朱裕譜，段夢蘭，王偉鵬，范嘉堃

（中國石油大學(xué)（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(jìn)行鋪設(shè)，J型鋪管方法是當(dāng)前最適合深水和超深水油管鋪設(shè)的方法［1－2］。由于管道以近乎垂直的角度進(jìn)入水中，并平鋪在海床上，使得管道整體形狀呈現(xiàn)J型而得名。在國內(nèi)，由于受到我國深水勘探開發(fā)技術(shù)的限制，對J型鋪管的研究才剛起步，而國外已經(jīng)有了非常成熟的應(yīng)用。J型鋪管方法實質(zhì)上是張力鋪管法的一種［3］，在鋪管船上架設(shè)鋪管塔，對于不同水深和管徑，在鋪設(shè)過程中通過調(diào)節(jié)J型鋪管塔的傾角來改善管道受力狀態(tài)，達(dá)到安全作業(yè)的目的。鋪管塔上主要包括有塔架、角度調(diào)節(jié)裝置、管道輸送裝置等。其中，角度調(diào)節(jié)裝置是實現(xiàn)塔架角度調(diào)節(jié)的關(guān)鍵裝置。本文分析了現(xiàn)有角度調(diào)節(jié)器存在的問題，提出新的設(shè)計方案。

1 現(xiàn)有J型鋪管船的角度調(diào)節(jié)器簡介

角度調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器可以使塔架在一定的角度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，從而減小所鋪設(shè)管道頂端的應(yīng)力，保證鋪管作業(yè)的順利進(jìn)行［4］。

1.1 Saipem7000型鋪管船簡介

圖1是裝有液壓插孔角度調(diào)節(jié)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(jìn)行J型管道鋪設(shè)，長為198 m，寬為84 m，主機(jī)板深度為45 m，塔轉(zhuǎn)角度90～110°。它安裝有世界上最大的J型管道鋪設(shè)塔吊，配備有先進(jìn)的動力定位設(shè)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(yīng)用的是銷軸與液壓缸配合式（即液壓插孔式）角度調(diào)節(jié)器。

圖1 Saipem7000型船的角度調(diào)節(jié)器

1.2 管塔角度調(diào)節(jié)器分析

Saipem7000型鋪管船所使用的角度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖2～3所示。其工作原理：在初始狀態(tài)時，所有液壓缸均處于收縮狀態(tài)。當(dāng)需要增大角度時，同步拔出下部插銷，將控制角度調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)。當(dāng)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(diào)節(jié)。所調(diào)節(jié)的角度須是液壓缸行程的倍數(shù)，重復(fù)上述調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器通過順序插拔銷軸雖然實現(xiàn)了塔架傾斜角度可調(diào)，但其仍然存在諸多缺陷：

1） 調(diào)節(jié)精度不高，不能進(jìn)行連續(xù)角度的調(diào)節(jié)，只能進(jìn)行液壓缸行程倍數(shù)跳躍調(diào)節(jié)，達(dá)不到適合的角度。

2） 調(diào)節(jié)過程復(fù)雜，需要反復(fù)多次的調(diào)節(jié)才能達(dá)到既定的角度；

3） 通過插銷插孔進(jìn)行角度調(diào)節(jié)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(xiàn)角度調(diào)節(jié)。

4） 鋪管過程中，塔架可能存在一定的扭轉(zhuǎn)，兩側(cè)的液壓插孔式調(diào)節(jié)器同步性較差。

圖2 現(xiàn)有角度調(diào)節(jié)器整體結(jié)構(gòu)

圖3 調(diào)節(jié)桿總成

2 新型角度調(diào)節(jié)器

鑒于上述缺點(diǎn)，筆者對塔架的角度調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，提出了一種能夠支持塔架傾斜角度連續(xù)調(diào)節(jié)的J型鋪管角度調(diào)節(jié)裝置，期望通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)替代傳統(tǒng)的套桿插孔式結(jié)構(gòu)，來避免塔架角度調(diào)節(jié)時，無法連續(xù)調(diào)整角度、插孔對位以及角度調(diào)整過程復(fù)雜、耗工耗時的問題。新型角度調(diào)節(jié)器由電機(jī)、蝸桿減速箱、齒輪齒條等構(gòu)成。

