杜興吉，潘宏亮，裴衛(wèi)民，丁文炎，柴東京

（1.浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，杭州310020；2.浙江久立特材科技股份有限公司，浙江 湖州313028）

1 概 述

臍帶纜一般由電纜、光纖、輸送化學(xué)制劑和液壓流體的鋼管、外部保護(hù)層（鋼管和復(fù)合材料）等組成，短則幾百米，長(zhǎng)則上萬(wàn)米。主要用于輸送化學(xué)制劑、液壓流體、電及信號(hào)等，是海洋油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的生命線(xiàn)[1]。

深海臍帶纜由多層次組成，通常最里面的管（內(nèi)管）為液壓流體輸送管，內(nèi)管和外部保護(hù)層（外管）之間為電纜和光纖。臍帶纜中的鋼管一般是S32750（SAF2507）超級(jí)雙相不銹鋼管，直徑為6.3～50.8 mm，S32750超級(jí)雙相不銹鋼的最小屈服強(qiáng)度為550 MPa，抗拉強(qiáng)度為800～1 000 MPa。

在制造臍帶纜前首先需要將每根12～40 m長(zhǎng)的無(wú)縫鋼管對(duì)焊、檢測(cè)后盤(pán)成一卷，每卷最長(zhǎng)20 km，以便運(yùn)輸?shù)诫娎|生產(chǎn)廠(chǎng)家，開(kāi)卷后和電纜一起制成最長(zhǎng)20 km的臍帶纜。

生產(chǎn)海洋深水臍帶纜超級(jí)雙相不銹鋼管的盤(pán)管卷取裝置主要由張緊裝置、助卷輥和龍門(mén)地軌行走式卷取機(jī)等組成。

2 臍帶纜超級(jí)雙相不銹鋼管卷取裝置

2.1 張緊裝置

張緊裝置用于恒張力收線(xiàn)，其功能是壓緊鋼管，使張緊裝置與卷取機(jī)卷筒之間形成一定的張力，以便將鋼管卷的整齊、緊湊，防止盤(pán)管過(guò)程中盤(pán)卷不緊、散亂。

在盤(pán)卷過(guò)程中，由于對(duì)焊后待盤(pán)卷的鋼管加上前一根尾部沒(méi)盤(pán)卷的部分，總共只有數(shù)十米，質(zhì)量很輕，盤(pán)卷過(guò)程中如果沒(méi)有張緊裝置，鋼管很容易被卷取機(jī)拉過(guò)去，盤(pán)卷就會(huì)出現(xiàn)松散現(xiàn)象。因此，使張緊裝置與卷取機(jī)卷筒之間形成一定的張力，這樣才能盤(pán)好。

張緊裝置位于卷取機(jī)之前，由一組用橡膠或聚氨酯等材料制成、轉(zhuǎn)向相反的上張緊輪和下從動(dòng)輪組成。兩輪之間的間隙根據(jù)鋼管直徑大小和壁厚等手動(dòng)調(diào)整，給鋼管提供一個(gè)穩(wěn)定、足夠的壓力，又能使鋼管順利通過(guò)，且不會(huì)在鋼管上留下壓痕，張緊裝置的張緊輪要求耐磨并且更換方便。

張力過(guò)大，收線(xiàn)過(guò)緊，容易使鋼管變形；張力過(guò)小，會(huì)造成收線(xiàn)不整齊和亂線(xiàn)。因此，保持合適的張力至關(guān)重要，合適的張力可以使得工字輪式卷取轉(zhuǎn)鼓上每一新圈層都在張力下進(jìn)行卷取，且有規(guī)律地步進(jìn)。

張力控制方式采用磁粉制動(dòng)器控制，張力控制范圍5～200 N，可通過(guò)調(diào)節(jié)磁粉制動(dòng)器的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，并能在線(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)控。

