鉆井平臺升降系統(tǒng)變頻器故障排查方式的探討

胡聞嘉 孟旭

摘要：隨著變頻升降系統(tǒng)在鉆井平臺上得到廣泛運用，其穩(wěn)定性成為重中之重。由于海工裝備的特殊性，在遠海一旦發(fā)生變頻器故障，能否在短時間內(nèi)排除故障，使系統(tǒng)恢復正常運行就尤為重要了。本文將根據(jù)作者從業(yè)10年的工作經(jīng)驗，對于最常見變頻器故障排查方案進行分析探討。

關鍵詞：鉆井平臺;變頻升降系統(tǒng);變頻器故障

一、引言

由上海振華重工自主研發(fā)的齒輪齒條式電控升降系統(tǒng)，已普遍應用在30余臺JU2000E型鉆井平臺上，這些平臺遍布國內(nèi)外各大海域。通常，各家鉆井公司會根據(jù)自身情況，要求設計方派遣專業(yè)工程師抵達作業(yè)現(xiàn)場進行技術支持。然而，隨著近兩年新冠疫情在全球蔓延，迫使工程師無法及時前往各個現(xiàn)場。在雙方尋求新的合作模式過程中，遠程技術服務正在逐漸替代常規(guī)的模式，成為主流。這無論對于用戶還是工程師都是雙重考驗。作為用戶，必須擯棄以往對于供應商的技術依賴，需要對升降系統(tǒng)有較為深刻的認識。而作為工程師，必須根據(jù)現(xiàn)場反饋的有限信息，提出既快速又準確的解決方案。

二、升降系統(tǒng)簡介

JU2000E型鉆井平臺有3根樁腿，每根樁腿呈三角形，各個三角形的一角稱為一個弦（chord）。每根弦上各自布置了6套升降裝置，整船總計54套。

每臺升降裝置由一臺變頻電機、一套減速箱和一臺制動器組成。通過對電機的控制，由減速箱作為傳動鏈，將電機在高速側(cè)的力矩轉(zhuǎn)化到減速箱小齒輪的低速側(cè)，帶動樁腿齒條的上下運動。當升降系統(tǒng)停止運行時，由制動器在高速側(cè)剎住電機，使得平臺停止運行。

每根樁腿的18套升降裝置，由一套NXI15006型變頻器驅(qū)動。因此，作為升降系統(tǒng)的動力源，一旦變頻器發(fā)生故障后，整個升降裝置將處于“停滯”狀態(tài)，需要第一時間排除掉故障。

三、故障排查風險

（一）故障的分類

升降系統(tǒng)的故障大致分為如下幾類

1. I/O類故障

此類故障主要包括電氣元器件的狀態(tài)反饋與既定不符。比如：馬達啟動器跳閘、制動器接觸器誤動作、限位開關無正常反饋等。通常這些故障可以借助電氣原理圖、故障列表、PLC程序等迅速準確鎖定故障源，通過遠程指導，第一時間幫助用戶解決問題，讓系統(tǒng)恢復正常。

2.通訊類故障

此類故障主要由于某個通訊站如：CPU、I/O從站、變頻器、絕對值編碼器等通訊狀態(tài)丟失導致。通常這些故障可以通過人機界面顯示的實時通訊狀態(tài)圖鎖定具體某個部件，再通過對其針對性的檢查進行排除，亦可通過遠程協(xié)助的方式幫助用戶解決。

3.邏輯類故障

此類故障主要對讀取的外部數(shù)據(jù)進行邏輯處理，以達到保護升降機械、電控裝置的目的。比如：當一條弦內(nèi)6臺升降裝置的力矩不平衡時，會有提示警告。又或者對操作人員不規(guī)范操作有可能引起系統(tǒng)損壞的行為進行程序上的約束。這些故障可以通過針對性的講解，或者對于操作手冊規(guī)范性的學習后，一一排除。

4.變頻器故障

變頻器作為整套升降電控系統(tǒng)的集成部件，其內(nèi)部有著十分繁瑣的硬件和軟件構(gòu)成。根據(jù)專用變頻器手冊，常見的故障有三十多種，得根據(jù)面板上的故障代碼和變頻器的具體現(xiàn)象逐步判斷。一旦發(fā)生此類故障，如果用戶對于變頻器沒有一定的知識儲備，很難第一時間將最準確的信息反饋給工程師。即使工程師獲取了準確的信息，對于每種故障的解決方案也大有不同。其復雜程度非前三類故障所能比擬。因此，如何簡單有效的通過遠程指導的方式幫助用戶解決復雜的變頻器故障成了服務工程師的一大課題。

（二）海上排查故障的風險

海工設備排查故障比起其他行業(yè)存在特殊性，尤其對于升降系統(tǒng)而言，一旦鉆井平臺處于非安全位置，而系統(tǒng)因為某個硬件損壞導致停機，并且不能在短時間內(nèi)盡快解決的話，會帶來重大損失，有時甚至危及人員及設備安全。主要包括以下四點：

1.作業(yè)待機損失

根據(jù)某石油公司統(tǒng)計，拖航期間停滯一天所產(chǎn)生的費用包括：3艘拖航用船、整船的生活用電、各個第三方公司人員派遣費用等，合計不低于40萬美金。

2.海浪沖擊船體的風險

當鉆井平臺長期處于漂浮狀態(tài)時，會受到海浪沖擊的影響。在極端惡劣天氣下，整個平臺會劇烈晃動，對于平臺工作人員和設備帶來影響甚至安全隱患。

3.插樁穿刺風險

鉆井平臺在插樁過程中發(fā)生穿刺并不罕見，此時需要通過升降樁腿，將平臺調(diào)平。此時如果不幸發(fā)生變頻器故障，如果在最短時間內(nèi)不能將故障解除，很可能將造成平臺傾覆的悲劇。

