海上采油平臺電動吊車力矩儀改造

張英杰

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業公司 天津300457)

1 力矩儀介紹

力矩儀是應用于臂架型起重機械的安全監測和保護裝置，其功能是實時監測吊車各項數據，反映吊車運行狀態，在吊車處于危險狀態時，對駕駛員進行報警提醒，并在達到報警值控制吊車動作，以達到保護駕駛員和設備的目的。力矩儀最基本的檢測數據有：主鉤重量、副鉤重量、臂桿角度，并根據需要配置風速、溫度檢測裝置。

主副鉤重量及臂桿角度在不同工作半徑時工作重量不同，需要根據負載曲線(圖1)設計不同的預警上下限及控制上下限。

預警信號：音響預警信號持續時間應大于等于5s，并與控制信號有明顯區別。燈光預警信號應使用黃色，必須在司機視野范圍內清晰可見。

控制信號：音響報警信號應與起重機環境噪音有明顯區別，距發音部位1m及在司機位置測量均不應低于75dB(A)。燈光報警信號應使用紅色，必須在司機視野范圍內清晰可見，同時控制吊機動作。

圖1 電力吊車負載曲線Fig.1 Load curve of electric crane

2 海上平臺現有力矩儀存在的問題

吊車起重設備是平臺上危險性較大的設備，一旦發生事故，往往造成嚴重后果，因此起重設備的安全問題，歷來都受到高度重視。力矩儀是最重要的安全保護裝置之一，實踐證明，正確選用和維護力矩儀，可以減少甚至杜絕起重設備因超載超幅引發重大的責任事故，保障起重設備的安全運行。

某平臺吊車力矩儀自投產以來已使用4年，在使用中暴露出許多問題。如力矩系統數值產生不規律的漂移，具體表現為吊車指重突然歸零，或指重明顯高于實際值，其拉力探頭均為軸銷式結構，平臺現場不具備拆卸檢修的條件，同時其背光燈還出現故障，導致夜間吊車司機辨識參數困難。這對平臺吊裝作業安全性產生了極大的影響，任其發展可能引發吊裝和人身傷害事故。

2.1 角度傳感器

電吊角度傳感器內采用減震硅油減震，隨著使用時間增長，密封失效導致硅油泄漏，顯著影響了角度傳感器的減震效果。當吊車在運轉過程中震動較大時，角度示值偏差較大，在臨近控制角度使用時，不僅會影響到設備使用的穩定性，還可能導致控制信號誤觸發，影響吊車運轉的安全可靠。

2.2 重量傳感器

原型號傳感器(圖2)在連續幾年的使用后，由于元件壓迫形變，產生了一定的重量偏移，導致示值偏差，不能正常反應吊裝重量。由于平臺定期對污油罐進行吊裝，如果重量傳感器不能如實反映重量，一旦吊裝超重導致鋼絲繩斷裂，污油罐入海，可能會導致嚴重環保事故，隱患極大。

由于原力矩儀提供的標定方式無法完全消除物理因素造成的測量誤差，且其安裝位置選在定滑輪處，位置狹小危險，無法拆卸更換，無論是正常操作還是檢修都存在工作人員的人身安全隱患，對重量傳感器的改造換型迫在眉睫。

圖2 原型號軸銷傳感器安裝位置Fig.2 Location of axle pin sensor

2.3 風速傳感器

該平臺電吊安裝于駕駛室上方，高度較低。由于安裝位置不當，當吊臂處于正常角度時會對風速起到阻擋降低作用；同時位于吊車北側的鉆機模塊頂部高度高于風速儀位置，當風向由北向南時，風速儀被遮擋，無法正確反映風速。

當風速儀不能如實反映風速時，會影響駕駛員對海況的判斷，一旦風速儀產生誤判，在大風天氣進行吊裝作業，存在著嚴重的安全隱患。

2.4 下位機及顯示儀表

原型號下位機功能單一，僅能將傳感器輸入信號進行簡單處理后匯入PLC，對傳感器采集數據無優化處理功能，對如雷擊、斷電等非常情況無應對措施，并且一旦發生異常情況，下位機無響應保護機制，無法保證設備的完好性和可靠性。另外，下位機不具備報警記錄及數據存儲功能，不利于維修人員檢修判斷故障。

自投產以來，顯示儀表背光燈多次出現故障，在陰暗天氣及夜間無法清晰顯示數值，不利于駕駛員對吊車運轉狀況及時判斷，易誤判導致不安全后果。

3 力矩儀改造及選型

力矩儀是電子綜合測量技術在吊機上的具體應用。起重力矩限制器的設計，首先必須滿足國家標準GB 12602—2009《起重機械超載保護裝置安全技術規范》的要求，同時根據平臺的實際情況，做到穩定可靠、功能全面、使用簡單、顯示直觀。

力矩儀在近幾年里發展較快，呈現出以下幾個特點：主機集成化、智能化程度越來越高；顯示器采用多窗口、大屏幕；外觀更加精美；安裝調整簡捷，產品的可靠性有了大幅度提升。

經過多方比較，平臺吊車最終選用宜昌微特電子設備公司的力矩限制器產品，其產品融合了多種功能，傳感器安裝或拆卸檢修方便，使用可靠。

3.1 角度傳感器

新選型角度傳感器為JD-180系列角度傳感器，由電位器和擺錘組成，可裝在起重機的吊桿上，臂桿對地的角度通過重錘帶動電位器旋轉來測定。當臂桿處于不同角度時，重錘帶動相應電位器始終垂直于水平位置，電位器旋轉使其可移動電刷位移，改變相應阻值。輸入15V電壓后，由于不同角度下阻值不同，輸出不同電壓，其輸出信號經過放大和調零電路變成標準的模/數轉換電壓。額定輸出DC 3～6.9V，對應0～90°。

