海管铺设的储缆绞车设计

海管铺设的储缆绞车设计

马东山

马东山

身份证号码：44080419881113XXXX

摘要：储缆绞车与双滚筒摩擦绞车一起构成大型收放绞车，用于深水或超深水铺管船上的收弃管作业。储缆绞车主要起容绳作用,由电机、减速器、齿轮传动装置、储缆滚筒、链传动装置、排缆器、机架等组成。根据设计要求,选择了电动机和减速器，设计了齿轮传动和链传动,并对储缆滚筒和排缆器进行了结构设计和相应的强度计算。设计的储缆绞车可作为3000m水深铺管船的铺管设备，可储直径0116mm的钢缆3500m以上。

关键词：深水铺管船；储缆絞车；设计

引言：当前，海洋油气勘探开发已从浅海走向深海,甚至超深海。深水油气开发已成为世界石油工业的热点和科技创新的前沿,深水和超深水铺管作业设备研究是深水油气开发的重要研究内容之一。收放绞车(也称AR绞车，即Abandonment.RecoveryWinch)是铺管船上的关键设备之一。主要用于铺管过程中遭遇大风浪无法进行铺管作业时的弃管以及过后重新铺管时的收管,也可用于其他拖曳和起重等辅助工作1。按结构形式分，主要有2种收放绞车。拉力级别<2500kN的收放绞车多是以单滚筒形式为主；绞车拉力>2500kN时,由于绞车滚筒体所需要的容绳量增加等导致滚筒体体积增大,给设计和生产加工带来诸多困难，从而使超过该级别的收放绞车以摩擦形式的绞车为主，也称为双滚筒收放绞车"。这种以摩擦形式工作的双滚筒收放绞车还必须配置1台储缆绞车。这种组合形式的绞车容绳量大，可以适应深水、特深水等海域的海洋铺管作业。我国的深水和超深水铺管技术和设备与国外相比具有很大差距。国外在收放绞车的研制方面已能满足2000m以上的超深水作业要求，其中，公司研制了具备10000kN拉力的收放绞车,钢缆容绳量达3200m。我国还没有开展深水铺管船用大型收放绞车的研究工作，国内相关研究文献也很少,没有进行过系统的研究。本文在国家高技术发展研究计划(863计划)项目支持下重点研究了用于深水海管铺设的储缆绞车的设计,将对该类设备的国产化具有重要意义。

一、收放绞车总体方案和设计参数

深水铺管船AR绞车的持续拉力大，钢缆长度长,其结构形式采用双滚筒绞车外加1台储缆绞车，总体布置方案如图1所示。

图1中,双滚简绞车用于牵引钢缆,承受收管或弃管过程中钢缆所受的巨大载荷,钢缆从双滚筒绞车出来后进入储缆绞车。储缆绞车用于缠绕钢缆，通过多层缠绕可储放长度很长的钢缆，还承受多层钢缆的巨大重力,且必须与双滚筒绞车同步转动来实现钢缆的收放操作。

二、储缆绞车的整体结构和工作原理

储缆绞车主要由滚筒驱动电机(2台)、减速器(2台)、开式齿轮传动装置、储缆滚筒、链传动装置、排缆器、机架等组成，整体结构如图2所示。

2台滚筒驱动电机输出轴与减速器连接,减速器输出轴端安装开式小齿轮，开式大齿轮用螺栓与储缆滚筒连接,小齿轮与大齿轮啮合驱动滚筒转动。电机的正反转实现滚筒的储缆或放缆。

排缆器安装在储缆绞车的入绳端，主要作用是使钢缆在储缆滚筒上有序排列。由于深水铺管船收放钢缆较长，如果不安装排缆器,钢缆在储缆滚筒上的缠绕就会出现乱绳,致使钢缆过早失效。为此，在滚筒的一端安装1个链轮，通过链传动驱动排缆器的螺杆转动，从而使牵缆器左右移动,实现钢缆在储缆滚筒上有序缠绕。

