J型鋪管用管塔角度調節器設計

朱裕譜，段夢蘭，王偉鵬，范嘉堃

（中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心，北京102249） ①

在深海石油開采前，需要對海底油管進行鋪設，J型鋪管方法是當前最適合深水和超深水油管鋪設的方法［1－2］。由于管道以近乎垂直的角度進入水中，并平鋪在海床上，使得管道整體形狀呈現J型而得名。在國內，由于受到我國深水勘探開發技術的限制，對J型鋪管的研究才剛起步，而國外已經有了非常成熟的應用。J型鋪管方法實質上是張力鋪管法的一種［3］，在鋪管船上架設鋪管塔，對于不同水深和管徑，在鋪設過程中通過調節J型鋪管塔的傾角來改善管道受力狀態，達到安全作業的目的。鋪管塔上主要包括有塔架、角度調節裝置、管道輸送裝置等。其中，角度調節裝置是實現塔架角度調節的關鍵裝置。本文分析了現有角度調節器存在的問題，提出新的設計方案。

1 現有J型鋪管船的角度調節器簡介

角度調節器在鋪管過程中起固定、支撐塔架的作用。與此同時，針對不同水深及海床狀況，角度調節器可以使塔架在一定的角度調節范圍內轉動，從而減小所鋪設管道頂端的應力，保證鋪管作業的順利進行［4］。

1.1 Saipem7000型鋪管船簡介

圖1是裝有液壓插孔角度調節器的鋪管船Saipem7000［5］。Saipem7000是意大利著名的海洋公司Saipem于1988年建成的半潛式起重船，用于進行J型管道鋪設，長為198 m，寬為84 m，主機板深度為45 m，塔轉角度90～110°。它安裝有世界上最大的J型管道鋪設塔吊，配備有先進的動力定位設施，能夠在水深超過1 980 m的海域安裝直徑為102～810 mm的管道。其應用的是銷軸與液壓缸配合式（即液壓插孔式）角度調節器。

圖1 Saipem7000型船的角度調節器

1.2 管塔角度調節器分析

Saipem7000型鋪管船所使用的角度調節器結構如圖2～3所示。其工作原理：在初始狀態時，所有液壓缸均處于收縮狀態。當需要增大角度時，同步拔出下部插銷，將控制角度調節的液壓缸伸出，在上部插銷剪切力作用下將支撐桿拉長，將下部插銷插入支撐桿中，鎖定支撐桿的相對位置，拔出上部插銷，將液壓缸縮回至原長后，再插入上部插銷，完成1次增大角度的調節。當需要減小角度時，拔出上部插銷，液壓缸伸出，然后將插銷插入支撐桿中，松開下部插銷，控制液壓缸縮回，帶動支撐桿縮短1個液壓缸行程的距離，再插入下部插銷，鎖定支撐桿的相對位置，完成1次減小角度的調節。所調節的角度須是液壓缸行程的倍數，重復上述調節動作直到既定角度為止。

這種液壓插孔式的J型鋪管角度調節器通過順序插拔銷軸雖然實現了塔架傾斜角度可調，但其仍然存在諸多缺陷：

1） 調節精度不高，不能進行連續角度的調節，只能進行液壓缸行程倍數跳躍調節，達不到適合的角度。

2） 調節過程復雜，需要反復多次的調節才能達到既定的角度；

3） 通過插銷插孔進行角度調節需要比較高的定位精度，插銷一旦無法正常插入就無法實現角度調節。

4） 鋪管過程中，塔架可能存在一定的扭轉，兩側的液壓插孔式調節器同步性較差。

圖2 現有角度調節器整體結構

圖3 調節桿總成

2 新型角度調節器

鑒于上述缺點，筆者對塔架的角度調節裝置進行創新設計，提出了一種能夠支持塔架傾斜角度連續調節的J型鋪管角度調節裝置，期望通過齒輪齒條機構替代傳統的套桿插孔式結構，來避免塔架角度調節時，無法連續調整角度、插孔對位以及角度調整過程復雜、耗工耗時的問題。新型角度調節器由電機、蝸桿減速箱、齒輪齒條等構成。

2.1 工作原理

新型角度調節器結構如圖4所示。電動機提供動力，通過蝸輪蝸桿減速箱減速后，傳遞到齒輪上，驅動齒輪驅動齒條，在反力的作用下，反向推動塔架，進而達到調節角度的目的。具體調節過程為：當鋪管深度減小時，電動機開始正轉，通過蝸桿減速箱將轉動傳遞至齒輪上，齒輪齒條嚙合傳動。由于齒條下端鉸接固定，從而由于反力的作用，塔架繞著鉸接點向右轉動，增大塔架與豎直方向的夾角，減小管道應力；當水深增加后，電動機反轉，塔架向左轉動，減小塔架與豎直方向的夾角，從而減小管道應力。當達到既定角度時，利用蝸輪蝸桿的自鎖功能對塔架角度進行鎖止，從而實現角度調節。

