R-550D自升式鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)的調(diào)試

段謨簿 練博強(qiáng) 藍(lán)巨滔

摘? ? 要：R-550D自升式鉆井平臺(tái)中采用電動(dòng)齒輪式升降系統(tǒng)，該系統(tǒng)由多個(gè)升降模塊構(gòu)成，均勻分布在各樁腿兩側(cè)。自升式平臺(tái)在下水后，依靠其升降系統(tǒng)進(jìn)行站樁作業(yè)，以方便碼頭舾裝的進(jìn)行。因此，升降裝置需在下水后進(jìn)行聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，以確保其盡快達(dá)到可使用狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：升降系統(tǒng);組成;調(diào)試

中圖分類號(hào)：U674.38 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： The R-550D jack-up drilling platform adopts electric gear jacking system， which is composed of several jacking units and evenly distributed on both sides of each pile leg. After launching the jack up platform needs to rely on its jacking system for pile operation， so as to facilitate the outfitting at wharf. Therefore， the jacking device should be jointly commissioned after launching to ensure that it could be used as soon as possible. This paper discusses the commissioning difficulties and solutions of the jacking system of the R-550D jack-up drilling platform.

Key words： Jacking System; Composition; Commissioning

1? ? ?概述

自升式鉆井平臺(tái)的升降系統(tǒng)，一般安裝在自升式平臺(tái)的樁腿和平臺(tái)主體的交界位置，經(jīng)由升降裝置驅(qū)動(dòng)平臺(tái)主體作升、降運(yùn)行，以滿足海上平臺(tái)相對(duì)高度作業(yè)需要。

升降裝置主要有兩種型式：一種是液壓頂升式升降裝置;另一種是齒輪齒條式升降裝置。齒輪齒條式升降系統(tǒng)因具備升降運(yùn)行快、操作容易、井位對(duì)準(zhǔn)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，已成為自升式平臺(tái)升降系統(tǒng)的主流形式。

升降裝置聯(lián)合調(diào)試會(huì)受到動(dòng)力、管系、控制系統(tǒng)等項(xiàng)目完工條件以及調(diào)試過(guò)程中的調(diào)試操作規(guī)范、安全措施等諸多因素的影響，需預(yù)先進(jìn)行深入分析，以確保試驗(yàn)成功。

2? ? ?升降系統(tǒng)分類

2.1? ?液壓頂升式升降系統(tǒng)

液壓頂升式升降裝置，主要由插銷、插銷孔、環(huán)梁和頂升液壓缸等組成。其升降原理是在每1條樁腿處都設(shè)計(jì)2套液壓驅(qū)動(dòng)的插銷和1套頂升液壓缸，如圖1所示。

安裝在環(huán)梁上的1組環(huán)梁銷插入到樁腿的插銷孔中，由1組頂升液壓缸同步動(dòng)作可使環(huán)梁及銷子帶動(dòng)平臺(tái)主體升降1個(gè)間距;然后將固定銷推入到樁腿的插銷孔中，撤出環(huán)梁銷，液壓缸和環(huán)梁復(fù)位;再進(jìn)行下一個(gè)運(yùn)行輪回。

2.2? ?齒輪齒條式升降系統(tǒng)

因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境比較惡劣，所以平臺(tái)升降時(shí)間對(duì)平臺(tái)的安全性很重要，同時(shí)平臺(tái)升降時(shí)間也與平臺(tái)的到位費(fèi)用緊密相關(guān)，因此升降速度較快的齒輪齒條升降方式得到了推廣應(yīng)用，其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

齒輪齒條式升降系統(tǒng)是在平臺(tái)的每根齒條上裝有若干個(gè)小齒輪，經(jīng)過(guò)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪減速箱，然后傳給與齒條嚙合的小齒輪來(lái)驅(qū)使平臺(tái)的升降。

齒輪齒條升降系統(tǒng)，從動(dòng)力驅(qū)動(dòng)上可分為：液壓馬達(dá)和電機(jī)馬達(dá)兩種方式。兩種升降驅(qū)動(dòng)方式，在設(shè)計(jì)上均能達(dá)到平臺(tái)在各種工況下所要求的基本技術(shù)指標(biāo)。

3? ? R-550D型平臺(tái)升降系統(tǒng)組成

普通平臺(tái)的電動(dòng)齒輪齒條式升降系統(tǒng)，主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：固樁室、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)及鎖緊系統(tǒng)等。

平臺(tái)升降操作通常是在中央控制臺(tái)實(shí)施，在就地僅能實(shí)現(xiàn)有限的操作功能。除了中央控制臺(tái)以外，其它升降模塊都設(shè)計(jì)為各樁腿單獨(dú)運(yùn)行，這樣可以降低各樁腿間運(yùn)行的相互干涉，并能有效實(shí)現(xiàn)每條樁腿的獨(dú)立操縱。

