SEAWAY技术:自升式海上钻井平台液压升降系统简介

 作者:角码     |      2020-02-15 00:25

  一、概述

  自升式钻井平台液压升降系统由一套独立的液压驱动系统提供动力,确保桩腿能够克服泥土、砂石等带来的阻力和升降平台自身的重力,将桩腿插入(拔离)海床以及升降整个平台。根据平台升降工况、作业工况、自存工况、预压工况的重量重心计算及环境载荷的计算结果,确定升降系统的正常升降能力、预压升降能力、船体升降速度。海上平台液压升降系统设计应满足以下功能:确保系统有足够的动力克服泥土、砂石等阻力与平台自身的重力,将桩腿体插入(拔离)海床及平台的升降;桩腿在工作过程中,运行平稳,无卡死现象;插桩(拔桩)过程中,液压执行机构将满足一定节距的行程要求;系统设计为自锁式桩腿液压升降系统,在各种工作及非工作状态下,系统可以实现自锁。通过操作计算机或中央控制台完成平台的升降作业。

  二、海上平台液压升降系统的结构及组成

  平台液压升降系统采用的是主油缸插销式,共有几套相同的升降机构,以4条桩腿的平台为例,液压升降系统主要部件有:

  液压升降系统的执行机构分别安装在钻井平台的四个角上,每套执行机构由桩体、上环梁、插销机构、主油缸、下环梁等组成。通过上、下两组插销机构交替伸缩(上环梁为动环梁,下环梁固定在平台船体上),配合主油缸的伸缩,来实现整个桩腿的下桩、插桩、升平台、调平、落平台、拔桩、起桩动作。桩腿升降结构如图1所示:

  图1执行装置结构示意图

  插销机构主要由轴套、插销油缸、插销油缸护罩、销轴以及横向位置检测装置及附件组成。如图2所示,在上下环梁各插销孔内各有2个水平位置传感器,用来检测插销的水平位置。在各插销内设有纵向位置传感器,用来检测插销纵向位置,防止在带载插拔销轴时损坏销轴。

  图2上插销机构结构示意图

  主油缸则是为桩腿提供主要动力,顶部与底部分别连接上环梁和下环梁机构。除此之外在主油缸上还将安装位移传感器与行程开关,协助主油缸与插销油缸协调工作。

  三、平台液压升降系统工作原理

  平台液压升降系统可以实现七个动作:下桩、插桩、升平台、调平、落平台、拔桩、起桩,其中升平台与插桩工作过程相同,降平台与拔桩过程相同,而调平根据平台高(低)情况不同与拔桩(插桩)相似。根据上述分析与桩体受力的不同将桩腿的全部工作过程分为四个动作:下桩、插桩、拔桩、起桩。升降平台作业前首先将桩与主甲板之间固定楔块卸去,检查升降系统装置工作正常,平台处于可升降的作业状态。

  1、下桩。当钻平台需要就位时,需要下放桩腿并插入海床。通过主油缸的收缩实现下桩和平台起升作业。其具体工作过程如下:

  (1)下桩:此时平台处于漂浮状态,下桩过程升降装置受力为桩腿重力。首先操作控制器,使主油缸缩回,桩腿随着主油缸的缩回而向下移动,通过安装在主油缸上的位移传感器检测主油缸的行程,当主油缸缩回至1000mm时,下插销自动切换到伸出状态,随着主油缸缩回,当下插销对准销孔时插销,下插销插到位后触发水平位置传感器,主油缸和下插销油缸自动停止工作。(2)上插销卸载:控制主油缸继续缩回,直至上插销纵向位置传感器发出信号停止动作。即上插销已经脱离桩腿内孔壁,载荷已经全部转移到下插销;(3)上插销拔出:控制上插销油缸伸出,拔销到位后,上插销水平位置传感器发出信号,系统自动停止插销油缸动作。(4)主油缸回位:控制主油缸伸出,通过安装在主油缸上的位移传感器检测主油缸的行程,当主油缸伸出至1000mm时,上插销自动切换到伸出状态,随着主油缸伸出,当上插销对准销孔时插销经过桩腿的下一个销孔,上插销插到位后触发水平位置传感器,主油缸和上插销油缸自动停止工作。(5)下插销卸载:控制主油缸伸出,直至下插销纵向位置传感器发出信号停止动作。即下插销已经脱离桩腿内孔壁,载荷已经全部转移到上插销;(6)下插销拔出:控制下插销油缸缩回,拔销到位后,下插销水平位置传感器发出信号,系统自动停止插销油缸动作。(7)重复步骤(1)。

  2、插桩(升平台):当桩腿被放置到海底时,需要利用升降系统将桩体插入海床(或将钻井平台顶起),防止钻井平台滑动。插桩过程与下桩过程类似,不同之处在于受力方式不同,下桩时是销子的上部承受载荷,大小为桩腿自重;而插桩是销子的下部承受载荷,大小为插入泥土是的阻力。

