海上平臺起重機液壓系統監測技術研究

王寧

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452）

1 前言

海洋油氣資源的開采過程中，海上平臺和浮式生產儲油裝置（FPSO）是必不可少的重要設施，而在設施上作業的人員以及生產所需的物資，均通過海上平臺起重機（以下簡稱吊機）來實現，它為海上平臺的正常生產作業提供重要保障。

海上吊機均使用液壓傳動的形式，其原動機為柴油機或電動機，帶動著液壓泵，產生的有壓油液通過液壓閥的控制后到達液壓馬達或液壓缸，進而完成卷揚動作或伸縮動作。

液壓系統邏輯復雜、元件構造精密，受溫度及油液清潔度的影響也很大。當液壓系統出現故障時，原因排查困難，尤其是偶發故障，更是很難掌握規律，一度給維修工作造成較大困擾。由于油液的流動特點，液壓系統具有非常明顯的污染性，即某一元件損壞時，會將鐵屑雜質充滿整個液壓系統，能迅速損壞其它元件。

鑒于以上問題，急需一套監測系統，來實現對吊機液壓系統進行實時監測，出現異常時能夠發出預警，防止發生更嚴重的損壞。同時其存儲的數據能夠對故障判斷提供重要支持，縮短檢修周期、提高維修質量，進而降低運維的綜合成本。

本文以中船華南生產的海上平臺吊機為例，從監測系統總體方案、參數確定、硬件及軟件的實現等方面進行闡述，詳細說明了液壓系統監測技術在海上平臺吊機上的應用方法，為其它類似項目提供重要的借鑒和指導。

2 系統總體方案

2．1 海上吊機工作原理

海上平臺吊機是通過一個圓柱形基座固定在海上平臺或FPSO的甲板上，基座與上部轉臺通過回轉支承連接。桁架式吊臂和A型架安裝在上部轉臺上，一般使用銷軸連接，吊臂頭部和A型架頂部通過鋼絲繩相連，外觀整體結構如圖1所示。

圖1 海上平臺吊機

海上吊機包含起升機構、變幅機構和回轉機構，還包括動力控制系統和安全防護系統。起升機構是通過卷繞在起升絞車上的鋼絲繩拉拽吊鉤，進而實現重物的提升和下放。變幅機構是通過卷繞在變幅絞車上的鋼絲繩拉拽吊臂頭部，實現吊臂的俯仰角度變化，最終實現變幅動作。而回轉機構是液壓馬達通過減速器的動力傳遞，將扭矩傳遞到驅動小齒輪上，實現回轉動作。

綜上，整個設備的動力傳遞、動作控制等，均由液壓系統來實現。從原動機的聯軸器和鐘形罩開始，到液壓泵、液壓閥和液壓馬達，均劃分為液壓系統的范疇。

2．2 液壓系統特點

絞車基本組成介紹有個總圖。

海上吊機液壓系統一般采用負載傳感型控制方式，其系統能自動的將負載所需壓力或流量的信號，傳遞到泵變量控制機構，使其壓力參量發生變化，從而調整供油單元的運行狀態，使其幾乎僅向系統提供負載所需的液壓功率（壓力與流量的乘積），最大限度地減少壓力與流量影響，使系統實現實時的負載適應。

一般包含1套變量泵組、1個多路換向閥、1套控制系統、多個液壓馬達，以及一些其它的輔助元件。它們的連接方式如圖2所示。

圖2 海上吊機液壓系統示意圖

2．3 總體方案設計

目前，海上吊機只能顯示載重量、工作半徑、吊臂角度這些基本的參數，如果設備出現異?；蚬收虾?，沒有足夠數量的數據進行分析，只能通過現象結果和以往經驗來對故障進行判斷。

本監測方案是利用現場加裝的各類傳感器，采集海上平臺吊機重要的液壓系統參數，通過在PLC中編寫的狀態監測程序，構建數據處理系統，對參數進行實時分析處理，并直觀的顯示出來，讓設備的操作者和管理者對設備狀態有非常清晰的掌握。

通過本液壓系統監測技術的應用，能夠監測累加載荷重量記錄、累加吊裝次數記錄以及累加運行時間記錄，并能夠實時顯示液壓油的溫度、壓力、流量等數據，為海上吊機故障診斷提供分析數據，從而達到縮短排查故障時間的目標。同時，通過數據信息的積累，獲得吊機的利用等級和載荷狀態信息，為吊機完整性及后期壽命評估提供可靠。詳細的數據依據。

3 系統硬件實現

3．1 壓力監測

壓力是液壓系統的最基本重要參數，其是否正常直接決定了液壓系統工作性能的優劣程度。工作系統壓力的大小取決于外部載荷的大小，若工作壓力出現不正常，會出現系統壓力不足或無法建立壓力，或者會出現憋壓等情況。因此，對系統壓力的監測有十分重要的意義。

