動(dòng)力定位狀態(tài)下張緊器的調(diào)試分析

馮鐵驥，陳 磊，藍(lán)彬彬

● （江蘇熔盛重工有限公司，江蘇南通 226532）

動(dòng)力定位狀態(tài)下張緊器的調(diào)試分析

馮鐵驥，陳 磊，藍(lán)彬彬

● （江蘇熔盛重工有限公司，江蘇南通 226532）

隨著深海海洋工程裝備的發(fā)展，深水鋪管起重船“海洋石油 201”建造完成。張緊器是鋪管船上的關(guān)鍵鋪管設(shè)備，而在動(dòng)力定位狀態(tài)下的張緊器調(diào)試又是將鋪管船的全部能力發(fā)揮出來保證鋪管成功的重要工作。本文簡(jiǎn)述了張緊器的工作原理，以“海洋石油 201”上的張緊器為實(shí)例介紹了 S-lay張緊器在動(dòng)力定位狀態(tài)下的調(diào)試工作，并提出了以后深水鋪管船張緊器的改進(jìn)建議。

張緊器；動(dòng)力定位；深水鋪管起重船；調(diào)試；S-lay

1 張緊器簡(jiǎn)介

S-lay鋪管船是通過張緊器來實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)管線與船舶之間張力轉(zhuǎn)換的，張緊器使用設(shè)定的張力夾持管線，并保證在移船過程中維持設(shè)定張力并以與船舶配合的速度下放管線。張緊器通過保持一定壓緊力的上下履帶將管線夾緊，一般通過帶阻尼器的液壓裝置來提供壓緊力。上下履帶通過電動(dòng)或液壓馬達(dá)來帶動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，收放管線。通常一條鋪管船安裝2臺(tái)或以上的張緊器，這些張緊器并聯(lián)運(yùn)行，分擔(dān)負(fù)載。這種方式不僅可以在不破壞管線涂敷層的情況下提供更大的張力，更重要的是對(duì)于這樣關(guān)鍵的鋪管設(shè)備提供冗余度，降低由于設(shè)備問題出現(xiàn)事故及待機(jī)的情況。

動(dòng)力定位鋪管船上的張緊器，工作在淺水情況時(shí)，經(jīng)常會(huì)受到海況的影響，造成鋪設(shè)管線上張力的迅速變化，而這時(shí)張緊器就必須能夠?qū)佋O(shè)的管線上的張力在船舶位置不變的情況下保持穩(wěn)定，這時(shí)張緊器會(huì)通過短距離上快速的收放管線來實(shí)現(xiàn)，也就是當(dāng)船舶工作在動(dòng)力定位情況下海況惡劣時(shí)，船舶會(huì)在首尾方向產(chǎn)生頻繁移動(dòng)，這時(shí)張緊器要快速的進(jìn)行響應(yīng)，以維持管線上的張力在允許的范圍內(nèi)。張緊器根據(jù)鋪設(shè)管線上的張力輸入值，調(diào)整履帶的移動(dòng)速度和方向。

表1介紹了“海洋石油201”鋪管船張緊器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

保持鋪管船在預(yù)設(shè)的位置和穩(wěn)定的移船動(dòng)作是鋪管作業(yè)成敗的關(guān)鍵。如果船舶失位（包括位置和首向變化超出允許范圍），通過尾部托管架鋪設(shè)到海底的管線會(huì)承受巨大的彎力，這樣管線很可能會(huì)超過屈服強(qiáng)度或斷管。第一代鋪管駁船使用工作錨機(jī)的錨泊定位系統(tǒng)，通過絞錨來移船。受作業(yè)水域水深以及作業(yè)區(qū)域水下已安裝的設(shè)施等影響很大。當(dāng)前動(dòng)力定位的鋪管船使用推進(jìn)器進(jìn)行定位，在復(fù)雜的海況條件下能夠進(jìn)行精確定位。動(dòng)力定位鋪管船的控制框圖如圖1。

表1 “海洋石油201”鋪管船張緊器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

圖1 典型的動(dòng)力定位鋪管船控制框圖

2 張緊器調(diào)試的前期工作

張緊器在進(jìn)行動(dòng)力定位狀態(tài)的調(diào)試前要完成一些前期工作，包括：

1）完工檢查工作（包括3D測(cè)量問題）

完成機(jī)械完工檢查，完成機(jī)管電儀的預(yù)調(diào)試工作，液壓系統(tǒng)的完工檢查，單個(gè)設(shè)備工作正常，控制網(wǎng)絡(luò)通暢，邏輯正確。其中要確認(rèn)張緊器與主作業(yè)線和尾部托管架處于同一條中心線上，需要進(jìn)行3D測(cè)量，也就是確保張緊器的中心垂面與作業(yè)線和托管架處于同一個(gè)平面內(nèi)。

2）張緊器標(biāo)定及靜態(tài)試驗(yàn)

