滾筒驅動系統在海底軟管鋪設中的運用

曾德祥　楊進　韋正實　王焜　李一凡

摘 要：本文結合在馬來西亞海上某油田作業區5.5寸海底軟管鋪設施工中350噸滾筒驅動系統的具體應用，對軟管鋪設中軟管鋪管支持船舶、滾筒驅動系統與滾筒間匹配性分析、滾筒驅動系統裝船定位技術以及軟管鋪設中滾筒驅動系統與張緊器間速度匹配性分析等工作內容作了詳細論述，并對軟管鋪設施工工藝也作了相應的描述，對于未來海底深水軟管鋪設施工的應用具有一定的參考意義。

關鍵詞：滾筒驅動系統；軟管鋪設；滾筒；匹配性；裝船定位

隨著世界范圍內海洋油氣資源開發力度的不斷加大，海底管道是目前海洋油氣資源最主要的輸送方式之一，尤其在深水油氣田開發中的運用中則更加突出，海底管道是目前連續輸送海洋油氣資源最為快捷、安全和經濟的方式之一，其中柔性海底管道因可承受較大變形、抗腐蝕、易于鋪設及可回收等優勢而得以廣泛采用。柔性海底管道的鋪設施工是管道系統建設的關鍵環節，除需要鋪管船之外，還需依靠儲管滾筒及滾筒驅動系統、張緊器以及其他輔助裝備等，其中滾筒驅動系統是應用于海底柔性軟管、臍帶纜或電纜水下鋪設作業的海洋工程主要裝備之一。

本文分析了350噸滾筒驅動系統 （Reel Hub Drive System，簡稱：RHDS）在馬來西亞海上某油田作業區5.5寸海底軟管鋪設施工中的具體應用，對未來我國深水油氣田軟管鋪設施工作業具有借鑒意義。

1 裝備簡介

350噸滾筒驅動系統主要有驅動塔本體（兩套）、液壓動力站和控制室三部分組成，其核心驅動塔本體主要功能是在軟管的鋪設或回收工程中提供驅動滾動轉動所需力矩，即提供正向驅動力矩或反向阻尼制動力矩，以使靜止的滾筒旋轉啟動或平衡管道重力產生的負載力矩，從而實現儲管滾筒的順時針和逆時針旋轉；另一個作用是在鋪設前期與滾筒對接過程中，調整齒輪減速器的旋轉角度與滾筒實現對準。

滾筒驅動系統核心驅動本體部分由三組液壓馬達驅動， 每個驅動塔均有三個液壓馬達組成，液壓馬達旋轉通過聯軸器、行星齒輪減速器和齒輪減速器將力矩傳遞給滾筒，其傳動原理圖所示。

2 滾筒匹配性

在動員滾筒驅動系統前均需檢查齒輪減速器（簡稱：HUB）與滾筒法蘭面匹配性，須保證滾筒的齒尖與HUB的凹槽間隙適當、均衡，同時滾筒的內圈與HUB的外徑之間的間隙應盡可能相等（即HUB與滾筒同心），即滾筒內圈直徑與HUB的外徑之間的間隙應保證在10mm以內，并且滾筒齒尖與HUB的凹槽平均間隙保證在15mm以內，這樣的匹配安裝才能保證在轉動工作中滾筒4個齒尖側面都能與HUB凹槽面接觸，從而實現在軟管鋪設和回收過程中滾筒轉動連續、平穩。

3 陸地動員

為了避免在驅動塔本體HUB與滾筒法蘭面在匹配性檢測過程中，HUB與滾筒或鋪管船舶結構物發生碰撞，滾筒驅動系統和儲管滾筒在陸地動員之前，需對驅動塔軌道和滾筒相對位置進行精細化評估。

本次馬來西亞項目采用兩個滾筒驅動系統爬行軌道（單軌長10m）配合滾筒（直徑為9.6m）定位安裝，全長8.0kM的5.5寸軟管采用兩個直徑為9.6m的滾筒單獨存儲，單個滾筒（含4.0公里軟管）總重275噸。

3.1 軌道定位

軟管鋪設項目裝船布置設計時，應首先考慮船舶甲板可用寬度是否滿足驅動塔軌道及塔所需總寬度（即TW）所需，否則會出現塔身最外沿液壓管、爬梯等與甲板臂架擱座、水槽或護管等結構物發生干涉而碰撞，下圖則顯示本項目滾筒驅動系統在匹配直徑9.6m，寬5.9m滾筒后，鋪管船舶甲板實際的裝船布置狀態：

鑒于RHD塔身橫移行程為500mm，而HUB實際可插入滾筒深度360mm，滾筒被舉起之前要有冗余的橫移液壓缸擠緊量，同時擠緊時塔身與軌道之間存在機械間隙互換，因此在實際裝船布置時，軌道的開檔尺寸及塔身總寬度規定如下：

