力以及人員施工載荷，根據最新版APIRP2AWSD中的規定進行校核，校核結果顯示，1.5倍動力放大系數下，桿件UC值均小于1，UC值最大0.51，強度滿足規范要求。強度校核進一步考慮船體運動產生的慣性載荷。

3.5 保護報警檢測系統設計

為避免電纜將受力過度，造成破損、人員觸電及單點堆棧結構受損等安全隱患，設置行程報警、監控裝置。

（1）報警裝置由行程開關及聲光報警裝置組成，行程開關安裝在動滑輪滑動軌道上（設置綠區，黃區，紅區多級別預警），聲光報警設備獨立安裝在單點艙及中控室。設備滿足防爆要求，報警電路上加裝有自鎖繼電器，需要手動復位才能消除報警；行程開關為兩套并聯，防止一套失效時，另外一套能起作用。

（2）在船體單向轉動至540度時，動滑輪觸發行程開關，產生聲光報警，聲光報警在中控室同步顯示。方案設計轉動極限為全回轉2.5圈（900度），報警值設在1圈（360度）按船體單向轉動每分鐘4度，應急處理時間約為135分鐘。

4 結束語

海洋石油油輪中單點電滑環屬于核心設備，當單點電滑環需要維修更換時就需要考慮采用電纜收放機臨時代替工作。經本次設計研究論證，無動力往復電纜收放機臨時替代單點電滑環的方案，安全性和可行性符合替代使用要求，值得推廣運用。