海洋閉式液缸舉升系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

李 歡，李 鵬，鄭萬里，范 松，付 俊

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

作為海洋鉆探及水合物取芯的關(guān)鍵設(shè)備，海洋鉆井舉升系統(tǒng)其主要功能分為：提升和下放鉆桿并保障正常鉆井作業(yè)、提升和下放隔水管并確保建立完整的立管通道、下放和回收水下設(shè)備并確保鉆井和開采的安全可靠。通常，鉆井舉升系統(tǒng)的優(yōu)劣決定了整個(gè)海洋鉆探作業(yè)的能效[1]。海洋鉆井舉升系統(tǒng)按照驅(qū)動(dòng)類型分為絞車和液缸2種型式。絞車型式的鉆井舉升系統(tǒng)又可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車和液壓絞車2種類型。絞車型鉆井舉升系統(tǒng)(簡稱絞車舉升系統(tǒng))主要由電驅(qū)動(dòng)鉆井絞車、鋼絲繩、井架天車滑輪組、游車大鉤等組成[2]。由于其優(yōu)異的可靠性和調(diào)速特性，絞車舉升系統(tǒng)被絕大多數(shù)海洋鉆井平臺(鉆井船)采用。小載荷需求時(shí)，通常由液壓絞車作為主鉆井絞車，替代占地面積較大的電驅(qū)動(dòng)鉆井絞車。液缸型鉆井舉升系統(tǒng)(簡稱液缸舉升系統(tǒng))主要由液缸、鋼絲繩、導(dǎo)向滑輪、游車大鉤等組成。其技術(shù)是近20 a來才逐漸成熟，比起絞車舉升系統(tǒng)有一系列優(yōu)勢，在新建鉆井平臺(鉆井船)上被越來越多的采用[3-4]。

井架在液缸舉升系統(tǒng)中僅做穩(wěn)定和防傾覆的作用，而傳統(tǒng)的絞車舉升系統(tǒng)由于其驅(qū)動(dòng)部分安裝位置低，井架需承受舉升系統(tǒng)的全部載荷。因此，絞車舉升系統(tǒng)的井架在自身質(zhì)量上比起液缸舉升系統(tǒng)存在明顯劣勢。另外絞車舉升系統(tǒng)的提升鋼絲繩通過井架頂部的滑輪組連接至載荷體，再加上天車、游車、死繩等補(bǔ)償裝置的加入，其整體重心比起液缸舉升系統(tǒng)更高。隨著海洋油氣開發(fā)逐漸朝深海進(jìn)行，船舶設(shè)計(jì)之初就要求鉆井系統(tǒng)的重心盡可能低，以便于提高船舶整體的抗風(fēng)浪特性。鉆探作業(yè)時(shí)還要求舉升系統(tǒng)的舉升載荷更高，以適應(yīng)更深的作業(yè)需求，甲板占用面積小以擺放更多的輔助設(shè)備。因此，傳統(tǒng)的絞車舉升系統(tǒng)在深水或超深水鉆井平臺(鉆井船)上已逐漸失去市場。

現(xiàn)階段，成熟的液缸舉升系統(tǒng)主要供應(yīng)商均為國外公司，例如NOV、Aker MH公司等，具備鉆井深度至12 000 m、最大載荷1 134 kN、集成能量回收和鉆柱補(bǔ)償?shù)韧晟乒δ躘5-6]。其中，以Aker MH公司的RamRig技術(shù)最為突出，由于其主舉升液缸可實(shí)現(xiàn)鉆柱補(bǔ)償功能，比起NOV公司的液缸舉升方案，省去了單獨(dú)配置的鉆柱補(bǔ)償裝置，集成度更高，優(yōu)勢明顯。國內(nèi)相關(guān)石油裝備企業(yè)和高校也開展了一系列樣機(jī)的試制，并取得了一定的實(shí)船應(yīng)用[7-9]，其中以寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司在“海洋地質(zhì)十號”科考船上的應(yīng)用最為成熟，但是其僅具備提升和下放功能，鉆柱補(bǔ)償裝置需單獨(dú)配備，且不具備能量回收功能，整個(gè)液缸舉升系統(tǒng)技術(shù)水平和國外產(chǎn)品有著明顯的差距。

