海洋管道混凝土配重可调式涂敷小车设计.pdf

2 0 1 3年 第 4 2卷 第 l 2期 第 5 4页 石 油矿 0l L FI ELD 场机 械 EQUI P MENT 文 章 编 号 ： l O 0l 一 3 4 82 ( 2 01 3 ) 1 2 - 0 05 4 04 海洋管道混凝土配重可调式涂敷小车设计 李 琴 ， 张富晓 ， 黄志强 ， 周 已 ， 李 鑫 ， 郝 磊 ( 1 西南石油大学 机 电机 电工程学院 ， 成都 6 1 0 5 0 0 ； 2 中国石 油防腐管道工程公 司， 河北 廊坊 0 6 5 0 0 0 ) 摘 要 ： 目前 ， 国 内的管道 混凝 土配 重涂敷 的 生产装备 基 本依赖 于 国外进 口， 技 术被 垄断 、 成 本 高。通 过分析海底管道混凝土配重中涂敷 系统的相关生产工艺， 根据海洋配重管不同直径、 不同长度的特 点 ， 设计 出一种 可调 式涂 敷 小车 。通过 支撑轮 轮 距调 节和 高度调 节 满足 不 同 系列 管径 、 管长 海洋混 凝土配重管的安装生产要求， 通过调节支撑轮和车轮的旋转速度满足不 同管道所需混凝土涂覆 量 的工艺要求， 实现 了一条生产线无需更换设备就可生产多系列海洋配重管， 弥补 了目前国内外的涂 敷 小车系统只能对固定管径、 管长海洋管道进行混凝土涂敷 的不足 ， 且生产成本低 、 效率高。 关键词 ： 海洋 管道 ； 混凝 土 ； 涂敷 小车 中 图分 类 号 ： TE 9 5 2 文献标 识码 ： A T r o l l e y D e s i g n f o r A d j u s t a b l e C o n c r e t e We i g h t C o a t i n g i n S u b ma r i n e P i p e l i n e L I Qi n g ， Z HANG Fu x i a o ， HUANG Z h i q i a n g ， ZHOU Yi ， LI Xi n ， HAO L e i ( 1 Co l l e g e o y Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En gi n e e r i n g， So u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， C h e n g du 6 1 0 5 0 0， Ch i n a； 2 Pe t r o C h i n a Pi p e l i n e En gi n e e r i n g C o mp a n y， La n g f a n g 0 6 5 0 0 0， Ch i n a ) 4 结 论 1 ) 本 文 在分析 国内外超 声管 道 内检测装 置发 展现状的基础上， 提出了一种将 连续油管与超声管 道检测装置相结合 的装置总体设计方案， 能够解决 该类检测装置一直存在的在管道中运行速度不稳定 等 问题 。 2 ) 对超声传感器的类 型尺寸 、 探头 的布置方 式及 单节 检测 器长 度进行 了选 型 和设计 计算 。设计 了分 2列 ， 每列 3 2个周 向环状 布置 的探头环结构 ， 以实现超声波信号对管壁周向全覆盖的检测效果。 3 ) 在对 检测装 置 的结构 部件 进行 详细设 计 的 基础 上提 出 了检测装 置 的关键 技术 参数 。本 文 的研 究成 果对 国内超声 管道 检测装 置 的研究 和发展 具有 一 定 的指 导意 义 。 参考文献 ： 1 宋生奎 ， 宫敬 ， 才建 ， 等 油气管道 内检测技术 研究 ”-I -” + 一” -1 -” -I -”- -n+ - - - 一 进展 J 石油工程建设 ， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 1 0 1 4 张剑波 ， 袁超红 海底管道检测与维修技 术 J 石油矿 场机械 ， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 5 ) ： 6 - 1 0 张琦 大容量高保 真海底 管道超声 检测数 据处 理技 术研究 D 上海 ： 上海交通大学 ， 2 0 0 8 ： 3 - 4 周 明， 何 凤歧 ， 麻百勇 在役 石油管 道无损 检测 方法 E J 油气储运 ， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 1 ) ： 8 - 1 3 Na v a Ba l a n z a r Lu