[发明专利]深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统

说明书

技术领域

本发明适用于海上油气田开发和海洋工程装备与技术领域，特别涉及一种深海脐带缆绞车伺服排缆恒张力自适应控制系统。

背景技术

随着海上油气田开发水深的增加及海洋工程的不断发展，水下生产系统以其显著的技术优势、可观的经济效益成为该领域内研究热点并得到广泛应用。但是我国深水油气田开发起步晚，水下生产系统缺乏技术支持，这一现状制约了我国深海油气资源的开发。

脐带缆作为水下生产系统的关键设备之一，是连接水下生产设备与目标船上监控设备的神经-生命线。脐带缆通过设置的电源线、数据线、光缆、水气管、保护层及浮力层等，为水下生产设备提供生命支持系统、传输动力电源及控制信号，确保水下生产设备能够满足作业时间、作业深度和作业程序的要求。

绞车是在脐带缆存储、制造、运输及工作中的关键设备，能够根据水下生产设备作业的深度变化，实时对脐带缆进行收放。为了保证收放的脐带缆不被折弯或拉断，特别是在收缆过程中，必须确保将脐带缆整齐有序地排列在绞车的滚筒上，避免脐带缆因乱层相互挤压而导致无法放缆；同时，还要确保其不能承受过大的拉力，避免超负荷拉力导致脐带缆断裂。绞车类型有电动式、气动式和液压式，卷筒数量有单卷筒、双卷筒和三卷筒。电动绞车由三相异步电动机驱动，通过减速器、液力偶合器或行星差速器等进行调速；气动绞车由气动马达通过减速器驱动；液压绞车由液压马达驱动，通过液压马达进行调速。

在绞车上排列了多层脐带缆时，若不采取排缆措施会出现乱卷现象，会缩短脐带缆寿命，影响绞车正常工作。为此，设置有排缆机构，其在绞车工作中能够有效避免脐带缆乱卷、互相挤压现象，对于保证绞车正常运转起到关键作用。排缆机构有凸轮式、丝杠式和液压缸式，凸轮排缆机构通过盘形梅花凸轮转动来推动排缆杆往复运动进行排缆，因凸轮轮廓与从动件之间为点线接触，容易磨损，不能用于受力较大的场合。丝杠排缆机构由丝杠、排缆架和行程开关构成，传动比标准，但丝杠加工困难，若螺距过小，缆密度系数高，轴向张力和径向压力过大，使工字轮发生变形；若螺距过大，排缆往复频繁，影响换向机构的可靠性和寿命，响应较慢，易出现马鞍形。液压排缆机构是排缆架在双出杆液压缸的活塞推动下双向运动，由行程限位开关进行换向，可实现无级调速，适用范围大，但结构复杂，占用空间大。机械式排缆机构一旦做成，只能适应固定直径的脐带缆，无法满足脐带缆直径变化。

脐带缆通常包含电缆、光缆、软管、管道，外面设有护套和铠装，缆芯内的空隙以填充物填满，缆芯、铠装和护套之间分别用包带隔离。脐带缆的结构特点在于，其是一种多功能单元，多层次构件螺旋缠绕复合的结构，各单元相互非粘结接触，存在摩擦与磨损。这就对绞车及其排缆机构产生了特殊要求，电动、气动或液压式绞车及机械式的排缆机构都不能满足脐带缆工作要求。

脐带缆的结构及其工作环境复杂，绞车收放脐带缆时，脐带缆受很大的张力，易被折断，这要求对脐带缆有更高的保护措施，要求绞车的调速和张力调节能力高；要求排缆机构适应卷筒上各层脐带缆张力变化，保证脐带缆层间和缆间排列精确，且不发生相对滑动。收放时脐带缆受到的张力，会随着脐带缆的长度、海况等条件变化。缠绕在绞车卷筒上的脐带缆不但有很大的径向力，还由于卷筒上各层脐带缆的张力不同，有时会内层松外层紧，造成层间混乱和脐带缆间的相对滑动，这将降低脐带缆使用寿命，造成脐带缆损坏。

随着深海油气开采的不断发展，脐带缆的应用也越来越多，脐带缆的铺设距离更长、应用范围扩大到超深水。由于水下设备的作业深度和作业程度不同，这些脐带缆的长度短则几百米，长则几千上万米，不同设备脐带缆的粗细也不同。随着脐带缆的铺设距离延长、水深增加和海浪海流等条件的变化，深海脐带缆会承受更大的静水压力和复杂的海洋环境浪流作用载荷，脐带缆受力更加复杂，容易发生侧向位移失稳而导致脐带缆破坏，对脐带缆的安装和运行带来一定的困难。并且，水深增加导致动态脐带缆顶张力增大，通过布置不同浮力块来缓冲其顶部压力会影响脐带缆的整体构型；即使在优化浮力块布置方式的基础上，仍需要高性能变频驱动的恒张力自适应控制技术来补偿脐带缆顶张力变化的影响。而因海浪、海流、水深等条件的变化，绞车的负载也在不断变化，驱动力矩范围变化大，这对绞车稳定运行干扰太大，因而必须能够对绞车的收放速度和张力进行调节。

然而，该领域亟需一种能够解决上述技术问题的恒张力自适应控制的绞车伺服排缆的控制系统，来完善保护脐带缆。

发明内容