4.平臺漫水風險

當操作人員選擇低潮位拔樁的時候，若發(fā)生短時間內(nèi)無法解決的變頻器故障時，隨著漲潮，在高潮位的潮水很可能沒過甲板面，導致設備嚴重損壞，危及船員生命。

四、通用解決方案

如圖2所示，一套變頻器由4臺NFE、2臺INU和1臺BCU組成。針對每個不同部件，在交機前由專員給用戶理論培訓和實際拆裝講解。根據(jù)近5年從各個平臺現(xiàn)場的反饋匯總，其中測量板故障12起，風扇板故障4起，ASIC板故障3起，充電電阻故障1起，其他各類故障累積5起。由此可見，測量板故障在所有變頻器故障中所占比例較高，需要引起重視。

在2020年4月，某鉆井平臺的升降系統(tǒng)出現(xiàn)變頻器故障。面板上顯示F3接地故障+F41IGBT過溫故障。實際檢查現(xiàn)場的電纜接地以及實測IGBT溫度，均未發(fā)現(xiàn)異常。由此推斷IGBT內(nèi)部的測量板發(fā)生故障的可能性很大，其檢測的數(shù)據(jù)與實際不符，屬于“誤動作”。一臺INU包含U V W三相，每一相包含2個IGBT模塊，每個模塊中有1塊測量板。而在面板上只能讀出故障源在哪個INU里，而并不能明確是哪一相的哪塊測量板發(fā)生了故障。這樣就會存在以下的問題：

1.如果平臺上有INU（三相）的整機備件該如何更換？

2.如果平臺上有INU（單相）的備件該如何更換？

3.如果平臺上只有IGBT的備件該如何更換？

答：

1.如果平臺上有三相的整機備件，可以直接更換。整機的拆換最為簡單，拆換后只需在新的PCB板卡內(nèi)刷新程序即可。整機備件的價格超過100w人民幣，整機的更換時間約為2個小時，更換過程較為簡單，無需復雜的專業(yè)知識背景。

2.如果平臺上只有單相的備件，必須一相相更換。每更換一相后需要用直流電源帶電測試，如果更換相并非故障相，需重新更換。單相備件的價格約30w人民幣，更換時間約為2-6個小時。更換過程相較更換整機更為復雜，并且有一定無法保證一次找到對應的故障相，耗費時間。

3.如果平臺上只有IGBT的備件，必須一個個逐一更換并上電檢測，如果更換的并非故障相，需要重新更換。單個IGBT模塊價格約5w人民幣，更換時間約為3-8個小時。由于IGBT位于整機深處，拆換需要相當?shù)氖炀毝龋谝淮尾饡浅ＹM時。

由此可見，第一種方案最為簡便，效率也最高。但是備件的價格很高，因一塊測量板故障而更換整個三相INU代價太大，用戶不會接受。后兩種方案雖然不用更換整體，備件的價格相對便宜，但是更換過程對于專業(yè)要求較高，而且不能確保一次成功。

而在上文中提到，海上搶險，時間就是生命線。一旦在變頻器發(fā)生故障的情況下，不巧發(fā)生了“穿刺”事件，若無法在短時間內(nèi)將故障排除，將發(fā)生平臺漫水，最終導致設備損壞，重則危及人員生命的情況。

五、使用NC-Drive軟件解決方案

NC-Drive是一款Danfoss變頻器配套使用軟件。它具備下載、上傳參數(shù)，記錄抓拍波形，導出故障信息等功能。考慮到測量板本身在系統(tǒng)運行中，起到檢測并傳輸數(shù)據(jù)的作用，而它的故障往往是因為板卡本身的防腐涂層或者電容個別損壞導致，原本正常的信息經(jīng)過測量板的計算后，發(fā)生真實性的突變。結(jié)合NC-Drive的功能，試圖通過抓拍這個突變值，準確定位故障相，由此即節(jié)省了備件費用，又能迅速地切除故障。

首先，將整個INU單元整體移出柜體平放，將直流電源接至母排的正負極，使用RS232線連接電腦和手操盒，打開NC-Drive軟件，設置監(jiān)控電流波形曲線，最后在控制盒中手動運行一段測試程序。

在測試故障變頻器的過程中，可以清晰地看到V相的電流發(fā)生了明顯突變（2149.4A），遠高于正常相U（-40A）和W（0A）。整個測試過程僅僅耗時10分鐘，便能高效的定位故障點。有的放矢更換V相的IGBT模塊后，故障得以排除。整個篩查工作不到3個小時，對于工程師進過系統(tǒng)訓練后，時間可以進一步縮短，同時又為用戶節(jié)省了備件成本，一舉兩得。

六、兩種方案的對比和總結(jié)

通過NC-Drive抓拍比對波形的方式來排查測量板故障，效率遠遠高于常規(guī)的方式。考慮到這種方式在鉆井平臺維保過程中具有很高的實際價值，它不僅可以幫助用戶節(jié)省開支，又能準確定位故障點，可以說是篩查測量板故障的最優(yōu)解。目前，公司已將該方案制作成教學PPT，通過給用戶培訓，提高他們的專業(yè)知識，在應急情況下能夠從容地解決問題。

作者單位：胡聞嘉? ? 孟旭? ? 上海振華重工（集團）股份有限公司

胡聞嘉（1987.03-），男，漢族，浙江金華，本科，中級工程，研究方向：電氣工程及其自動化。

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