海洋廢棄井口等離子切割可視化系統開發

紀仁杰，劉永紅，盧曉鵬，李小朋，蔡寶平，崔曉風

（中國石油大學（華東） 機電工程學院，山東 青島 266580）

大量的海洋石油平臺隨著海洋石油的開采而興建，從20世紀60年代到21世紀初，全世界共建造了7 000多座海洋石油平臺[1-3]。按照相關法律，海洋石油平臺達到使用年限（一般為20年）之后，如無其他用處必須對其進行廢棄處理。在未來十年，大量超過服役年限的平臺將會退役并需要對其進行廢棄處理。海洋平臺中廢棄井口的切割回收是海洋平臺廢棄處理的重要組成部分，常用的切割技術主要有機械切割[4]、聚能爆炸切割[5]、化學切割[6]、磨料水射流切割[7]、等離子切割[8-9]等，但上述切割過程均在海底泥線以下進行，無法直接觀測切割工具的運動與切割過程，因此學生在學習過程中對切割流程的認識和理解較為困難。

可視化技術能夠對現實物體在虛擬環境下進行再現，幫助人們認知和理解，用于教學上有利于學生對復雜知識的理解和認識，提高教學效果[10-13]。因此，本文開發了海洋廢棄井口等離子切割可視化系統，采用3D Max軟件對等離子切割裝置的所有零部件進行建模，利用動畫來展示完整的廢棄井口水下切割過程，可以讓學生直觀認識海洋廢棄井口等離子切割原理與作業流程，方便學生對等離子切割技術的理解，提高了教學效果，為學生今后走上石油石化工作崗位奠定了較好的基礎。

1 廢棄井口等離子切割裝置

廢棄井口等離子切割裝置主要包括扶正機構、旋轉機構和切割機構等，如圖1所示。切割之前首先利用水面上電機驅動切割裝置下放，利用扶正機構保證下放過程順利進行。當切割機構到達指定位置后，利用螺桿與螺母的配合使扶正機構伸出，保證切割裝置位于廢棄井口套管的中心位置。隨后供給電機開始工作，將旋轉運動轉變為電極的送進運動，使電極伸出到指定位置，然后通過控制系統進行引弧操作，產生的等離子弧對廢棄井口套管進行切割，同時，旋轉機構開始工作，使旋轉機構和切割機構開始旋轉，實時監測并調整各項切割參數保證切割穩定進行。套管切斷后，電極回退，扶正機構回收，水面上電機帶動整個切割裝置上升，切割結束。

圖1 廢棄井口等離子切割裝置

2 廢棄井口等離子切割裝置建模

采用3D Max軟件對切割裝置進行建模，并根據實際切割流程進行動畫還原，如圖2所示。將整體裝置分解為扶正機構、旋轉機構和切割機構，分析每部分的連接與運動原理，掌握整體運動過程中每個部件的運動狀態和位置。針對每部分不同的運動特性進行位置關系的配合，確保每部分和整體運動的連續和準確，并通過設計零部件的位置和狀態進行動畫還原，實時顯示整個工作流程。對扶正機構、旋轉結構和切割機構建模如圖3—圖 5所示。各部分建模完成后進行總體裝配，如圖6所示。

圖2 切割裝置建模和動畫還原

圖3 下扶正機構模型圖

圖4 旋轉機構模型圖

圖5 進給機構模型圖

圖6 切割裝置的模型整體圖和透視圖

3 等離子切割裝置工作流程動畫還原

等離子切割裝置工作過程的動畫設計流程如圖 7所示。整個切割過程設計總時間為300幀，其中整體結構的下放和上升分別為50幀，扶正機構的伸出和收回也分別為50幀，電極的送進和旋轉切割為100幀。整體動畫設計采取從小到大的設計思路，即將每一部分的運動制作完成之后，再設計復雜結構的運動。在3D Max中通過關鍵幀來表示關鍵動作，得到了切割裝置的下放扶正過程、切割過程以及收回過程等，如圖8—圖10所示。

圖7 等離子切割裝置工作過程的動畫設計流程

圖8 切割裝置扶正過程展示

圖9 切割裝置切割過程展示

圖10 切割裝置收回過程展示

4 廢棄井口等離子切割可視化效果分析

圖11 廢棄井口等離子切割室內實驗

廢棄井口等離子切割室內實驗如圖11所示，切割過程中會產生耀眼的火花，不便于學生了解各部件的工作過程。圖12為廢棄井口等離子切割過程展示，可以對電極的送進速度、切割位置、切割狀態等進行實時顯示，便于學生理解和掌握廢棄井口等離子切割整體結構與切割流程。

圖12 廢棄井口等離子切割過程展示

5 結語

本文基于3D Max軟件開發出了廢棄井口等離子切割可視化系統，該系統界面友好，三維場景的動態交互及靈活變化可以較好地演示廢棄井口等離子切割裝置的各組成部分相互關系及該裝置的整個工作流程，便于學生深刻認識和理解等離子切割原理及切割作業過程，激發學生的學習興趣，改善教學效果。