為了減小震動對角度檢測產生影響，在傳感器內填充減震硅油并進行密封。安裝方式采用右裝式，在原位置采用原螺栓固定孔。

3.2 重量傳感器

重量傳感器采用軸銷傳感器，其安裝在吊鉤定滑輪處，定滑輪壓在傳感器上，當鋼絲繩受力后，定滑輪也隨之受力，軸銷傳感器根據定滑輪受力的大小而產生不同程度的形變，從而測量出當前的實際重量。

換型后重量傳感器采用三滑輪取力式軸銷傳感器，如圖3所示。軸銷傳感器安裝于壓輪軸心處，在鋼絲繩受力時，形變體將形變傳遞給電阻應變片，應變片的變化值通過放大和A/D轉換送給CPU。采用此重量傳感器，易于維修人員拆卸及檢修操作，同時可靠性也大為提升。

圖3 換型軸銷傳感器示意圖Fig.3 Schematic diagram of sensor for changing axle pin

3.3 風速傳感器

本次改造在不拆除原有風速儀的前提下，在吊車頂部新添加一臺風速儀，采用雙風速信號輸入駕駛室，使駕駛員對風速信號的判斷參考更加準確，排除安全隱患。

選型采用的風速儀是一種新型智能式風速監控儀，通過風速傳感器，采集的風速信號輸出36個脈沖/圈的脈沖信號，并在下位機中將脈沖信號轉化為風速，實時顯示實際風級與風速，當實際值達到其設定值時，發出聲光報警信號，給出開關量輸出。

3.4 下位機及顯示儀表

3.4.1 下位機主板

如圖4所示，WT-W650型力矩限制器儀表主機板采用全合一CPU主板，將系統全部硬件(CPU、A/D轉換、EPROM、EEPROM、控制器及其他)都集成到一塊板上，具有極高的可靠性和抗干擾能力，其具有以下特點：

①將全部現場儀表匯總到下位機中進行信號轉換，并將相應的報警和控制信號輸出給PLC。

②主機板設有自恢復電路WATCH DOG，當程序進入死機狀態時能自動恢復。

③采用SD卡形式存儲、導出歷史數據，便捷可靠。

④具有防雷擊模塊，在雷擊瞬間斷電以保護設備安全。

⑤采用DC18～36V與AC100～240V雙電源設置，可單獨使用任意電源，也可同時使用雙電源以防任一電源斷電。

圖4 下位機主板實物圖Fig.4 Physical diagram of the lower computer main board

換型后的主板具有多種保護功能，顯著增強了力矩儀工作的穩定性，具有更高的可靠性和抗干擾能力，同時增加了報警及各項數據的存儲顯示功能，便于維修人員對故障的查找判斷。

3.4.2 駕駛室顯示儀表

換型后顯示儀表為彩色觸摸屏，顯示清晰、功能齊全，并具有多種界面及亮度調節，優化了人機交互界面，更加有利于駕駛員對當前吊機工況的判斷。顯示儀參數如表1所示。

表1 參數設置Tab.1 Parameter settings

4 試重運行驗收

根據GB 12602—2009《起重機械超載保護裝置安全技術規范》和CCS的驗收要求，改造完成后對平臺吊車進行試重檢測，其滿足國家規范及現場運行要求，試驗負荷表如表2所示。

5 力矩儀改造換型優勢

①儀表顯示功能：由黑白顯示更換為彩色觸摸屏顯示，由單一顯示增強為各類數據與各類信息一屏顯示。

②儀表調試：原儀表調試復雜且需要多點標定，喚醒后調試簡單，單點標定即可，直觀且一目了然。

③斷電保護功能：原力矩儀無意外斷電數據保護與自恢復和備份功能，換型后內部本身有備份功能，主機板設有自恢復電路WATCH DOG，當程序進入死機狀態時能自動恢復。

表2 負荷試驗表Tab.2 Load test table

④損壞保護：原傳感器未做損壞保護，換型后各傳感器均采用損壞保護，不管是傳感器本身還是信號線故障，儀表會直接報警控制。

⑤數據存儲：原力矩儀無吊重、超載數據儲存黑匣子記錄功能，換型力矩儀帶操作黑匣子記錄功能，對危險操作可返回查看。

⑥電源輸入：原力矩儀電源單通道輸入、無防雷擊保護，換型后具有雙通道寬電源輸入(DC18～36V與AC100～240V)功能，防雷擊與短路保護。

力矩儀是保障吊車安全運行的重要設備，因此對其運行的穩定性及可靠性要求嚴格。通過本次力矩儀改造，平臺維修團隊自主選型，在短期時間內高效完成電纜鋪設、儀表安裝調試等工作，消除了原力矩儀存在的一系列問題，排除了安全隱患，并在此基礎上根據現場實際，與相關技術人員溝通設計了如采用雙風速儀等更加全面的保護措施，為確保吊車的安全運行提供了更確切的保障，保證了平臺健康安全環保設施的完善。