鉆井隔水管柔性懸掛系統試驗裝置設計及仿真研究*

王志坤 張彥廷 許亮斌 劉 健 盛磊祥

(1. 中國石油大學(華東)機電工程學院 山東青島 266580； 2. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

我國南海每年都會有數次臺風經過，很大程度上威脅到了海洋鉆井平臺設施的安全性。為防止惡性事故的發生，在臺風到來之前，需要斷開隔水管下部總成(LMRP)與海底水下防噴器(BOP)的連接并撤離，實施緊急避臺作業[1-4]。鉆井平臺實施避臺作業需要根據具體的作業工況選擇合適的避臺策略。最安全的方法是平臺回收全部隔水管后，駛離臺風路徑區域。但由于土臺風預報難度大，路徑多變等因素，無法及時回收全部隔水管，因此平臺懸掛隔水管撤離就是不得不面對的避臺方案。

韋紅術、陳彬、許亮斌 等[5-7]均針對南海深水鉆井平臺撤離防臺做了相關分析，通過分析平臺懸掛隔水管撤離時的隔水管響應給出不同的避臺策略；Enda O’Sullivan等[8]分析了在惡劣環境下隔水管回收下放的操作規程以及懸掛狀態下隔水管的受力響應。目前，國內外均是針對現有隔水管懸掛形式進行的避臺策略研究。常用的隔水管懸掛方式有2種，即軟懸掛和硬懸掛。前者由隔水管張緊器完成，能夠大大緩解因平臺升沉運動造成的張力超載和軸向壓縮的風險，在同樣的海況條件下，軟懸掛模式的隔水管安全性更高，但軟懸掛模式的作業相對比較繁瑣，為了防止懸掛隔水管與海底碰撞，需要拆除張力系統并甩掉伸縮節，起出一定數量的隔水管，然后再把伸縮節和張力系統重新進行安裝，作業工序復雜且作業時間較長，緊急情況下不便于實施；后者作業簡單，容易實現，但由于隔水管頂端與平臺剛性連接，平臺運動直接傳遞到隔水管頂端，懸掛狀態下隔水管受力條件惡劣，容易出現隔水管動態壓縮或懸掛梁過載的情況，安全性較差[9-12]。

本文根據軟懸掛和硬懸掛2種懸掛模式的特點，在不影響原平臺懸掛系統的基礎上，提出一種適用于防臺風的隔水管柔性懸掛系統方案，該方案具有一定的動載補償能力，可改善懸掛隔水管的受力狀況。針對該懸掛系統原理設計了對應的試驗裝置，通過仿真模擬驗證了本文提出的隔水管柔性懸掛系統的可行性，可為半潛式鉆井平臺隔水管防臺抗臺提供借鑒意義。

1 隔水管柔性懸掛系統試驗設計

1.1 系統原理

隔水管柔性懸掛系統組成如圖1所示。當鉆井平臺需要進入避臺作業時，回收部分隔水管后，將補償液壓缸通過懸掛短節與隔水管連接，并將補償液壓缸安裝在鉆臺卡盤上；懸掛短節穿過補償液壓缸中孔，短節導向在轉噴器外殼處；連接液壓系統，通過驅動補償液壓缸帶動隔水管進行運動補償，從而改善隔水管的受力狀態，提高隔水管在避臺作業時的安全性。

圖1 隔水管柔性懸掛系統組成Fig .1 Formation diagram of riser flexible hanging-off system

1.2 試驗裝置設計

1.2.1組成設計

根據隔水管柔性懸掛裝置原理設計的隔水管柔性懸掛系統試驗裝置組成如圖2所示。隔水管柔性懸掛系統試驗裝置主要包括升沉模擬系統、運動補償系統及負載等3部分。升沉模擬系統中，升沉模擬液壓缸后端與支撐架頂端鉸接安裝，前端固定在支撐架豎梁上，活塞桿通過滑輪組與補償結構框架連接，液壓站為升沉模擬液壓缸提供主動力帶動補償系統及負載一起運動，模擬平臺的升沉運動；運動補償系統中，補償液壓缸活塞桿通過鋼絲繩與滑輪組與負載連接，通過補償液壓缸的運動對負載進行運動補償，實現降低負載動載峰值。

