自升式海上钻井平台液压升降系统解析.pdf

石油和化工设备 自升式海上钻井平台液压升降系统解析 程龙 中海油能源发展股份有限公司监督监理技术公司， 天津 3 0 0 4 5 1 [ 摘 要]结合海上平台液压升降系统的应用情况，对该液压升降系统的主要功能、结构组成、工作过程、液压和控制等进 行了系统的分析介绍。 [ 关键词] 自升式海上钻井平台；液压升降系统；分析介绍 自升式海上钻井平台液压升降系统 由一套独 立的液压驱动 系统提供动力 ，确保桩腿可克服泥 土 、砂石等带来的阻力和升 降平 台 自身的重力 ， 将桩腿插入或拔离海床 以及 升降整个平 台。根据 平 台升 降工况 、作业工况、 自存工况 、预压工况 的重量 重心计算及环境载荷的计算结果，确 定升 降系统的正常升 降能力 、预压升 降能力、船体升 降速度 。海 上平 台液压升 降系统设计应满足 以下 功能 确保系统有足够 的动力 克服泥土 、砂石等 阻力与平 台 自身的重力，将桩腿体插入或拔离海 床及平 台的升 降；桩腿在 工作过程 中，应运行平 稳，无卡死现象 插桩或拔桩过程 中，液压执行 机构能满足一 定节距 的行程要求；系统 设计 为 自 锁式桩腿液压升降系统 ，在各种工作及非工作状 态下 ，系统可 以实现 自锁 ，通过计算机或 中央控 制 台下达指令完成平台的升降作业。 1 海上平台液压升降系统的结构及组成 海上平台液压升降系统采用主油缸插销式 ， 共有几套 相 同的升 降机构 。以4 条桩腿 的平 台为 例，液压升降系统的主要部件见表1 。 表1 液压升降系统的主要部件 序号 名称 单位 数量 备 注 1 主油缸 △ 1 6 双作用液压 油缸及 附件 。 口 2 插拔销机构 套 4 8 每台包括插销油缸、销轴以及可滑动的插销油缸安放基座。 3 液压站及控制系统 厶 1 提供液压动力的电机、液压泵站以及控制阀组。 口 4 液压软管及接头 套 4 包括液压动力站至控制阀模块、控制模块至各油缸之间的所有软管及接头 5 安全装置 套 1 6 液压 自锁装置。 6 行程检测系统 套 4 检测各主油缸的伸缩行程。 7 位置检测系统 套 4 包括插销油缸轴 向以及径 向的位置检测装置 。 8 控制系统 套 1 包括P L C 逻辑控制系统、同步控 制系统和 动力控制 系统。 9 电气控制箱 套 1 包括控制柜、电器控制元器件。 液压升 降系统 的执行机构分别安装在钻井平 台的 四个角上 ，每套执行机构 由桩 体、上环梁 、 插销机 构 、主油缸、下环梁等组成 。通过上 、下 两组插销机构交替伸缩 上环梁为动环梁 ，下环 梁 固定在平 台船体上 ，配合主油缸的伸缩 ，实 现整个桩腿 的下桩 、插桩 、升平台、调平、落平 台、拔桩、起桩动作 。桩腿升降结构如图1 所示 。 插销机构主要 由轴套 、插销油缸 、插销油缸 护 罩、销轴 以及横 向位 置检测装置及 附件组成 。 如图2 所示 。在上下环梁插销孔 内各有2 个水平位 置传 感器 ，用来检测插销的水平位置 。在各插销 图1 执行装置结构示意图 作者简介 程龙 1 9 8 2 一，男，西南石油大学毕业，学士 工程师。研究方向海洋 工程 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第8 期 程龙自升式海上钻井平台液压升降系统解析 一 3 3 内设 有纵 向位置 传感 器 ，用 来检 测插 销 纵 向位 置 ，防止在带载插拔销轴时损坏销轴。 图2 上插销机构结构示意图 主 油缸为桩腿提供主要动力 ，顶部与底 部分 别连接上环梁和 下环梁机构 。除此之外在主 油缸 上还安装 了位移传感器与行程 开关 ，协助主 油缸 与插销油缸协调工作 。 