3500 m电动深海随钻取心绞车的研制

刘文武，高利艳，郭坤，李超

(1.北京探矿工程研究所，北京 100083；2.北京东西分析仪器有限公司，北京 100044)

0 引言

合理开发、充分利用海洋资源具有战略意义，随着陆地资源的日趋枯竭，人类的生存和发展将越来越多地依赖海洋。在2000～6000 m水深的区域蕴藏着丰富的海洋矿产资源，包括可燃冰、多金属结核、热液矿床和钴结壳等。围绕海洋强国战略，面向国家能源资源保障等重大需求，国家统筹部署了海洋地质调查工作，系统获取海洋地质基础数据，大幅提升海洋地质调查研究程度，摸清海域矿产资源潜力，海洋钻探是完成此任务必不可少的手段。深海随钻取心绞车是海洋钻探的关键部件，其主要作用是将海底样品快速提取到甲板上。因为波浪的缘故，要求绞车具有升沉补偿功能。

1 设计方案

1.1 设计标准

《钢质海船入级与建造规范》2012版；《材料与焊接规范》；《船用地质绞车》(CB 3150-83)；《甲板机械一般要求》(GB/T 3877-2005)。

1.2 绞车设计方案

与普通异步电机相比，交流变频电机在控制及性能方面有着非常明显的优势，故绞车采用电动变频控制方案。变频电机通过减速箱与卷筒连接，通过变频控制，控制电机转速最终达到控制钢丝绳速度；绞车刹车系统采用目前流行的液压盘式刹车，带有安全钳和工作钳；绞车配备自动排绳装置。绞车主要包含以下三部分：①绞车本体，主要包括变频电机、绞车卷筒、传动装置、钢丝绳、墙架装置及底座等；②排绳装置，主要包括电机、传动装置、螺杆、导杆及支架等；③刹车离合装置，主要包括盘式刹车装置(含工作钳和安全钳)、液压离合装置等。

1.3 绞车升沉补偿装置及控制系统设计方案

船舶在波浪的不规则运动中将产生围绕其原始平衡位置的纵荡、横荡、升沉、纵摇、横摇及首摇6 个自由度的摇荡运动。在恶劣海况下，母船的剧烈运动不仅带动水下样品的深度变化较大，而且钢丝绳受到强变张力的反复冲击。

取样绞车钢丝绳的卷放受船体升沉影响，会产生忽上忽下现象，对其提取的样品造成磕碰损坏，通过设计升沉补偿装置，来消除此现象。升沉补偿装置采用被动升沉补偿形式，钢丝绳挂载的滑轮组上安装有液压油缸，油缸通过蓄能器与气罐联接。由于气体的可压缩性，对压力变化较敏感，也可产生较大的体积变量，当钢丝绳受船体升降影响时，根据钢丝绳受力变化，使液压油缸产生被动行程，从而对钢丝绳的长度进行补偿，如图1所示。

图1 油缸被动补偿系统原理图

1.4 技术参数

深水随钻取样绞车及升沉补偿系统技术参数见表1。

表1 深水随钻取样绞车及升沉补偿系统技术参数表

2 深水随钻取样绞车的研制

根据绞车设计方案，研制一台具有自动排绳机构、控制面板上具备钢丝绳计数器和张力计，并且带有升沉补偿机构深海取心绞车。绞车的速度变化平滑缓和，张弛有度；排绳装置，自动掉头亦步亦趋，整齐有序。绞车具有自动、手动、恒张力控制、点深度自动校正、拉力显示和超限报警等各项功能。

2.1 绞车卷筒、制动系统及排绳装置

绞车卷筒是主要承力部件，机架是固定绞车卷筒与甲板连接的重要部件。同时考虑到由于海洋大气中含有较高的盐雾，空气的湿度较大，容易引起设备金属部件的腐蚀。目前最为直接有效的方法就是使用涂层防护。为了适应海上环境，绞车表面按照船舶规范实施底料处理并喷涂防护漆，不能做喷涂处理的零部件采用表面化学非晶镀处理或用316L 不锈钢材料。涂层处理前必须进行绞车表面处理，彻底清除表面的铁锈、油污和氧化物等，表面处理的质量直接影响防腐效果。表面处理完成后，喷涂底漆，底漆能够长期保护底材，一般采用环氧富锌涂料。中间层和面漆一般选用环氧玻璃鳞片涂料，这种涂料的特点是耐磨性高、抗冲击、水汽渗透率低。

