dC120/180-Y型游車升沉補償裝置液氣系統(tǒng)研究

段　武，李　峰，劉遠波，杜明賢，郭　冬，王福貴

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002）①

dC120/180-Y型游車升沉補償裝置液氣系統(tǒng)研究

段武1，2，李峰1，劉遠波1，2，杜明賢1，2，郭冬1，2，王福貴1，2

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002）①

對國內(nèi)首次設計的DC120/180-Y型游車升沉補償裝置液氣系統(tǒng)的主要特點進行了簡要論述，分析總結(jié)了其設計過程中應注意的主要問題，并將其理論計算數(shù)據(jù)輸入仿真軟件中進行模擬分析。結(jié)果表明：補償效果完全滿足系統(tǒng)設計要求，驗證了其理論計算方法的正確性。

游動滑車；升沉補償裝置；高壓氣瓶組；蓄能器；主動補償缸

鉆柱升沉補償裝置是海洋鉆井的重要設備，廣泛應用于浮式鉆井平臺或鉆井船中。升沉補償按結(jié)構(gòu)可分為天車升沉補償、游車升沉補償?shù)?。天車補償結(jié)構(gòu)復雜、制造成本較高，主要應用于大載荷（≥2 700 k N）的補償。游車補償制造成本較低，一般應用于中小載荷（＜2700kN）的補償。升沉補償裝置按其動力供給方式又可分為被動式、主動式和半主動式［1-6］。被動式補償裝置成本較低，控制簡單，補償精度較差；主動式補償裝置成本高，控制復雜，但補償精度高；半主動式則是取兩者的優(yōu)點，在相對較合理的成本基礎上取得滿意的補償精度。寶雞石油機械有限責任公司研制的DC120/180-Y型游車升沉補償裝置即為半主動式游車升沉補償裝置。

DC120/180-Y型游車升沉補償裝置主要由機械、液氣、電控等3大部分組成。其中，液氣系統(tǒng)是升沉補償裝置的核心，其設計的合理與否直接決定著補償效果的好與差及生產(chǎn)成本的高與低。DC120/180-Y型游車升沉補償裝置液氣系統(tǒng)如圖1所示，本文就其主要特點及其設計時應著重考慮的因素進行總結(jié)。

圖1　DC120/180Y型游車升沉補償裝置液氣系統(tǒng)

1　主要特點

1） 在被動補償?shù)幕A上增設主動補償裝置，提高補償精度。

結(jié)合了主動補償系統(tǒng)和被動補償系統(tǒng)的優(yōu)點，主要載荷由被動系統(tǒng)承擔，降低能耗；而慣性載荷、摩擦載荷以及壓力變化附加載荷由主動系統(tǒng)克服，使得該裝置具有較好的補償效果和較強的適應性。

2） 主動補償采用比例閥+恒壓變量泵的控制模式，控制響應快且節(jié)能。

液壓系統(tǒng)控制通常有泵控和閥控2種方式。閥控執(zhí)行元件慣性小，響應速度快，控制精度高；但由于存在節(jié)流損失和溢流損失，能量損耗高，系統(tǒng)發(fā)熱量大；大功率時工作液容易發(fā)熱，需要配備大功率冷卻系統(tǒng)。泵控能量損失少，系統(tǒng)發(fā)熱少；但由于執(zhí)行元件慣性較大，致使系統(tǒng)響應較慢，控制效果較差。綜合考慮泵控和閥控的優(yōu)缺點，采用比例閥＋恒壓變量泵的控制方式，將二者優(yōu)點結(jié)合起來，發(fā)揮其各自的長處。

3） 系統(tǒng)關鍵部件工作狀態(tài)實時反饋。

系統(tǒng)中主要閘閥、被動補償缸、主動缸和鎖緊缸等關鍵構(gòu)件均設置了傳感器或開關。監(jiān)測系統(tǒng)可實時檢測各閘閥和關鍵運動部件的位置，控制單元根據(jù)檢測到的信號發(fā)出合理的控制指令，以保證任何一個操作安全、準確。

4） 主動/被動補償方式切換便捷。

當系統(tǒng)只需要被動補償時，只需關閉主動泵站，同時將比例閥組各閥件切換至特定位置即可。當主、被動補償同時使用時，主動泵啟動，比例閥組各閥件處于工作狀態(tài)即可。