  3、拔桩:当钻平台需要移动时,需要将桩腿从海床中拔离。通过主油缸的伸展实现起桩和降平台作业。其具体工作过程如下:

  (1)拔桩(降平台):平台处于漂浮状态,拔桩时是销子的上部承受载荷,大小为海床泥土所产生的摩擦力与吸附力。首先操作控制器,使主油缸伸展,桩腿随着主油缸的伸展而向上移动,通过安装在主油缸上的位移传感器检测主油缸的行程,当主油缸伸展至1000mm时,下插销自动切换到伸出状态,随着主油缸伸展,当下插销对准销孔时插销,下插销插到位后触发水平位置传感器,主油缸和下插销油缸自动停止工作。(2)上插销卸载:控制主油缸缩回,直至上插销纵向位置传感器发出信号停止动作。即上插销已经脱离桩腿内孔壁,载荷已经全部转移到下插销;(3)上插销拔出:控制上插销油缸缩回,拔销到位后,上插销水平位置传感器发出信号,系统自动停止插销油缸动作。(4)主油缸回位:控制主油缸缩回,通过安装在主油缸上的位移传感器检测主油缸的行程,当主油缸缩回至1000mm时,上插销自动切换到伸出状态,随着主油缸缩回,当上插销对准销孔时,上插销插到位后触发水平位置传感器,主油缸和上插销油缸自动停止工作。(5)下插销卸载:控制主油缸继续缩回,直至下插销纵向位置传感器发出信号停止动作。即下插销已经脱离桩腿内孔壁,载荷已经全部转移到上插销;(6)下插销拔出:控制下插销油缸缩回,拔销到位后,下插销水平位置传感器发出信号,系统自动停止插销油缸动作。(7)重复步骤(1)直至桩腿完全脱离海床。

  4、起桩:当桩体完全被拔离海床时,钻井平台要利用升降系统将桩腿完全收回。下桩过程与拔桩过程类似,不同之处在于受力方式不同,拔桩时是销子的上部承受载荷,大小为海床泥土所产生的摩擦力与吸附力;而起桩也是销子的下部承受载荷,大小为桩腿本身的自重。

  四、平台液压升降装置的液压动力及控制系统

  该液压升降系统有一套液压动力站,每套液压执行系统由控制系统操作,可以单独工作,也可以全部联动。

  1、液压动力

  一套平台升降系统共有几台液压泵,其中有主泵向主油缸供油,有泵向电液比例换向阀供油,有泵为插销油缸供油,提供动力。根据升降平台不同工况,当主油缸空载运动时,系统自动提高泵的流量,降低压力从而提高系统的工作效率;当主油缸处于待载工作的时候,系统自动降低流量,提高压力从而保障系统安全可靠的工作。这样将大大降低系统的整体功率,节约能耗,提高工作效率。

  利用PLC逻辑控制信号控制电液比例换向阀、电磁换向阀的不同通电状态可以实现主油缸同步升降、与上插销油缸下插销油缸协调工作,再配以位移与压力检测系统的反馈,系统将稳定的升降钻井平台。

  液压辅助设备的回油过滤器使液压系统的油液保持清洁,过滤器上装有堵塞发讯装置,当需要更换滤芯时,控制器自动发出报警提示信号;系统装有液位温计用以检测指示油箱的油位和温度,同时系统利用海水作为冷却介质,防止系统油温过高。空气过滤器保证油箱内部与大气相通及空气的清洁,确保系统稳定工作。

  2、控制系统

  控制系统对主油缸、上插销油缸和下插销油缸的速度和位置(信号检测与逻辑判断模块)相互协调工作,进行精确控制检测精度可达到1mm。同时,系统按照程序要求对液压站、各电磁换向阀进行逻辑控制,实时检测系统的压力、液位、油温及过滤器状态,并对系统的故障进行诊断、报警、处理。

  每个主油缸由一个位移传感器检测油缸伸缩的位移。位移检测信号通过控制电缆传输到控制器,进行比较分析判断,控制器发出控制信号对液压站和液压控制模块进行操作,从而实现桩腿平稳可靠的实现下桩、插桩、拔桩和起桩动作。

  通过横向位置检测装置与纵向位置检测装置同主油缸上的位移传感器可以准确得知上下插销油缸的工作状态,防止出现插销插不进等意外情况下造成严重后果。

  五、结语

  平台升降系统作为海上自升式平台中的最关键部分,其性能的优劣直接影响平台的安全。该液压升降系统工作性能平稳,在工作及非工作各种状态下,具有多种安全保护措施,能够保证平台在升降操作及海上钻井作业安全,该系统已在海洋石油多个钻井平台广泛应用。

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