浮式波浪補償裝置研究及發(fā)展建議*

李歡 樊春明 李鵬 鄭萬里 劉啟蒙

(寶雞石油機械有限責任公司；中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司)

0 引 言

浮式波浪補償裝置主要用于補償海浪作用引起的船舶升沉運動以及水下洋流引起的升沉運動對負載的影響，消除升沉運動負載的載荷波動、位移和速度變化，是深海海洋工程的關鍵裝備之一。通常，浮式波浪補償裝置依附于關鍵作業(yè)設備，如吊機、鉆井系統(tǒng)及隔水管系統(tǒng)等。按照補償?shù)念愋涂梢苑譃楹銖埩Α⒑沣@壓和恒位置3種。恒張力波浪補償裝置主要為其服務設備提供恒定的張力，純被動或主動地跟隨船舶升沉運動，主要有吊機恒張力裝置、隔水管張緊系統(tǒng)及基盤收放系統(tǒng)等。恒鉆壓波浪補償主要指用于浮式鉆井作業(yè)的鉆柱補償裝置，根據(jù)安裝位置可分為游車、天車和死繩補償裝置。恒位置波浪補償主要應用于帶主動波浪補償功能的吊機和絞車上，可實現(xiàn)下放負載相對于海底的高度保持在一定的范圍內(nèi)波動，按照補償能力有單自由度和多自由度的恒位置補償。

按照驅(qū)動型式，浮式波浪補償裝置分為純液壓、液-氣彈簧和電驅(qū)3種類型。其中：純液壓波浪補償裝置通過主動或被動控制泵或馬達實現(xiàn)負載的波浪跟隨，主要應用在絞車類裝置上；液-氣彈簧波浪補償裝置通常以液缸為主驅(qū)動機構(gòu)，通過液缸、蓄能器和空氣瓶組成液氣彈簧，以空氣的壓縮和膨脹特性實現(xiàn)能量的存儲和釋放，實現(xiàn)恒定張力，其應用范圍最廣，包括隔水管張緊系統(tǒng)、基盤收放系統(tǒng)、導向索張力裝置及純被動鉆柱補償裝置等。半主動的鉆柱補償裝置以液-氣彈簧作為負載的主承載部件，利用主動液壓系統(tǒng)克服負載的慣性和摩擦以提高補償精度。主動波浪補償?shù)鯔C通常采用恒壓網(wǎng)絡和二次控制技術來實現(xiàn)，其作用原理也類似于液-氣彈簧機理，只是將執(zhí)行器由液缸換成了液壓馬達。電驅(qū)波浪補償裝置通常應用在絞車上，利用主動采集的船舶升沉數(shù)據(jù)，通過變頻器控制絞車的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)位置補償。

本文在分析國內(nèi)外不同類型浮式波浪補償裝置研究現(xiàn)狀的基礎上，總結(jié)了4項關鍵技術。對寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械)在浮式波浪補償裝置的產(chǎn)品研制和應用情況做了簡要介紹，并提出相應的發(fā)展建議。研究結(jié)果可為后續(xù)浮式波浪補償裝置的進一步發(fā)展和優(yōu)化提供指導。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

浮式波浪補償裝置具備技術含量高、應用范圍廣的特點。國外浮式波浪補償裝置主要供應商經(jīng)過長期技術研究和工程化應用，在單元設備研制和系統(tǒng)集成等方面都比較成熟，形成了技術壁壘并牢牢占據(jù)了絕大多數(shù)的市場份額。

