海洋非粘結型柔性軟管制造裝備現狀分析

余榮華，袁鵬斌，秦林肖

（1.上海海隆石油管材研究所，上海 200949；2.海隆石油工業集團有限公司，上海 200949）

1 引言

海洋非粘結型柔性軟管由于其特殊結構，在海洋工程中的應用日益增多，將成為深海開發的必需管道。我國海洋非粘結型柔性軟管的生產和相關技術才開始起步，目前主要針對于淺海應用。國內海洋非粘結型柔性軟管的相關制造裝備研制相對落后，與國外先進裝備和技術相差較遠。為加快我國深海油氣資源開發技術的自主創新、實現核心裝備技術的國產化并且打破技術封鎖和商業壟斷，介紹了海洋非粘結型柔性軟管的結構功能，重點論述非粘結型柔性軟管的制造裝備現狀，分析了國內外制造裝備的差距及發展方向，為國內海洋非粘結型柔性軟管的制造裝備設計和設備生產提供參考[1]。

2 海洋非粘結型柔性軟管的結構

海洋非粘結型柔性軟管[2-3]包括管體和接頭。管體主要包括：骨架層、內襯層、抗壓鎧裝層、耐磨層、抗拉鎧裝層、中間層（多層、多結構，可選）和外包覆層，如圖1所示。

圖1 軟管結構圖Fig.1 The Structure of Flexible Pipe

3 海洋非粘結型柔性軟管成型制造設備和工藝

3.1 骨架層互鎖鎧裝機

骨架層互鎖鎧裝機為同心旋轉體，主要由放帶裝置、成型裝置、鎧裝頭、支撐驅動系統及支架系統組成，如圖2所示。旋轉體由前后兩組軸承座支撐，交流變頻電機由減速器減速帶動一組齒輪驅動骨架層互鎖鎧裝機同心旋轉。放帶裝置位于旋轉體轉盤后部，兩組儲帶盤直接套裝在裝夾軸上，由放帶張力恒張力磁滯控制，張力大小可調。成型裝置安裝在旋轉體的轉盤上，有6對或更多呈一線分布式主動成型滾輪，每對成型滾輪的間隙根據金屬帶材的厚度可以單獨微調。鎧裝頭安裝在旋轉體的轉盤上，6組滾壓輪均勻分布，每組滾壓輪的位置沿機體主軸的徑向、軸向位置單獨可調，根據所繞管材的直徑調整每組滾壓輪的徑向位置，根據所繞管材的節距調整每組滾壓輪的軸向位置，6組滾壓輪沿軸向形成一個完整的節距。旋轉體帶動5組滾壓輪，對模芯圓周6點滾壓互鎖成型管材和螺旋推出。根據所繞管材的直徑，配置管材模芯胎具。文獻[4]的骨架層成型機的主要參數，如表1所示。

圖2 骨架層成型機Fig.2 Carcass Machine

表1 骨架層成型機的參數（Bartell）Tab.1 Parameters of Carcass Machine（Bartell）

骨架層的制造過程主要為：將儲帶盤套裝在裝夾軸上，由恒張力磁滯控制鎧裝帶材被動放帶，鎧裝帶材通過導帶裝置由轉盤后部進入轉盤前部到主動成型裝置。鎧裝帶材通過多對主動成型滾輪擠壓逐漸由平帶成型為近S型結構，近S型結構的金屬型材進入鎧裝頭的6組滾壓輪。6組滾壓輪逐漸將金屬型材滾壓互鎖成與管體軸線成近88.5°的螺旋管。

3.2 抗壓鎧裝層成型機

抗壓鎧裝機以空心旋轉體為主軸系統，從后到前依次有導電機構、后支承架、轉向機構、鋼帶盤、前承壓盤、牽引機構、成型機構等。整個空心旋轉體由后支承架和前承壓盤支承，整個旋轉體上機構裝置的動力系統由導電機構將電力提供。同心旋轉體的轉動由交流變頻電機經過減速后直接驅動轉動體。抗壓鎧裝機三維模型，如圖3所示。實際設備，如圖4所示。抗壓鎧裝機有異形鋼帶盤2套或4套，主軸對稱分布，每個異形鋼帶盤采用一臺交流變頻電機通過減速機構驅動主動放帶，端軸式電機夾緊和放松異形鋼帶盤，放帶時保持恒定的放帶張力。異形鋼帶從鋼帶盤放出沿主軸系統向后經過對應的搖擺式轉向機構，該轉向機構布置有半圓形分布的導輥，可以使異形鋼帶180°轉向。同時轉向機構可以擺動實現異形鋼帶從鋼帶盤放出時自動排線。異形鋼帶經過擺桿式轉向機構180°轉向后沿主軸系統向前進入到一一對應的牽引機構，每套牽引機構由上下多組主動導輥組成。每套牽引機構由交流變頻電機通過減速器減速后帶動主動導輥牽引異形鋼帶向前行進。在牽引機構的出口處，有成排圓弧形分布的轉向導輥組成的成型機構將2套或4套異形鋼帶換向互鎖不斷纏繞成管。Bartell公司的抗壓鎧裝層成型機的主要參數，如表2所示。

