4萬噸精確稱重系統(tǒng)的設計與應用*

吳 航 李淑民 宋崢嶸 韓小寧 李 林 陶 華 張慶營

(1.海洋石油工程(青島)有限公司 山東青島 266520； 2.海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

吳航，李淑民，宋崢嶸，等.4萬噸精確稱重系統(tǒng)的設計與應用［J］.中國海上油氣，2015，27(5)：121-124.

海洋石油的開采正在從淺海走向深海，海上平臺的建造規(guī)模不斷擴大，其復雜程度、體積和質(zhì)量也在不斷增加。在設計時雖然已經(jīng)計算出平臺的質(zhì)量和重心位置，但實際建造中這些參數(shù)都會有所變化，為確保海上組塊進行浮吊吊裝或浮托法安裝的安全，必須有準確的平臺重心位置和重心參數(shù)。目前亞洲最大的樁基式深海油氣平臺LW3-1 CEP組塊的設計質(zhì)量約2.6萬t，而國內(nèi)最大的稱重系統(tǒng)僅為2萬t，稱重精度約為1.5%，已無法滿足該組塊的稱重及質(zhì)量轉(zhuǎn)移的要求。為滿足迅猛發(fā)展的大型結(jié)構稱重要求，設計了4萬噸精確稱重系統(tǒng)，該系統(tǒng)已成功應用于我國南海LW3-1 CEP組塊的稱重作業(yè)和重量轉(zhuǎn)移作業(yè)，在稱重精度、同步性、稱重點數(shù)、穩(wěn)定性和安全性等方面都處于世界領先水平，刷新了國內(nèi)大型結(jié)構物的稱重能力，使我國大型結(jié)構稱重能力達到了國際先進水平。

1 4萬噸精確稱重系統(tǒng)的設計

1.1 系統(tǒng)組成

4萬噸精確稱重系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)等三大部分組成，其硬件由3臺泵站與128個千斤頂及配套液壓裝置組成，128個稱重傳感器及位移傳感器集成于9個集裝箱(集裝箱長6m)內(nèi)，可以適應長途運輸。

1.1.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由計算機、可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)、控制單元模塊、測量系統(tǒng)等組成。PLC系統(tǒng)建立每個稱重點的邏輯關系，包括物理連接、坐標系統(tǒng)等信息，控制系統(tǒng)硬件設備的動作信息被采集發(fā)送給PLC系統(tǒng)進行計算，PLC系統(tǒng)再送發(fā)命令控制設備動作，同時將用戶關心的重要設備信息顯示在計算機屏幕上，采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制技術將30個現(xiàn)場巡檢儀連接在一起，對所有千斤頂?shù)氖芰Α⑽灰坪筒痪鶆蛐孕盘栠M行信號和數(shù)據(jù)流的傳輸和管理，可支持180個千斤頂同時工作；稱重全過程(同步上升、調(diào)平、稱重和同步下降)通過PLC系統(tǒng)對各個單元的對應電磁閥進行具體控制［1］，PLC系統(tǒng)的監(jiān)測部分能夠?qū)崿F(xiàn)電控系統(tǒng)故障自診斷?？刂茊卧K執(zhí)行PLC系統(tǒng)的命令，控制液壓油的開關及流速。測量系統(tǒng)的位移傳感器用于監(jiān)測稱重對象上升或下降的位移(精度可達0.2mm)，測量系統(tǒng)將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?，稱重傳感器規(guī)避了傳統(tǒng)的千斤頂內(nèi)置式壓力傳感器受千斤頂液壓不穩(wěn)定的影響。

1.1.2 液壓系統(tǒng)

稱重過程涉及同步上升、保壓、稱重、同步下降等過程，須對上百個大噸位的千斤頂進行位移同步控制，同時兼顧壓力的均衡性［2］。稱重過程所有動作均由液壓系統(tǒng)完成，除了大功率液壓泵站和400噸級的液壓千斤頂外，液壓系統(tǒng)還配備高精度調(diào)節(jié)閥、背壓閥和具有壓力補償?shù)恼{(diào)節(jié)裝置，用于解決系統(tǒng)同步性和安全性問題。4萬噸精確稱重系統(tǒng)液壓網(wǎng)絡群控方案見圖1，其中每組液壓閥箱控制6個千斤頂?？刂葡到y(tǒng)正常工作時，通過電磁閥控制油路；當控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，采用液壓手動閥進行系統(tǒng)控制。

圖1 4萬噸精確稱重系統(tǒng)液壓網(wǎng)絡群控方案Fig.1 Hydraulic network group control programme of 40000-ton accurate weighing system