2.2 助卷輥

助卷輥也是卷取工作環(huán)節(jié)的重要設(shè)備之一，尤其對(duì)于直徑、厚度較大的鋼管，更是不可或缺的。其工作原理是利用布置在同一平面內(nèi)、相互有若干個(gè)角度的輥輪，按一定的壓下控制方式，對(duì)鋼管施加周向壓力，最終達(dá)到卷取目的。

助卷輥可以使鋼管沿著卷筒周向運(yùn)動(dòng)，以適當(dāng)壓緊力將鋼管壓緊并對(duì)鋼管提供摩擦使其緊貼在卷筒上，增加卷緊度。同時(shí)，助卷輥對(duì)鋼管的壓力使卷筒與鋼管間有足夠的摩擦而不至于打滑。鋼管的塑性變形也是由助卷輥提供壓力，并使鋼管變形到容易卷取的形狀，在最后收尾時(shí)壓緊尾部，防止鋼管尾部上翹和松卷。

助卷輥由輥輪、輥縫調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成，輥縫調(diào)整通過(guò)絲桿螺母機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)助卷輥和卷筒間隙的調(diào)整。

2.3 卷取機(jī)

卷取機(jī)主要有擺臂式、龍門(mén)懸掛式和龍門(mén)地軌行走式等3種形式。海洋深水臍帶纜超級(jí)雙相不銹鋼管的卷取機(jī)采用龍門(mén)地軌行走式卷取機(jī)，實(shí)物如圖1所示，主要由主體、行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置和工字輪式卷筒等組成。

圖1 龍門(mén)地軌行走式卷取機(jī)

工字輪式卷筒是鋼管的儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備，用以確保均勻地纏繞鋼管。工字輪式卷筒由筒芯、軸套和邊凸緣等組成，為焊接的鋼結(jié)構(gòu)。其中，筒芯外圈和邊凸緣內(nèi)側(cè)都有不銹鋼板墊層，目的是保護(hù)纏繞的鋼管。卷筒軸套的兩端分別與兩個(gè)傳動(dòng)裝置的動(dòng)力輸出軸相接，卷筒采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)卷筒正反轉(zhuǎn)，使鋼管保持一定的拉力，可使鋼管緊繞在卷筒上。

卷筒所能纏繞鋼管的長(zhǎng)度和直徑的大小，主要取決于卷筒的外徑、寬度和筒芯的直徑。例如，對(duì)于Φ12.7 mm鋼管，若纏繞在筒芯直徑1.5 m、卷筒外徑2.5 m，寬度1.5 m的卷筒上，可卷長(zhǎng)度達(dá)20 km以上。這種工字輪式卷筒盤(pán)卷非常密實(shí)，外形整齊，具有無(wú)與倫比的填充系數(shù)。

工字輪式卷筒的邊緣部分沿圓周方向有一錐形通孔，錐形通孔的小端直徑應(yīng)大于需卷取鋼管的最大直徑，用于容納鋼管的初始端。把鋼管的初始端插入此錐形通孔中，使得在工字輪旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可以自動(dòng)支撐初始端。這個(gè)伸進(jìn)卷筒內(nèi)的鋼管初始端也便于后續(xù)進(jìn)行最高100 MPa的水壓試驗(yàn)。

工字輪式龍門(mén)地軌行走式卷取機(jī)具有自動(dòng)排線(xiàn)功能，其下面裝有導(dǎo)軌，在文本顯示器中輸入鋼管的直徑，每盤(pán)好一圈，龍門(mén)行走式卷取機(jī)就會(huì)在導(dǎo)軌上移動(dòng)相應(yīng)距離，以保證盤(pán)管排列整齊。但由于鋼管盤(pán)卷的速度很慢，通常只有3～5 m/min，大概只有電纜收盤(pán)速度的1/10，且鋼管的直徑較小，鋼管的收線(xiàn)盤(pán)轉(zhuǎn)速約0.5～1 r/min，也就是1～2 min收線(xiàn)盤(pán)橫向移動(dòng)一個(gè)鋼管直徑的距離。比如，鋼管直徑為6 mm，最極端的情況是2 min走過(guò)6 mm，即3 mm/min。因此排線(xiàn)行走采用了交流伺服電機(jī)，最小能達(dá)到1 mm/min的排線(xiàn)要求。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，即使2 mm/min的排線(xiàn)要求也完全能滿(mǎn)足。