绞车具有重力下放功能，制动采用盘式刹车方案，配有工作钳和安全钳。与传统带式刹车装置相比，盘式刹车具有刹车力矩大、制动性能稳定、刹车控制准确、操作轻便省力、维修方便等特点。整个刹车系统性能稳定，安全可靠。安全钳和工作钳主要参数见表2，安装实物图见图2。

表2 安全钳和工作钳主要技术参数

图2 装在绞车本体上的安全钳与工作钳

自动排缆装置主要由电机、减速机、传感器、螺杆、导杆、支架、排缆左右墙架、张力传感器、编码器等组成。减速机分别与电机和螺杆相连，支架安装在螺杆和导杆上，左右墙架用于承载支架受力。图3所示为自动排绳实物图。绞车收放缆绳过程中，卷筒卷绕一圈后，带动支架上挡绳轴偏向左边(或右边)，支架上左边(或右边)传感器感应信号，通过PLC控制系统，驱动电机转动，带动减速机和螺杆转动，支架向左(或向右)移动，卷筒卷绕下一层，重复以上动作，均匀排缆。支架上同时还装有张力传感器和编码器，测量绞车绳长、速度和张力。绞车主体部分加工组装后如图4所示。

图3 自动排缆装置实物图

图4 绞车实物图

2.2 绞车升沉补偿系统

取样绞车升沉补偿装置采用被动补偿方式，由取样补偿油缸、活塞式蓄能器、氮气瓶及补偿控制系统组成。取样补偿油缸主要是由柱塞杆加六倍滑轮组组成，油缸行程1000 mm，补偿范围±3.0 m。当海面有±3 m的巨浪时，船体的上下波动应在±3 m以下，为了确保取样绞车钢丝绳张紧力保持在一定的范围，通过波浪补偿油缸及与其联接的蓄能器组控制油缸伸缩，从而收紧或放松对应的钢丝绳，实现补偿船体因随浪上下造成的钢丝绳松紧程度的变化。通过补偿油缸和蓄能器给予取样绞车一定的张力补偿。被动补偿工作前，需要将补偿油缸中充入一定量的液压油，当达到补油压力设定值(设定值的大小与作业水深和海况有关)时，补油动作自动结束。被动升沉补偿装置控制系统由液压泵、液压阀、电控箱、液压元件及电气元件等组成。图5所示为绞车补偿油缸。

图5 补偿油缸实物图

3 应用情况

绞车在厂内进行了模拟海况试验，分别对绞车本体和升沉补偿装置进行了试验。

3.1 绞车本体试验

分别进行了空载试验、工作负载试验、重力下放试验、超负载试验。试验结果表明绞车运转正常。

3.2 升沉补偿装置试验

绞车升沉补偿装置进行陆上的性能验证试验，使用摇摆试验平台。绞车与升沉补偿装置安装于试验平台上，通过导向滑轮组起吊负载，摇摆试验平台模拟船舶在波浪中横摇纵摇的状态，补偿油缸随摇摆状态作伸出/缩回动作，保持绞车钢丝绳张力动态恒定，验证对绞车升沉补偿装置的性能试验。

为了进一步验证绞车升沉补偿装置的技术性能，用一台专用试验绞车，起升速度90 m/min，操纵试验绞车起升负载，升沉补偿装置作用，油缸伸出，达到补偿效果；操纵试验绞车下放负载，升沉补偿装置作用，油缸伸出，达到补偿效果。

4 绞车主要特点及创新点

(1)采用交流变频调速方式实现从零到最大转速的无级调速(调速范围广)，可以在低速和堵转工况下提供100%额定扭矩，调速平稳。

(2)变频器控制精度高，可实现精确控制。

(3)节能效果明显。

(4)采用更为先进可靠的盘式刹车，目前地质绞车大部分为带式刹车，本绞车采用了可靠的盘式刹车装置。

(5)排绳装置引进和吸收国外先进技术，摒弃传统的机械排缆技术，采用独立电机驱动形式，通过PLC程序控制，将绞车卷筒收放缆动作、排缆装置的导向、排缆动作等有序地联动，保障整套设备运转协调有序。

5 结语

深海随钻取样绞车是一台具有波浪补偿功能的并通过CCS船检认证的深海取心绞车，为解决海洋勘查船样品从海底快速提取提供了技术支撑。同时该绞车自带波浪补偿机构，补偿样品与母船之间的相对速度，从而使样品安全地从海底提至甲板上。绞车采用交流变频电机驱动，运用电控系统，具有很好的可操作性；绞车质量轻、体积小，安装运输方便，具有良好的适应性。随着自动化、智能化钻井技术的发展，该型绞车在国内外市场尤其是在海洋钻井方面一定会有较好的应用前景。

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