5） 系統(tǒng)設置防爆閥、隔離閥，確保系統(tǒng)工作安全。

被動補償缸進油口管路安裝有防爆閥，以便在發(fā)生鉆柱掉落、爆管、鏈條斷裂等事故時，防爆閥通過流量變化快速關閉；由于補償缸屬于活動部件，存在膠管非正常損壞的危險，此時液壓油流量大，壓力高，容易對人體其他部件造成傷害，所以在軟管連接的另一端設置固定隔離閥，當軟管損壞時，隔離閥得到信號自動關閉主管道，避免造成二次傷害；同時，隔離閥通過壓差變化自動關閉，避免安全事故的發(fā)生及液壓油外泄造成環(huán)境污染。

2　設計時應注意的問題

2.1 被動補償系統(tǒng)液壓介質(zhì)的選擇

被動補償裝置液壓介質(zhì)的選擇主要考慮其抗燃性。目前的抗燃液主要分為含水型與合成型2種，其應用較廣范的液壓液有水乙二醇和脂肪酸脂［7］。水-乙二醇的介質(zhì)特性決定其工作壓力最大僅能達到21 MPa，且性能不穩(wěn)定，但其成本低廉。脂肪酸脂等合成型液壓液的工作壓力最大可達到35 MPa，但其價格高。本補償裝置液壓介質(zhì)為水-乙二醇。

2.2 被動液壓缸的設計

根據(jù)機械部分結(jié)構(gòu)，被動液壓缸采用單作用液壓缸。為防止被動補償缸補償作業(yè)時由于慣性力活塞碰撞缸底，被動補償缸設計行程時應考慮一定富裕量。

2.3 高壓氣瓶組容積的確定

高壓氣瓶組容積的選擇直接決定被動補償效果的好壞，氣瓶組容積越大［8-9］，氣瓶內(nèi)氣體壓力波動值越小，補償效果越好，但成本相應增大；反之，氣瓶組容積越小，氣瓶內(nèi)氣體壓力波動值越大，補償效果越差，但成本較低。因此，必須選擇相比較合理的氣瓶容積，既可以滿足補償精度要求，又不至于承擔過高的成本壓力。在進行氣瓶組容積計算時還應考慮絕熱系數(shù)，因為不同的絕熱系數(shù)對氣瓶容積的計算有較大影響。

2.4 主動補償缸的設計

主動補償缸所需驅(qū)動力計算主要考慮以下4個方面因素：

1） 補償器機械結(jié)構(gòu)的效率影響。

2） 高壓氣瓶組空氣壓力變化導致被動缸推力的波動。

3） 補償裝置產(chǎn)生的附加慣性力。

4） 被動補償管路壓降損失產(chǎn)生的作用力。

主動缸在結(jié)構(gòu)設計上考慮降低主動泵站的總功率，需采用等速缸結(jié)構(gòu)設計。主動補償缸在設計行程時應考慮預留一定余量，主動缸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　主動補償缸等速結(jié)構(gòu)

2.5 蓄能器容積的選擇

為保證升沉補償系統(tǒng)補償過程的平穩(wěn)性、安全性，在被動補償裝置空氣與液壓管線之間設置活塞式蓄能器實現(xiàn)氣液隔離。蓄能器的容積應比被動液壓缸塞腔容積之和略大一些。

2.6 主動補償系統(tǒng)比例閥組的設計

比例閥組設計時應考慮主、被動補償同時工作，被動補償單獨工作時兩補償裝置不得相互干涉，不得影響補償精度，不得損害主動液壓缸。

2.7 大流量液壓系統(tǒng)的設計

該裝置液氣系統(tǒng)流量大、壓力高，在選擇液壓元件時必須考慮其可靠性、靈敏度及壓降值。系統(tǒng)管路設計時通徑應考慮其富裕量，盡量減少彎頭和軟管的使用，以降低管路壓降。主動補償系統(tǒng)比例閥組應靠近主動液壓缸布置，縮短閥組與液壓缸之間管線長度，提高響應速度。