c i a n o， S o t o Ca j i g a J o r g e Al b e r t o De v e l o p me n t o f a n Ul t r a s o n i c Th i c k n e s s M e a s u r e me n t E q u i p me n t ； P r o t o t y p e J I E E E S i g n a l P r o c e s s i n g Ma g a z i n e ， 2 0 0 2 ， 4 9 ( 6 ) ： 8 4 8 8 5 1 Sh a ni M St e i n hubl ， De r r i c k RM a nnEngi ne e r i ng a nd ul t r a s o ni c t o ol r un i n a na t ur a l g a s pi pe l i n e t O de t e c t s c c c 7 t h I n t e r n a t i o n a l P i p e l i n e C o n f e r e n c e ， S e p t e mbe r 29 - Oc t o be r 3， 2 00 8 刘 香 海底管道超声波检测 装置 的研究 与设 计 D 济南 ： 山东大学 ， 2 0 1 1 ： 2 - 4 蔡敏 海底输油 管道超声 检测信 号 的分 析与 缺陷评 估 的研究 l- D 上海 ： 上海交通 大学 ， 2 0 0 8 ： 1 3 1 6 李春林 ， 程百慧 ， 王 大伟 ， 等 管径 自适应轮 式管道机器 人设计 J 石 油矿 场机 械 2 0 1 0 ， 3 9 ( 6 ) ： 3 9 4 2 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 0 6 2 8 作者简介 ： 李琴( 1 9 7 0) ， 女 ， 四川成 都人 ， 副教 授 ， 主要从 事石 油矿 场机械 的科 研和教 学工 作 ， E ma i l ： 1 6 4 3 3 7 9 9 8 q q c o rn。 第 4 2卷第 1 2 期 李琴 ， 等 ： 海 洋管 道混 凝土配重可调式涂敷小车设计 Ab s t r a c t ： At pr e s e n t ， t he do m e s t i c pi pe l i n e c o nc r e t e we i g ht c o a t i ng p r od uc t i o n e qu i pme n t i s i m po r t e d， t e c h no l o gy mo no po l y， h i gh c os t ， a n d c u r r e nt l y o nl y c o a t i n g t r ol l e y s y s t e m a t ho me a nd a br o a d t O a c hi e v e c o nc r e t e c o a t e d wi t h a f i xe d di a m e t e r l e n gt h m a r i n e p i pe l i ne， i n t he pr o du c t i on of di f f e r e nt di a m e t e r pi p e pi p e l i ne ne e d t o r e pl a c e e q ui p me nt ， s e r i o us l y r e s t r i c t i n g t he p r od uc t i o n e f f i c i e n c y o f m a r i n e c o un t e r we i gh t t u be a pp l i c a t i o n a nd p op ul a r i z a t i on The r e f o r e， t he pr o du c t i o n pr o c e s s c on t r o l s ys t e m o f s u bma r i ne p i p e l i ne c o a t i n g c o nc r e t e c o un t e r we i gh t i n t he o c e a n， a c c o r d i n g t o d i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f d i f f e r e