海上平臺(tái)起重機(jī)液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

王寧

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

1 前言

海洋油氣資源的開(kāi)采過(guò)程中，海上平臺(tái)和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（FPSO）是必不可少的重要設(shè)施，而在設(shè)施上作業(yè)的人員以及生產(chǎn)所需的物資，均通過(guò)海上平臺(tái)起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱吊機(jī)）來(lái)實(shí)現(xiàn)，它為海上平臺(tái)的正常生產(chǎn)作業(yè)提供重要保障。

海上吊機(jī)均使用液壓傳動(dòng)的形式，其原動(dòng)機(jī)為柴油機(jī)或電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)著液壓泵，產(chǎn)生的有壓油液通過(guò)液壓閥的控制后到達(dá)液壓馬達(dá)或液壓缸，進(jìn)而完成卷?yè)P(yáng)動(dòng)作或伸縮動(dòng)作。

液壓系統(tǒng)邏輯復(fù)雜、元件構(gòu)造精密，受溫度及油液清潔度的影響也很大。當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，原因排查困難，尤其是偶發(fā)故障，更是很難掌握規(guī)律，一度給維修工作造成較大困擾。由于油液的流動(dòng)特點(diǎn)，液壓系統(tǒng)具有非常明顯的污染性，即某一元件損壞時(shí)，會(huì)將鐵屑雜質(zhì)充滿整個(gè)液壓系統(tǒng)，能迅速損壞其它元件。

鑒于以上問(wèn)題，急需一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)吊機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)異常時(shí)能夠發(fā)出預(yù)警，防止發(fā)生更嚴(yán)重的損壞。同時(shí)其存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)能夠?qū)收吓袛嗵峁┲匾С?，縮短檢修周期、提高維修質(zhì)量，進(jìn)而降低運(yùn)維的綜合成本。

本文以中船華南生產(chǎn)的海上平臺(tái)吊機(jī)為例，從監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體方案、參數(shù)確定、硬件及軟件的實(shí)現(xiàn)等方面進(jìn)行闡述，詳細(xì)說(shuō)明了液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)在海上平臺(tái)吊機(jī)上的應(yīng)用方法，為其它類似項(xiàng)目提供重要的借鑒和指導(dǎo)。

2 系統(tǒng)總體方案

2．1 海上吊機(jī)工作原理

海上平臺(tái)吊機(jī)是通過(guò)一個(gè)圓柱形基座固定在海上平臺(tái)或FPSO的甲板上，基座與上部轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)回轉(zhuǎn)支承連接。桁架式吊臂和A型架安裝在上部轉(zhuǎn)臺(tái)上，一般使用銷軸連接，吊臂頭部和A型架頂部通過(guò)鋼絲繩相連，外觀整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 海上平臺(tái)吊機(jī)

海上吊機(jī)包含起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，還包括動(dòng)力控制系統(tǒng)和安全防護(hù)系統(tǒng)。起升機(jī)構(gòu)是通過(guò)卷繞在起升絞車上的鋼絲繩拉拽吊鉤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)重物的提升和下放。變幅機(jī)構(gòu)是通過(guò)卷繞在變幅絞車上的鋼絲繩拉拽吊臂頭部，實(shí)現(xiàn)吊臂的俯仰角度變化，最終實(shí)現(xiàn)變幅動(dòng)作。而回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是液壓馬達(dá)通過(guò)減速器的動(dòng)力傳遞，將扭矩傳遞到驅(qū)動(dòng)小齒輪上，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)動(dòng)作。

綜上，整個(gè)設(shè)備的動(dòng)力傳遞、動(dòng)作控制等，均由液壓系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。從原動(dòng)機(jī)的聯(lián)軸器和鐘形罩開(kāi)始，到液壓泵、液壓閥和液壓馬達(dá)，均劃分為液壓系統(tǒng)的范疇。

2．2 液壓系統(tǒng)特點(diǎn)

絞車基本組成介紹有個(gè)總圖。

海上吊機(jī)液壓系統(tǒng)一般采用負(fù)載傳感型控制方式，其系統(tǒng)能自動(dòng)的將負(fù)載所需壓力或流量的信號(hào)，傳遞到泵變量控制機(jī)構(gòu)，使其壓力參量發(fā)生變化，從而調(diào)整供油單元的運(yùn)行狀態(tài)，使其幾乎僅向系統(tǒng)提供負(fù)載所需的液壓功率（壓力與流量的乘積），最大限度地減少壓力與流量影響，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的負(fù)載適應(yīng)。

