一種大型結(jié)構(gòu)物連續(xù)頂升與重量轉(zhuǎn)移工藝

李　林， 張錦寶， 吳　航， 戴世超

(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

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一種大型結(jié)構(gòu)物連續(xù)頂升與重量轉(zhuǎn)移工藝

李林， 張錦寶， 吳航， 戴世超

(海洋石油工程(青島)有限公司， 山東 青島 266520)

摘要：介紹了一種大型結(jié)構(gòu)物原位連續(xù)頂升與重量轉(zhuǎn)移的工藝，并研制了一套試驗(yàn)樣機(jī)，全程模擬連續(xù)頂升下降與重量轉(zhuǎn)移的工藝。對大位移連續(xù)頂升系統(tǒng)的組成(控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、傳感器及支撐結(jié)構(gòu))進(jìn)行了詳細(xì)的分析介紹，對頂升系統(tǒng)內(nèi)的閉環(huán)控制多點(diǎn)同步技術(shù)、安全控制技術(shù)及誤差控制技術(shù)進(jìn)行了研究。填補(bǔ)了國內(nèi)大型結(jié)構(gòu)物連續(xù)頂升與重量轉(zhuǎn)移工藝的空白，使大型海洋平臺采用低位建造方案成為可能，有重要的理論、應(yīng)用價(jià)值和普遍的工程推廣意義。

關(guān)鍵詞：連續(xù)頂升；重量轉(zhuǎn)移；試驗(yàn)樣機(jī)；閉環(huán)控制；低位建造

0引言

海洋石油的開采逐步延伸到深水、超深水海域，海洋平臺組塊的建造規(guī)模越來越大，而高位建造方法雖滿足裝船與海上浮托的需求，但占用大量大型履帶吊機(jī)，降低了建造的經(jīng)濟(jì)性，增加了建造難度。低位建造顯然更經(jīng)濟(jì)，但建造完成后如何頂升至駁船支撐結(jié)構(gòu)(DSF)的安裝高度成為一個(gè)重要課題，大型結(jié)構(gòu)物連續(xù)頂升重量轉(zhuǎn)移技術(shù)可以解決低位建造后的大位移頂升難題。

目前，萬噸級大型結(jié)構(gòu)物的整體頂升技術(shù)在國內(nèi)尚未有研究成果。國外已有成熟的數(shù)萬噸整體頂升技術(shù)與提升技術(shù)，并在工程應(yīng)用中有很多案例，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大噸位大位移頂升技術(shù)，在國內(nèi)具有極大的工程和經(jīng)濟(jì)意義。

1連續(xù)頂升與重量轉(zhuǎn)移技術(shù)

大位移連續(xù)頂升技術(shù)采用支撐結(jié)構(gòu)、液壓缸集群，將大型結(jié)構(gòu)物整體頂升至預(yù)定高度(幾米至幾十米)，最終轉(zhuǎn)移至其底部結(jié)構(gòu)物。主液壓缸受頂升行程限制，需要多次頂升，并逐次添加墊塊，大型結(jié)構(gòu)物的重量不斷在墊塊、支撐結(jié)構(gòu)與主液壓缸之間轉(zhuǎn)移，最終頂升至預(yù)定高度。

該文提出模塊化頂升方案，數(shù)個(gè)液壓缸組成一個(gè)獨(dú)立的頂升單元(即一個(gè)頂升點(diǎn))，單元內(nèi)部集成了頂升系統(tǒng)的所有元素或部件，有統(tǒng)一的控制形式，形成模塊。四個(gè)頂升單元即可構(gòu)成一套頂升系統(tǒng)，模塊之間通過標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行信息溝通?？紤]到頂升的穩(wěn)定性，頂升單元的數(shù)量及位置最終由大型結(jié)構(gòu)物的重量及形狀決定。頂升過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控各種參數(shù)，控制上升速度和載荷分配，使頂升安裝過程簡單快捷，安全可靠。

2連續(xù)頂升重量轉(zhuǎn)移試驗(yàn)樣機(jī)

