R-550D自升式鉆井平臺升降系統的調試

段謨簿 練博強 藍巨滔

摘? ? 要：R-550D自升式鉆井平臺中采用電動齒輪式升降系統，該系統由多個升降模塊構成，均勻分布在各樁腿兩側。自升式平臺在下水后，依靠其升降系統進行站樁作業，以方便碼頭舾裝的進行。因此，升降裝置需在下水后進行聯調試驗，以確保其盡快達到可使用狀態。

關鍵詞：升降系統;組成;調試

中圖分類號：U674.38 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： The R-550D jack-up drilling platform adopts electric gear jacking system， which is composed of several jacking units and evenly distributed on both sides of each pile leg. After launching the jack up platform needs to rely on its jacking system for pile operation， so as to facilitate the outfitting at wharf. Therefore， the jacking device should be jointly commissioned after launching to ensure that it could be used as soon as possible. This paper discusses the commissioning difficulties and solutions of the jacking system of the R-550D jack-up drilling platform.

Key words： Jacking System; Composition; Commissioning

1? ? ?概述

自升式鉆井平臺的升降系統，一般安裝在自升式平臺的樁腿和平臺主體的交界位置，經由升降裝置驅動平臺主體作升、降運行，以滿足海上平臺相對高度作業需要。

升降裝置主要有兩種型式：一種是液壓頂升式升降裝置;另一種是齒輪齒條式升降裝置。齒輪齒條式升降系統因具備升降運行快、操作容易、井位對準簡單等突出優點，已成為自升式平臺升降系統的主流形式。

升降裝置聯合調試會受到動力、管系、控制系統等項目完工條件以及調試過程中的調試操作規范、安全措施等諸多因素的影響，需預先進行深入分析，以確保試驗成功。

2? ? ?升降系統分類

2.1? ?液壓頂升式升降系統

液壓頂升式升降裝置，主要由插銷、插銷孔、環梁和頂升液壓缸等組成。其升降原理是在每1條樁腿處都設計2套液壓驅動的插銷和1套頂升液壓缸，如圖1所示。

安裝在環梁上的1組環梁銷插入到樁腿的插銷孔中，由1組頂升液壓缸同步動作可使環梁及銷子帶動平臺主體升降1個間距;然后將固定銷推入到樁腿的插銷孔中，撤出環梁銷，液壓缸和環梁復位;再進行下一個運行輪回。

2.2? ?齒輪齒條式升降系統

因為海洋環境比較惡劣，所以平臺升降時間對平臺的安全性很重要，同時平臺升降時間也與平臺的到位費用緊密相關，因此升降速度較快的齒輪齒條升降方式得到了推廣應用，其典型結構如圖2所示。

齒輪齒條式升降系統是在平臺的每根齒條上裝有若干個小齒輪，經過馬達驅動齒輪減速箱，然后傳給與齒條嚙合的小齒輪來驅使平臺的升降。

齒輪齒條升降系統，從動力驅動上可分為：液壓馬達和電機馬達兩種方式。兩種升降驅動方式，在設計上均能達到平臺在各種工況下所要求的基本技術指標。

3? ? R-550D型平臺升降系統組成

普通平臺的電動齒輪齒條式升降系統，主要由以下幾個部分構成：固樁室、動力驅動系統、傳動裝置、控制系統、制動控制系統及鎖緊系統等。

平臺升降操作通常是在中央控制臺實施，在就地僅能實現有限的操作功能。除了中央控制臺以外，其它升降模塊都設計為各樁腿單獨運行，這樣可以降低各樁腿間運行的相互干涉，并能有效實現每條樁腿的獨立操縱。

R-550D自升式鉆井平臺升降系統，具體功能及配置如下：

3.1? ?升降模塊

升降模塊，包含了升降齒輪、行星減速箱、平行軸齒輪減速箱、電動馬達、盤式剎車的總成，其中齒輪箱是實現齒輪系傳遞功率的關鍵組件，以實現扭矩大小的改變、分配及方向的轉換。

R-550D自升式鉆井平臺選用SJ1000型升降系統，由VFD（變頻驅動）54個升降單元（分布于三個樁腿，每個樁腿三個弦管，共計18臺）組成，每個升降單元的提升能力如下：