3　仿真分析

通過設計確定各參數(shù)后，利用SIMULILNK/ADAMS軟件進行模擬分析，在不同工況條件下對比補償效果的差異性。圖3為考慮與忽略傳動系統(tǒng)效率2種情況下的被動補償效果曲線。圖4為增加主動補償系統(tǒng)的補償效果曲線［10］。

通過模擬分析，得出如下結(jié)論：

1） 補償系統(tǒng)傳動效率越高，被動補償效果越好。

2） 不同的高壓氣瓶組容積決定著補償效果的好壞。

3） 增加主動補償系統(tǒng)后的補償效果明顯提高。

4） 仿真分析結(jié)果與理論計算數(shù)據(jù)基本吻合。

圖3　被動補償效果曲線

圖4　增加主動補償效果曲線

4　結(jié)語

對半主動式游車升沉補償裝置液氣系統(tǒng)的設計提出一些建議，以防止在后期設計過程中發(fā)生走彎路、考慮不全面、不到位等情況，從而影響升沉補償裝置的補償精度。DC120/180-Y型游車升沉補償裝置液氣系統(tǒng)為國內(nèi)首次設計，通過理論計算確定其主要部件技術參數(shù)，再反之將數(shù)據(jù)寫入仿真軟件中，通過模擬分析得出其仿真補償效果完全滿足系統(tǒng)設計要求，進而驗證了理論計算方法的準確性?？蔀椴ɡ松裂a償裝置液氣系統(tǒng)的設計提供參考。

［1］ 方華燦.海洋鉆井船升沉補償裝置的設計［J］.石油礦場機械，1976（5）：25-37.

［2］ 王維旭，弓英明，賴笑輝，等.海洋鉆井絞車補償系統(tǒng)技術分析［J］.石油礦場機械，2010，39（12）：18-20.

［3］ 張彥廷，劉振東，姜浩，等.浮式鉆井平臺升沉補償系統(tǒng)主動力研究［J］.石油礦場機械，2010，39（4）：1-4.

［4］ 陳祖波，呂巖，等.浮式鉆井鉆柱升沉補償概述［J］.石油礦場機械，2011，40（10）：28-32.

［5］ Fery D.Heave Compensation［EB/OL］.http：//every-thing2.com/title/Heave%2520 compensation，2002-04-08.

［6］ Leland R Robichaux，Jan T Hatleskog.Semi-active Heave Compensation System for marine Vessels：Unit-ed States，005209302A［P］.1993-05-11.

［7］ 雷天覺.新編液壓工程手冊（下）［M］.北京：北京理工大學出版社，1998：1383-1399.

［8］ 白鹿.鉆柱液壓升沉補償系統(tǒng)研究［D］.東營：中國石油大學，2009.

［9］ 王維旭，于興軍，賈秉彥，等.被動式鉆柱升沉補償裝置氣液控制系統(tǒng)的原理［J］.石油礦場機械，2011，40（2）：30-33.

［10］ 黃鍇，劉少軍，肖永山.基于ADAMS的深海采礦裝置升沉補償系統(tǒng)仿真研究［J］.計算機仿真，2003，20 （10）：57-59.

Research about Liquid Gas System of d C120/180-Y Travel Block-based Heaven Compensator

DUANWu1，2，LI Feng1，LIUYuanbo1，2，DUMingxian1，2，GUODong1，2，WANG Fugui1，2
（1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.National Oil&Gas Drilling Equipment Engineering Research Center，Baoji 721002，China）

The main characters of liquid gas system about DC120/180-Y travel block-based heave compensator which is designed for the first time on domestic are briefly presented.The primal points that should be taken care in the design procedure of it are analyzed and generalized.The theoretical data are inputted into simulation software to make an analog simulation.The simulate results indicate that the final compensating effects totally satisfied the design requirements，and the correctness of the theoretical computational method is proved also.

traveling block；heave compensator；high-pressure gas cylinder group；accumulator；ac-tive compensating cylinder

TE923

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.005

1001-3482（2015）07-0021-04

①2015-01-26

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）資助（2012AA09A203）

段 武（1984-），男，陜西禮泉人，工程師，主要從事石油鉆采設備設計研究，E-mail：duanwu521＠126.com。