圖2 隔水管柔性懸掛系統試驗裝置組成Fig .2 Formaiton diagram of riser flexible hanging-off test system

在海浪的作用下，可以把海洋鉆井平臺的周期性升沉運動近似地看成一個簡諧運動，這個簡諧運動的周期、振幅等相關參數并不是完全由波浪的周期和浪高決定的，還受到海上鉆井平臺尺寸、重量等因素的影響。一般情況下，海洋鉆井平臺隨波浪的升沉運動規律為：

(1)

式(1)中：x為平臺在t時刻的位移，m；H為波浪升沉運動幅值，m；T為波浪周期，s；μ為升沉運動位移與振幅比值。

傳統軟懸掛利用張緊器的超長補償行程可以完全補償隔水管的升沉運動，隔水管不會因平臺運動產生動載[13-14]。但隔水管柔性懸掛需要在臺風工況下工作，裝置無法提供完全補償隔水管位移的補償行程，因此本文采用一種限壓補償法，利用有限行程對隔水管進行運動補償。

當隔水管動載峰值逐漸增大到一定值時，補償液壓缸內的壓力也會逐漸增大或減小，此時控制液壓缸活塞運動，保持缸內壓力不變，從而使隔水管動載不再增大或減小，其余時間補償液壓缸不工作，隔水管則隨平臺一起運動。限壓補償法的原理如圖3所示。圖3中t1到t2時間段為前半周期的補償時間，在t1時刻之前，運動補償系統不啟動，隔水管隨平臺運動，到達t1時刻時，隔水管加速度a逐漸增大，由于加速度方向與重力方向相反，因此補償液壓缸所受載荷逐漸減小，此時啟動運動補償系統，推動活塞向上運動，保持隔水管加速度值不再變化，則隔水管動載也不再增大；t3到t4時間段為后半周期的補償時間，補償過程與前半周期相仿[15]。

圖3 限壓補償法原理圖Fig .3 Schematic diagram of pressure limit compensation method

根據相似理論及設計經驗[16-17]，對于相似模型而言，模型長度相似比為基本相似比，載荷縮尺與模型體積有關，即載荷縮尺與長度縮尺為立方關系，但由于本文研究對象載荷過大，無法按照相似比例設計載荷，因此主要采用補償行程與運動幅值為基本相似比。試驗系統的設計參數見表1。

表1 試驗系統設計參數Table 1 Design parameters of the test system

1.2.2液壓系統設計

1) 升沉模擬液壓系統。

升沉模擬系統主要包括柱塞泵、電機、比例換向閥、升沉模擬液壓缸等，該系統組成如圖4所示。升沉模擬系統采用純主動方式，控制單元根據給定波浪模擬曲線以及位移傳感器信號，控制比例換向閥的開口大小及開口方向，驅動升沉模擬液壓缸按照給定信號伸出和縮回，從而帶動補償系統及負載上線運動，實現波浪模擬的功能，具有控制精度高的特點[18]。升沉模擬液壓缸采用增程方式，可有效降低裝置的整體高度。運動補償液壓系統參數見表2。

圖4 升沉模擬液壓系統組成Fig .4 Formation of heave simulation hydraulic system

表2 升沉模擬液壓系統設計參數Table 2 Design parameters of heave simulation hydraulic system

2) 運動補償液壓系統。

運動補償系統主要包括補償液壓缸、節流閥塊以及蓄能器等，該系統組成如圖5所示。升沉模擬系統帶動負載上下運動，致使負載產生動載，由于負載直接與補償液壓缸連接，因此會使補償液壓缸內壓力不斷發生變化，當運動補償系統開始工作時，控制單元根據補償液壓缸端的壓力傳感器與給定的控制壓力進行對比，從而產生控制信號輸入給節流閥塊，通過調節節流閥的開口大小，控制補償液壓缸壓力保持在設定壓力值不變。節流閥塊采用橋路整流的方式使油液均朝一個方向流動，便于系統的控制。運動補償系統主要參數見表3。