R-550D自升式鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)，具體功能及配置如下：

3.1? ?升降模塊

升降模塊，包含了升降齒輪、行星減速箱、平行軸齒輪減速箱、電動(dòng)馬達(dá)、盤(pán)式剎車的總成，其中齒輪箱是實(shí)現(xiàn)齒輪系傳遞功率的關(guān)鍵組件，以實(shí)現(xiàn)扭矩大小的改變、分配及方向的轉(zhuǎn)換。

R-550D自升式鉆井平臺(tái)選用SJ1000型升降系統(tǒng)，由VFD（變頻驅(qū)動(dòng)）54個(gè)升降單元（分布于三個(gè)樁腿，每個(gè)樁腿三個(gè)弦管，共計(jì)18臺(tái)）組成，每個(gè)升降單元的提升能力如下：

3.2? 電氣系統(tǒng)及控制部分

3.2.1? 電力進(jìn)線配電柜

電力進(jìn)線配電柜主要配有1 000 A空氣斷路器、230 V/230 V隔離控制變壓器及其它輔助電源控制（斷路器）及指示回路，主要參數(shù)如表1所列：

3.2.2? 變頻驅(qū)動(dòng)器

升降系統(tǒng)變頻驅(qū)動(dòng)由變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）及控制器協(xié)調(diào)馬達(dá)控制中心實(shí)現(xiàn)控制各升降單元，正常情況下通過(guò)駕駛室的中央控制臺(tái)操作;對(duì)于單樁腿操作模式，可以在樁腿就地實(shí)行部分功能的操作。每個(gè)樁腿配置一組單獨(dú)的變頻驅(qū)動(dòng)柜，實(shí)現(xiàn)單個(gè)樁腿的獨(dú)立操作控制。

每套變頻驅(qū)動(dòng)器主要配有四個(gè)進(jìn)線斷路器（兩組并聯(lián)）、主回路整流單元（集成）、逆變單元（集成）、電抗器、PLC邏輯控制器等，其主要參數(shù)見(jiàn)表2：

3.2.3 馬達(dá)控制中心

電機(jī)馬達(dá)控制中心是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最后輸出階段，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與變頻驅(qū)動(dòng)器及主控制器連接。其主要功能有：升降模塊電機(jī)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)輸出執(zhí)行、電機(jī)馬達(dá)空間加熱、升降單元?jiǎng)x車器輸出執(zhí)行、剎車空間加熱、升降電機(jī)馬達(dá)超速監(jiān)控、電機(jī)負(fù)載監(jiān)控、控制回路監(jiān)控等。

馬達(dá)控制中心主要配置了對(duì)應(yīng)樁腿（弦管）的18組電機(jī)的保護(hù)單元回路，以及18組剎車盤(pán)的電源保護(hù)回路，此外還有I/O單元，用于監(jiān)測(cè)來(lái)自升降單元本體關(guān)于馬達(dá)、剎車片狀態(tài)的的實(shí)時(shí)監(jiān)控，其主要參數(shù)見(jiàn)表3。

3.2.4 中央控制臺(tái)

整個(gè)平臺(tái)升降系統(tǒng)的操作主要在中央控制臺(tái)，在升降中央控制臺(tái)上通過(guò)升、降命令實(shí)施平臺(tái)的升、降操作?？刂婆_(tái)上安裝有物理水平儀和電子水平儀，用于監(jiān)測(cè)升降操作時(shí)平臺(tái)的傾斜度是否在設(shè)計(jì)可控范圍內(nèi);控制臺(tái)上裝有三組顯示器，用來(lái)顯示每個(gè)樁腿3個(gè)弦管升降齒輪承受的動(dòng)態(tài)負(fù)荷、樁腿的總動(dòng)態(tài)負(fù)荷、以及升降電機(jī)馬達(dá)的工作電流、功率及樁腿高度等，其中電子水平儀可在顯視屏上模擬顯示平臺(tái)水平狀態(tài)。

中央控制臺(tái)配有各樁腿升、降操作指令按鈕、一臺(tái)主控制器、相關(guān)I/O單元，及電子水平儀、監(jiān)控操作屏等，其主要參數(shù)見(jiàn)表4。

3.2.5 相位偏差就地控制站

相位偏差就地控制站，通過(guò)監(jiān)測(cè)平臺(tái)樁腿的各弦管高度來(lái)計(jì)算得出相位差，即樁腿弦管相對(duì)于平臺(tái)主體高度位置的位移累積差值。