n t l e n g t h we i g h t t u b e d i a me t e r ， d e s i g n a k i n d o f a d j u s t a b l e c oa t i ng t r o l l e y， c a n s a t i s f y t he di f f e r e nt d i a me t e r pi p e s e r i e s ma r i ne c o nc r e t e c o un t e r we i gh t t ub e pr o d uc t i o n r e qu i r e me n t s， t O a c hi e ve a p r o du c t i o n l i n e wi t h ou t c ha n gi n g t he e qu i pme n t c a n p r od uc e mor e s e r i e s m a r i n e c ou nt e r we i gh t t ub e， gr e a t l y s a v e s t he c o s t ， e nha nc e s t he p r od uc t i o n e f f i c i e nc y Ke y wo r ds ： s u b m a r i n e pi p e l i ne ； c o nc r e t e； c o a t i n g t r ol l e y 近 年来 ， 我 国原油对外依存度 连年攀高 ， 2 0 1 1 年已达 5 5 1 ， 而陆地油气资源量却逐年下降。据 统计 ， 菲律宾、 印尼等共同开发 的油气加起来 已有近 7 0 0 0万 t ， 已经超过 了中海油 。我 国仅南海地 区的 石油地质储量就达 2 3 03 0 0亿 t ， 约 占我 国油气总 量的 1 3 ， 其中又有 7 0 蕴藏在深海区域_ 1 。因此 ， 开发我国的海上油气资源已迫在眉睫。 2 0 1 2 0 5 ， “ 海 洋 石 油 9 8 1 ” 在 南 海 首 钻 ， 我 国 首 艘深水铺管起重船“ 海洋石油 2 0 1 ” 赴南海铺管作 业 ， 标志着 中国海 洋石油深海作业 舰 队即将成形 。 一 直以来 ， 我国进行混凝土配重的涂敷设备都依赖 于国外进 口， 其成本昂贵 ， 生产周期较长 。在这种情 况下 ， 设计具有我国自主知识产权的相关技术装备 ， 建设 自己的涂敷配重生产线对推动我国海洋石油工 程的发展就具有重要意义_ 2 。 1 管道涂敷概况 由于受海洋 环境 的影响， 海洋管道铺设过程 中 会受到海水浮力作用而产生漂移 ， 因此对海洋管道 需进行有效 的配重 以克服海水 浮力作用 ， 同时还要 对其防腐以及增加有效的机械保护。配重涂敷生产 设备 目前 由国外设备商提供 ， 其代表公 司有 S o c o t h r e m、 C R C E v a n s等 ，国 内 尚 无 设 备 制 造 公 司 3 , 4 3 。利用引进设备生产混凝土配重 管不仅提高 了成本 ， 而 且促 成 国外在 该领 域 的技术 垄断 ， 制 约我 国石油装备技术的发展。本文根据海洋管道混凝土 配重管的涂敷生产要求 ， 开展 了海洋管道混凝土配 重可调式涂敷小车的设计 ， 以期打破国外垄断， 形成 具有我国自主知识产权的海洋管道混凝土涂敷生产 设 备 。 2 涂 敷系统 喷涂式混凝土涂敷设备主要 由搅拌装置 、 抛射 装置、 涂敷小车和刮刀组成 ， 如图 1 所示 。工作原理 为 ： 料斗中的混凝土经平 皮带 以一定的速度送入 由 步进电机控制的一对高速旋转的抛射轮 间隙 中， 混 凝土以较大速度喷射到已套好钢筋笼 的管道表面， 同时管道在涂敷小车带动下作直线 和旋转运动， 形 成 达 到厚度要 求 的混凝 土配 重层 ， 最后 由刮刀整 圆 ， 使 配重 层外 观平 整 。 1 一料斗 ； 2 混凝土 ； 3 一漏斗 ； 4 一旋转机构 ； 5 一升降机构 ； 6 一平皮带 ； 7 一涂敷架 图 1 涂敷系统原理 3 涂敷小 车 在工作过程 中， 涂敷小 车上的支撑轮带动管道 作旋转运动 ， 同时涂敷小车车轮在导轨上作匀速直 线 运动 ， 在两 运 动方 向的 复合 作 用 下 管 道形 成 一 个 螺旋前进运动， 混凝土以一定速度喷涂在管道表面 形成满足要求 的混凝 土配重层。针对不 同管径管 道 ， 要满足一定喷射距离要求 ， 就需要涂敷小车升降 机构进行高度调整， 同时两支撑轮轮距可调 以满足 不同管径管道 的安放要求。 