深海脐带缆超级双相不锈钢管卷取装置*

杜兴吉，潘宏亮，裴卫民，丁文炎，柴东京

（1.浙江省特种设备检验研究院，杭州310020；2.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州313028）

1 概 述

脐带缆一般由电缆、光纤、输送化学制剂和液压流体的钢管、外部保护层（钢管和复合材料）等组成，短则几百米，长则上万米。主要用于输送化学制剂、液压流体、电及信号等，是海洋油气生产系统的生命线[1]。

深海脐带缆由多层次组成，通常最里面的管（内管）为液压流体输送管，内管和外部保护层（外管）之间为电缆和光纤。脐带缆中的钢管一般是S32750（SAF2507）超级双相不锈钢管，直径为6.3～50.8 mm，S32750超级双相不锈钢的最小屈服强度为550 MPa，抗拉强度为800～1 000 MPa。

在制造脐带缆前首先需要将每根12～40 m长的无缝钢管对焊、检测后盘成一卷，每卷最长20 km，以便运输到电缆生产厂家，开卷后和电缆一起制成最长20 km的脐带缆。

生产海洋深水脐带缆超级双相不锈钢管的盘管卷取装置主要由张紧装置、助卷辊和龙门地轨行走式卷取机等组成。

2 脐带缆超级双相不锈钢管卷取装置

2.1 张紧装置

张紧装置用于恒张力收线，其功能是压紧钢管，使张紧装置与卷取机卷筒之间形成一定的张力，以便将钢管卷的整齐、紧凑，防止盘管过程中盘卷不紧、散乱。

在盘卷过程中，由于对焊后待盘卷的钢管加上前一根尾部没盘卷的部分，总共只有数十米，质量很轻，盘卷过程中如果没有张紧装置，钢管很容易被卷取机拉过去，盘卷就会出现松散现象。因此，使张紧装置与卷取机卷筒之间形成一定的张力，这样才能盘好。

张紧装置位于卷取机之前，由一组用橡胶或聚氨酯等材料制成、转向相反的上张紧轮和下从动轮组成。两轮之间的间隙根据钢管直径大小和壁厚等手动调整，给钢管提供一个稳定、足够的压力，又能使钢管顺利通过，且不会在钢管上留下压痕，张紧装置的张紧轮要求耐磨并且更换方便。

张力过大，收线过紧，容易使钢管变形；张力过小，会造成收线不整齐和乱线。因此，保持合适的张力至关重要，合适的张力可以使得工字轮式卷取转鼓上每一新圈层都在张力下进行卷取，且有规律地步进。

张力控制方式采用磁粉制动器控制，张力控制范围5～200 N，可通过调节磁粉制动器的电流来实现，并能在线实时调控。

2.2 助卷辊

助卷辊也是卷取工作环节的重要设备之一，尤其对于直径、厚度较大的钢管，更是不可或缺的。其工作原理是利用布置在同一平面内、相互有若干个角度的辊轮，按一定的压下控制方式，对钢管施加周向压力，最终达到卷取目的。

助卷辊可以使钢管沿着卷筒周向运动，以适当压紧力将钢管压紧并对钢管提供摩擦使其紧贴在卷筒上，增加卷紧度。同时，助卷辊对钢管的压力使卷筒与钢管间有足够的摩擦而不至于打滑。钢管的塑性变形也是由助卷辊提供压力，并使钢管变形到容易卷取的形状，在最后收尾时压紧尾部，防止钢管尾部上翘和松卷。

助卷辊由辊轮、辊缝调整机构等组成，辊缝调整通过丝杆螺母机构来实现助卷辊和卷筒间隙的调整。

2.3 卷取机

卷取机主要有摆臂式、龙门悬挂式和龙门地轨行走式等3种形式。海洋深水脐带缆超级双相不锈钢管的卷取机采用龙门地轨行走式卷取机，实物如图1所示，主要由主体、行走机构、升降机构、传动装置和工字轮式卷筒等组成。