齒條相位差就地控制臺(tái)共有3處，分布于首部、左舷及右舷樁腿處，并配置有各自獨(dú)立的位置高度編碼器;每條樁腿升降基礎(chǔ)上有一個(gè)高度檢測(cè)齒片，齒片與樁腿齒條相嚙合，當(dāng)平臺(tái)升降時(shí)高度檢測(cè)齒片會(huì)跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)公式計(jì)算可將其轉(zhuǎn)動(dòng)的距離轉(zhuǎn)換為平臺(tái)高度信息，并顯示在人機(jī)界面HMI上，以便于操作者監(jiān)控和操作;此外，還配置有ProfiBus-DP通訊模塊采集來(lái)自高度監(jiān)測(cè)編碼器信號(hào)，并反饋主控制器，其主要參數(shù)見(jiàn)表5。

4? ? 調(diào)試技術(shù)難點(diǎn)分析

R-550D型自升式鉆井平臺(tái)升降控制系統(tǒng)對(duì)安全性和可靠性極為重要，在調(diào)試階段需要進(jìn)行重點(diǎn)分析和監(jiān)控。

根據(jù)對(duì)各種型號(hào)升降系統(tǒng)的常規(guī)應(yīng)用和比較分析，升降裝置的控制系統(tǒng)對(duì)于升降操作必須要有完備的保護(hù)和邏輯連鎖，才能實(shí)現(xiàn)根本的安全;其次才是設(shè)備執(zhí)行器層面的邏輯功能實(shí)現(xiàn)。因此對(duì)于調(diào)試而言，主要難點(diǎn)為在保證其安全性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)操作功能。

4.1? ?操控功能

操控功能除了升降、停止的外部操作外，還有升降主控制器與變頻驅(qū)動(dòng)控制器的邏輯、指令，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)裝置的啟動(dòng)和調(diào)速命令的執(zhí)行。

（1）R-550D型自升式鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)采用了ProfiBus-DP協(xié)議，是廣泛應(yīng)用于海工船舶及平臺(tái)設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)通信和控制的一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù);ProfiBus協(xié)議可選波特率支持9.6 kB/s至12 MB/s，總線循環(huán)時(shí)間<10 ms，總線上最多可連接126個(gè)設(shè)備，支持多點(diǎn)通訊，傳輸介質(zhì)可用金屬雙絞線或光纖。本項(xiàng)目樁腿現(xiàn)場(chǎng)至控制器I/O，采用了62.5/125的多模光纖連接，而在控制柜內(nèi)部采用了標(biāo)準(zhǔn)ProfiBus-DP線連接;

（2）通訊網(wǎng)絡(luò)ProfiBus-DP協(xié)議總線技術(shù)是多主站方案，能夠執(zhí)行多個(gè)控制、配置和可視化系統(tǒng)在一條總線上互相操控;但對(duì)于升降系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)，采用了冗余DLR環(huán)網(wǎng)的方案，因此對(duì)于一個(gè)環(huán)網(wǎng)而言只有一個(gè)主站，而對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)有兩個(gè)主站，分別位于駕駛室中央控制臺(tái)和配電板間，兩者互為冗余，當(dāng)其中一臺(tái)主控制站出現(xiàn)故障時(shí)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換和接管;

（3）R-550D平臺(tái)使用了備份的ET200M遠(yuǎn)程I/O站來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、狀態(tài)采集及執(zhí)行，從而使數(shù)據(jù)、狀態(tài)采集的時(shí)效性、可靠性得到了保障。該模塊是一套被動(dòng)裝置，沒(méi)有總線尋問(wèn)權(quán)，只對(duì)收到的信息進(jìn)行確認(rèn);另外，當(dāng)主站請(qǐng)求時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送;通過(guò)ProfiBus協(xié)議連接起升降系統(tǒng)中央控制臺(tái)、各樁腿馬達(dá)控制中心、變頻控制單元、相位偏差就地控制站等主要控制設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備層到中央控制臺(tái)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò);相位偏差就地控制站同樣采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使用ProfiBus電纜連接樁腿上所有弦管編碼器，將數(shù)字通信的方式取代編碼器的脈沖信號(hào)。

4.2? ?監(jiān)測(cè)報(bào)警

監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)通常實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各I/O模塊的狀態(tài)，并以此作為程序邏輯功能塊的觸發(fā)條件，比如：剎車釋放信號(hào)、馬達(dá)接觸器狀態(tài)、工作電源回路斷路器狀態(tài);此外，樁腿弦管高度監(jiān)測(cè)也是升降控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要功能邏輯，包括了樁腿高、低位極限警告及停車。

根據(jù)升降系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)的設(shè)備配置，其主要故障點(diǎn)（并不限于這些）如表6所列。

根據(jù)升降系統(tǒng)的設(shè)備配置及故障點(diǎn)分析，控制邏輯對(duì)以下主要故障點(diǎn)（并不限于這些）進(jìn)行了檢測(cè)和應(yīng)急停車設(shè)置，見(jiàn)表7。