在鉆柱補償及隔水管張緊裝置領域，NOV、Aker MH、Cameron及Control Flow等公司技術成熟，市場占有率高，具備游車補償、天車補償及絞車補償?shù)榷喾N類型不同規(guī)格的鉆柱補償裝置，并可提供多種規(guī)格的鋼絲繩式和液缸式隔水管張緊系統(tǒng)。其主、被動聯(lián)合控制技術和張緊器抗反沖控制技術可靠性較高，產(chǎn)品性能穩(wěn)定且服役多年，并在產(chǎn)品設計和操作規(guī)程上形成了一系列國際標準[1]。自2010年以來，國內(nèi)從事鉆柱補償和隔水管張緊裝置的研究企業(yè)和學者逐漸增多。其中，劉振東和張彥廷等[2-3]主要對鉆柱補償理論進行研究，并針對補償性能提高做了大量的仿真工作；劉清友等[4]依托國家重點實驗室，于2014年完成了新型游車補償裝置的原理樣機研制，在成本和性能上有一定優(yōu)勢；暢元江和李朝瑋等[5-6]在抗反沖控制方法、改進型頂張力算法、隔水管-張緊器-平臺耦合動力學分析等方面做了大量的理論研究和現(xiàn)場應用工作；相關制造企業(yè)也在開展鉆柱補償裝置及隔水管張緊裝置樣機的研制和試驗工作，取得了一定的工程應用[7-10]。但是，具有主動補償功能的鉆柱補償裝置以及帶抗反沖控制技術的隔水管張緊系統(tǒng)還未有實船應用案例。

在海底基盤收放系統(tǒng)領域，普遍采用液-氣彈簧實現(xiàn)海底基盤收放鋼絲繩的恒定張力，以便于配合導向裝置實現(xiàn)井口設備二次下放時的精準定位。目前實船配套的多為歐美國家產(chǎn)品，如輝固(FUGRO)公司和Cameron公司。國內(nèi)上海漁機所和寶石機械在海底基盤收放和恒張力方面進行了研究，并在“海洋石油708”“海洋地質(zhì)十號”上進行了配套和實船應用[11-12]。

在海工吊機領域，波浪補償技術的應用最為成熟，NOV、TTS、麥基嘉及利勃海爾等公司的海工吊機可實現(xiàn)主動波浪補償和主輔鉤恒張力等功能，高端型號還具備多自由度波浪補償能力。而國內(nèi)相關海工吊機制造企業(yè)，如華南船舶機械、武漢船用機械及振華重工等在波浪補償技術的掌握程度上還有所欠缺，往往主輔鉤恒張力功能可順利實現(xiàn)，但是帶主動波浪補償功能的海工吊機還處于研發(fā)和完善階段。其中：振華重工的30和200 t主動波浪補償?shù)鯔C已經(jīng)研發(fā)成功[13]，但由于缺乏實船應用和持續(xù)改進，仍未實現(xiàn)海工船舶市場份額的突破。

綜上所述，由于我國深海油氣開發(fā)起步較晚，大多數(shù)浮式波浪補償裝置都依賴于進口，價格昂貴、維修困難、供貨受制于人，擁有自主知識產(chǎn)權的波浪補償裝置較少。目前，隨著貿(mào)易摩擦和南海領土爭端的加劇，全面開發(fā)南海油氣資源受到嚴重的技術制約，掌握浮式波浪補償關鍵技術，提供國產(chǎn)化、高性能、可靠的波浪補償裝置對于保障我國獨立自主地開展深水油氣和地質(zhì)資源的勘探與開發(fā)顯得至關重要。

2 關鍵技術分析

浮式波浪補償裝置的關鍵技術涉及面較廣，往往需要從總體方案分析、液-氣系統(tǒng)設計及控制邏輯開發(fā)等3個方面綜合考慮。不同類型的浮式波浪補償裝置所涉及的關鍵技術不盡相同，由于篇幅有限，這里僅對系統(tǒng)總體設計和分析技術、閥控(泵控)自動恒張力技術、隔水管張緊器抗反沖控制技術及鉆柱補償裝置主被動聯(lián)合控制技術等4項關鍵技術進行分析。

2.1 系統(tǒng)總體設計和分析技術

由于船舶的升沉情況決定了浮式波浪補償裝置的最大補償位移和速度，開展總體設計的關鍵輸入信息在于補償裝置的應用船舶類型和工作海況，以便得到船舶的升沉數(shù)據(jù)。由于半潛式鉆井平臺、鉆井船及單立柱式平臺等在不同海況下的波浪衰減系數(shù)也不盡相同，業(yè)內(nèi)常用近似計算的方法計算船舶升沉波高衰減系數(shù)，參考王維旭等[14]的研究成果，浮式鉆井船的升沉周期與波浪周期相同，升沉波高遵循衰減系數(shù)k，升沉運動簡化計算公式為：

k=y/x

(1)