實際稱重過程中，大量液壓軟管通過快速接頭進行連接，由于現(xiàn)場工況復雜，可能會發(fā)生快速接頭脫落和軟管爆裂等異常故障。為此，液壓系統(tǒng)液控單向閥與千斤頂之間采用硬連接執(zhí)行液壓鎖定，當進出軟管或接頭出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)能夠自動鎖定，不會突然下落造成結(jié)構和設備損壞。當液壓系統(tǒng)出現(xiàn)超壓時，通過系統(tǒng)的溢流閥進行壓力溢流控制，保證系統(tǒng)在可控的壓力范圍內(nèi)。

液壓泵站選用斜軸式軸向柱塞泵，具有排量大、泄漏損失小、機械效率高等優(yōu)點［3］。該液壓泵流量為10 L/min，電機輸出功率為7.5 kW 380VAC，油箱的設計尺寸為2 000 mm(長)×950 mm(寬)×900 mm(高)，3套油泵可以獨立工作。圖2為4萬噸精確稱重系統(tǒng)液壓泵站。

圖2 4萬噸精確稱重系統(tǒng)液壓泵站圖Fig.2 Hydraulic pumping station of 40000-ton accurate weighing system

液壓千斤頂若采用高壓系統(tǒng)(70 MPa)雖然可以減少千斤頂?shù)馁|(zhì)量，但是對壓力元件和維護保養(yǎng)等方面均會帶來一些問題；而采用中壓系統(tǒng)(32 MPa)時國內(nèi)的廠家能夠滿足生產(chǎn)要求。最終液壓千斤頂選用的是WIS400型千斤頂，可由系統(tǒng)控制或手動控制，其生產(chǎn)和實驗符合國家相關標準，工作壓力32 MPa，最高測試壓力64 MPa，工作壓力下頂升力為400 t，液壓單向閥集成于千斤頂之上，千斤頂柱塞內(nèi)孔直徑為280 mm。

1.1.3 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)的所有信號通過PLC網(wǎng)絡傳入計算機，在稱重的各個階段系統(tǒng)對力信號、位移信號進行報警設定，并進行處理和停機等一系列動作。

稱重傳感器將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號，系統(tǒng)的測量精度在很大程度上取決于傳感器的精度。要提高整個稱重系統(tǒng)精度，首先要選用高精度、高品質(zhì)的稱重傳感器，即非線性誤差、重復性誤差、滯后誤差越小越好。在千斤頂上增加重量傳感器可以進一步提高測量精度，同時避免千斤頂內(nèi)部內(nèi)壁摩擦等因素的影響。4萬噸精確稱重系統(tǒng)采用的稱重傳感器額定載荷是400 t，材質(zhì)為合金鋼，密封等級IP67［4］，綜合誤差(包括變送器)為±0.15%FS(滿量程)?？紤]到稱重環(huán)境的影響，該稱重系統(tǒng)不確定度可以控制在0.5%，能適應-20～50℃工作環(huán)境溫度及85%的相對濕度。

位移傳感器采用拉線式位移傳感器，在頂升過程中測量千斤頂?shù)奈灰浦?，控制系統(tǒng)實時把握各千斤頂?shù)倪\動狀態(tài)，其測量范圍是0～250 mm，精度不低于0.25%，重復精度為0.02%FS。位移傳感器采用電磁鐵固定在平臺底面。

1.2 系統(tǒng)特點

1)稱重精度優(yōu)于1%FS，高于國際ISO標準；重心精度為1%FS，達到國際ISO規(guī)范中最高等級A級。

2)最大可實現(xiàn)99個(國際上最多為40個)稱重點同步上升、保壓、稱重、同步下降；多點位設計能夠滿足TLP平臺、半潛式平臺、SPAR平臺等大型板殼結(jié)構的整體稱重要求。

3)最多可控制180個(國際上最多為128個)千斤頂同步作業(yè)。

4)傳感器以及變送器的總體精度為0.15%FS。5)工作環(huán)境溫度為-20～50℃，相對濕度可達85%，可以適應多種地域不同氣候的要求，并且能夠保證測量精度。

6)系統(tǒng)設計符合規(guī)范ISO19901-5-2003，得到了國際知名船級社(如挪威DNV、美國ABS、法國BV、CCS等)的認可，可以隨時進入國際市場。

