电缆绞车设计及其应用
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摘要：电缆绞车是为配套潜水射流喷冲式挖沟机的配套设备，潜水射流喷冲式挖沟机为海底作业设备，电缆绞车安装在船舶甲板为其提供动力，由挖沟机完成海底挖沟等业，因今年我国国内海上油气平台已向深海发展，原作业设备已不能满足作业需求，为适应深海油气作业的需要，设计了新型潜水射流喷冲式挖沟机，为满足配套挖沟机作业的需要，完成了电缆绞车的设计、生产、海上试验。
关键词：电缆绞车；挖沟机；电滑环
中图分类号：{G354.46}文献标识码：A
1概述
我国已探明的海洋石油资源量约246亿吨，占石油资源总量的22.9%；海洋天然气资源量为15.79万亿立方米，占天然气资源总量的29.0%，海洋石油在国内石油产量的增量中，已占有越来越重要的地位。以上开采的油、气大多通过海底铺设管道输送到岸终端。目前，我国海域已铺设的海底管道超过3000km，海底油气管道是投资高风险大的海洋工程设施，它对海上油气田的开发、生产与产品外输起着至关重要的作用。管道一旦出现损伤和泄漏，将导致油田停产，污染海洋环境，甚至引起爆炸，给企业和国家造成巨大经济损失。故海底海管铺设后需要对海管加以保护(一般是设备通过挖沟埋深)，特别是浅水海域(甚至水深超过100米或200米海域)。
我所在公司为专业从事海管铺设、海底海缆铺设、海上结构物安装及海管挖沟(预挖沟及后挖沟)业务，我公司成立10年来已经在渤海、黄海、北海、南海及泰国湾完成海底挖沟近700公里，我公司所有海上施工设备基本为公司自主研发设计制造，并申请了国家专利。
海上挖沟设备主要为潜水射流喷冲式挖沟机(T型挖沟机和H型挖沟机)，为挖沟机配套的设备包过胶管绞车、液压站、中压水站、声纳设备等，但根据国内开发油田向深海发展的目标，其挖沟设备和配套设备已不能满足作业水深作业需要，例如荔湾项目。荔湾3-1气田位于南中国海东部，北偏西距离香港约300km，东北方向距离东沙群岛约170km，项目工程开发按照区域开发思路，新建一座中心平台，带动荔湾及周边气田开发。根据此开发原则，工程开发方案中需新建一座中心平台至高栏岛终端管道，管道采用单层管结构形式。根据现有资料，中心平台水深为205m，管道长度为261km。
为此，2011年，我公司组织研发设计人员升级改造了挖沟机，以适应250米水深以内挖沟作业，并根据挖沟机作业水深替换、升级、增加了相应的配套设备，电缆绞车即为其增加的新型挖沟配套设备。电缆绞车设计从2011年3月份开始，经过8个月的的研究、设计、试验，于2011年11月份在我国渤海湾海上试验获得成功，成为国内唯一一家挖沟作业水深超过150米的施工单位。其创新技术成果包括内齿圈驱动、双联卷筒同步作业、600KV电缆安装及使用、节省船舶使用空间等。
电缆绞车的设计成功，有效降低了挖沟机采用原始射流泵而造成的较大喷冲沿程阻力损失，及因喷冲阻力降低挖沟机挖沟效率的难题，保证了深挖沟管线埋深及提高了深水挖沟机的作业效率，进一步的保证管线埋深，从而使管线安全系数进一步提高。
2电缆绞车的系统组成及工作原理
2.1 系统组成