(2)

式中：y為船體在相對坐標系中的高度，m；x為水面在相對坐標系中的高度，m；ρ為海水密度，取1 030 kg/m3；M為船體排水質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取9.8 m/s2；S為船體吃水線處與海水接觸面積，m2；ω為波浪的角頻率，rad/s。

在補償裝置方案設計完成之后開展系統(tǒng)仿真分析，對系統(tǒng)整體性能和控制邏輯等進行仿真，為詳細設計提供指導，通常采用AMESim和Simulink等軟件平臺開展仿真分析。系統(tǒng)的模型建立需考慮負載的運動情況，如隔水管張緊器中的隔水管串、鉆柱補償裝置中的鉆柱，由于長管柱在工作中的復雜力學特性，完全模擬其真實運動情況十分困難，在系統(tǒng)仿真層面往往采用瑞利法則對模型進行適當簡化[15]。

對于隔水管串和鉆柱等細長桿的運動，可假定其為彈簧模型，彈簧剛度計算式為：

(3)

式中：E為隔水管或鉆柱的彈性模量，取210 GPa；d為隔水管或鉆柱的外徑，m；L為隔水管串或鉆柱的長度，m。

對于隔水管在海水中運動還應考慮海水的阻力，運動阻力可用冪律流體的計算公式進行簡化計算，即有：

τ=μγλ

(4)

式中：τ為剪切力，μ為稠度系數(shù)，γ為剪切速率，λ為流變指數(shù)。

設海水為牛頓流體，流變指數(shù)取1，可以得到海水的阻力Fsea計算公式為：

Fsea=πμseaDLvriser

(5)

式中：μsea為海水稠度系數(shù)，取1.5；D為隔水管串水下動力學外徑，m；vriser為隔水管串上升速度，m/s。

鉆桿在運動過程中一直處于鉆井液中，由于鉆井液的黏性及壓力，鉆柱相對于鉆井液運動時導致能量耗散。黏性阻力隨著鉆井液速度、密度的增大而增大，因此當鉆井液流速或密度較大時，該阻滯作用不能忽略。鉆井液黏滯阻力系數(shù)Cd計算式如下：

(6)

式中：CN為摩阻系數(shù)，由鉆井液的試驗數(shù)據(jù)決定，水基鉆井液的摩阻系數(shù)取0.1；C1為附加質(zhì)量系數(shù)，置于流體中的圓柱體取1；ρd為鉆井液密度，kg/m3；vd為鉆井液流速，m/s。

2.2 閥控(泵控)自動恒張力技術

恒張力波浪補償技術通常應用在絞車上，往往采用閥控或泵控來實現(xiàn)，其運行過程中均需要持續(xù)消耗能量。閥控恒張力技術通常應用于開式液壓系統(tǒng)，泵控恒張力技術應用于閉式液壓系統(tǒng)，通過安裝在不同位置的恒張力閥組實現(xiàn)恒張力功能。

閥控恒張力技術通過安裝在馬達側(cè)的恒張力閥組實現(xiàn)，恒張力功能開啟之后，當船舶上升時，由負載帶動絞車進行放繩，當船舶下降時由液壓系統(tǒng)供油使絞車滾筒收繩，調(diào)節(jié)恒張力閥組內(nèi)部的溢流閥可實現(xiàn)鋼絲繩的張力設定并保持相對恒定。

泵控恒張力技術通過安裝在液壓泵上的恒張力閥組實現(xiàn)，恒張力閥組反饋提升回路的負載壓力信號，通過比例順序閥和固定溢流閥的共同作用調(diào)節(jié)閉式泵的擺角以及輸出流量的方向，進而實現(xiàn)恒張力功能。恒張力模式下要求操作人員將恒張力絞車操作手柄處于全速提升狀態(tài)，通過自動調(diào)節(jié)閉式泵的斜盤擺角和馬達的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)絞車的收繩和放繩。