圖5 運動補償液壓系統組成Fig .5 Formation of motion compensation hydraulic system

表3 運動補償液壓系統設計參數Table 3 Design parameters of motion compensation hydraulic system

2 試驗系統建模與仿真分析

隔水管柔性懸掛裝置的基本控制策略為通過運動補償液壓缸相對較小的行程，對隔水管的升沉運動進行補償，降低升沉運動產生的動載，即降低負載的加速度峰值。由于直接建造試驗樣機費時費力同時沒有相關的經驗可供參考，因此本文采用SimulationX仿真軟件對試驗系統的升沉模擬模擬系統與運動補償系統進行建模、仿真分析，驗證隔水管懸掛系統控制策略的可行性。

2.1 升沉模擬系統建模與仿真分析

升沉模擬系統實現的功能是控制液壓缸活塞按照一定規律進行伸出與縮回，以模擬平臺在海浪帶動下做的上下升沉運動。根據升沉模擬系統所要實現的功能，仿真模型采用PID控制：設定位移信號，通過將此信號與測到的液壓缸活塞實際位移信號進行比較，得到位移的誤差信號；將誤差信號進行PID處理，并將此處理過的信號作為比例換向閥的控制信號，通過改變閥口大小和方向控制進入或流出液壓缸的流體流量，進而控制液壓缸活塞的運動。升沉模擬系統控制原理如圖6所示。

圖6 升沉模擬系統控制原理圖Fig .6 Control schematic diagram of heave simulation system

2.1.1升沉模擬系統建模

升沉模擬系統所使用的元件從仿真軟件中的機械庫和液壓庫選取，所需要的的元件均為標準件，包括：外力、質量、液壓缸、運動輔助元件、三位四通換向閥、容量單元、泵、電機、溢流閥、油箱、傳感器以及信號處理元件，按照設計的液壓原理圖，將各元件之間進行端口連接。搭建的升沉模擬系統仿真模型如圖7所示。根據工程應用可能遇到的海況并依據相似理論進行換算，升沉模擬系統仿真中輸入設定信號為Y0=-0.76 cos 0.777t+0.76，信號“+0.76”目的是為了保證輸入信號與升沉模擬缸的位移信號坐標系保持一致，升沉模擬缸活塞最開始位于缸體最底端，即以升沉模擬缸下端為坐標系零始點。根據計算的參數對各元件進行參數設定，仿真模型即搭建完畢。

圖7 升沉模擬系統仿真模型Fig .7 Simulation model for the heave simulation system

2.1.2升沉模擬系統仿真結構分析

通過仿真分析得到，不同比例下的最大位移與最大誤差見表4。從表4中可以看出，隨著PID控制器中設置的比例增益P的增大，所獲得的活塞位移越來越接近設置的位移，位移最大誤差也隨之越來越小。但在活塞運動換向時，其加速度出現抖動。當活塞運動到上端時，產生的加速度波動較大；當活塞運動到下端時，產生的加速度抖動較小。通過更改比例P的大小進行仿真發現，隨著比例P的增大，活塞運動至上端時產生的波動幾乎沒有變化，但活塞運動至下端時產生的抖動越來越劇烈。設置比例P=55時，位移誤差較小且活塞運動至下端換向時加速度的抖動較小，故設置P=55進行仿真分析，仿真結果如圖8所示。從圖8可看出，升沉模擬油缸的位移曲線與給定的位移信號基本吻合，實際位移與給定位移略有延遲但符合升沉模擬系統模擬波浪升沉運動的功能要求。

表4 不同比例下的最大位移與最大誤差Table 4 Maximum displacement and error under different proportions

圖8 升沉模擬液壓缸活塞位移仿真結果Fig .8 Simulation results of piston displacement of heave simulation hydraulic cylinder