2 在LW3-1 CEP組塊的應用

2.1 在組塊稱重中的應用

LW3-1 CEP組塊有8根立柱，底部有甲板支撐框架，主結(jié)構外形尺寸為77.0 m(長)×107.0 m(寬)×25.5 m(高)，甲板支撐框架外型尺寸為43.40 m(長)×88.00 m(寬)×10.43 m(高)。LW3-1 CEP組塊和甲板支撐框架結(jié)構見圖3。

根據(jù)組塊8根立柱節(jié)點處的支反力，按照1.5以上的安全系數(shù)，共布置了120個千斤頂。8根立柱節(jié)點平面圖見圖4，所布置的千斤頂參數(shù)見表1。

臨時支撐拆除完畢后對組塊進行試稱重。將組塊頂起20 mm，讀取組塊質(zhì)量數(shù)據(jù)，對稱重系統(tǒng)進行檢查，測量每根立柱的沉降。試稱重共進行了3次，正式稱重至少要進行3次，每次稱重后都要將稱重傳感器旋轉(zhuǎn)120°。LW3-1 CEP組塊稱重步驟見圖5。

圖3 LW 3-1 CEP組塊和甲板支撐框架Fig.3 LW 3-1 CEP topside and DSF

圖4 LW 3-1CEP組塊8根立柱節(jié)點平面圖Fig.4 Eight Colum ns nodes p lan view of LW 3-1 CEP topside

表1 LW 3-1 CEP組塊稱重所布置的千斤頂參數(shù)Table 1 Lifting jacks'parameters base on LW 3-1 CEP topside weighing

圖5 LW 3-1 CEP組塊稱重步驟Fig.5 LW 3-1 CEP topside weighing procedure

LW3-1 CEP組塊稱重結(jié)果的均值為25 710 t，無論與各次稱重結(jié)果比較或與重控報告數(shù)值比較，稱重結(jié)果的精度皆優(yōu)于1%，重心精度亦優(yōu)于1%，高于國際ISO標準和CLASSA級標準。

2.2 在組塊質(zhì)量轉(zhuǎn)移作業(yè)中的應用

LW3-1 CEP組塊在海樣石油工程(青島)有限公司5#滑道采用高位建造的方式，即利用臨時支撐及質(zhì)量轉(zhuǎn)移裝置將組塊架高510 mm建造，再通過4萬噸精確稱重系統(tǒng)將組塊下放510 mm至甲板支撐框架上完成質(zhì)量轉(zhuǎn)移，然后整體拖拉至“海洋石油229”駁船上。

依據(jù)8根立柱節(jié)點反力的不同，共設計了3種質(zhì)量轉(zhuǎn)移裝置，分別布置12、16、20個千斤頂；千斤頂之上的墊板與8根立柱之下的支撐墊圈的高度均為50 mm，支撐墊圈和千斤頂墊板各13塊(圖6)。通過4萬噸精確稱重系統(tǒng)對8個質(zhì)量轉(zhuǎn)移裝置進行循環(huán)頂升、下降并分別取出支撐墊圈和千斤頂墊板，直至組塊完全坐落在甲板滑移框架上。期間實時測量監(jiān)控了組塊底部水平度和地基沉降，均達到了精度要求。

圖6 LW 3-1 CEP組塊質(zhì)量轉(zhuǎn)移裝置Fig.6 LW 3-1 CEP topside weight transfer device

3 結(jié)束語

所設計的4萬噸精確稱重系統(tǒng)成功完成了我國南海LW3-1 CEP組塊的稱重和質(zhì)量轉(zhuǎn)移作業(yè)，在稱重精度、同步性、稱重點數(shù)、穩(wěn)定性和安全性等方面都處于世界領先水平。該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)最多可控制180個千斤頂，按照400 t千斤頂統(tǒng)一配置及1.5倍的安全儲備系數(shù)計算，可實現(xiàn)的最大稱重能力達4.8萬t，能夠滿足大型或超大型結(jié)構物的整體稱重要求，如半潛式平臺、TLP平臺及SPAR平臺等。

［1］王霞，楊打生，蔣安蒙.電氣控制與PLC應用技術［M］.北京：人民郵電出版社，2011.

［2］楊培元，朱福元.液壓系統(tǒng)設計簡明手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994.Yang Peiyuan，Zhu Fuyuan.Hydraulic system design concise handbook［M］.Beijing：China Machine Press，1994.

［3］左健民.液壓與氣壓傳動［M］.4版.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［4］全國工業(yè)過程測量和控制標準化技術委員會.GB/T 7551—2008稱重傳感器［S］.北京：中國標準出版社，2008.SAC/TC124.GB/T 7551—2008 Weighing sensor［S］.Beijing：Standards Press of China，2008.