圖1　大位移頂升示意圖

研制一套試驗(yàn)樣機(jī)滿足80 t結(jié)構(gòu)物的原位連續(xù)頂升與重量轉(zhuǎn)移工藝，該樣機(jī)集機(jī)、電、液一體化，主液壓缸作為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的抬高，重量轉(zhuǎn)移和降低。連續(xù)頂升示意圖如圖1所示，頂升最大高度3.2 m(400 mm×8)，標(biāo)準(zhǔn)化墊塊高度400 mm，油缸行程450 mm。樣機(jī)主要包含控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、稱重傳感器和位移傳感器、承重和喂料裝置、墊塊、夾持裝置。

將目標(biāo)的輸出參數(shù)與預(yù)期值的差值反饋至控制系統(tǒng)，有效消除或抑制內(nèi)外界對輸出參數(shù)的干擾?？刂七^程為：當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，每條支路的輸入流量越接近，同步精度越高。當(dāng)某支路的負(fù)載增大時(shí)，液壓缸輸出位移將減少，位移傳感器將位移差值反饋到控制器，控制器將改變液壓閥的開度，改變液壓缸的運(yùn)動(dòng)位移，保證液壓缸輸出位移恢復(fù)至設(shè)定值內(nèi)，系統(tǒng)的物理模型如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)的物理模型

PLC作為新型通用的自動(dòng)控制裝置，具有通用性好、編程方便等優(yōu)點(diǎn)，有控制和監(jiān)控兩大功能。軟件驅(qū)動(dòng)硬件工作，硬件系統(tǒng)的動(dòng)作信息經(jīng)采集反饋到控制軟件中。工業(yè)控制組態(tài)軟件WinCC作為監(jiān)控軟件，不僅能驅(qū)動(dòng)PLC，還可直接調(diào)用STEP7中定義的變量，保證監(jiān)控系統(tǒng)高效率工作，將采集到的重要設(shè)備的現(xiàn)場信息實(shí)時(shí)顯示。

在大位移連續(xù)頂升過程中，控制系統(tǒng)由工控機(jī)、PLC控制模塊、通訊單元構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)。PLC控制液壓頂升單元內(nèi)的各種電磁閥，并通過各個(gè)液壓頂升單元的網(wǎng)絡(luò)化劃分，建立控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)頂升的順序控制和多點(diǎn)同步控制。單個(gè)液壓頂升單元的PLC控制如圖3所示，對于“一泵多單元”的系統(tǒng)，可在此基礎(chǔ)上，擴(kuò)張成PLC控制網(wǎng)絡(luò)。

圖3　單個(gè)液壓頂升單元PLC控制

為了控制各頂升點(diǎn)液壓缸的受力及輸出位移值，保證結(jié)構(gòu)物平穩(wěn)提升，在監(jiān)控系統(tǒng)中，設(shè)有控制參數(shù)輸入窗口如圖4所示。

圖4　監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)輸入窗口

2.2液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、通斷閥、液壓頂升單元構(gòu)成。模塊化的連續(xù)頂升系統(tǒng)采用“一泵多單元”的形式，頂升單元作為一個(gè)獨(dú)立的頂升點(diǎn)來運(yùn)作，“一泵四單元”的液壓頂升系統(tǒng)布局示意圖如圖5所示。

圖5　“一泵四單元”液壓頂升系統(tǒng)布局

液壓頂升單元由三部分組成：頂升控制部分、夾緊控制部分和墊塊傳送控制部分。三部分相互獨(dú)立、互不影響，各自分別由一個(gè)電磁閥控制。液壓頂升單元原理如圖6所示，比例方向閥是具有方向控制功能和流量控制功能的兩參數(shù)復(fù)合閥，不僅控制各頂升液壓缸的通斷，更控制進(jìn)入頂升部分的流量，進(jìn)而控制液壓缸的速度，實(shí)現(xiàn)各個(gè)頂升單元間的同步。夾持裝置內(nèi)的夾持板由油缸驅(qū)動(dòng)加緊，并由雙向鎖確保夾持的可靠性。

《上海護(hù)理》是上海市衛(wèi)生局主管、上海市護(hù)理學(xué)會(huì)主辦的面向國內(nèi)外公開發(fā)行的綜合性護(hù)理技術(shù)類期刊。是中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊(中國科技核心期刊)、中國期刊全文數(shù)據(jù)庫收錄期刊、中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價(jià)數(shù)據(jù)庫來源期刊、中國學(xué)術(shù)期刊(光盤版)全文收錄期刊、萬方數(shù)據(jù)庫全文收錄期刊和中文科技期刊數(shù)據(jù)庫全文收錄期刊;首屆《CAJ-CD規(guī)范》執(zhí)行優(yōu)秀期刊。