2平 台液压 升降系统工作原理 平 台液压 升降系统可实现七个动作 下桩 、 插桩、升平台、调平 、落平台 、拔桩 、起桩 ，其 中升平 台与插桩工作过程相 同，降平 台与拔桩过 程相 同，而调平根据平 台高 低 情况不 同与拔 桩 插桩 相似 。根 据 上述 分析 与 桩体 受力 的 不 同，将桩腿的全部工作过程分为 四个动作 下 桩、插 桩、拔桩 、起桩 。升降平 台作业前首先将 桩 与主 甲板之 间固定楔块卸去 ，检查升降系统装 置工作正常，平台处于可升降的作业状态 。 2 ． 1 下桩。当钻平 台需要就位时，需要下放桩腿 并插入海床。通过主油缸的收缩实现下桩和平 台起升作业。其具体过程如下 1 下桩 。此 时平 台处 于漂浮状 态 ，下桩 过程 升降装 置的受力为桩腿 重力 。首先操 作控制 器 ，使主油缸 缩回，桩腿随着 主油缸的缩 回而 向 下移动 ，通 过安装在主油缸上的位移传感器检测 主油缸 的行程 ，当主油缸缩 回至 l O 0 0 mm时，下 插销 自动切换 到伸 出状态 ，随着 主油缸缩 回 ，当 下插 销对 准销孔时插销 ，下插销插到位 后触发水 平位 置传感器 ，主油缸和下插销油缸 自动停止工 作 。 2 上插销卸载。控制主油缸继续缩 回，直 至上插 销纵 向位置传感器发出信号停止动作 。即 上插销 已经脱 离桩腿 内孔壁 ，载荷 已经全部转移 到下 插销 ； 3 上插销拔 出。控制上插销油缸伸 出，拔 销到位后 ，上插销水平位置传感器 发出信号 ，系 统 自动停止插销油缸动作 。 4 主油缸 回位 。控制主油缸伸 出，通过安 装在主油缸上的位移 传感器检测主油缸的行程 ， 当主油缸伸 出至l O 0 0 mm时，上插销 自动切换到伸 出状态 ，随着 主油缸伸 出，当上插销对准销孔 时 插销经 过桩腿 的下一个销孔 ，上插销插到位后 触 发水平位置传感器 ，主油缸和上插销油缸 自动停 止 工作 。 5 下插销卸载 。控制主油缸伸出，直至下 插销纵 向位置传感器发出信 号停 止动作 。即下插 销 已经脱离桩腿 内孔壁，载荷 已经全部转移到上 插销 。 6 下插销拔出。控制下插销油缸缩回，拔 销 到位 后，下插销水平位置传感器发 出信号，系 统 自动停止插销油缸动作。 7 重复步骤 1 。 2 ． 2插桩 升平台。当桩腿被放置到海底时， 需要利用升降系统将桩体插入海床 或将钻井 平 台顶 起 ，防止 钻井 平 台滑 动 。插 桩过程 与 下桩过程类似，不同之处在于受力方式不同， 下桩时是销子的上部承受载荷 ，受力大小为桩 腿 自重 ；而插桩是销子的下部承受载荷 ，受力 大小为插入泥土的阻力。 2 ． 3拔桩 。当钻井平台准备移动时，要将桩腿从 海床中拔离。通过主油缸 的伸展实现起桩和降 平台作业。其具体过程如下 1 拔桩 降平台。平台处于漂浮状态 ， 拔桩 时是销子 的上部承受载荷，受力大小为海床 泥 土所 产 生 的摩 擦 力与 吸 附力 。首先 操作 控制 器 ，使主油缸伸展 ，桩腿 随着 主油缸 的伸展而 向 上移动 ，通过安装在主油缸上的位 移传感器检测 主油 缸的行程 ，当主 油缸伸 展至 1 O 0 0 mm时 ，下 插销 自动切换到伸 出状态，随着 主油缸伸展 ，当 下插销对准销孔时插销 ，下插销插 到位后触发水 平位置传感器 ，主油缸和下插 销油缸 自动停止工 作。 2 上插销卸载 。控制主油缸缩回，直至上 插销纵 向位置传感器发 出信 号停止动作 。即上插 销 已经脱离桩腿 内孔壁，载荷 已经全部转移到下 插销。 3 上插销拔 出。控制上插销油缸缩回，拔 销到位后 ，上插销水平位置传 感器发出信号 ，系 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 4 一 ■ 技术交流 石 油 和 化工 设备 2 0 1 2 年 第1 5 卷 统 自动停止插销油缸动作 。 4 主油缸回位 。