圖3 抗壓鎧裝機三維模型Fig.3 3D Model of Pressure Armor Machine

圖4 抗壓鎧裝層成型機Fig.4 Pressure Armor Machine

表2 抗壓鎧裝層成型機的參數（Bartell）Tab.2 Parameters of Pressure Armor Machine（Bartell）

3.3 抗拉鎧裝層成型機

抗拉鎧裝層由兩層或四層、成對纏繞、方向相對的扁鋼絲螺旋纏繞而成[5]。抗拉鎧裝層制造設備由兩臺旋轉方向相反的抗拉鎧裝機組成，如圖5所示。抗拉鎧裝機為空心整體框架轉動絞體，轉動絞體一端由傳動齒輪箱體支承并提供旋轉動力，另一端由雙承壓托輪支承。轉動絞體圓周8等分，10列排列，共放置有80個鋼絲盤。鋼絲盤前6列和后4列8等分相互錯為22.5°，便于鋼絲盤內扁鋼絲走絲路線順暢。扁鋼絲與管子纏繞的切入角通過調節承壓盤處的導輪角度實現。轉動絞體最前端設置有絞合模具，絞合模具同轉動絞體同步旋轉，扁鋼絲纏繞角度的調整通過調整固定在絞合模拉桿上的左右絲杠調節。

鋼絲盤的放絲由端軸式電機夾緊或放松，并有氣動鎖緊保護裝置。每個扁鋼絲放絲有單獨的張力氣動摩擦控制，轉動絞體設有16個壓力傳動器，用于檢測和顯示鋼絲盤扁鋼絲實際張力并反饋該信號給進口氣動比例閥控制器控制比例閥輸出氣壓（張力氣缸氣壓），來實現從滿盤至空盤鋼絲單線放線張力恒定。安裝新鋼線盤采用側下方方式。側下方上盤裝置主要由線盤托架、導向支架、傳動機構和獨立電控系統等組成。安裝新鋼線盤和拆卸空鋼線盤時采用單獨慢速回轉定位電機來定位轉動絞體的狀態，液壓安裝和拆卸鋼線盤，安裝新鋼線盤帶有電氣互鎖保護，即轉動絞體定位后，安裝新鋼線盤才能啟動，拆卸空鋼線盤完成到位后，轉動絞體才能啟動。Bartell公司的抗拉鎧裝層成型機的主要參數，如表3所示。

圖5 抗拉鎧裝層成型機Fig.5 Tensile Armor Machine

表3 抗拉鎧裝層成型機的參數（Bartell）Tab.3 Parameters of Tensile Armor Machine（Bartell）

3.4 耐磨層及中間層纏繞機

耐磨層由聚合物帶纏繞而成，耐磨層采用薄帶纏繞機，共有4盤聚合物帶盤，纏繞角度可調，角度范圍（60～85）°。聚合物帶盤規格（內徑×外徑）為：國內設備Φ（100×600）mm，國外設備 Φ（75×900）mm。聚合物帶盤張力機械摩擦控制，張力大小可調。交流變頻電機通過同步帶傳動帶動4盤聚合物帶盤整體旋轉。

中間層采用厚帶纏繞機，共有2個儲帶盤，180°對稱分布。儲帶盤規格（外徑×內徑×寬度）：國內設備 Φ（1250×300×340）mm，國外設備Φ（1200×600×1200）mm。儲帶盤通過行車吊裝直接套裝到纏繞機儲帶盤固定軸上，然后儲帶盤外盤用螺母鎖緊，設有防松后退保護。放帶過程通過張力機械摩擦控制，帶有機械反饋機構保證滿盤到空盤張力恒定。纏繞角度可在（70～90）°可調。每套中間層纏繞機交流變頻電機單獨驅動，可以實現2套纏繞機正反向纏繞，如圖6所示。

圖6 耐磨層及中間層纏繞機Fig.6 Anti-Wear Layer Machine and Intermediate Layer Machine

3.5 內襯層和外包覆層擠塑機

擠塑機由齒輪箱、螺桿機筒、擠出模、加熱和冷卻系統、機架裝置等組成。擠出模又稱擠出機機頭。塑料在經過螺桿和料筒后成為熔融態，再通過擠出機機頭，經過擠出模的定型而生產出產品。

4 國內外制造設備的現狀分析

文獻[6]、美國GE的Wellstream、美國NOV旗下的某公司[7]是全球海洋非粘結型柔性軟管的生產制造領導企業，占全球市場的95%。國內只有一兩家企業具備淺海非粘結型柔性軟管的生產能力。國外公司的海洋非粘結型柔性軟管十幾套生產設備主要由美國某公司設計和制造。某公司主要研發生產電纜生產設備和軟管生產設備。該公司在軟管專用設備方面實力最為雄厚，具有較完整的技術設計基礎，以訂制設備加工為主，在全球最先研究軟管制造設備，設備性能領先優勢巨大。此外與某公司相關聯的公司—加拿大某公司和巴西某公司也具有一定的軟管設備制造能力。軟管生產線的擠出設備主要由芬蘭某公司生產。國內合肥神馬科技集團有限公司是中國電線電纜裝備制造行業的領軍企業。在線纜設備生產和研究的基礎上給國內海王星海上工程技術有限公司提供抗拉鎧裝機，為歐亞管業股份有限公司提供一套海洋柔性軟管生產設備。國內由于開展海洋非粘結型柔性軟管的研究及生產較晚，制造設備和技術與國外相差較遠。目前，國內外制造裝備的差距及發展有如下幾點。