圖6　液壓頂升單元原理圖

2.3樣機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

連續(xù)頂升重量轉(zhuǎn)移試驗(yàn)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括：承重和喂料裝置、夾持裝置、墊塊、承重架及配載。

(1) 承重和喂料裝置

由4個(gè)承重支架和2個(gè)喂料臺(滑道梁)組成。單個(gè)承重支架內(nèi)安裝4個(gè)頂升千斤頂，墊塊在喂料臺之上被傳送供頂升。為節(jié)約資源，對模型樣機(jī)進(jìn)行了簡化處理，使兩個(gè)液壓頂升單元共用一個(gè)喂料臺，即1個(gè)喂料臺貫穿兩個(gè)承重支架。承重支架如圖7～圖9所示。

圖7　承重支架等軸視圖　　　　　　　　　　　　　　圖8 承重支架側(cè)視圖-喂料臺貫穿

圖9　承重和喂料裝置(1個(gè)喂料臺貫穿2個(gè)承重支架)

(2) 夾持裝置

夾持裝置的兩塊夾持板從左右兩側(cè)推進(jìn)至墊塊的凹槽內(nèi)，自身承受頂升千斤頂?shù)淖饔?，帶?dòng)墊塊完成一次頂升。主要包括夾持支架、夾持支撐板、夾持板、夾持壓板、夾持側(cè)墊塊，彼此之間采用螺栓聯(lián)接，如圖10、圖11所示。

圖10　夾持裝置俯視圖(墊塊位于中心)　　　　　　　　　　圖11　夾持裝置立面圖

(3) 墊塊

墊塊選取圓柱型結(jié)構(gòu)，能夠最大限度的發(fā)揮材料的作用。側(cè)壁有4個(gè)支撐槽以供夾持板插入，墊塊在夾持狀態(tài)下，夾持裝置受頂升液壓缸的頂托作用，帶動(dòng)墊塊，由墊塊支撐帶動(dòng)大型結(jié)構(gòu)物上升，墊塊頂部和底端分別設(shè)有供墊塊之間連接的止口結(jié)構(gòu)，如圖12、圖13所示。墊塊有兩種工況：頂升狀態(tài)和支撐狀態(tài)，這兩種工況下的負(fù)載相同。墊塊結(jié)構(gòu)尺寸由強(qiáng)度分析、有限元分析并考慮實(shí)際工作空間來確定。

圖12　墊塊立面圖和等軸視圖　　　　　　　　　　　　　圖13　墊塊被夾持

2.4關(guān)鍵技術(shù)

(1) 閉環(huán)控制多點(diǎn)同步技術(shù)

每個(gè)頂升單元由四個(gè)液壓缸組成，四個(gè)液壓缸同步輸出的位移作為頂升單元輸出位移。單元內(nèi)液壓缸采用分流集流閥和機(jī)械式同步方式實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，將四個(gè)液壓缸的活塞桿采用機(jī)械方式固結(jié)在一起，然后實(shí)時(shí)監(jiān)控各頂升點(diǎn)的輸出位移，利用閉環(huán)反饋控制，實(shí)現(xiàn)頂升單元間的同步控制，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)連續(xù)頂升系統(tǒng)的同步控制。

(2) 液壓系統(tǒng)安全控制技術(shù)

手動(dòng)控制切換功能、軟管連接的安全控制，保證系統(tǒng)發(fā)生異常故障時(shí)能夠進(jìn)行動(dòng)作或鎖定。此外還設(shè)有超壓控制功能，利用溢流閥保證系統(tǒng)壓力不超過臨界值。

(3) 同步誤差控制技術(shù)

控制輸入各個(gè)支路的流量相同是控制同步誤差的最佳方法?？梢蕴岣呦到y(tǒng)剛性，改善液壓油質(zhì)量，抑制系統(tǒng)內(nèi)外摩擦力、阻力，抑制偏載的產(chǎn)生，設(shè)置壓力補(bǔ)償器抑制壓力波動(dòng)，盡量減少背壓閥的數(shù)量，選擇數(shù)個(gè)支路共用一個(gè)背壓閥，從而使液壓系統(tǒng)動(dòng)作既平穩(wěn)又同步。也可以提高制造精度、提高密封質(zhì)量、調(diào)高裝配精度，使同步液壓缸的容積效率高且相同，以減少泄漏對同步精度誤差的影響。另外，合理的選擇反饋放大系數(shù)及精度，準(zhǔn)確地選擇傳感器也可以控制同步誤差。