2.3 隔水管張緊器抗反沖控制技術

對于采用動力定位(DP)系統(tǒng)的鉆井船舶，如遇到惡劣海況或動力定位系統(tǒng)失效時，船舶往往無法保持正常鉆井位置，如果不能及時斷開隔水管系統(tǒng)，可能導致船體傾覆或隔水管拉斷等事故。此時，必須執(zhí)行隔水管緊急脫離程序(EDS)，斷開隔水管下部連接總成(LMRP)與水下BOP的連接，并關閉井口。業(yè)界通常利用隔水管張緊器開展隔水管緊急脫離時的抗反沖控制，當EDS程序執(zhí)行時，隔水管張緊系統(tǒng)進入抗反沖控制模式，控制隔水管串的上升速度，從而避免隔水管串與船舶甲板發(fā)生碰撞、LMRP與BOP發(fā)生碰撞等安全事故。目前，利用張緊器進行抗反沖控制有2種技術路線，分別是基于位置和基于速度控制抗反沖控制算法。其中：基于位置的速度控制算法適應性最優(yōu)[16]?？狗礇_位置控制算法流程如圖1所示。

圖1 抗反沖位置控制算法示意圖

位置-開度運算器和觸發(fā)速度運算器以液缸活塞桿的實時位移為依據(jù)，運算出觸發(fā)速度和主閥參考開度。當緊急脫離時，控制系統(tǒng)檢測液缸活塞桿的實時速度，當速度超過觸發(fā)速度時，調(diào)用抗反沖控制閥(ARV)主閥開度，PID控制器按照主閥參考開度進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)對液缸活塞桿速度和位移的調(diào)節(jié)。

2.4 鉆柱補償裝置主被動聯(lián)合控制技術

采用主被動聯(lián)合補償可大幅度提高鉆柱補償裝置的補償能力，通過運動參考單元(MRU)采集船舶的升沉數(shù)據(jù)，經(jīng)控制系統(tǒng)處理后控制主動液壓系統(tǒng)，驅(qū)動主動補償液缸進行相應的補償運動。該技術形成了位置反饋、速度反饋和加速度反饋等3種閉環(huán)控制技術。其中：位置反饋控制方式使大鉤在豎直方向上的絕對位置與參考位置之差為0(大鉤參考位置由鉆壓和鉆深決定)；速度反饋控制方式是使大鉤在豎直方向上的速度為0；加速度反饋控制方式使大鉤在豎直方向上的加速度為0。其具體控制方法如圖2所示。

圖2 不同反饋控制算法示意圖

3種反饋控制方式均可大幅提高鉆柱補償裝置的補償能力，在相同海況和鉆深條件下，3種控制方法補償性能接近，其中位置反饋控制鉆壓波動最小，速度反饋控制鉆壓波動最大。而位置反饋中的大鉤參考位置的確定比較繁瑣，控制難度最大，現(xiàn)場通常采用速度或加速度反饋進行主被動聯(lián)合控制算法的設計。

3 產(chǎn)品研制及現(xiàn)場應用

由于浮式波浪補償裝置類型和作用機理不同，具有應用范圍廣和適配產(chǎn)品多的特點。近年來，寶石機械已陸續(xù)完成恒張力和恒鉆壓2種型式不同規(guī)格的浮式波浪補償裝置樣機研制工作，并取得了一定的實船應用。

2015年寶石機械研制了40 t將軍柱式海洋平臺吊機，如圖3所示。該吊機采用開式液壓系統(tǒng)+恒張力閥組實現(xiàn)了輔絞車的恒張力功能?，F(xiàn)場模擬海況試驗結(jié)果表明：恒張力過程中鋼絲繩一直處于繃緊狀態(tài)，鋼絲繩張力維持在7～25 kN之間波動，未出現(xiàn)松動脫繩現(xiàn)象；下放時依靠重物反拖，提升時依靠自身供油，輔絞車可實現(xiàn)最小補償載荷30 kN、最大補償速度1.4 m/s的恒張力功能；恒張力功能和電控系統(tǒng)進行集成，并配合負載升沉的高低位提示，操作人員可選擇合適的作業(yè)窗口結(jié)束恒張力。