控制主油缸缩 回，通过安 装在主油缸上 的位移传感器检测主油缸的行程 ， 当主 油缸缩 回至 1 O 0 0 mm时 ，上插销 自动切 换到 伸 出状态 ，随着 主油缸缩 回，当上插销对准销孔 时 ，上插销插到位 后触发水平位 置传 感器 ，主 油 缸和上插销油缸 自动停止工作 。 5 下插销卸载 。控制主油缸继续缩 回，直 至下插销纵 向位置传感器发 出信号停止动作 。即 下插销 已经脱离桩腿 内孔壁 ，载荷 已经全部转移 到上插销 。 6 下插销拔 出。控制下插销油缸缩回，拔 销到位 后 ，下插销水平位 置传感器 发出信 号，系 统 自动停止插销油缸动作 。 7 重 复步骤 1 直至 桩腿 完全 脱 离海 床 。 2 ．4起桩。当桩体被完全拔离海床时，钻井平台 要利用升降系统将桩腿完全收回。下桩过程与 拔桩过程类似，不同之处在于受力方式不 同， 拔桩时是销子的上部承受载荷，受力大小为海 床泥土所产生的摩擦力与吸附力；而起桩是销 子的下部承受载荷，受力大小为桩腿本身的 自 重 。 3平台液压升降装置的液压动力及控制系统 该液压升 降系统有一套液压动力站 ，每套液 压执行 系统 由控制 系统操 作，可 以单独工作 ，也 可以全部联动 。 3 ． 1 液压动力系统 一 套平 台升 降系统共 有几 台液压泵 ，其 中由 主泵 向主油缸供油，其它泵 向电液 比例换 向阀和 插销油缸供油 ，提供动力 。根据升降平台的不同 ，工况 ，当主油缸空载运动时 ，系统 自动提高泵的 流量 ，降低压力 ，从而提高系统的工作效率；当 主油缸处于待载工作时 ，系统 自动降低流量 ，提 高压 力 ，从而保障系统安全可靠地工作 。这样将 大大降低系统 的整体功率 ，节约能耗 ，提高工作 效率。 利用P L C逻辑控制信号控制电液比例换 向阀、 电磁换 向阀的不 同通 电状态可实现主油缸 同步升 降、与上插销油缸下插销油缸协调工作 ，再配 以 位 移与压力检测系统 的反馈 ，系统将稳定地升降 钻井平台。 液压辅助设备的回油过滤器使液压系统 的油 液保持清 洁，过滤器上装有堵塞发讯装置，当需 要更换滤芯时，控 制器 自动发 出报警提示信号 ； 系统装有液位温度计用 以检测指示油箱的油位和 温度 ，同时系统利用海水作 为冷却介质 ，防止系 统油温过高 。空气过滤器保证油箱 内部与大气相 通及空气的清洁，确保系统稳定工作。 3 ． 2 控制系统 控 制 系统对 主 油缸 、上插 销油 缸和 下 插 销 油缸 的速度和位 置 信 号检测与逻辑判断模块 相互协调工作，进行精确控制 ，检测精度可达到 l mm。同时 ，系统按照程序要求对液压站 、各 电 磁换 向阀进行逻辑控制 ，实时检测系统 的压力 、 液位 、油温及过滤器的状态并对系统 的故障进行 诊断、报警、处理。 每个主油缸 由一个位移传感器检测油缸伸缩 的位 移。位移检测信号通过控制 电缆传输到控制 器 ，进行 比较分析判 断，控制器发 出控制信号对 液压站和 液压控制模块进行操作 ，从而实现桩腿 平稳可靠地实现下桩、插桩、拔桩和起桩动作 。 通过横 向位置检测装置与纵 向位置检测装置 同主油缸上 的位移传感 器可以准确得知上下插销 油缸 的工作状态，防止 出现插销插不进等意外情 况发生造成严重后果。 4结语 平 台升降系统作 为海上 自升式平 台的最关键 部件 ，其性 能的优劣直接影响平台的安全运行 。 该液压升 降系统工作性能平稳 ，在工作及非工作 各种状态下 ，具有多种安全保护措施 ，能够保证 平台在升 降操作及海上钻井作业的安全 ，该系统 已在海洋石油多个钻井平 台广泛应用 。 ◆参考文献 [ 1 】李广武． 浅海坐底式钻井平台抗滑桩液压升降系统分析 [ J 】 ． 液压与气动，2 0 0 7 ， 9 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m