2.5樣機(jī)的連續(xù)頂升

樣機(jī)的頂升結(jié)構(gòu)物為承重架和砂箱配載，合計(jì)80 t。樣機(jī)的地基按照100 t承載力進(jìn)行地基設(shè)計(jì)與施工。4個(gè)承重支架(已集成頂升油缸及油管)的定位調(diào)平及固定后，安裝2個(gè)喂料控制油缸和2個(gè)喂料臺。夾持裝置和初級墊塊安裝后，進(jìn)行上部承重架和砂箱的吊裝安裝。經(jīng)過控制系統(tǒng)的調(diào)試及預(yù)調(diào)平，通過自動(dòng)控制模式，頂升油缸450 mm(拉線式位移傳感器監(jiān)測)，滑道梁移動(dòng)將墊塊送至初級墊塊下方(拉線式位移傳感器監(jiān)測)。油缸回落，墊塊疊加和重量轉(zhuǎn)移，油缸繼續(xù)回落并對底層墊塊進(jìn)行夾持。樣機(jī)俯視圖和側(cè)視圖如圖14、圖15所示。

圖14　樣機(jī)俯視圖　　　　　　　　　　　　　圖15　樣機(jī)頂升側(cè)視圖

3結(jié)論

連續(xù)頂升和重量轉(zhuǎn)移試驗(yàn)樣機(jī)的液壓頂升單元完全按照模塊化設(shè)計(jì)要求完成，可作為一個(gè)整體進(jìn)行組裝、調(diào)試、工作，充分利用現(xiàn)有的設(shè)備和場地資源及管理優(yōu)勢，提高系統(tǒng)質(zhì)量、縮短工程周期、節(jié)約工程成本。

試驗(yàn)樣機(jī)成功滿足80 t結(jié)構(gòu)物的原位連續(xù)頂升的能力及成功完成8節(jié)墊塊的連續(xù)頂升作業(yè)。完成了閉環(huán)控制多點(diǎn)同步，位移控制設(shè)定精度可達(dá)0.2 mm；工作設(shè)計(jì)環(huán)境溫度：-20℃～+60℃；工作設(shè)計(jì)環(huán)境相對濕度：85%；樣機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合國際規(guī)范ISO19901-5-2003的要求，目前該試驗(yàn)樣機(jī)已取得中國船級社的樣機(jī)整體認(rèn)證，同步性達(dá)到0.5%，如果擴(kuò)展成工程樣機(jī)，將可實(shí)現(xiàn)萬噸級組塊、TLP、SPAR和半潛式鉆井平臺的上部組塊的整體原位連續(xù)同步頂升和重量轉(zhuǎn)移作業(yè)。為國內(nèi)大型結(jié)構(gòu)物大位移連續(xù)頂升設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化提供理論依據(jù)，并為大位移連續(xù)頂升技術(shù)提供技術(shù)保證。

收稿日期：2016-03-03;修改稿收到日期： 2016-05-24

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技重大專項(xiàng)“南海深水油氣開發(fā)示范工程”(2011ZX05056)。

作者簡介：李林(1983-)，男，工程師。

文章編號：1001-4500(2016)03-0089-06

中圖分類號:P75

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Continuous Lifting and Weight Transfer Technique for Large-scale Structure

LI Lin,ZHANG Jin-bao,WU Hang，DAI Shi-chao

(Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co., Ltd, Shandong Qingdao 266520, China)

Abstract：A kind of in situ continuous lifting and weight transfer technology applicable to the large-scale structure was introduced. And a suite of test prototype instrument was promoted to development and global simulate the in situ continuous lifting and weight transfer technology. The system constitution such as control system, hydraulic system, sensors and supporting mechanism were introduced in detail and the closed-cycle multiple-point-synchro control, safety control and error control technique were analyzed. The technology in this paper makes up for internal large-scaled structure in situ continuous lifting and weight transfer technology. And make the low-position construction of large-scaled platform possible. It has important theory and application value as well as widespread project promotion significance.

Keywords：continuous lifting technique; weight transfer; test prototype instrument； closed-cycle control; low-position construction