电缆绞车为我公司配合完成深水挖沟机的中的一项难题，是针对我国南海海域水深环境条件，研制开发的250米水深以内深水作业设备配套设备。因电缆绞车在船舶甲板上作业，因此要求电缆绞车占用空间体积尽量小，且每卷电缆容缆量在300米；每股电缆供电一个电潜泵(共2个电潜泵)，所以需要双联卷筒且需同步作业。电缆绞车由底座、支架、滚筒、排缆器、滑环、液压马达及马达装置、电缆固定座、液压系统等组成。其中卷筒为电缆绞车的重要装备系统之一，包括：双联卷筒、内齿圈、支撑长轴、电滑环安装固定、排缆器安装固定、马达安装固定等。
2.2 工作原理
通过液压马达驱动内齿圈转动，内齿圈带动卷筒转动，实现通过排缆器导轨放出和回收电缆，内齿圈转动时，排缆器导杆同步移动，实现电缆不会出现乱缆情况。系统工作原理如下图所示：
3电缆绞车设计目的及应用
3.1 电缆绞车设计目的
电缆绞车是为配套海底射流喷冲式挖沟机作业的一部分。挖沟机的一般喷水/射水系统采用的为大流量低扬程的轴流泵(涡流泵)，即就地取水(海水)，然后通过中压(高压)系统后通过胶管达到挖沟机进行水下射流切割、液化土壤，而南海项目因水深较深(最深200米)，如果还采用原来方法，则至少会出现三种严重问题：
1)因橡胶水管较粗，直径约为Φ220mm，故沉入水中长度较长后，因走船、海流冲击等原因对胶管强度影响较大，又相对受冲击面积较大，管线移动会发生影响挖沟机作业的稳定性；
2)因软管长距离悬如水中，其重量加重，且因海浪等原因忽上忽下，受力不均匀，故软管接头很难承受这么大的拉力；
3)软管悬入海水长度较长后，其从甲板中压系统进入软管的水流因沿程阻力损失的原因，到达挖沟机后起喷冲力已大为降低，故对挖沟效果影响较大。
原射水示意图
新挖沟机为在挖沟机上安装两台大功率电潜泵(630kw、6000V/台)， 电潜泵本身与挖沟机坐落在海床上，所以不会出现沿程阻力损失，但因电潜泵随挖沟机坐落在海床，电潜泵动力由甲板发电站(880kw/台，共2台发电机)提供，又甲板发电机的电源需通过电缆输送到海底电潜泵，故需要一个收放设备随水深的变化收放电缆及保证高压情况不会发生漏电情况，这就需要电缆绞车解决此问题了。
3.2 电缆绞车应用
电缆绞车主要配套挖沟机应用于深水挖沟作业(水深一般超过100米)，电缆绞车保证甲板电源通过其电缆安全输送到海底电潜泵，同时电缆绞车保证高压作业期间不会发生漏电问题产生安全事故。
4电缆绞车设计及相关计算
4.1 电缆绞车设计依据及要求
电缆绞车设计前，首先所需电缆已选型完成(电缆选型由电器工程师完成)，其规格为Φ64，2670kg/300m，所以电缆总重为：5.34吨，电缆本身悬空250米时承受自重在安全范围内(包括受海流等外力冲击影响)。
要求电缆绞车必须为双联卷筒结构，且每联卷筒满足容缆300米，每联卷筒电缆悬入海水中250米(最深作业水深)时能够承受电缆等的拉力。考虑考电缆绞车岸上运输一般采用集装箱运输问题，所以电缆绞车尺寸必须满足正常规格集装箱尺寸。查相关集装箱尺寸，20尺开顶柜:内容积为5.89×2.32×2.31米,配货毛重20吨,体积31.5立方米；因电缆绞车在船舶甲板作业，其所占用面积和空间越小越好，根据电缆绞车外购件的选型及结构设计，最终电缆绞车外形尺寸为：2.66×2.2×2.26米。电缆绞车本身自重约为：9吨(包括液压站、电缆、浇注接头等重量约为18吨)。
4.2 电缆绞车设计相关计算
电缆直径：Φ64(电器工程师选型已定)；电缆容量：2×300m(硬性要求)；
电缆重量：2670kg/300m×2=5340kg(已知)； 电缆绞车工作压力：18MPa(已知)；
海水密度：1025kg/m3；卷筒直径Φ1600mm(根据所选电缆弯曲半径确定)；
