海底铺缆用四履带张紧器设计

2014-05-07陈栋

机械工程与自动化 2014年3期

陈栋

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

海洋铺管张紧器作为一种重要的海底铺管专用装备，在海底线缆（包括石油管道、电缆等）的铺设中起着极其重要的作用。它在线缆入水前起夹紧管道并驱动履带运转从而带动管道向水中输送的作用，在输送过程中起保持恒张力的作用。

四履带张紧器相对于两履带张紧器结构更加复杂，由于由两履带增加到四履带，使得履带与管子的接触面积更大，从而作用在管子表面的应力更小，故其更适用于铺设柔性管，当然铺设硬管也是可以的。四履带张紧器有两履带和四履带两种工作模式。铺管张紧器铺设的线缆分为管线和电缆，其中管线又分为柔性管和硬管。柔性管和电缆一般采用四履带张紧器进行J型铺设，而硬管通常采用两履带张紧器进行S型铺设（借助安装在船艉的托管架，使硬管从下水到接触到海底时形成足够的弧度而不致损坏）。

1 四履带张紧器总体组成

由于有些客户要求张紧器要能在水平和垂直两个位置实现铺管，为降低客户的拆卸安装成本，节省客户拆卸并重新安装的时间，笔者将张紧器设计成非固定式，这样利用翻转定位装置就可快速实现张紧器铺管位置的调整。图1为张紧器以及调整张紧器位置的翻转定位装置。

图1中，件1，2，3，4构成翻转定位装置。翻转定位装置用于将张紧器调整在水平和垂直两个位置进行铺管作业。图2为张紧器总装图，主要由4套压载机构组成，压载机构之间通过连接框架连接。

图3为张紧器压载机构，图4为压载器，图5为压载器移除主结构后的部分。

在实际作业时，先将管线放入张紧器，四组压载机构的各四根挤压油缸伸出相同行程使要铺设的管线位于张紧器的中心位置并使履带橡胶板与管线接触压紧，在挤压油缸伸缩时，压载器上的导向轮沿压载器框架做导向移动，然后运转驱动电机或液压马达，管线将在张紧器的履带输送下被传输出去，在这过程中悬挂机构和悬挂油缸起补偿管线尺寸差异的作用，使管线输送时张紧器平稳运转。

图1 张紧器和翻转定位机构

图2 张紧器总装图

图3 张紧器压载机构

在铺设不同规格的线缆时，由于需要的张紧力不同，所以需要张紧器具有可以设定不同张紧力的功能。对应设定的不同张紧力，需要调整履带内张紧力以及挤压油缸的输出力。

本项目中采用张紧油缸与张紧轮组合构成张紧机构实现履带张紧力的自动调整（常见的是采用螺杆螺母与张紧轮组合进行人工调节）。

另外，由于线缆粗细是不完全一致的，为了线缆通过张紧器时能更平稳，增加了悬挂系统，它由悬挂机构和悬挂油缸组成，悬挂机构与支重轮铰接连接。

图4 压载器

图5 压载器移除主结构后的部分

2 张紧器设计计算

2.1 设计要求

2.1.1 作业工况

作业环境最低温度（℃）：－15；

作业环境最高温度（℃）：＋45（湿度90%）；

最大横摇（作业工况）（°）： 6 ；

流速（kn）： 2；

海水温度（℃）：－2～＋32；

波浪周期（s）： 8～12；

有义波高（m）： 3.0。

2.1.2 生存工况

最大横摇（°）： 40；

横摇周期（s）： 13。

2.1.3 设计参数要求

线缆摩擦因数： 0.15；

安全工作负载（t）： 100（四履带模式），

50（两履带模式）；

动态系数： 1.33；

动态刹车能力（t）： 120（四履带模式）；

铺管直径范围（mm）：100～600（四履带模式），

50～250（两履带模式）；

放出速度（m／h）： 1 200；

收回速度（m／h）： 1 000。

2.2 设计时需要考虑的相关问题

首先，分析作业工况和生存工况。根据环境温度、湿度，需要在设计时考虑机电液的相关问题。对于机械材料的选取，需要满足所入船级社的规范要求；由于湿气较大，为防止腐蚀需要采用海事防腐油漆；而对液压系统，也需在所入船级社的规范中查找相关要求，不同船级社对船上不同的设备有各种不同的要求；对于电控系统，元件选择时也需要考虑到最低和最高环境温度以及湿度等，以防相关电气元件不能在作业工况的环境温度和湿度下正常工作。

根据作业工况和生存工况时的横摇角度，需由船体设计单位给出由于横摇而产生的x，y，z三个方向的加速度，然后在结构设计时需考虑加速度的影响。这点对于那些没有相关海工产品设计经验的工程师来讲很容易忽略但又非常重要。

然后，分析设计参数要求并进行计算。对于新开发项目，一般都是先参考市场上现有的产品，研究其相关设计参数，之后通过比对再确定新研发产品的设计参数。

本文以市场上现有的某公司的260 t四履带铺管张紧器为例进行分析，该260 t张紧器的装机功率为500 k W。其设计要求参数如下：

线缆摩擦因数： 0.09；

最大工作负载Fm（t）： 260；

额定工作负载Fe（t）： 208；

动态系数df： 1.25；

铺管直径范围（mm）： 100～600；

放出速度（m／h）： 960；

收回速度（m／h）： 480。

张紧器最大工作负载与额定工作负载之间的关系为：

根据以上设计参数，可推算张紧器的输出功率（收管）和发电功率（放管）。收管时的功率计算公式为：

放管时的功率计算公式为：

其中：F为张紧力，k N；v为收管速度，m／h；n为机械效率，n＝0.8。

将设计参数代入相关公式中进行计算，发现若按额定张紧力、额定速度工作时，功率都是小于实际的装机功率500 k W；但按最大张紧力、额定速度工作时，以260 t放管时功率达544 k W，大于装机功率。也就是说系统能保证以额定张紧力、额定速度持续工作，不能保证以最大张紧力工作时持续以额定速度运行。当管线中张力大于张紧器的额定工作负载时，若功率超载则降速运行，铺管船的行驶速度与张紧器保持同步。

2.3 参数确定

基于以上研究，下面来分析本项目100 t四履带张紧器。

对于张紧器，在实际设计时按额定吨位、额定速度工作计算装机功率，当其以最大吨位工作时也可以持续运转但要降速运行。在设计条件中，以最大吨位命名张紧器，张紧器铺管能力为100 t，动态系数为1.33，于是额定工作负载就是75 t。

在计算装机总功率时，需考虑收管（放管）满载恒转速功率、满载加速（减速）功率、转动部件加速（减速）功率。收管时是电动机在做功，放管时则通过电机发电并将电力输入到船上的电网中。因此在计算时，收管所需的功率取正值，放管时发电产生的功率取负值。

另外，线缆摩擦因数由客户根据所需铺设的线缆来确定，该因数不同，四个挤压油缸所需提供的力将相差很大。举例说明，100 t张紧器，线缆摩擦因数分别是0.15和0.09时，所需挤压油缸提供的挤压力分别是167 t和278 t。在设计张紧器时需考虑张紧器履带上橡胶板与铺设的线缆要有足够的接触面积以保证不超过线缆允许的最大接触应力。