海洋鉆井隔水管張力器控制系統研究

摘 要：海洋鉆井隔水管張力器是浮式鉆井裝置上的一種關鍵設備，用于提升隔水管、消除隔水管重力、為伸縮節提供結構性支持、保證隔水管的正常工作并消除浮式平臺或鉆井船相對于鉆井隔水管的升沉運動。其中，為提高張力器對波浪垂蕩運動的及時性，張緊裝置中的監控控制系統至關重要，對保持隔水管受恒定張力、張緊器的運動行程以及張緊能力有重要的影響。海洋隔水管張力器主要有鋼絲繩式和液壓缸直接式（DAT）2種，不同類型張緊裝置的控制系統也有不同，滑輪鋼絲繩技術比較成熟，適用于安裝在半潛式鉆井平臺中鉆井模塊的四周，直接液缸式張緊器制造難度大，技術先進，全球僅有一兩家公司具備制造能力，本文就兩種張緊器的控制系統分別探討其控制原理、控制方式、控制系統關鍵技術等問題。

關鍵詞：隔水管；張緊系統；控制系統；監測響應

海洋鉆井隔水管張緊器的技術革新隨著半潛式鉆進平臺的技術發展而發展的，隔水管張緊器國內研究還處于起步階段，現有寶雞石油機械有限公司、中國石油大學以及上海708研究所等單位研究，其設計和制造主要被NOV、CAMERCON、MH、CONTROL FLOW等西方少數公司掌握。

1滑輪鋼絲繩隔水管張力器控制系統

被動補償式張緊器的控制系統是基于液缸下的控制模塊，在對張緊器活塞運動數據進行現場信息監控收集條件下，通過對比鉆井平臺升沉運動，經過人機界面HMI和邏輯控制單元SLCU對其控制操作。所采集的信號是由布置于抗反沖監控單元的位移傳感器、線繩式位置傳感器、氣源監控單元的傳感器以及鉆井平臺的升沉運動單元的速度位移傳感器進行實時收集，然后在CPU的每個脈沖周期，由SLCU對張緊器活塞位置和升沉運動單元發出坐標詢問信號，處理傳遞過來的信號，以判斷系統的狀態。如圖1所示，是張緊器的監測控制組成圖。

被動式補償隔水管中對張緊力的控制可以采用間接張力控制法，又稱補償控制，它通過對影響張力穩定的參數的調節補償可能出現的張力變化，間接地保持張力穩定，即只給定張力設定值，不用檢測器采集張力的實際值，對張力不形成閉環控制，而是通過對被控機即驅動電機的電流或勵磁電流的控制來間接對張力進行恒定控制，從而使電動機力矩保持不變，保證被卷取產品的張力恒定。如圖2所示，人工控制式張力補償控制。

2 直接作用式液缸隔水管張力器控制系統

直接作用式液缸隔水管張力器是近年來發展起來的一種新型結構，隨著大型液壓缸制造技術的發展而逐漸被研究推廣使用，通常安裝在平臺的下表面，采用4個或6個為一組的液壓缸組合。

直接作用式液缸隔水管張緊系統由司鉆房遠程控制，控制板分為3個功能模塊：壓力調節、細節監控和通用功能。其控制系統是一種模塊化的集中控制系統，采用安全遙控操作系統，能處理系統內部的連鎖及報警等，當系統出現任何異常情況進行信息報告或者報警。隔水管張緊系統的PLC柜是系統的通信與信息中心，所有的進入/輸出設備、控制板及司鉆屏的信號都經由此柜傳輸。升沉檢測裝置等功能與鋼絲繩式張緊器功能相似，在此不再贅述。直接作用式的這種自動控制方式，波浪補償部分會投入工作，自動控制需要設置起升的速度，補償形式等參數，剩余部分由波浪補償控制器根據傳感器采集的信號和控制流程與策略完成。整個系統的控制組成如圖3所示。

3結論

目前在鉆井平臺上安裝的被動式隔水管張緊系統主要有鋼絲繩式張緊器和直接作用式張緊器兩種。雖然直接作用式張緊器的液壓缸尺寸比較大，但是鋼絲繩式張緊器的滑輪組占平臺空間較大，而且鋼絲繩易損壞失效，維修強度大。兩者的控制系統在原理上是基本一致的，只是直接作用式的張緊器控制系統需要基于液壓系統的發展，在集成電子技術上，實現波浪垂蕩運動的補償。隔水管張緊器的控制系統的關鍵問題在于監測響應和張力控制，所控制的反饋信息基于監測響應的信號處理，所施加的張力控制也需要監測響應的監測數據，同時計算機處理控制系統也是未來的張緊器應該朝向自動化的領域發展的方向。

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作者簡介：

李宇（1997～），男，西南石油大學機電工程學院本科在讀，研究方向為機械設計制造及自動化。