石油 矿 场机 械 2 O 1 3年 1 2月 3 1 结构 设计 3 1 1 两支撑轮轮距可调机构 管道 旋转 主要 是通过 支撑 轮 电机带 动支撑 轮旋 转 ， 通过控制支撑轮 电机的频率和正反转 ， 即可控制 管 道 的旋 转 速度 和方 向 ； 调 整 丝 杠 为一 端 左 旋 一 端 右 旋相结 合 的双旋 丝杠 ， 通 过手轮 带动 丝杠转 动 ， 实 现 两支撑 轮 的相 向运 动 从 而 调 整支 撑 轮 轮 距 ， 每 台 涂 覆小 车均 由一对 支撑 轮 带 动 管道 转 动 ， 采 用 一 台 电机驱 动其 中一 个 支撑 轮 转 动 ， 通 过 管道 与 支 撑 轮 的摩擦 作用 带动 另 一 个支 撑 轮 转 动 ， 从 而实 现 管 道 的转动 ， 完 成涂敷 工作 。如 图 2所示 。 卜支撑 轮 ； 2手 轮 ； 3 F半 板 ； 4 一 滑 槽 ； 5调 节 丝 杠 ； 6 一 支 撑 轮 电 机 图 2 涂敷小车旋转 系统结构 3 1 2高度升 降机构 不同管径管道的高度升降由一系列不同高度的 垫块 调整 ， 垫块 采用 H 型 钢焊接 而 成 。根据 混 凝 土 抛射 距离 不大 于 4 0 0 I I 1 r I 1 的 抛 射 要求 ， 针 对 不 同 管 径管 道选 用不 同高 度 的垫块 ， 通 过 螺栓 分 别 固定 于 上平 板 和下平 板 的 上 下 面 。由 于每 一 种 管径 、 管 长 管道 的生 产周 期较 长 ， 无 需频 繁更换 垫块 ， 故 采用 不 同高度垫 块来 调节 不 同管径 管道 的高度 的方 法就 非 常简单方便 ， 安全可靠 ， 且成本低。 3 1 3速 度 可 调 机 构 管道的直线运动通过底端类似于轨道车的直线 运 动机构 实现 。车轮 由小 车 电机 带 动 ， 通 过 变 频 器 控制小车电机的频率和正反转可控制涂覆小车在导 轨 上作直 线运 动 的速 度 和 方 向 ， 小 车 电机 安 装 在 小 车车体的侧面， 小车车体采用马鞍式， 可降低重心使 生 产更 加安 全可靠 。如 图 3所示 。 1 垫块 ； 2 小车车体 ； 3 车轮 ； 4 一 连接杆定位体 ； 5 上平板 ； 6 小车 电机 ； 7 一 一 防护罩 图 3 可调式涂敷小车结构 3 1 4两 小 车 完 全 同步 运 动 机 构 将 两 台可 调式 涂 敷小 车 对 置 放置 ， 两 车 之 间根 据管 道 的不 同长度采 用 与之相 适应 的连接 杆 将两小 车连接起来 ， 保证两小车间间距的同时保证两小车 的完全同步运动 。从而保证管道的直线旋转运动， 实 现管 道 的混 凝 土涂敷 配重 。如 图 4所 示 。 l 管道 ； 2连接杆 图 4 可调式涂敷小 车系统 3 2 混凝 土涂 敷工 艺参数 的设 计计 算 考虑数学计算方便， 将管道混凝土层形成的圆 柱面沿 母线 展 开成 平 面 ， 此 时 每个 螺 旋 就 变 成 一条 斜线 ， 斜线 与管 道母 线 相 应 垂 线所 形 成 的夹 角 就是 螺旋角， 各斜线之间的轴 向距离即为螺距 P 。如 图 5所示 。 二 二 二 一 图 5 混凝土层 的螺距 、 螺旋角 根据 图 5可推 导 出 P一 ( D+2 h ) t a n p ( 1 ) 式 中 ： h为防腐 层厚 度 ； D为 管道 直径 。 因此 ， 当抛 射在管 道上 的混凝 土层 宽度 为 w 时 ， 昆 凝 土层 的叠 加层数 ( 即涂敷层 数 ) N 为l 6 ： N一 一 而 ( 2 ) 由上 文分 析 可 知 ， 混凝 土 层 是 在管 道 的 直线 旋 转运动过程 中抛射在管道表面层叠缠绕形成的。管 道的直线运动是 由小车在轨道上作直线运动来实现 的 。由此得 到公式 ： 一 ( 3) vt S W ( 4) 式 中： 叫为管道角速度 ； 为管道直线运动速度 ； t 为 角速度 为 时 ， 管道转 2 兀 ， 角度所需 的时间； s为 第 4 2卷第 1 2 期 李琴 ， 等 ： 海 洋管 道混 凝土配重可调式涂敷小车设计 管道直线移动距离。 将式( 2 ) 、 ( 3 ) 代入式( 4 ) 可得 ： 一 W PN c o s ( 5) 即有 ： 詈 一 (J 厶 丁【 式( 6 ) 即为关于管道角速度、 直线速度和涂敷层 数所建立的数学模 型。由此数 学模 型可知 ， 在管道 混凝土层宽度一定 时， 管道旋转 的角速度 和直线运 动速度完全取决于混凝土层数 。 工厂生产前 ， 需根据现场经验进行调试工作 ， 而 调试时间一般长达数 日， 既浪费时间又浪费生产材 料 。