三、储缆绞车主要部件选择和结构设计

3.1电动机

储缆绞车采用2台电机同步控制驱动，电机功率计算公式为

式中,F为钢缆持续拉力,250kN；v为储缆绞车收、放过程中速度最大者，40m/min；P为所需驱动功率。

由式（1）可计算得所需电机功率为

3.2减速器

为了减小安装空间，希望减速器输人轴与输出轴夹角为90°。考虑电机驱动功率后，储缆绞车减速器选用NGW-S102型行星齿轮减速器。

3.3齿轮传动设计

储缆绞车的齿轮传动由一-对开式齿轮组成,计算主要参数和几何尺寸。

3.4滚筒设计

3.4.1滚筒主体结构储缆绞车的滚筒结构如图3所示。滚简外径D=2354mm,滚筒长度L=3248mm。

3.4.2

强度计算a)滚筒壁内表面最大压应力。根据上述结构设计尺寸,已知L<3D。故滚筒壁内表面最大压应力应满足以下强度条件,即

式中,σ为滚简壁内表面最大压应力,MPa；A为与卷简层数有关的系数,取A=2；Smax为钢丝绳最大拉力,Smax=25X1000X9.8=245000N；t,为滚筒绳槽节距,t=120mm；δ为滚筒厚,δ=150mm；σyp,为许用压应力,σyp=157MPa。

由式(9)计算得

满足强度要求。b)稳定性验算。

滚筒失去稳定时的临界压力为

3.5排缆器设计

储缆绞车滚筒的一端安装有链轮,通过链传动驱动排缆器的螺杆转动,从而使排缆器左右移动。当储缆终车每收放完1圈钢缆时,牵绳器前进或后退固定螺距；当储缆绞车每收放完1层钢缆时,牵绳器终止1个行程，同时自动反向移动进人下一个行程,实现钢缆整齐有序地缠绕在滚筒上。排绳器主要由螺杆、牵绳器组成。

3.5.1螺杆

螺杆是排绳器的主要构件之一,采用双向螺纹设计,即将螺距相同的正反2条螺纹加工于同一螺杆上,并在螺纹终端将2螺纹连接并进行修缘,实现螺母在1个行程终止后自动反向移动而不需要单独的换向装置。双向导螺杆的结构形式如图4所示。

牵绳器在螺杆上每走1个导程，钢丝绳在滚简上缠绕1圈,理论上各圈钢丝绳紧密毗连,因此螺杆的导程可取钢丝绳的直径。但是考虑到钢丝绳多圈缠绕后在压力作用下被压扁,因此取一定的直径增量。由于钢丝绳直径为0116mm,钢丝绳被压扁的直径增量取3mm,因此螺杆的导程为119mm。由于螺杆采用单线螺纹，螺距也为119mm。

3.5.2牵绳器

牵绳器主要由滑块、滑轮组件以及支撑滑轮组件的小滚轮组成,如图5所示。

滑块相当于螺杆上的螺母,安装于牵绳器内部，当螺杆转动时滑块带动滑轮组件在螺杆上水平移动。小滚轮用于支撑牵绳器的重力以及牵引钢丝绳时产生的压力,并将这些力转移到支撑导轨上,以减轻螺杆的承重。滑块主要由壳体、圆锥滚子、保持架等组成,结构如图6所示。

保持架安装于滑块壳体上,并可与壳体发生相对转动，以保证牵绳器在双向导螺杆端部顺利换向，而相对转动的角度大小受壳体上的限位凸台限制。圆锥滚子可在保持架中自由转动,把滑块与螺杆间的滑动摩擦变为滚动摩擦。同时,圆锥滚子在保持架中还有一-定的调心角度，以更好适应螺杆上螺纹槽的变化。

结束语：设计的储缆绞车将与双滚筒摩擦绞车配合使用，可用于3000m水深铺管船的铺管设备,可储直径0116mm的钢缆3500m以上。该储缆绞车排缆器丝杆与滚简通过链传动实现同步转动,使牵绳器有规律地左右运动,确保缆绳在滚筒上能有序缠绕。与独立电机驱动丝杆的排缆器装置相比，降低了控制难度，提高了缆绳有序缠绕的可靠性。

参考文献：

[1]张宏,李志刚，赵宏林,等.深水海底管道铺管设备技术现状与国产化设想2015.2

[2]吴建民,陆品,王定亚.国外铺管绞车技术研究与国产化发展建议2014.7

[3]翟庆光,聂杰,康岳伟.深海调查绞车牵引机构和储缆机构分离技术系统分2017.6