图1 龙门地轨行走式卷取机

工字轮式卷筒是钢管的储运设备，用以确保均匀地缠绕钢管。工字轮式卷筒由筒芯、轴套和边凸缘等组成，为焊接的钢结构。其中，筒芯外圈和边凸缘内侧都有不锈钢板垫层，目的是保护缠绕的钢管。卷筒轴套的两端分别与两个传动装置的动力输出轴相接，卷筒采用电机驱动形式，通过传动装置驱动卷筒正反转，使钢管保持一定的拉力，可使钢管紧绕在卷筒上。

卷筒所能缠绕钢管的长度和直径的大小，主要取决于卷筒的外径、宽度和筒芯的直径。例如，对于Φ12.7 mm钢管，若缠绕在筒芯直径1.5 m、卷筒外径2.5 m，宽度1.5 m的卷筒上，可卷长度达20 km以上。这种工字轮式卷筒盘卷非常密实，外形整齐，具有无与伦比的填充系数。

工字轮式卷筒的边缘部分沿圆周方向有一锥形通孔，锥形通孔的小端直径应大于需卷取钢管的最大直径，用于容纳钢管的初始端。把钢管的初始端插入此锥形通孔中，使得在工字轮旋转过程中可以自动支撑初始端。这个伸进卷筒内的钢管初始端也便于后续进行最高100 MPa的水压试验。

工字轮式龙门地轨行走式卷取机具有自动排线功能，其下面装有导轨，在文本显示器中输入钢管的直径，每盘好一圈，龙门行走式卷取机就会在导轨上移动相应距离，以保证盘管排列整齐。但由于钢管盘卷的速度很慢，通常只有3～5 m/min，大概只有电缆收盘速度的1/10，且钢管的直径较小，钢管的收线盘转速约0.5～1 r/min，也就是1～2 min收线盘横向移动一个钢管直径的距离。比如，钢管直径为6 mm，最极端的情况是2 min走过6 mm，即3 mm/min。因此排线行走采用了交流伺服电机，最小能达到1 mm/min的排线要求。经现场试验，即使2 mm/min的排线要求也完全能满足。

在卷取过程中，工字轮式卷筒上钢管的卷径也在不断变化，既要保证卷取正常工作又要使钢管保持一定的张力。因此，在工字轮收线直径不断变化的情况下，为了使收线的线速度和张力不变，传给卷筒的转速和扭矩就必须不断改变。所以选用了直流电机拖动系统，并采用其恒转矩调速性能，根据卷径变化调整卷筒转速，使卷取机能恒速正常卷取。

卷取机为卷取张力调节系统，卷盘的自动排线系统以线速度、卷径、线径为变量控制电机。电机经减速器减速，减速器输出端与离合器输入端联接，离合器输出端与传动装置联接。

卷取张力控制的效果直接关系到钢管能否紧紧抱拢在卷筒上以及卷形是否整齐。张力控制的目的在于保证正常卷取时的钢管张力恒定在设定值。为保持卷取机钢管张力的恒定，控制时主要考虑张力矩、弯曲力矩、摩擦力矩、随卷径变化的转动惯量补偿和加减速时的动态补偿力矩。

整个卷取工艺采用智能控制系统，特别用于监控钢管在工字轮式卷取转筒上的层层整齐卷取，直至盘卷结束。在实际控制中，卷取机有两种工作状态，即速度控制状态和张力控制状态。在点动和开始期间，卷取机工作在速度控制状态，当卷取张力建立后，卷取机工作在张力控制状态。

卷取的盘卷可根据卷筒规格具有不同的高度、内径和外径。卷取机主要技术参数为：适用线盘直径1 600～4 000 mm；适用线盘宽度500～2 400 mm；收线电机为Z4—11 kW，1 450 rpm直流电机。

卷取机具有可升降机构，可方便安装、卸载卷筒，也可根据卷筒的大小调整卷筒的高度，以便卷取。

3 实际应用及结论

卷取机经在海洋深水脐带缆超级双相不锈钢管生产线上的实际应用表明，钢管盘卷排列整齐，试制盘卷的力学性能完全符合ISO 13628-5—2009等有关标准要求。该卷取装置具备横向行走、到位锁紧、速度连续可调、自动变转速、机架开度可调、卷取完成后防反弹压紧钢管等功能，生产作业时安全可靠，可以满足实际生产的需要。同时，可实现钢管盘卷并进行现场储存，不仅储存方便，还可满足生产、运输和用户作业的需要。

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