本文分析了國外成熟液缸舉升系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，提出了海洋液缸舉升系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)并對其進(jìn)行深入研究，研究結(jié)果可為后續(xù)產(chǎn)品的實(shí)船應(yīng)用提供參考。

1 技術(shù)分析

NOV和AKER MH公司的某型號液缸舉升系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 國際主流公司液缸舉升系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

由表1中可以看出，兩家公司的液缸舉升系統(tǒng)在裝機(jī)功率、最大載荷及最大速度上基本一致。但是，由于游車、頂驅(qū)等載荷的不同，以及各家公司在元器件配置和參數(shù)調(diào)整的不同，導(dǎo)致了舉升系統(tǒng)在不同載荷下的正常模式和增壓模式的最大載荷和速度不盡相同。本文主要以AKER MH公司的液缸舉升系統(tǒng)作為研究對象，探討其關(guān)鍵技術(shù)。

液缸舉升系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。井架為舉升系統(tǒng)中的導(dǎo)向滑輪組、頂驅(qū)提供導(dǎo)向，并為液缸提供側(cè)向支撐。鋼絲繩總成一端與鉆桿相連并繞過導(dǎo)向滑輪組與鉆臺面上的死繩端相連，液缸活塞桿帶動(dòng)導(dǎo)向滑輪組上下運(yùn)動(dòng)。由于繩系的原因，液缸的載荷為鉆桿重力的2倍且速度為1/2。該設(shè)計(jì)不僅降低了液缸的運(yùn)行速度，保障了液缸的壽命，還避免了主承載載荷路徑經(jīng)過井架，使井架的輕量化設(shè)計(jì)成為可能。

1—井架；2—滑動(dòng)導(dǎo)軌；3—導(dǎo)向滑輪組；4—舉升液缸；5—頂驅(qū)；6—鋼絲繩總成；7—鉆桿；8—死繩端；9—液缸安裝底座。

2 關(guān)鍵技術(shù)

液缸舉升系統(tǒng)應(yīng)提供正常和增壓2種操作模式、具備能量回收和釋放、對工作液缸數(shù)量進(jìn)行切換、集成鉆柱補(bǔ)償?shù)裙δ?，其液壓系統(tǒng)和控制邏輯的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。

2.1 提升與下放流體控制技術(shù)

正常模式下，采用閉式液壓系統(tǒng)進(jìn)行舉升液缸的提升和下放。傳統(tǒng)的閉式液壓系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械，其傳動(dòng)型式為閉式變量泵+馬達(dá)，利用閉式變量泵的無極調(diào)速特性實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的控制。在舉升系統(tǒng)中，由于液缸存在塞腔和桿腔的面積差，采用閉式系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的補(bǔ)油和沖洗。閉式液壓舉升系統(tǒng)原理如圖2所示。

1—電機(jī)；2—閉式液壓泵；3—沖洗閥；4—斜盤擺角比例閥；5—緊急切斷閥；6—斜盤角度傳感器；7—補(bǔ)油溢流閥。

泵站由5臺450 kW電機(jī)組成，分別帶動(dòng)5臺排量為500 mL/r的閉式泵。設(shè)計(jì)有單獨(dú)的補(bǔ)油油路，其補(bǔ)油壓力通過溢流閥設(shè)定。閉式泵通過斜盤擺角比例閥控制輸出流量的大小及方向，并利用斜盤擺角傳感器實(shí)現(xiàn)泵排量的閉環(huán)控制。沖洗閥負(fù)責(zé)帶出回路中的熱油，起著降低液壓油溫度的作用。緊急情況下緊急切斷閥可實(shí)現(xiàn)泵的排量快速返回零位，切斷流量供應(yīng)，確保系統(tǒng)的安全。泵站通過油路切換閥為舉升液缸和頂驅(qū)供油，油路切換閥原理如圖3所示。