2.1 工作原理

新型角度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖4所示。電動機(jī)提供動力，通過蝸輪蝸桿減速箱減速后，傳遞到齒輪上，驅(qū)動齒輪驅(qū)動齒條，在反力的作用下，反向推動塔架，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)角度的目的。具體調(diào)節(jié)過程為：當(dāng)鋪管深度減小時，電動機(jī)開始正轉(zhuǎn)，通過蝸桿減速箱將轉(zhuǎn)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(diǎn)向右轉(zhuǎn)動，增大塔架與豎直方向的夾角，減小管道應(yīng)力；當(dāng)水深增加后，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，塔架向左轉(zhuǎn)動，減小塔架與豎直方向的夾角，從而減小管道應(yīng)力。當(dāng)達(dá)到既定角度時，利用蝸輪蝸桿的自鎖功能對塔架角度進(jìn)行鎖止，從而實現(xiàn)角度調(diào)節(jié)。

圖4 新型角度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

2.2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

齒輪齒條作為本設(shè)計最重要的結(jié)構(gòu)，設(shè)計依據(jù)是自升式平臺升降裝置［6－7］，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。齒輪齒條升降系統(tǒng)作為自升式平臺的關(guān)鍵部分，幾乎承擔(dān)了整個平臺的自重力和工作載荷。結(jié)構(gòu)上，通常采用少于正常齒數(shù)的齒輪，4、6、7個不等，齒輪齒條經(jīng)由特殊加工以及處理，使得能承受更高強(qiáng)度的載荷，單個升降齒輪所承受的載荷可以達(dá)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(diǎn)為45 m，齒條鉸接點(diǎn)距原點(diǎn)為60 m，角度調(diào)節(jié)范圍為90～110°，角度調(diào)節(jié)速度較慢，齒輪的轉(zhuǎn)速取值為1 r/min，角度調(diào)節(jié)如圖6所示。

設(shè)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(jié)構(gòu)

圖6 角度調(diào)節(jié)過程示意

由（1）～（2）計算可得：當(dāng)θ1＝70°，即調(diào)節(jié)至110°時，齒條上所受的力最大。綜合考慮，取a＝60 m可得適當(dāng)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(jī)臺數(shù)為4，主動齒輪所受的力，進(jìn)而確定電機(jī)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(shè)計齒輪齒條的結(jié)構(gòu)參數(shù)定為：

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

2.3 關(guān)鍵部件強(qiáng)度校核

齒輪的齒數(shù)為10，模數(shù)為100 mm，壓力角為20°，齒輪的轉(zhuǎn)速為1 r/min，約為0.1 rad/s。齒條受到的壓力以及和運(yùn)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(qiáng)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(diào)節(jié)器的主要構(gòu)件進(jìn)行分析，選擇的是齒輪齒條。所以將分析的重點(diǎn)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(zhuǎn)動自由度，轉(zhuǎn)速為0.1 rad/s。齒輪繞齒輪軸轉(zhuǎn)動，齒條在工作臺上表面移動，齒輪齒條嚙合，進(jìn)行動態(tài)分析［8］。分析結(jié)果如圖8所示。

由Mises應(yīng)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(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，齒根部分容易發(fā)生折斷，齒面容易出現(xiàn)磨損、膠合以及塑性流動等失效形式。這與工程應(yīng)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(qiáng)度（785 MPa），滿足材料要求，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

圖8 齒輪－齒條的Mises應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

1） 現(xiàn)有的角度調(diào)節(jié)器存在無法連續(xù)調(diào)整角度、插孔對位精度、同步性差以及角度調(diào)整過程復(fù)雜、耗工耗時等問題，影響了J型鋪管船的作業(yè)效率。

2） 研制了新型的角度調(diào)節(jié)器，確定其關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對其進(jìn)行有限元校核，達(dá)到設(shè)計要求，有效地解決了現(xiàn)有J型調(diào)節(jié)器的問題。

3） 新型角度調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)節(jié)精度高，能進(jìn)行連續(xù)角度的調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)過程簡便，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)快速調(diào)節(jié)至所需角度；兩側(cè)齒條同步性高，可以防止塔架扭曲的發(fā)生，提高塔架的穩(wěn)定性及安全性。

［1］ 何寧，段夢蘭.J型鋪管法研究進(jìn)展［J］.石油礦場機(jī)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(shè)工藝分析［J］.石油機(jī)械，2011，39（10）：131－135.

［5］ 趙煒，張胭脂.意大利新型海上油田作業(yè)設(shè)備［J］.國外石油機(jī)械，2000，28（12）：58－60.

［6］ ROODENBURG.MARINE J－LAY PIPELAYING SYSTEM：EP，1779013B1［P］.008.

［7］ 梁小玲.海上自升式鉆井平臺升降控制系統(tǒng)設(shè)計與研究［D］.大連海事大學(xué)，2010.

［8］ 趙騰倫.ABAQUS在機(jī)械工程中的應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.