完成張緊器的測(cè)力裝置的標(biāo)定、恒扭矩和恒張力狀態(tài)的調(diào)試工作。

3）張緊器控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)就是為了驗(yàn)證張緊器在恒張力和恒扭矩模式下，能夠保證海管上的拉力在設(shè)定范圍內(nèi)。

3 動(dòng)力定位狀態(tài)下的張緊器調(diào)試

鋪管船工作在動(dòng)力定位模式時(shí)，張緊器的張力控制是一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。張緊器控制一般使用PI控制（就是比例積分控制）。張緊器根據(jù)安裝的張力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量鋪設(shè)管線的張力，以實(shí)際測(cè)量到的張力作為系統(tǒng)控制的輸入，與系統(tǒng)設(shè)定張力進(jìn)行比較，使用兩者之間的差值，作為負(fù)反饋控制的輸入量，（調(diào)試過程中需要對(duì)增益因數(shù)進(jìn)行不斷的調(diào)整），通過增益因數(shù)P進(jìn)行調(diào)整，之后要對(duì)比當(dāng)前電動(dòng)機(jī)上需要的扭矩，進(jìn)行疊加。下圖中自動(dòng)模式時(shí)選擇根據(jù)張緊器收放速度進(jìn)行控制，計(jì)算處理后的扭矩差值會(huì)與收放速度的計(jì)算機(jī)進(jìn)行疊加，計(jì)算后的結(jié)果送給履帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行輸出與執(zhí)行。當(dāng)選擇根據(jù)移船速度進(jìn)行控制或手動(dòng)模式時(shí)，將會(huì)根據(jù)移船速度進(jìn)行疊加，最終進(jìn)行輸出。詳細(xì)的控制流程如圖2所示。

圖2 張緊器的控制邏輯圖

在船舶動(dòng)力定位狀態(tài)的張緊器調(diào)試過程中，需要不斷調(diào)整各個(gè)參數(shù)（圖中斜字體），使張緊器與動(dòng)力定位能夠協(xié)調(diào)工作，也就是能夠保證張力變化在可以接受的范圍之內(nèi)。

4 深水模式下的張緊器調(diào)試

當(dāng)動(dòng)力定位鋪管船工作在深水工況時(shí)，從船尾鋪設(shè)到海底的管線主要處于垂直狀態(tài)，當(dāng)船舶移船時(shí)，管線的張力變化比較小，張緊器不會(huì)像淺水時(shí)隨著移船自動(dòng)的收放管線。此時(shí)就需要用到張緊器的深水模式。在深水模式下，每次移船之前，可以設(shè)定本次張緊器釋放管線的長(zhǎng)度，當(dāng)張緊器收到移船的指令后（一般是由動(dòng)力定位系統(tǒng)移船時(shí)發(fā)出），張緊器會(huì)釋放剎車裝置，根據(jù)設(shè)定時(shí)間提升放管速度到最大值，按指定長(zhǎng)度釋放管線并減速到最終停止。

5 結(jié)論及改進(jìn)建議

“海洋石油201”深水鋪管船上2臺(tái)200mT的張緊器，每臺(tái)張緊器的履帶由4臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。而8臺(tái)電機(jī)連同AR絞車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)分布到4臺(tái)變頻器上。當(dāng)任意一臺(tái)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)處于對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的原因會(huì)把2臺(tái)張緊器同時(shí)剎車，不能進(jìn)行任何動(dòng)作，也就是2臺(tái)張緊器會(huì)由于一個(gè)故障同時(shí)失效。如果移船過程中突然剎車，DP系統(tǒng)會(huì)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)停船但是也會(huì)導(dǎo)致管線張力的升高，對(duì)管線和船舶都有可能造成危害，基于以上情況，可以考慮在以后的項(xiàng)目中將張緊器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器合理分布，加大單臺(tái)電機(jī)的容量，同時(shí)改進(jìn)控制系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)單臺(tái)甚至兩臺(tái)變頻器不能工作時(shí)，還能確保每臺(tái)張緊器在失去一個(gè)或兩個(gè)電機(jī)的情況下能夠正常工作，可以最大限度的提高張緊器的冗余及可靠度。

深海開發(fā)是以后海洋工程的重要方向，“海洋石油201”項(xiàng)目大型的變頻驅(qū)動(dòng)的張緊器的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)將是以后此船舶項(xiàng)目實(shí)施的重要參考，同時(shí)也為后續(xù)同類型船舶的開發(fā)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

[1]Gullik Anthon Jensen.Offshore Pipelaying Dynamics[D].Norwegian University of Science and Technology, 2010.

[2]Federico Gaggiotti.Deep Water Pipe Laying: from Mooring-Based Station Keeping to Dynamic Positioning[D].Università Politecnica delle Marche.

[3]Ben C.Gerwick Jr..Construction of Marine and Offshore Structures[M].Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2007.

[4]KONGSBERG K-Pos Manual[Z].Kongsberg, 2007.