1—舉升油路切換閥；2—頂驅(qū)油路切換閥；3—壓力調(diào)節(jié)閥；4—溢流閥。

考慮到為舉升液缸和頂驅(qū)供油，油路切換閥設(shè)置有舉升油路切換閥和頂驅(qū)油路切換閥，可對每條油路進(jìn)行單獨(dú)關(guān)斷。供油油路通過單向閥與溢流閥相連，用于確保不超壓。對于舉升油路，如圖3所示，舉升液缸主要由B油路和A油路驅(qū)動(dòng)，A油路為高壓側(cè)與液缸塞腔相連，B油路為低壓側(cè)與液缸桿腔相連，B油路連接有壓力調(diào)節(jié)閥，其壓力可在1.5～32 MPa間任意調(diào)節(jié)。當(dāng)舉升系統(tǒng)提升載荷時(shí)，A油路流量明顯大于B油路油量，補(bǔ)油油路為B油路補(bǔ)油。當(dāng)舉升系統(tǒng)下放載荷時(shí)，由于塞腔和桿腔的面積差，塞腔產(chǎn)生的多余液壓油將通過B油路的壓力調(diào)節(jié)閥回流至油箱。

控制閉式泵的排量，實(shí)現(xiàn)舉升系統(tǒng)的提升和下放載荷。由舉升液缸位移傳感器、斜盤擺角傳感器、控制器等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 正常模式下液缸速度控制流程

采用內(nèi)外雙重閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)液缸速度的精確調(diào)節(jié)，其中外環(huán)為液缸速度PID環(huán)，內(nèi)環(huán)為斜盤擺角PID環(huán)。當(dāng)控制系統(tǒng)檢測司鉆人員的手柄速度信號后，與液缸實(shí)際速度求差，帶入液缸速度PID控制器進(jìn)行運(yùn)算之后輸出斜盤擺角理論值，并與斜盤擺角的實(shí)際值求差后帶入斜盤擺角PID控制器，進(jìn)而使斜盤擺角即泵的輸出流量達(dá)到理論值，從而使液缸的提升速度即載荷速度與設(shè)定值保持一致。

2.2 能量回收與釋放流體控制技術(shù)

在鉆井作業(yè)過程中，舉升系統(tǒng)絕大部分工況為接鉆桿、隔水管以及套管，存在對特定質(zhì)量物體的重復(fù)提升和下放。對下放重力勢能的回收和對回收來的能量進(jìn)行釋放對于節(jié)能減排具有重要意義。液缸舉升系統(tǒng)采用活塞式蓄能器、液缸控制閥組、蓄能器控制閥組、氮?dú)馄拷M等實(shí)現(xiàn)系能量回收和釋放的功能。其原理如圖5～6所示。

1—液缸模式切換閥；2—能量回收開啟閥；3—插裝閥。

1—活塞式蓄能器；2—1#調(diào)速閥；3—2#調(diào)速閥；4—放油閥；5—補(bǔ)油閥；6—氮?dú)庹{(diào)壓閥；7—氮?dú)馄拷M；8—比例溢流閥。

圖5所示的液缸控制閥組，其P1、P2口與油路切換閥組相連，A1-A6與液缸塞腔和桿腔相連。液缸模式切換閥用于控制油路插裝閥的關(guān)斷，可實(shí)現(xiàn)液缸從雙作用式至柱塞液缸式的遠(yuǎn)程切換，當(dāng)舉升液缸切換至柱塞缸后，插裝閥將導(dǎo)通液缸的桿腔和塞腔，并通過能量回收開啟閥使液缸與蓄能器液端連通。圖5的ACC1和ACC2口分別連接至圖6所示的2#調(diào)速閥的B口和1#調(diào)速閥的A口，蓄能器氣端連接至高壓氮?dú)馄拷M，并通過高壓氮?dú)庠礊橄到y(tǒng)補(bǔ)氣。

由于調(diào)速閥的單向流量比例調(diào)節(jié)功能。當(dāng)舉升液缸下放載荷需要進(jìn)行能量回收時(shí)，舉升液缸進(jìn)入柱塞缸模式，2#調(diào)速閥打開，通過調(diào)節(jié)節(jié)流口開度進(jìn)行下放速度的控制，由于蓄能器內(nèi)的預(yù)充壓力，一部分重力勢能將存儲在蓄能器中，多余的油液通過蓄能器側(cè)的比例溢流閥流出。當(dāng)需要快速提升載荷時(shí)，舉升系統(tǒng)則進(jìn)入增壓模式，此時(shí)液缸回到雙作用缸模式，通過調(diào)節(jié)1#調(diào)速閥的開度并配合主液壓泵實(shí)現(xiàn)載荷的快速提升。

