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(fā)，深水油氣田作業(yè)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(shè)難度大，作業(yè)風(fēng)險高，相關(guān)作業(yè)設(shè)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(yè)的發(fā)展。

張緊器作為深水鋪管船主要設(shè)備之一，其性能直接影響著深海鋪管施工的進程和風(fēng)險，而目前大型張緊器主要由液壓系統(tǒng)控制和驅(qū)動，液壓系統(tǒng)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(tǒng)對設(shè)備國產(chǎn)化具有十分重要的實際意義。

1 張緊器工作原理和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 張緊器工作原理

海上鋪管作業(yè)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(fēng)、浪和潮汐的影響上下垂蕩，使得懸空段管線長度和管線應(yīng)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(yīng)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(yīng)力，該應(yīng)力可能超過管線材料的屈服極限，從而引起管線產(chǎn)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(yè)安全可靠。當船體上升時，管線張緊力逐漸增大，當達到設(shè)定的最大張緊力時，液壓馬達正向轉(zhuǎn)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(shè)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(chǎn)生縱向串動，保證船上的焊接施工。

1.2 張緊器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，最常用的海洋管線鋪設(shè)方法包括卷管鋪設(shè)、拖拽鋪設(shè)、S 型鋪設(shè)和J 型鋪設(shè)等。對于S 型鋪設(shè)或J 型鋪設(shè)，張緊器結(jié)構(gòu)差別都不大，主要包括壓緊機構(gòu)、履帶機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、底座和張力傳感系統(tǒng)5 部分，具有恒張力控制，可自動或手動控制，安裝調(diào)整方便，自動轉(zhuǎn)換速度快等系統(tǒng)特征[1]。國產(chǎn)小型張緊器如圖1 所示[2]。由意大利REMACUT 公司生產(chǎn)的先進大型張緊器如圖2 所示。參考國內(nèi)外先進張緊器結(jié)構(gòu)特征，張緊器整體結(jié)構(gòu)布置如圖3 所示。

圖1 國產(chǎn)張緊器Fig.1 Domestic tensioner

圖2 意大利產(chǎn)張緊器Fig.2 Italian tensioner

1.2.1 壓緊機構(gòu)

壓緊機構(gòu)通過履帶總成向管子提供正壓力，是決定張緊力大小的關(guān)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(gòu)

履帶機構(gòu)由若干鏈節(jié)組成，鏈節(jié)之間用鉸鏈聯(lián)結(jié)，其外側(cè)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(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of tensioner

1.2.3 驅(qū)動系統(tǒng)

液壓馬達提供的驅(qū)動力通過行星齒輪減速器驅(qū)動鏈輪，鏈輪驅(qū)動履帶完成鋪管作業(yè)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(tǒng)

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(tǒng)初步設(shè)計

2.1 工況分析

對于張緊器的液壓系統(tǒng)，如圖3 所示，主要有兩類直接執(zhí)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(jù)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(qū)動力為F，機械效率為ηm：

啟動加速階段，F(xiàn)＝(Ff+Fa+Fb-FG)/ηm

快進階段，F(xiàn)＝(Ff+Fb-FG)/ηm

壓緊階段，F(xiàn)＝(Ff+Fw+Fb-FG)/ηm

結(jié)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(xiàn)＝-(Ff+Fa+Fb+FG)/ηm

快進階段，F(xiàn)＝-(Ff+Fb+FG)/ηm

減速制動階段，F(xiàn)＝-(Ff+Fb+FG-Fa)/ηm

因此壓緊缸的負載循環(huán)圖和速度循環(huán)圖如圖4所示。

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

液壓馬達在管線張緊力達到設(shè)定的最大張緊力時，帶動履帶正向轉(zhuǎn)動，驅(qū)動力矩為M，履帶到鏈輪回轉(zhuǎn)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(shè)定的最小張緊力時，履帶帶動管線逆向轉(zhuǎn)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(huán)圖和速度循環(huán)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(tǒng)的最大壓力出現(xiàn)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(xiàn)在壓緊缸的快進階段和液壓馬達的正常轉(zhuǎn)動階段。系統(tǒng)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(zhuǎn)度循環(huán)圖Fig.5 Hydraulic motor torque and rotation cycle diagram

2.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的選擇

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

2.2.1 壓緊缸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

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(shù)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(tǒng)。

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(nèi)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(jù)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(shù)

馬達驅(qū)動力矩為M，履帶到鏈輪回轉(zhuǎn)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(jù)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(zhuǎn)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(qū)動功率Nmax，單位kW：