2.2 運動補償系統建模與仿真分析

在試驗系統中，負載在升沉模擬液壓缸的帶動下運動，若升沉模擬液壓缸活塞做加速度不為0的運動，此時負載在隨之運動的過程中就會產生動載。運動補償系統所實現的功能是運用限壓補償法對補償液壓缸的活塞運動進行控制，由于負載與運動補償系統直接相連，補償液壓缸活塞的運動就會直接作用于負載，通過相應的控制就能起到削弱負載運動過程中產生的動載峰值的作用。

運動補償系統用到的控制方式同樣為PID控制，控制原理如下：根據補償液壓缸行程設定加速度值，用此加速度數值作為隔水管加速度的上限值，將設定的加速度值與實際檢測到的負載的加速度值之間的差值作為誤差信號傳遞給PID控制器，并將處理過的信號作為節流閥的控制信號控制節流閥閥口開度大小，以此控制補償液壓缸的活塞桿運動，維持負載在運動過程中產生的加速度在設定值或是在設定值以下，進而達到削減負載動載峰值的目的。運動補償系統控制原理如圖9所示。

圖9 運動補償系統控制原理圖Fig .9 Control schematic diagram of motion compensation system

2.2.1運動補償系統建模

運動補償系統建模流程與升沉模擬系統類似，運動補償系統模型中所使用的元件包括：外力、質量、液壓缸、運動輔助元件、單向閥、節流閥、蓄能器、傳感器以及信號處理元件，如圖10所示。

圖10 運動補償系統仿真模型Fig .10 Simulation model for the motion compensation system

運動補償系統根據實際工況要求，通過相似比例進行換算，設定補償液壓缸補償行程為800 mm。運動補償系統直接與負載相連，考慮到補償液壓缸與負載之前的其他裝置，等效為2 300 kg質量所受的重力作用于補償液壓缸活塞桿上。以此參數為基礎進行后續的計算，確定模型中各元件參數，根據計算的參數對各元件進行參數設定，仿真模型即搭建完畢。

2.2.2運動補償系統仿真分析

運動補償系統采用限壓補償法對負載的運動進行補償。根據補償液壓缸的行程限制，設定補償加速度上限為0.644 m/s2，仿真結果如圖11所示。由圖11可以看出，運動補償系統未對負載運動進行補償時，負載運動的最大加速度為0.92 m/s2；根據補償液壓缸的行程，保證補償率為30%，設定加速度峰值上限為0.644 m/s2，即在限壓補償法的控制下，保持加速度不超過該上限值。通過仿真發現，在限壓補償法的控制下，負載的加速度峰值為0.644 9 m/s2，從圖11可看出，隔水管加速度在一些時刻會出現振蕩，這是由補償油缸在運動換向時，出現抖動造成的，但考慮到負載加速度并未超出控制目標值，因此通過仿真模擬驗證了限壓補償法的可行性。

圖11 補償前/后負載加速度Fig .11 Acceleration of the load before/after compensation

補償液壓缸的活塞相對缸體運動曲線如圖12所示。由圖12可以看出，在削弱負載最大動載30%的情況下，補償液壓缸的有效行程約為700 mm，故選定的補償液壓缸800 mm的行程滿足在限壓補償法控制策略的控制下降低負載動載30%的要求，同時可看出活塞速度在接近零時會出現抖動，也驗證了上面所述的由于活塞換向運動，導致負載加速度出現振蕩。

圖12 補償液壓缸活塞運動曲線Fig .12 Piston motion curve of compensation hydraulic cylinder

3 結論

根據本文提出的隔水管柔性懸掛原理，設計了隔水管柔性懸掛試驗系統，包括方案設計及液壓系統設計，并搭建了液壓系統仿真模型，進行了仿真分析，主要得出以下認識：

1) 隔水管柔性懸掛裝置將傳統的硬懸掛與運動補償裝置有機地結合到一起，為鉆井平臺的緊急避臺提供了一種新的解決方案。

2) 設計的隔水管柔性懸掛系統試驗裝置具有升沉模擬、運動補償及負載模擬的功能，可在實驗室條件下驗證隔水管柔性懸掛方案的可行性。

3) 通過仿真結果分析表明，隔水管柔性懸掛裝置可以運用有限行程降低負載加速度，即可以降低系統動載，補償效果為30%。