一般包含1套變量泵組、1個(gè)多路換向閥、1套控制系統(tǒng)、多個(gè)液壓馬達(dá)，以及一些其它的輔助元件。它們的連接方式如圖2所示。

圖2 海上吊機(jī)液壓系統(tǒng)示意圖

2．3 總體方案設(shè)計(jì)

目前，海上吊機(jī)只能顯示載重量、工作半徑、吊臂角度這些基本的參數(shù)，如果設(shè)備出現(xiàn)異?；蚬收虾?，沒(méi)有足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，只能通過(guò)現(xiàn)象結(jié)果和以往經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)故障進(jìn)行判斷。

本監(jiān)測(cè)方案是利用現(xiàn)場(chǎng)加裝的各類傳感器，采集海上平臺(tái)吊機(jī)重要的液壓系統(tǒng)參數(shù)，通過(guò)在PLC中編寫的狀態(tài)監(jiān)測(cè)程序，構(gòu)建數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，并直觀的顯示出來(lái)，讓設(shè)備的操作者和管理者對(duì)設(shè)備狀態(tài)有非常清晰的掌握。

通過(guò)本液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，能夠監(jiān)測(cè)累加載荷重量記錄、累加吊裝次數(shù)記錄以及累加運(yùn)行時(shí)間記錄，并能夠?qū)崟r(shí)顯示液壓油的溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)，為海上吊機(jī)故障診斷提供分析數(shù)據(jù)，從而達(dá)到縮短排查故障時(shí)間的目標(biāo)。同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)信息的積累，獲得吊機(jī)的利用等級(jí)和載荷狀態(tài)信息，為吊機(jī)完整性及后期壽命評(píng)估提供可靠。詳細(xì)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

3．1 壓力監(jiān)測(cè)

壓力是液壓系統(tǒng)的最基本重要參數(shù)，其是否正常直接決定了液壓系統(tǒng)工作性能的優(yōu)劣程度。工作系統(tǒng)壓力的大小取決于外部載荷的大小，若工作壓力出現(xiàn)不正常，會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)壓力不足或無(wú)法建立壓力，或者會(huì)出現(xiàn)憋壓等情況。因此，對(duì)系統(tǒng)壓力的監(jiān)測(cè)有十分重要的意義。

壓力的感知采用的是一種數(shù)字壓力傳感器，其最為主要的特點(diǎn)是非常容易現(xiàn)場(chǎng)安裝及日常使用。壓力傳感器上帶有數(shù)字顯示器，頂部有工作指示燈，可以在任何角度方便的查看傳感器的工作狀態(tài)。通過(guò)內(nèi)部的程序設(shè)置，可以將顯示器上的數(shù)字進(jìn)行垂直翻轉(zhuǎn)180°，方便任何角度查看，所以在安裝時(shí)不必過(guò)多考慮安裝角度問(wèn)題。

傳感器的感應(yīng)膜片采用齊平設(shè)計(jì)，即感應(yīng)膜片幾乎與安裝表面相平，沒(méi)有凹陷結(jié)構(gòu)，不會(huì)產(chǎn)生液阻、堵塞等次生隱患。傳感器的安裝采用的是一種專用耦合器，在將傳感器安裝鎖定后，能夠?qū)@示器部分360°旋轉(zhuǎn)，非常利于安裝。

3．2 流量監(jiān)測(cè)

流量的穩(wěn)定性直接影響液壓系統(tǒng)的速度性能，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度要符合載荷所要求的速度范圍，即低速時(shí)不能有爬行現(xiàn)象，高速時(shí)不能有沖擊情況，在各動(dòng)作速度控制時(shí)，調(diào)速要呈現(xiàn)線性的規(guī)律變化。如果液壓系統(tǒng)的流量參數(shù)不正常，有可能不滿足上述各類要求，也就意味著液壓系統(tǒng)出現(xiàn)了問(wèn)題。