其中為了滾筒驅動系統在未來項目中適應不同的滾筒直徑、寬度等參數要求，從上圖中可得出：

W=B+485*2+2△X=B+970+2△X

TW=W+（2290+1050）*2=W+6680

3.2 滾筒定位

在對儲管滾筒吊裝定位時，應根據軌道定位計算要求在船舶甲板T-bar上焊接限位壓板，以便于滾筒吊裝時能夠按照設計位置就位。為了確保滾筒驅動系統在船舶航行運輸和鋪管作業期間的安全性、穩定性，滾筒的現場吊裝就位時則應注意以下三點：①保證滾筒中心線和軌道中心線重合，確保驅動塔兩個爬行限位液壓缸都能插入軌道中，限制驅動塔本體沿軌道方向滑溜，從而增加HUB在負載工作的情況下整個設備的安全性。②保證滾筒處于與兩軌道之間的中位，以防止驅動塔在爬行時HUB與滾筒法蘭面發生碰撞；若滾筒安裝位置與兩軌道中位有側偏，則滾筒被舉升之后容易發生HUB轉動時滾筒與其底座摩擦的情形，如下圖所示：

③滾筒吊裝就位前應先根據裝船布置圖和滾筒實際的重心偏移量安裝限位壓板，吊裝就位過程中可以通過側翼懸掛倒鏈的形式對滾筒進行細微的矯正，從而達到對滾筒吊裝的精準定位。

3.3 軟管鋪設

本項目使用的5.5寸軟管采用的Technip標準軟管及接頭，軟管內徑139.7mm，外徑193 mm，最小存儲半徑1.49m，最小工作半徑2.24m，全長8.0公里5.5寸軟管采用兩個直徑為9.6米的滾筒單獨存儲。

軟管鋪設作業時，柔性軟管自350噸滾筒驅動系統導出，經甲板導向裝置，進入水平張緊器夾持并進行速度控制，最后通過下水橋入水。通過匹配動力定位船舶（簡稱：DP-2）和張緊器下放軟管的速度，保證軟管水下著泥點與下水橋距離處于合理范圍，從而避免軟管出現水下打扭的現象。

4 平臺抽拉

軟管兩端接頭在平臺抽拉階段主要采用將平臺絞車鋼絲繩牽引至船舶主甲板，在與軟管接頭連接后，通過平臺絞車、甲板絞車、滾筒驅動系統和船舶吊機之間配合將軟管接頭抽拉至平臺甲板面。

其中平臺絞車鋼絲繩牽引至船舶主甲板主要利用護管原有牽引繩（Messager Wire），主要牽引方式有以下幾種：①當平臺絞車長度滿足抽拉需求，可利用船舶吊機直接將牽引繩吊裝至船舶入水橋并與軟管接頭連接；②當平臺牽引繩末端掉入海床，可利用水下機器人（簡稱：ROV）將牽引繩和船舶甲板絞車鋼絲繩水下掛鉤，然后由甲板絞車將平臺抽拉絞車鋼絲繩牽引至船舶甲板連接至軟管接頭連接；③當平臺絞車鋼絲繩長度不夠，可采用ROV將軟管接頭在海床直接與平臺絞車鋼絲繩掛鉤的措施。

4.1 水平鋪設

在軟管在水平鋪設過程中，張緊器、滾筒驅動系統以及鋪管船舶運行之間溝通配合則是水平鋪設過程中的關鍵，由于滾筒驅動系統是由三組液壓馬達轉動后在帶動HUB旋轉，HUB速度從靜止增速至轉動狀態至少需要10秒鐘的延遲，因此實際鋪管過程中滾筒驅動系統的操作者應注意預留滾筒驅動系統與張緊器之間足夠的懸鏈線。

5 結語

通過對滾筒驅動系統在柔性軟管鋪設工程項目中的實際運用及注意事項進行詳細介紹，我們可以看出，滾筒驅動系統具有實時、高效、靈活、可靠等工作特點，這對于深水柔性軟管鋪設在水下作業內容具有十分重要的裝備支撐作用，充分體現了滾筒驅動系統對于海底柔性軟管的順利鋪設、實際路由的精度控制具有重要的意義。為適應中國海洋石油走向深水發展的需求，為滿足現有及未來市場生產作業的需求提供有力的人員及裝備保障。

參考文獻：

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[3]劉偉.深水軟管滾筒驅動系統結構及液壓系統的研究[D].哈爾濱工程大學，2011：3.

作者簡介：

曾德祥（1985- ），男，本科，工程師，主要從事管纜鋪設設備技術、研究等工作。

楊進（1986- ），男，本科，助理工程師，主要從事管纜鋪設設備技術、研究等工作。

韋正實（1985- ），男，本科，助理工程師，主要從事管纜鋪設設備技術、研究等工作。

王焜（1992- ），男，本科，助理工程師，主要從事管纜鋪設設備技術、研究等工作。

李一凡（1992- ），男，本科，助理工程師，主要從事管纜鋪設設備技術、研究等工作。