圖3 40 t將軍柱式海洋平臺吊機

2016年，寶石機械完成了180 t游車鉆柱補償裝置的研制，如圖4所示。該裝置以鏈條增距式結(jié)構(gòu)為特點，減小了液缸的行程和運行速度，延長了設備使用壽命。該裝置采用速度反饋主被動聯(lián)合控制技術。期間完成了靜載荷、動載荷以及主被動聯(lián)合補償?shù)裙δ茉囼?。其中，主被動?lián)合補償試驗以模擬的波浪信號為輸入，利用主動液壓系統(tǒng)驅(qū)動主動補償液缸進行負載跟隨試驗。試驗結(jié)果表明：180 t 游車補償裝置最大靜載荷和動載荷均滿足設計要求，主動液缸驅(qū)動負載跟隨波浪信號效果良好。

圖4 180 t游車鉆柱補償裝置

2017年，寶石機械完成了DRT-200K鋼絲繩式隔水管張緊器的研制，如圖5所示。該裝置采用液-氣彈簧的原理實現(xiàn)連接隔水管的鋼絲繩張力恒定。在廠內(nèi)開展了最大靜載、動載荷和失效保護等功能試驗。試驗結(jié)果表明：隔水管張緊器可滿足最大載荷890 kN、最大出繩速度1.5 m/s的隔水管張緊能力；在一定條件下，鋼絲繩突然斷裂時張緊器內(nèi)部的抗反沖控制閥可迅速切斷蓄能器至液缸的油路，防止液缸“沖缸”；緊急脫離時，抗反沖閥的開度可隨著液缸的行程進行主動調(diào)節(jié)，位置跟隨效果優(yōu)良。

圖5 DRT-200K鋼絲繩式隔水管張緊器

2018年，寶石機械為“海洋地質(zhì)十號”勘察船配備了海底基盤收放恒張力和直驅(qū)式游車鉆柱補償裝置，均為恒張力補償裝置，如圖6所示。

圖6 “海洋地質(zhì)十號”勘察船波浪補償裝置

其中：海底基盤收放恒張力裝置最大補償載荷80 kN，直驅(qū)式游車鉆柱補償裝置最大補償載荷400 kN，均滿足補償行程±1.5 m、最大補償速度1.31 m/s海況下正常作業(yè)需求，張力波動不超過10%。交付至今，“海洋地質(zhì)十號”勘察船已先后完成20余次鉆探取心作業(yè)，最大作業(yè)水深800 m，鉆深超過1 000 m，基盤收放恒張力和游車鉆柱補償裝置性能表現(xiàn)良好，達到預期設計效果。

4 發(fā)展建議

(1)浮式波浪補償裝置及相關技術應用范圍廣，品種繁多，是集機械、電氣和液壓于一體的高新技術產(chǎn)品，其具備關鍵技術繁雜、試驗驗證困難及核心外購件受制于人等問題，掌握相關關鍵技術對于浮式波浪補償裝置的生產(chǎn)制造商來說尤為重要。

(2)現(xiàn)階段恒張力、恒鉆壓浮式波浪補償裝置的設計制造技術已基本掌握，并取得了一定的工程應用經(jīng)驗。但是在半主動、純主動波浪補償裝置方面僅完成了游車、天車及絞車相關原理樣機的試制，缺乏實船應用案例，應加快帶主動控制功能的浮式波浪補償裝置工程樣機的國產(chǎn)化進程。

(3)波浪補償尤其是帶主動功能的波浪補償裝置核心技術在于控制，現(xiàn)階段的位置、速度和加速度3種控制方法已趨于成熟，基于液-氣系統(tǒng)的波浪補償裝置的補償精度已被證明無法進一步提高，建議在提高補償精度及減少設備復雜度等方面加大投入和研發(fā)力度，開展船舶升沉預測、電-液深度耦合補償、純電驅(qū)補償?shù)惹把丶夹g的研究工作，并以船舶綜合電力系統(tǒng)為依托進行補償裝置的設計開發(fā)。