本系統(tǒng)采用的流量傳感器為夾鉗式流量傳感器，其最大的優(yōu)點(diǎn)是不用對(duì)原液壓系統(tǒng)管路進(jìn)行改動(dòng)，進(jìn)而不會(huì)產(chǎn)生液阻，也可以非常方便安裝和使用。該流量傳感器帶有液晶顯示屏，具有四種類型的時(shí)間軸圖表顯示功能，能夠便捷的確認(rèn)歷史變化。液晶顯示器可以設(shè)置為閃爍顯示，即使距離較遠(yuǎn)，仍可掌握正在運(yùn)行的傳感器主機(jī)。

該傳感器的原理是，測(cè)量將超聲波信號(hào)從傳感器上的一點(diǎn)傳輸?shù)搅硪稽c(diǎn)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。當(dāng)流速增加時(shí)，信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)間將會(huì)縮短，通過(guò)流量時(shí)間長(zhǎng)短和流速的關(guān)系，便可以對(duì)液壓油進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。超聲波信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，是監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，可以通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)來(lái)補(bǔ)償管線內(nèi)外的雜質(zhì)堆積或生銹，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間。

3．3 溫度監(jiān)測(cè)

溫度的控制對(duì)液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行有很大影響，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，液壓油的黏度就會(huì)顯著下降，泄漏量也會(huì)加劇，液壓系統(tǒng)的整個(gè)效率就會(huì)降低。而年度的下降，也會(huì)使液壓元件滑動(dòng)部位的油膜遭到破壞，摩擦阻力增加，繼而再次引起發(fā)熱。低粘度液壓油流過(guò)節(jié)流孔時(shí)，由于特性的變化，更會(huì)造成壓力、速度調(diào)節(jié)的不穩(wěn)定。因此，溫度的控制對(duì)液壓系統(tǒng)至關(guān)重要。

為了不對(duì)原吊機(jī)液壓系統(tǒng)造成影響，采用了非接觸式的紅外溫度傳感器，該傳感器通過(guò)高效的定位熱電偶，快速精確的檢測(cè)吸收的熱量，實(shí)現(xiàn)了15ms的高響應(yīng)速度。

檢測(cè)元件在內(nèi)的圓柱形外殼懸掛在傳感器頭內(nèi)部，這為傳感器和周圍空氣提供了熱空氣隔離，使傳感器的體積得以小型化，便于安裝。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)（圖3）

圖3 海上吊機(jī)液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

海上吊機(jī)液壓系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、故障預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)調(diào)閱等功能，是將各個(gè)點(diǎn)位的傳感器數(shù)據(jù)集中進(jìn)行處理的方式來(lái)完成。

對(duì)液壓系統(tǒng)的溫度、流量、壓力等重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)電氣系統(tǒng)的電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可用來(lái)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，累積的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可用來(lái)指導(dǎo)下一步維護(hù)和壽命評(píng)估等工作，提升吊機(jī)完整性管理的手段。

故障預(yù)警系統(tǒng)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，在各功能系統(tǒng)中布置傳感器，上位機(jī)軟件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為一個(gè)整體，針對(duì)不同類型傳感器，配置相應(yīng)傳感器物理參數(shù)及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。平臺(tái)系統(tǒng)支持新增功能模塊的狀態(tài)監(jiān)控及管理，便于不同監(jiān)控系統(tǒng)的兼容，具體包括開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集端的驅(qū)動(dòng)和接口程序，實(shí)現(xiàn)本地傳感器配置、數(shù)據(jù)顯示、圖表輸出、本地?cái)?shù)據(jù)備份等功能的桌面應(yīng)用，系統(tǒng)再結(jié)合智能算法技術(shù)，將對(duì)故障模型進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警功能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文闡述的海上吊機(jī)液壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠有效監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù)，可以用于故障發(fā)生前的預(yù)警，以便于提前預(yù)防，避免更嚴(yán)重的故障發(fā)生，減小損失確保安全。而對(duì)于一些較為陳舊的吊機(jī)，也可以通過(guò)適應(yīng)性改造來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)行參數(shù)的采集和分析處理。

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)充分利用現(xiàn)代自動(dòng)化、智能化的相關(guān)技術(shù)，能夠?yàn)楹Ｉ系鯔C(jī)實(shí)現(xiàn)智能化奠定重要的基礎(chǔ)。同時(shí)，對(duì)海上吊機(jī)的維修保養(yǎng)和操作使用都有非常重要的指導(dǎo)作用，具有非常大的推廣價(jià)值。