根據(jù)M 和nsmax的計算結(jié)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(jù)壓緊缸主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和液壓馬達主要性能參數(shù)的計算，初步確定液壓系統(tǒng)的最大壓力pmax＝31.5 MPa，最大排量Vmax＝0.14 m3/r。

2.3 液壓系統(tǒng)圖的擬定

根據(jù)張緊器鋪管工藝過程需要，液壓系統(tǒng)主要滿足管線夾緊和張力調(diào)節(jié)等功能，其液壓系統(tǒng)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(tǒng)應(yīng)盡量達到安全性好，功率損耗低，運動平穩(wěn)性好，油液發(fā)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(diào)整壓緊缸工作行程速度的調(diào)速回路和液壓馬達轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)回路。

為了提高張緊器的工作效率和所保護鋪設(shè)的管線不受損壞，液壓系統(tǒng)的調(diào)速回路應(yīng)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(guī)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(zhuǎn)速可調(diào)。

2.3.2 方向控制回路

在液壓系統(tǒng)中，控制執(zhí)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(zhí)行元件的液流通斷或改變方向來實現(xiàn)換向和鎖緊的功能。實現(xiàn)方向控制的基本方法有閥控、泵控、執(zhí)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(tǒng)流量較大，換向平穩(wěn)性要求較高，更宜選擇平穩(wěn)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(tǒng)管路內(nèi)的壓力，以滿足執(zhí)行元件驅(qū)動負載的要求。張緊器液壓系統(tǒng)的壓力控制回路包括系統(tǒng)的調(diào)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(cè)，由一個泵提供高壓液流。在這種一泵多缸的系統(tǒng)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(tǒng)原理圖設(shè)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(tǒng)設(shè)計如圖6 所示，可以滿足管線夾緊和張力調(diào)節(jié)等功能，實現(xiàn)自動控制。

系統(tǒng)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(zhuǎn)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(diào)節(jié)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(tǒng)壓力經(jīng)過直動式減壓閥7 減壓后，達到液壓缸預(yù)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(zhuǎn)速，根據(jù)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(fù)到中位。

圖6 張緊器液壓驅(qū)動系統(tǒng)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(tài)，液壓馬達帶動管線前后運動。調(diào)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(xiàn)管線的收放(換向閥33 置于左位，液壓馬達正轉(zhuǎn)，放管；換向閥33 置于右位，液壓馬達反轉(zhuǎn)，收管)。管線的收放速度與馬達轉(zhuǎn)速有關(guān)，而轉(zhuǎn)速取決于恒壓變量泵的排量，所以適當調(diào)節(jié)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(tài)。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(shè)定值進行對比。如果處于設(shè)定范圍內(nèi)，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(fā)生；如果由于泄露等原因，使得管線的夾緊力減小，當小到設(shè)定的下限值時，驅(qū)動電路發(fā)出信號，使泵為液壓缸增壓，使夾緊力增加到設(shè)定范圍內(nèi)。管線的張緊力主要是受海浪大小影響：當船上升時，管線內(nèi)部張力增大，如果超過設(shè)定上限值，控制系統(tǒng)發(fā)出信號使換向閥6 和33 置于左位，馬達正轉(zhuǎn)，放管，從而使管線應(yīng)力減?。划敶陆禃r，管線被放松，內(nèi)部張力減小，如果張力低于設(shè)定的下限值，控制系統(tǒng)發(fā)出信號使換向閥6 置于左位，換向閥33置于右位，馬達反轉(zhuǎn)收管，從而使管線張緊力保持在一個恒定的范圍內(nèi)。

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

⑥系統(tǒng)設(shè)計有蓄能器，其主要作用有兩個，一是當液壓泵出現(xiàn)問題時，可以提供短時的壓力；另外可以在系統(tǒng)工作時吸收、釋放能量，以減小系統(tǒng)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(xiàn)行程不一致時，通過對比位移傳感器14、15、22、23 發(fā)出的信號，對相應(yīng)壓緊缸的比例調(diào)速閥的開口實施調(diào)整，改變進入壓緊缸的流量，從而將壓緊缸行程調(diào)整到一致水平。

3 結(jié) 論

本文在理解鋪管船張緊器工作原理和整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對張緊器工況進行了全面分析，為液壓系統(tǒng)的溫升核算奠定了基礎(chǔ)。同時本文還對張緊器液壓系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)進行了計算選擇，確定張緊器液壓系統(tǒng)為大功率高壓系統(tǒng)，并以此為依據(jù)設(shè)計了液壓系統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)化詳細設(shè)計奠定了基礎(chǔ)?！?/p>