能量回收模式下，舉升系統(tǒng)下放載荷，由液缸位移傳感器、比例調(diào)速閥、控制器等組成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 能量回收模式下液缸下放速度控制流程

利用調(diào)速閥的節(jié)流控制實(shí)現(xiàn)液缸下放速度的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測司鉆人員的手柄速度信號后，與液缸實(shí)際速度求差，計(jì)算出液缸流進(jìn)蓄能器的理論流量，帶入調(diào)速閥流量PID控制器，控制調(diào)速閥開度，使液缸的下放速度即載荷速度與設(shè)定值保持一致。這里引入PID參數(shù)修正的原因在于液缸和蓄能器端的壓力差不是固定的，蓄能器液端壓力會隨著液缸載荷的下降而升高，如不進(jìn)行修正，會導(dǎo)致液缸的下放速度不穩(wěn)定。在能量回收模式下，還應(yīng)設(shè)置蓄能器活塞防碰、超壓卸荷等安全保護(hù)邏輯。

增壓模式下，舉升系統(tǒng)提升載荷。由液缸位移傳感器、斜盤擺角傳感器、比例調(diào)速閥、控制器等組成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制蓄能器和主泵同時(shí)為舉升液缸提供液壓油，提升速度將大幅提高，其控制流程如圖8所示。

圖8 增壓模式下液缸提升速度控制流程

利用調(diào)速閥的節(jié)流控制和泵的排量控制共同實(shí)現(xiàn)液缸提升速度的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)。進(jìn)入增壓模式后，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到司鉆人員的手柄速度信號后，與液缸實(shí)際速度求差，系統(tǒng)對提升所需的流量進(jìn)行自動(dòng)分配，并計(jì)算出蓄能器和主泵各自應(yīng)供應(yīng)的流量。然后，帶入各自的調(diào)速閥及斜盤擺角PID控制器進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)算，使蓄能器和主泵的輸出流量滿足設(shè)定至，使液缸的提升速度即載荷速度與設(shè)定值保持一致。同能量回收模式一致，蓄能器流量的PID控制參數(shù)也應(yīng)引入調(diào)速閥兩端壓差進(jìn)行修正。在增壓模式下，還應(yīng)設(shè)置蓄能器活塞防碰、液缸防超速等安全保護(hù)邏輯。

2.3 鉆柱補(bǔ)償功能集成技術(shù)

由于波浪帶動(dòng)鉆井平臺(鉆井船)做升沉運(yùn)動(dòng)，海洋鉆井過程中的井底鉆壓波動(dòng)極不穩(wěn)定，海洋鉆井舉升系統(tǒng)配備了鉆柱補(bǔ)償裝置來保障海洋鉆井的順利進(jìn)行。通常，鉆柱補(bǔ)償裝置采用液缸、蓄能器和氣瓶組組成“液-氣彈簧”，利用氣體的可壓縮性實(shí)現(xiàn)井底鉆壓的相對恒定。按照功能劃分，鉆柱補(bǔ)償裝置分為主動(dòng)型、被動(dòng)型和半主動(dòng)型3種類型[10-16]。由于海洋閉式液壓舉升系統(tǒng)的自身特性，可以在不增加額外的鉆柱補(bǔ)償裝置下實(shí)現(xiàn)3種型式鉆柱補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