壓力的感知采用的是一種數字壓力傳感器，其最為主要的特點是非常容易現場安裝及日常使用。壓力傳感器上帶有數字顯示器，頂部有工作指示燈，可以在任何角度方便的查看傳感器的工作狀態。通過內部的程序設置，可以將顯示器上的數字進行垂直翻轉180°，方便任何角度查看，所以在安裝時不必過多考慮安裝角度問題。

傳感器的感應膜片采用齊平設計，即感應膜片幾乎與安裝表面相平，沒有凹陷結構，不會產生液阻、堵塞等次生隱患。傳感器的安裝采用的是一種專用耦合器，在將傳感器安裝鎖定后，能夠將顯示器部分360°旋轉，非常利于安裝。

3．2 流量監測

流量的穩定性直接影響液壓系統的速度性能，執行機構的運動速度要符合載荷所要求的速度范圍，即低速時不能有爬行現象，高速時不能有沖擊情況，在各動作速度控制時，調速要呈現線性的規律變化。如果液壓系統的流量參數不正常，有可能不滿足上述各類要求，也就意味著液壓系統出現了問題。

本系統采用的流量傳感器為夾鉗式流量傳感器，其最大的優點是不用對原液壓系統管路進行改動，進而不會產生液阻，也可以非常方便安裝和使用。該流量傳感器帶有液晶顯示屏，具有四種類型的時間軸圖表顯示功能，能夠便捷的確認歷史變化。液晶顯示器可以設置為閃爍顯示，即使距離較遠，仍可掌握正在運行的傳感器主機。

該傳感器的原理是，測量將超聲波信號從傳感器上的一點傳輸到另一點所經過的時間。當流速增加時，信號傳輸的時間將會縮短，通過流量時間長短和流速的關系，便可以對液壓油進行實時的監控。超聲波信號的穩定傳輸，是監控系統穩定運行的必要條件，可以通過自動調節信號來補償管線內外的雜質堆積或生銹，實現更長的穩定運行時間。

3．3 溫度監測

溫度的控制對液壓系統的正常運行有很大影響，當溫度過高時，液壓油的黏度就會顯著下降，泄漏量也會加劇，液壓系統的整個效率就會降低。而年度的下降，也會使液壓元件滑動部位的油膜遭到破壞，摩擦阻力增加，繼而再次引起發熱。低粘度液壓油流過節流孔時，由于特性的變化，更會造成壓力、速度調節的不穩定。因此，溫度的控制對液壓系統至關重要。

為了不對原吊機液壓系統造成影響，采用了非接觸式的紅外溫度傳感器，該傳感器通過高效的定位熱電偶，快速精確的檢測吸收的熱量，實現了15ms的高響應速度。

檢測元件在內的圓柱形外殼懸掛在傳感器頭內部，這為傳感器和周圍空氣提供了熱空氣隔離，使傳感器的體積得以小型化，便于安裝。

4 系統軟件設計（圖3）

圖3 海上吊機液壓監測系統

海上吊機液壓系統監測系統具有數據采集、數據實時分析、故障預警、歷史數據調閱等功能，是將各個點位的傳感器數據集中進行處理的方式來完成。

對液壓系統的溫度、流量、壓力等重要參數進行監測，對電氣系統的電壓、電流等參數進行監測。實時監測的數據可用來實現故障預警，累積的存儲數據可用來指導下一步維護和壽命評估等工作，提升吊機完整性管理的手段。

故障預警系統采用統一的數據采集設備，在各功能系統中布置傳感器，上位機軟件和數據采集系統為一個整體，針對不同類型傳感器，配置相應傳感器物理參數及數據傳輸協議標準。平臺系統支持新增功能模塊的狀態監控及管理，便于不同監控系統的兼容，具體包括開發數據采集端的驅動和接口程序，實現本地傳感器配置、數據顯示、圖表輸出、本地數據備份等功能的桌面應用，系統再結合智能算法技術，將對故障模型進行自主學習，通過對數據的分析實現故障預警功能。

5 結語

本文闡述的海上吊機液壓監測系統，能夠有效監測液壓系統運行的重要參數，可以用于故障發生前的預警，以便于提前預防，避免更嚴重的故障發生，減小損失確保安全。而對于一些較為陳舊的吊機，也可以通過適應性改造來實現對其運行參數的采集和分析處理。

本監測系統充分利用現代自動化、智能化的相關技術，能夠為海上吊機實現智能化奠定重要的基礎。同時，對海上吊機的維修保養和操作使用都有非常重要的指導作用，具有非常大的推廣價值。