在卷取過(guò)程中，工字輪式卷筒上鋼管的卷徑也在不斷變化，既要保證卷取正常工作又要使鋼管保持一定的張力。因此，在工字輪收線(xiàn)直徑不斷變化的情況下，為了使收線(xiàn)的線(xiàn)速度和張力不變，傳給卷筒的轉(zhuǎn)速和扭矩就必須不斷改變。所以選用了直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，并采用其恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速性能，根據(jù)卷徑變化調(diào)整卷筒轉(zhuǎn)速，使卷取機(jī)能恒速正常卷取。

卷取機(jī)為卷取張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，卷盤(pán)的自動(dòng)排線(xiàn)系統(tǒng)以線(xiàn)速度、卷徑、線(xiàn)徑為變量控制電機(jī)。電機(jī)經(jīng)減速器減速，減速器輸出端與離合器輸入端聯(lián)接，離合器輸出端與傳動(dòng)裝置聯(lián)接。

卷取張力控制的效果直接關(guān)系到鋼管能否緊緊抱攏在卷筒上以及卷形是否整齊。張力控制的目的在于保證正常卷取時(shí)的鋼管張力恒定在設(shè)定值。為保持卷取機(jī)鋼管張力的恒定，控制時(shí)主要考慮張力矩、彎曲力矩、摩擦力矩、隨卷徑變化的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償和加減速時(shí)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償力矩。

整個(gè)卷取工藝采用智能控制系統(tǒng)，特別用于監(jiān)控鋼管在工字輪式卷取轉(zhuǎn)筒上的層層整齊卷取，直至盤(pán)卷結(jié)束。在實(shí)際控制中，卷取機(jī)有兩種工作狀態(tài)，即速度控制狀態(tài)和張力控制狀態(tài)。在點(diǎn)動(dòng)和開(kāi)始期間，卷取機(jī)工作在速度控制狀態(tài)，當(dāng)卷取張力建立后，卷取機(jī)工作在張力控制狀態(tài)。

卷取的盤(pán)卷可根據(jù)卷筒規(guī)格具有不同的高度、內(nèi)徑和外徑。卷取機(jī)主要技術(shù)參數(shù)為：適用線(xiàn)盤(pán)直徑1 600～4 000 mm；適用線(xiàn)盤(pán)寬度500～2 400 mm；收線(xiàn)電機(jī)為Z4—11 kW，1 450 rpm直流電機(jī)。

卷取機(jī)具有可升降機(jī)構(gòu)，可方便安裝、卸載卷筒，也可根據(jù)卷筒的大小調(diào)整卷筒的高度，以便卷取。

3 實(shí)際應(yīng)用及結(jié)論

卷取機(jī)經(jīng)在海洋深水臍帶纜超級(jí)雙相不銹鋼管生產(chǎn)線(xiàn)上的實(shí)際應(yīng)用表明，鋼管盤(pán)卷排列整齊，試制盤(pán)卷的力學(xué)性能完全符合ISO 13628-5—2009等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。該卷取裝置具備橫向行走、到位鎖緊、速度連續(xù)可調(diào)、自動(dòng)變轉(zhuǎn)速、機(jī)架開(kāi)度可調(diào)、卷取完成后防反彈壓緊鋼管等功能，生產(chǎn)作業(yè)時(shí)安全可靠，可以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的需要。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)鋼管盤(pán)卷并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)存，不僅儲(chǔ)存方便，還可滿(mǎn)足生產(chǎn)、運(yùn)輸和用戶(hù)作業(yè)的需要。

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