3.2? 電氣系統及控制部分

3.2.1? 電力進線配電柜

電力進線配電柜主要配有1 000 A空氣斷路器、230 V/230 V隔離控制變壓器及其它輔助電源控制（斷路器）及指示回路，主要參數如表1所列：

3.2.2? 變頻驅動器

升降系統變頻驅動由變頻驅動器（VFD）及控制器協調馬達控制中心實現控制各升降單元，正常情況下通過駕駛室的中央控制臺操作;對于單樁腿操作模式，可以在樁腿就地實行部分功能的操作。每個樁腿配置一組單獨的變頻驅動柜，實現單個樁腿的獨立操作控制。

每套變頻驅動器主要配有四個進線斷路器（兩組并聯）、主回路整流單元（集成）、逆變單元（集成）、電抗器、PLC邏輯控制器等，其主要參數見表2：

3.2.3 馬達控制中心

電機馬達控制中心是驅動系統的最后輸出階段，通過現場總線與變頻驅動器及主控制器連接。其主要功能有：升降模塊電機馬達驅動輸出執行、電機馬達空間加熱、升降單元剎車器輸出執行、剎車空間加熱、升降電機馬達超速監控、電機負載監控、控制回路監控等。

馬達控制中心主要配置了對應樁腿（弦管）的18組電機的保護單元回路，以及18組剎車盤的電源保護回路，此外還有I/O單元，用于監測來自升降單元本體關于馬達、剎車片狀態的的實時監控，其主要參數見表3。

3.2.4 中央控制臺

整個平臺升降系統的操作主要在中央控制臺，在升降中央控制臺上通過升、降命令實施平臺的升、降操作?？刂婆_上安裝有物理水平儀和電子水平儀，用于監測升降操作時平臺的傾斜度是否在設計可控范圍內;控制臺上裝有三組顯示器，用來顯示每個樁腿3個弦管升降齒輪承受的動態負荷、樁腿的總動態負荷、以及升降電機馬達的工作電流、功率及樁腿高度等，其中電子水平儀可在顯視屏上模擬顯示平臺水平狀態。

中央控制臺配有各樁腿升、降操作指令按鈕、一臺主控制器、相關I/O單元，及電子水平儀、監控操作屏等，其主要參數見表4。

3.2.5 相位偏差就地控制站

相位偏差就地控制站，通過監測平臺樁腿的各弦管高度來計算得出相位差，即樁腿弦管相對于平臺主體高度位置的位移累積差值。

齒條相位差就地控制臺共有3處，分布于首部、左舷及右舷樁腿處，并配置有各自獨立的位置高度編碼器;每條樁腿升降基礎上有一個高度檢測齒片，齒片與樁腿齒條相嚙合，當平臺升降時高度檢測齒片會跟隨轉動，通過公式計算可將其轉動的距離轉換為平臺高度信息，并顯示在人機界面HMI上，以便于操作者監控和操作;此外，還配置有ProfiBus-DP通訊模塊采集來自高度監測編碼器信號，并反饋主控制器，其主要參數見表5。

4? ? 調試技術難點分析

R-550D型自升式鉆井平臺升降控制系統對安全性和可靠性極為重要，在調試階段需要進行重點分析和監控。

根據對各種型號升降系統的常規應用和比較分析，升降裝置的控制系統對于升降操作必須要有完備的保護和邏輯連鎖，才能實現根本的安全;其次才是設備執行器層面的邏輯功能實現。因此對于調試而言，主要難點為在保證其安全性的基礎上實現各項操作功能。

4.1? ?操控功能

操控功能除了升降、停止的外部操作外，還有升降主控制器與變頻驅動控制器的邏輯、指令，以此為基礎實現變頻驅動裝置的啟動和調速命令的執行。

（1）R-550D型自升式鉆井平臺升降系統的通訊網絡采用了ProfiBus-DP協議，是廣泛應用于海工船舶及平臺設備監控、數據通信和控制的一種現場總線技術;ProfiBus協議可選波特率支持9.6 kB/s至12 MB/s，總線循環時間<10 ms，總線上最多可連接126個設備，支持多點通訊，傳輸介質可用金屬雙絞線或光纖。本項目樁腿現場至控制器I/O，采用了62.5/125的多模光纖連接，而在控制柜內部采用了標準ProfiBus-DP線連接;

（2）通訊網絡ProfiBus-DP協議總線技術是多主站方案，能夠執行多個控制、配置和可視化系統在一條總線上互相操控;但對于升降系統的通訊網絡，采用了冗余DLR環網的方案，因此對于一個環網而言只有一個主站，而對于整個控制系統有兩個主站，分別位于駕駛室中央控制臺和配電板間，兩者互為冗余，當其中一臺主控制站出現故障時能實現自動切換和接管;