DNV 發(fā)布2020 年航運(yùn)報(bào)告

DNV發(fā)布的《2020年航運(yùn)報(bào)告》是對(duì)全球船隊(duì)至2020年發(fā)展變化的一項(xiàng)綜合性情景研究報(bào)告成果。DNV分析了未來八年全球船隊(duì)的發(fā)展情況并給出了明確的答案：在向2020年邁進(jìn)的過程中全球船隊(duì)構(gòu)成將會(huì)發(fā)生變化。

該項(xiàng)研究基于預(yù)測(cè)的市場(chǎng)發(fā)展情況、監(jiān)管法規(guī)的變化、燃油價(jià)格、各項(xiàng)新技術(shù)的成本和可用性以及船東的具體要求，探討了具有最佳成效同時(shí)又符合相關(guān)環(huán)保要求的多項(xiàng)技術(shù)。

全球經(jīng)濟(jì)中心正向亞洲轉(zhuǎn)移，這將影響到航運(yùn)線路和對(duì)船舶的需求量。天然氣和石油價(jià)格有望脫鉤，頁巖氣的發(fā)展將有可能增加天然氣的供應(yīng)量。針對(duì)包括上述因素在內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)，DNV評(píng)估了未來四種可能的發(fā)展情景，通過模擬模型，對(duì)全球船隊(duì)到2020年對(duì)技術(shù)的采納情況作出了預(yù)測(cè)。

DNV海事與油氣總裁石萬勝（Tor Svensen）先生表示，“目前全球經(jīng)濟(jì)仍很脆弱，不僅金融分析師、銀行家和決策者希望了解世界未來十年的發(fā)展情況，航運(yùn)界也提出了相同的問題。盡管預(yù)測(cè)未來的風(fēng)險(xiǎn)很大，我們還是希望分享我們對(duì)航運(yùn)業(yè)至2020年乃至2020年之后的發(fā)展及其技術(shù)采納情況的看法，希望能激發(fā)業(yè)界的探討和有助正確決策。

該報(bào)告研究表明，在實(shí)施全球硫氧化物限值之前對(duì)洗滌器的使用可能會(huì)非常有限。污染排放控制區(qū)的設(shè)立不會(huì)造成大量使用洗滌器。但是船東可能會(huì)在從目前到2019年的新造船上預(yù)留安裝洗滌器的空間，但安裝洗滌器可能要等到這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步成熟并確定實(shí)施全球含硫限值以后。

對(duì)于壓載水處理系統(tǒng)的應(yīng)用，報(bào)告認(rèn)為如果壓載水管理公約的批準(zhǔn)延遲，也只會(huì)造成與壓載水處理系統(tǒng)有關(guān)的技術(shù)訂單的積壓，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的分階段實(shí)施時(shí)間表幾乎沒有影響。采納這項(xiàng)技術(shù)的高峰會(huì)在2017年出現(xiàn)，主要是受到美國(guó)實(shí)施相關(guān)法規(guī)的推動(dòng)。船舶改裝預(yù)計(jì)將在2019年后完成，除非國(guó)際海事組織決定放寬計(jì)劃的實(shí)施時(shí)間表。

能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）法規(guī)要求2025年新建的船舶比目前船舶的平均能效提高30%，這項(xiàng)法規(guī)會(huì)促進(jìn)能效措施的實(shí)施以及采用液化天然氣作為燃料。目前還不確定的是船東是否會(huì)加緊提前推進(jìn)EEDI計(jì)劃，現(xiàn)在就按EEDI要求新建船舶。

DNV《2020年航運(yùn)報(bào)告》的主要發(fā)現(xiàn)還包括：未來八年內(nèi)每交付10艘新船中有超過1艘會(huì)配備天然氣為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)；到2020年，船用餾分油的年需求量會(huì)高達(dá)2-2.5億噸；到2020年，新建船舶的二氧化碳排放量將比現(xiàn)有船舶的排放減少最高達(dá)35%；到2016年，至少30%的新建船舶都將安裝廢氣循環(huán)（EGR）或選擇性催化反應(yīng)器（SCR）系統(tǒng)。

Commissioning Analysis for Tensioner under Dynamic Positioning State

FENG Tie-ji, CHEN Lei, LAN Bin-bin
(Jiangsu Rongsheng Heavy Industries Co., Ltd., Nantong 226532, China)

With the development of offshore engineering equipment, the construction of DPV “HAI YANG SHI YOU 201” has been completed.The tensioner is one of the most critical equipments on pipe laying vessel.The commissioning work under dynamic positioning state will affect the successful pipe laying performance.This paper describes the technical principle of the tensioner, and introduces the commissioning procedure under dynamic positioning state of the S-lay tensioner which is equipped on “HAI YANG SHI YOU 201”.The optimization advices for the DPV tensioner are given at the end of the article.

tensioner; dynamic positioning; DPV; commissioning; S-lay

U667.34

A

馮鐵驥（1979-），男，工程師。研究方向：海洋工程調(diào)試。