4.1 骨架層互鎖鎧裝機

國外設備制造廠針對超深海的非粘結型軟管的結構發展，S型互鎖鋼帶尺寸已有140mm×3.5mm超厚鋼帶設計，互鎖鋼帶尺寸厚、強度高，鋼帶彎曲性能差，儲帶盤不能放置在旋轉體轉盤后部，新型設計將儲帶盤放置在旋轉體轉盤上，由于旋轉體轉盤中心為空心模具，儲帶盤只能放置偏離旋轉體轉盤中心一側，這樣將需要解決旋轉體轉動時儲帶盤由于放帶重量不斷減小而引起整個旋轉體重心變化的問題。國內由于骨架層生產較少，鎧裝頭模具系列化還需要不斷設計、模擬分析和實驗測試，生產的骨架層存在表面劃傷、毛糙、不平整及鎧裝節距不均勻等問題。

4.2 抗壓鎧裝機

國內只有一兩家企業生產淺海非粘結型軟管的抗壓鎧裝層，簡化為幾組平薄鋼帶纏繞層，而金屬異形機構互鎖的抗壓鎧裝機幾乎為空白。國外已生產出同時纏繞2組、3組、4組相同結構或不同結構的抗壓異形材，結構涉及Z型、C型、T型，還有復雜的X異形結構、K異形結構等[8]。

4.3 抗拉鎧裝機

國外針對大尺寸規格的軟管，已具有生產可同時放置有120個鋼絲盤，并可同時纏繞120個扁鋼絲的抗拉鎧裝機。抗拉鎧裝機也可進行碳纖維復合材料絲的纏繞[9]。國內抗拉鎧裝機尺寸較小，鋼絲放線張力控制目前存在一定問題，扁鋼絲纏繞時存在扁鋼絲間距不均勻、部分扁鋼絲會發生重疊、扁鋼絲在纏繞過程中應力大導致扁鋼絲存在扭曲不平等問題。

4.4 新型海洋非粘結型柔性軟管的制造裝備

Technip公司開發了集束生產管IPB（Integrated Production Bundle）[10]，IPB作為深海動態立管，是典型軟管和臍帶管的綜合，IPB將氣舉和電加熱放在了同一個管子里，電纜和隔離物以SZ的形式組裝在標準軟管核心的周圍。新型的軟管結構需要開發新的制造裝備來應對產品的開發研究和生產制造。

5 結語

（1）海洋非粘結型柔性軟管典型管體主要包括：骨架層、內襯層、抗壓鎧裝層、耐磨層、抗拉鎧裝層、中間層（多層、多結構，可選）和外包覆層。各層在軟管中的作用和任務不同，可依據實際要求設計各層，各層結構需要不同的成型制造裝備和工藝來進行生產。（2）海洋非粘結型柔性軟管的制造裝備國內外相差較大，國內提供的制造裝備以生產淺海軟管為主，而國外提供的制造裝備還可以生產深海、超深海的非粘結型柔性軟管。國內外柔性軟管的制造裝備主要在骨架層互鎖鎧裝機、抗壓鎧裝機、抗拉鎧裝機、新型海洋非粘結型柔性軟管的制造裝備等方面存在明顯差距，需研究國外制造設備尋求差距的解決方案為提高國內的制造裝備提供依據。（3）新型海洋非粘結型柔性軟管制造裝備的發展方向是需要開發新的制造裝備（如集束生產管IPB等）來應對軟管產品的開發研究和生產制造。

［1］Sullivan M O.Meeting the Future Challenges of Flexible Pipe Technology-Advances in Industry Standards［R］.OTC 20027，2009.

［2］Fernando U S，Graham S G，Davidson M.Flexible Pipe Body and Method of Producing Same：US，0276931 A1［P］.2013.

［3］Thygesen M，Ostergaard R S，Olsen K S.Flexible Pipe and a Method of Producing a Flexible Pipe：US，0266887 A1［P］.2012.

［4］Ceeco Bartell.http：//www.ceecobartell.com/［DB/OL］.

［5］Vaz M A，Rizzo N A S.A finite element model for flexible pipe armor wire instability［J］.Marine Structures，2011（24），275-291.

［6］Technip flexible pipe.Flexible Pipe.［EB/OL］.

［7］NKT flexible.NKT technical Brochure.［EB/OL］

［8］Rytter J，Rishj N J，Glejb l K.A Novel Compression Armour Concept for Unbonded Flexible Pipes［R］.OTC 14059，2002.

［9］Mark Kalman，Liang Yu，Mike Seymour.Qualification of composite armor materials for unbonded flexible pipe［R］.OTC23185，2012.

［10］Technip flexible pipe.Integrated production bundle（IPB）.［EB/OL］.