利 用本 文建 立 的数学 模 型可 以很容 易地 求解 出 相应的工艺参数 ， 直接对旋转和直线运动速度进行 调节， 缩短调试时间， 提高生产效率 。 3 3 涂 敷 小车 的 电气 控 制设计 涂覆小车的控制主要是控制小车直线运动和支 撑轮旋转运动的速度和方 向， 采用电机驱动变频器 调速 的方式 实现 。 涂覆小车的驱 动设备和 I O站均 放置在小 车 上 ， 并设置现场操作盘 ， 通过“ 无线” 链路方式与接 口 模块 I M1 5 3 4 ， 电源模块 P S 3 0 7 5 A， P RO F I NE T I O 系统相连_ 9 。涂覆小车采用速度 闭环控制 ， 变频调 速装 置选 用 S I E ME NS公 司 S I NAMI C S$ 1 2 o系列 变频传动装置 。基本配置如表 1 。 表 1 涂 敷 小 车 电 气 控 制 基 本 配 置 涂敷小车 I O站配置采用西门子 品牌 ， 包括操 作面板 KP 8 F， 数字量输 出模块 S M3 2 2 D 0 1 6 ， 数字 量输入模块 S M3 2 1 DI 1 6 ， 如图 6所示 。 图 6 1 涂敷小 车 I O站配置 图 此外 ， 在涂敷小车上还要安装 4只增量编码器 ， 分别用于检测直线运动机构和旋转支撑轮的速度 ； 光 电开关 ( 或 接近 开关 ) 2组 ， 用 于检 测 小 车在 上 卸 管的位置 。达到安全高效地完成海洋管道混凝土涂 敷的目的。 4 结 论 1 ) 可调式涂敷小车通过轮距和高度 的调节 ， 满足不同管长 、 管径管 道涂敷的安装生产要求 ， 而 旋转运动和直线运动 的速度可调 ， 满足不 同管道 、 不同涂覆量的要求 ， 整 个生产过程安全可靠 、 操作 简单 。 2 ) 可调式涂敷小车弥补了目前国内外涂敷小 车 系统 只能 实现 一种 固定 管径 和管长 海洋管 道混 凝 土涂敷的不足， 实现 了一条生产线无需更换设备就 可生产多系列海洋配重管的要求， 大幅提 高了生产 效率 。 3 ) 2 0 1 3 0 5 ， 中油 防腐管道工程公司的相关专 家在 西南 石 油大学 对海 洋管 道混凝 土 配重可 调式 涂 敷小车的设计进行 了评审 ， 对涂敷小车主要部件的 设计进行 了分析与论证 ， 对所设计 的可调式涂敷小 车能够满足不同系列管径、 管长海洋混凝土配重管 的生产要求给予了充分肯定。该涂敷生产设备现已 准备开始试制 ， 对建立我 国 自己的海洋管道配重生 产线具有推动作用。 参考文献 ： 1 环球 网 国家海 洋开 发意 义深 远 E B OL ( 2 0 1 2 0 9 2 4 ) 2 0 1 3 0 6 1 0 h t t p ： b b s h u a n q i u c o rn t h r e a d 一 1 84 07 47 1 1 h t m1 2 3 李 昱 坤 海 底管 道 混凝 土 配重 涂敷 设 备 与生 产 工 艺 E J 3 石油工程建设 ， 2 0 0 5 ， 2 8 ( 1 2 ) ： 1 0 1 1 3 郭建伟 ， 魏存 祥 ， 杜晓春 管 道涂层 发展 与新技术 J 管道技术与设备 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 4 9 5 1 4 张剑波 ， 袁超红 海底管道检测与维修技术 J 石油矿 场机械 ， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 5 ) ： 6 - 1 0 E s 徐 昌学 ， 马厚逢 管道涂敷 3 1 P E工艺参数研 究与计算 J 石油工程建设 ， 2 0 1 1 ， 3 7 ( 2 ) ： 4 7 4 9 6 杨 东升 ， 王耀 光 ， 赵 金兰 ， 等 侧 向缠绕 式 3 P E防腐层 螺距与涂敷 层数 的理论 计算 J 焊 管 ， 2 0 1 1 ， 3 4 ( 8 ) ： 2 6 2 8 7 许 传新 ， 刘月芳 ， 于洪波 ， 等 3层涂敷 生产线 的设 计探 讨 ( 一) J 管道技术 与设备 ， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 1 4 1 7 8 许传新 ， 刘月芳 ， 于洪 波， 等 3 层 涂敷生 产线 的设 计探 讨 ( 二) J 管道技术 与设备 ， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 8 - 1 0 9 杨 玉菲 电气控 制技 术 M 北 京 ： 中国铁 道 出版社 ， 20 06： 5 3 6 4