圖4 新型角度調節器結構

2.2 關鍵參數設計

齒輪齒條作為本設計最重要的結構，設計依據是自升式平臺升降裝置［6－7］，結構示意圖如圖5所示。齒輪齒條升降系統作為自升式平臺的關鍵部分，幾乎承擔了整個平臺的自重力和工作載荷。結構上，通常采用少于正常齒數的齒輪，4、6、7個不等，齒輪齒條經由特殊加工以及處理，使得能承受更高強度的載荷，單個升降齒輪所承受的載荷可以達到2 960 k N。

塔架整體重力約為25 000 k N，塔重心位置距離底部鉸接點為45 m，齒條鉸接點距原點為60 m，角度調節范圍為90～110°，角度調節速度較慢，齒輪的轉速取值為1 r/min，角度調節如圖6所示。

設齒條上的作用力為F，同時水平方向上的距離為a，如圖a，則有：

圖5 自升式平臺升降結構

圖6 角度調節過程示意

由（1）～（2）計算可得：當θ1＝70°，即調節至110°時，齒條上所受的力最大。綜合考慮，取a＝60 m可得適當大小的拉力F，極限位置如圖6b所示，此時最大拉力值Fmax＝11 180 k N，取電機臺數為4，主動齒輪所受的力，進而確定電機型號以及蝸桿減速器的傳動比。由圖6計算可得：齒條齒面部分長：

本設計齒輪齒條的結構參數定為：

齒輪：模數m＝100 mm，齒數Z＝10，齒寬b1＝625 mm。齒條：齒寬b2＝625 mm。

2.3 關鍵部件強度校核

齒輪的齒數為10，模數為100 mm，壓力角為20°，齒輪的轉速為1 r/min，約為0.1 rad/s。齒條受到的壓力以及和運動方向相反的拉力分別為1 017 k N、2 795 k N。齒輪齒條的齒面材料為20Cr NiMo，其屈服強度為785 MPa，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.30，密度為7.8×103kg/m3。分析其在嚙合過程中的接觸力的變化。

由于是對角度調節器的主要構件進行分析，選擇的是齒輪齒條。所以將分析的重點放在輪齒上，通過簡化處理，可建立幾何模型如圖7所示。

圖7 齒輪－齒條嚙合傳動模型

邊界條件：齒輪軸和工作臺作為剛體處理，工作臺全固定，齒輪存在繞z軸的轉動自由度，轉速為0.1 rad/s。齒輪繞齒輪軸轉動，齒條在工作臺上表面移動，齒輪齒條嚙合，進行動態分析［8］。分析結果如圖8所示。

由Mises應力云圖可看出，在齒輪齒條嚙合傳動過程中，輪齒的齒根部分以及輪齒和輪齒的接觸部分發生應力集中現象，齒根部分容易發生折斷，齒面容易出現磨損、膠合以及塑性流動等失效形式。這與工程應用中的實際情況是一致的，其最大值為638 MPa，小于材料屈服強度（785 MPa），滿足材料要求，達到設計目標。

圖8 齒輪－齒條的Mises應力云圖

3 結論

1） 現有的角度調節器存在無法連續調整角度、插孔對位精度、同步性差以及角度調整過程復雜、耗工耗時等問題，影響了J型鋪管船的作業效率。

2） 研制了新型的角度調節器，確定其關鍵部件結構參數，并對其進行有限元校核，達到設計要求，有效地解決了現有J型調節器的問題。

3） 新型角度調節器的優點：調節精度高，能進行連續角度的調節；調節過程簡便，控制電機的正反轉快速調節至所需角度；兩側齒條同步性高，可以防止塔架扭曲的發生，提高塔架的穩定性及安全性。

［1］ 何寧，段夢蘭.J型鋪管法研究進展［J］.石油礦場機械，2011，40（3）：63－67.

［2］ Gary E Harrison Kary.Method of Deepwater Pipelay：US 4992001［P］.1991.

［3］ Choi H S.Deepwater pipelay analysis［J］.Journal of Offshore Technology，1999，7（2）：18－20.

［4］ 管德旺，段夢蘭.深水管道J形鋪設工藝分析［J］.石油機械，2011，39（10）：131－135.

［5］ 趙煒，張胭脂.意大利新型海上油田作業設備［J］.國外石油機械，2000，28（12）：58－60.

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［7］ 梁小玲.海上自升式鉆井平臺升降控制系統設計與研究［D］.大連海事大學，2010.

［8］ 趙騰倫.ABAQUS在機械工程中的應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.