4.3? ?升降控制系統(tǒng)安全保障

因?yàn)樯迪到y(tǒng)的工作狀況很復(fù)雜，并且升降系統(tǒng)直接影響到整個(gè)平臺(tái)的安全，因此在前期設(shè)計(jì)、過(guò)程建造、試驗(yàn)階段中，對(duì)于升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置的安全可靠性等方面要求非?？量?。關(guān)鍵在升降時(shí)剎車裝置失效、出現(xiàn)超車危險(xiǎn)情況時(shí)，整個(gè)傳動(dòng)裝置將由減速變?yōu)樵鏊賯鲃?dòng)過(guò)程，將會(huì)對(duì)設(shè)備和人員造成很大的危害。

為保證升降系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以采用降速停止及應(yīng)急停止。因此在調(diào)試前期，必需確測(cè)試安保（降速、應(yīng)急停止）功能，確保各安保功能正常后方可進(jìn)行整個(gè)平臺(tái)的升降試驗(yàn)，并且只有當(dāng)故障報(bào)警點(diǎn)消除及相關(guān)報(bào)警狀態(tài)復(fù)位后，升降系統(tǒng)才能重新啟動(dòng)，以確保系統(tǒng)的的每次升降是滿足所有安全控制邏輯的要求。根據(jù)設(shè)備構(gòu)成及其分布，可以從升降中央控制臺(tái)、各樁腿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)中心實(shí)施手動(dòng)應(yīng)急停止。

不同級(jí)別的應(yīng)急停止所應(yīng)用的控制邏輯是不一樣的，這是出于升降裝置的當(dāng)前狀況直接影響到平臺(tái)的姿態(tài)和安全考慮的。對(duì)中央控制臺(tái)的應(yīng)急停止指令，是最高的級(jí)別，整個(gè)升降系統(tǒng)會(huì)被應(yīng)急切斷，包括所有的升降馬達(dá)控制中心;但對(duì)于來(lái)自于各樁腿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)中心的應(yīng)急停止指令，只使對(duì)應(yīng)的樁腿升降馬達(dá)控制中心的安全控制回路切斷，而不會(huì)使整個(gè)平臺(tái)升降系統(tǒng)被應(yīng)急切斷，這種設(shè)計(jì)能綜合應(yīng)急響應(yīng)的動(dòng)作，保證其它樁腿升降馬達(dá)控制中心正常工作，規(guī)避事故惡化以及對(duì)系統(tǒng)造成沖擊。

同樣，對(duì)安全控制回路設(shè)置了嚴(yán)格的條件，一旦任何一處的應(yīng)急停止指令觸發(fā)，都會(huì)直接使控制電源回路繼電器動(dòng)作，從而在硬件上實(shí)現(xiàn)閉鎖，然后在PLC程序上對(duì)樁腿的馬達(dá)控制中心（單獨(dú)）的電氣執(zhí)行器件控制作為輸入條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)該樁腿所有馬達(dá)電源、剎車器電源、變頻器電源的電氣閉鎖。這些控制條件至少有：中央控制臺(tái)應(yīng)急停止、各樁腿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)中心應(yīng)急停止、各樁腿相位偏差就地控制站應(yīng)急停止。

除了以上安全控制措施，還對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行了連鎖保護(hù)。連鎖保護(hù)功能是對(duì)于故障、誤操作、緊急情況下的升降裝置所必須采取的內(nèi)部措施，以遏制事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。通常采取的方法是降速停止或應(yīng)急停止，并且只有當(dāng)重要故障報(bào)警被從系統(tǒng)中復(fù)位后，升降系統(tǒng)才能解開(kāi)閉鎖，恢復(fù)正常的啟動(dòng)、操作。

5? ? ?結(jié)論

自升式鉆井平臺(tái)升降裝置是連接樁腿和平臺(tái)主體的關(guān)鍵系統(tǒng)，其可以驅(qū)動(dòng)平臺(tái)主體沿樁腿做升、降動(dòng)作，并可將平臺(tái)主體固定于樁腿作業(yè)所要求的任一位置，以確保平臺(tái)主體在作業(yè)時(shí)位于海面上方，保證平臺(tái)有足夠的氣隙高度，保護(hù)平臺(tái)設(shè)備不被海浪損壞。因此通過(guò)對(duì)升降系統(tǒng)組成及工作原理進(jìn)行分析，梳理相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)，掌握完備的保護(hù)及邏輯連鎖要求，重點(diǎn)關(guān)注硬件設(shè)備執(zhí)行層面的邏輯功能，才能保證其安全，為調(diào)試工作的順利進(jìn)行打好基礎(chǔ)。

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