最深作业水深(250米)时电缆悬入水中体积：0.8042475m3×2=1.608495m3；
故最大作业水深时(250米)悬入水中电缆的浮力：F=PGV=1025×9.8×0.8042475×2=8078N×2=16156N；
最大作业水深时(250米)悬入水中的电缆的重量：2225kg/250m×2=4450kg；
故所需电缆绞车最大拉力为：4450×9.8-16156=27454N；
电缆绞车正常转动所需最小扭矩，即为底层电缆转动时电缆绞车所需的扭矩最大，满足此扭矩即能满足电缆绞车正常转动所需扭矩，故第一层电缆上最大扭矩即为电缆绞车正常转动所需最小扭矩(第一层电缆的所需扭矩即为最大扭矩)：Max=RG=0.832×(4450×9.8-16156)=0.832×27454=22842N.M；
电缆绞车采用液压马达内齿圈驱动，小齿轮齿数Z=9，模数m=14；内齿圈齿数Z=100，模数m=14.为了不根切(压力角=20°和齿顶高系数=1的正常齿制标准渐开线齿轮，当用齿条加工时，最少齿数取17)，采用正变位，其变位系数为：X=(17-9)/17=0.47、传动比为：100/9=11.11；
根据经济预算、咨询等，拟采用宁波厂家1TZM32-1.6SeZ型液压马达，其参数为：
额定压力：20MPa；最高压力：30MPa；额定转速：2-250r/min；单位扭矩：244.05N.M/MPa；
额定扭矩：4881N.M；额定排量1616ml/r。
液压马达齿圈驱动提供的额定扭矩：M=(Z1/Z2)×4881×η =11.11×4884×0.8=43382N.M＞22842N.M(电缆绞车正常收放电缆所需的最大扭矩)。
经计算，液压马达选型及齿圈传动比设计符合电缆绞车需求。
为使电缆绞车作业时不出现乱缆情况，在电缆绞车收放电缆侧加装双向导向排缆器，
t=(Z1/Z2)×T =(28/33) ×76=64.48，电缆直径Φ64，符合电缆直径要求；
电缆绞车容缆量计算(卷筒直径Φ1600)：73m(第一层)+79m(第二层)+85m(第三层)+90m(第四层)=327m.满足容缆300m要求。
根据其结构计算可知绞车强度满足设计要求，下图为绞车外形尺寸：
5电缆绞车技术创新及应用
电缆绞车设计为在我公司胶管绞车的基础上研发设计完成，胶管绞车为液压马达和回转接头两部分完成，因靠液压马达和回转接头本身承受较大重量，所以其缺点承受重量较轻，同等液压马达提供绞车扭矩较小、成本较高等。
采用新型结构后，承重重量转移到了承重轴上，电缆绞车承受的重量较大，采用双排同轴卷筒保证了电缆同步作业，液压马达驱动齿圈所施加的扭矩同等经济预先下增加了几倍以上的扭矩。电缆绞车所输送为6000V电流，采用滑环保证电缆绞车滚筒自由转动而电缆静止的安全状态。
新的电缆绞车设计、安装成功后，于2011年11月份配套挖沟机在渤海海域进行了海上实现，电缆绞车收放缆自如，未出现故障，达到预期效果。计划2012年下半年前往南海进行相关海上作业。
海式期间电缆绞车照片截图
6结论
电缆绞车海上试验的成功，为海上作业胶管绞车提供了借鉴的依据，克服了胶管绞车同等技术要求下造价成本高、外形尺寸大、扭矩小等缺点，电缆绞车的设计成功也极大配合了海上作业设备的需要，使射流喷冲挖沟机满足了250米水深以内的作业条件，打破了国内水深作业记录(原国内最深作业水深108米，采用的胶管绞车配套射流喷冲式挖沟机)。迫使国外深水作业设备价格降低到同等水平。