（3）R-550D平臺使用了備份的ET200M遠程I/O站來實現數據、狀態采集及執行，從而使數據、狀態采集的時效性、可靠性得到了保障。該模塊是一套被動裝置，沒有總線尋問權，只對收到的信息進行確認;另外，當主站請求時進行數據發送;通過ProfiBus協議連接起升降系統中央控制臺、各樁腿馬達控制中心、變頻控制單元、相位偏差就地控制站等主要控制設備，以實現終端設備層到中央控制臺監控的分散式數字控制和現場通信網絡;相位偏差就地控制站同樣采用了現場總線技術，使用ProfiBus電纜連接樁腿上所有弦管編碼器，將數字通信的方式取代編碼器的脈沖信號。

4.2? ?監測報警

監測報警系統通常實時監測各I/O模塊的狀態，并以此作為程序邏輯功能塊的觸發條件，比如：剎車釋放信號、馬達接觸器狀態、工作電源回路斷路器狀態;此外，樁腿弦管高度監測也是升降控制系統監測系統的重要功能邏輯，包括了樁腿高、低位極限警告及停車。

根據升降系統基本設計的設備配置，其主要故障點（并不限于這些）如表6所列。

根據升降系統的設備配置及故障點分析，控制邏輯對以下主要故障點（并不限于這些）進行了檢測和應急停車設置，見表7。

4.3? ?升降控制系統安全保障

因為升降系統的工作狀況很復雜，并且升降系統直接影響到整個平臺的安全，因此在前期設計、過程建造、試驗階段中，對于升降機構傳動裝置的安全可靠性等方面要求非常苛刻。關鍵在升降時剎車裝置失效、出現超車危險情況時，整個傳動裝置將由減速變為增速傳動過程，將會對設備和人員造成很大的危害。

為保證升降系統的安全可靠運行，當出現故障時，系統可以采用降速停止及應急停止。因此在調試前期，必需確測試安保（降速、應急停止）功能，確保各安保功能正常后方可進行整個平臺的升降試驗，并且只有當故障報警點消除及相關報警狀態復位后，升降系統才能重新啟動，以確保系統的的每次升降是滿足所有安全控制邏輯的要求。根據設備構成及其分布，可以從升降中央控制臺、各樁腿馬達驅動中心實施手動應急停止。

不同級別的應急停止所應用的控制邏輯是不一樣的，這是出于升降裝置的當前狀況直接影響到平臺的姿態和安全考慮的。對中央控制臺的應急停止指令，是最高的級別，整個升降系統會被應急切斷，包括所有的升降馬達控制中心;但對于來自于各樁腿馬達驅動中心的應急停止指令，只使對應的樁腿升降馬達控制中心的安全控制回路切斷，而不會使整個平臺升降系統被應急切斷，這種設計能綜合應急響應的動作，保證其它樁腿升降馬達控制中心正常工作，規避事故惡化以及對系統造成沖擊。

同樣，對安全控制回路設置了嚴格的條件，一旦任何一處的應急停止指令觸發，都會直接使控制電源回路繼電器動作，從而在硬件上實現閉鎖，然后在PLC程序上對樁腿的馬達控制中心（單獨）的電氣執行器件控制作為輸入條件，實現對該樁腿所有馬達電源、剎車器電源、變頻器電源的電氣閉鎖。這些控制條件至少有：中央控制臺應急停止、各樁腿馬達驅動中心應急停止、各樁腿相位偏差就地控制站應急停止。

除了以上安全控制措施，還對部分設備進行了連鎖保護。連鎖保護功能是對于故障、誤操作、緊急情況下的升降裝置所必須采取的內部措施，以遏制事故的進一步擴大。通常采取的方法是降速停止或應急停止，并且只有當重要故障報警被從系統中復位后，升降系統才能解開閉鎖，恢復正常的啟動、操作。

5? ? ?結論

自升式鉆井平臺升降裝置是連接樁腿和平臺主體的關鍵系統，其可以驅動平臺主體沿樁腿做升、降動作，并可將平臺主體固定于樁腿作業所要求的任一位置，以確保平臺主體在作業時位于海面上方，保證平臺有足夠的氣隙高度，保護平臺設備不被海浪損壞。因此通過對升降系統組成及工作原理進行分析，梳理相關技術難點，掌握完備的保護及邏輯連鎖要求，重點關注硬件設備執行層面的邏輯功能，才能保證其安全，為調試工作的順利進行打好基礎。

參考文獻

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