1) 主動(dòng)鉆柱補(bǔ)償功能。適用于較好的海況，以船舶的升沉速度信號為輸入，通過調(diào)節(jié)閉式泵的擺角控制其輸出流量，實(shí)現(xiàn)液缸速度的閉環(huán)控制。井底鉆壓隨著手柄的設(shè)定值持續(xù)增大且維持在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，同時(shí)由于鉆桿的彈性壓縮，液缸也將逐漸回縮，手柄角度僅用于控制鉆壓增大的速度。鉆壓到達(dá)設(shè)定值后開始鉆進(jìn)，隨著鉆頭的破巖，鉆壓逐漸降低，應(yīng)緩慢控制手柄，使鉆頭對井底保持穩(wěn)定的鉆壓，實(shí)現(xiàn)持續(xù)鉆進(jìn)的目的。由于泵的總供應(yīng)流量有限，隨著海況的逐漸惡劣，泵的輸出流量將導(dǎo)致液缸無法很好的跟隨波浪，井底鉆壓波動(dòng)將變大，補(bǔ)償效果將變差。

2) 被動(dòng)鉆柱補(bǔ)償功能。適用于任意海況，液缸塞腔與蓄能器液端直接連接，主泵為液缸桿腔提供補(bǔ)油，由于蓄能器、氣瓶的共同作用，液缸隨著船舶的升沉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行被動(dòng)跟隨，井底鉆壓保持相對恒定。當(dāng)需要鉆進(jìn)時(shí)，利用主泵全排量為液缸桿腔油路供油，通過司鉆手柄控制桿腔油路上的溢流閥調(diào)節(jié)液缸桿腔壓力從而實(shí)現(xiàn)井底鉆壓的調(diào)節(jié)，同時(shí)液缸也回縮至特定位置，井底鉆壓由手柄角度直接決定，且持在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)鉆壓滿足要求時(shí)，手柄保持在當(dāng)前位置，隨鉆頭的破巖應(yīng)緩慢控制手柄，使鉆頭對井底保持穩(wěn)定的鉆壓，實(shí)現(xiàn)持續(xù)鉆進(jìn)的目的。該模式的補(bǔ)償性能主要由氣瓶容積、管路損失以及載荷的慣性決定，補(bǔ)償過程中需要開啟主泵，但是主泵的壓力較低、能耗較小，適用于補(bǔ)償精度要求不高、節(jié)能的場合。該模式最大的優(yōu)點(diǎn)在于能耗相對較小。

3) 半主動(dòng)鉆柱補(bǔ)償功能。適用于任意海況，結(jié)合了主動(dòng)和被動(dòng)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)，在被動(dòng)補(bǔ)償功能開啟的前提下，液缸桿腔與主泵的低壓側(cè)連通，同時(shí)桿腔油路壓力溢流閥調(diào)整至最大值。由于蓄能器承擔(dān)絕大多數(shù)載荷，半主動(dòng)補(bǔ)償僅控制主泵低壓側(cè)的輸出流量，主動(dòng)調(diào)節(jié)液缸桿腔的壓力，進(jìn)而克服摩擦和載荷慣性實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)跟隨，達(dá)到鉆壓保持恒定的目的。同主動(dòng)補(bǔ)償一樣，當(dāng)需要鉆進(jìn)時(shí)，井底鉆壓隨著手柄的角度設(shè)定值持續(xù)增大且維持在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，液缸也將逐漸回縮，手柄角度僅用于控制鉆壓增大的速度，直到鉆壓滿足鉆頭破巖需求時(shí)，手柄角度回0。隨著鉆頭的破巖應(yīng)緩慢控制手柄，維持穩(wěn)定的鉆壓持續(xù)鉆進(jìn)。該模式補(bǔ)償精度較高，海況適應(yīng)性較好。

3 結(jié)論

1) 圍繞國外液缸型鉆井舉升系統(tǒng)的功能和參數(shù)，提出了一種閉式液缸舉升系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)思路，在滿足正常提升下放功能的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)下放勢能的回收和利用。集成了鉆柱補(bǔ)償功能，整體技術(shù)方案具有一定的先進(jìn)性。

2) 研究了閉式液缸舉升系統(tǒng)的提升和下放、能量回收和釋放、鉆柱補(bǔ)償功能集成3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并提出相應(yīng)的液壓原理和控制思路，使產(chǎn)品的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)開發(fā)成為了可能。

3) 建議下一步開展對閉式液缸舉升系統(tǒng)的仿真分析，結(jié)合不同的工況分析其能量利用效率以及鉆柱補(bǔ)償?shù)木?，為后續(xù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和實(shí)船應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。