李春明

(中國石油大學(華東),山東東營 257061)

海洋平臺安全鉆井的振動干預控制方案研究*

李春明

(中國石油大學(華東),山東東營 257061)

振動是影響海洋平臺安全鉆井的重要因素。分析了海洋平臺振動被動控制的主要形式及其局限性,分析了海洋平臺振動主動控制的研究重點,提出了海洋平臺振動干預控制方案。該方案由現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)確定共振頻率,然后分析出發(fā)生共振的震源,然后通過改變動力機械的工作頻率來避免共振。

振動干預控制;海洋平臺;鉆井;安全

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展,人們對石油的需求越來越多。廣闊的海洋有豐富的石油資源,于是我國建造了大量的海洋平臺。海洋平臺在惡劣的環(huán)境下工作,受到地震、波浪、風力、冰載及平臺上的機器和設備等各種載荷的作用,會引起強烈的振動[1-2]。振動是影響鉆井安全的主要因素之一。

既然振動被動控制存在隔振范圍窄、低頻隔離難等局限,振動主動控制又有一些關鍵技術(shù)理論需要研究,那么,在鉆井過程當中振動的監(jiān)測與人工干預就顯得尤為重要。筆者研究了振動干預控制方案。

1 對振動被動控制的分析

被動控制系統(tǒng)不需要外界的能量。被動控制裝置提供的力是通過結(jié)構(gòu)的運動產(chǎn)生的。許多被動控制技術(shù)己日趨成熟,并且在實際工程中得到應用。被動控制從控制機理上可分為基礎隔振和耗能吸能減震兩大類。

一般指在結(jié)構(gòu)的某個部位附加一個子系統(tǒng),或?qū)Y(jié)構(gòu)自身的某些構(gòu)件做構(gòu)造上的處理以改變結(jié)構(gòu)體系的動力學特性。被動控制因其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、易于維護且無須外部能源輸入等優(yōu)點而受到廣泛的關注。許多被動控制技術(shù)己經(jīng)日趨成熟,并已在工程實際中得到應用,主要有隔離隔振、轉(zhuǎn)移吸振減震、消耗振動能量等方法來達到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。

隔振就是在受控結(jié)構(gòu)與振源之間設置某種隔振裝置,以減少振動能量向受控結(jié)構(gòu)的傳輸從而達到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。吸振技術(shù)是將一個子系統(tǒng)安裝在結(jié)構(gòu)上,子系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)一起振動,分擔一部分振動能量,從而使得主結(jié)構(gòu)的振動減弱。耗能減震技術(shù)就是利用各種阻尼部件、吸能部件或摩擦支撐產(chǎn)生的阻尼力、塑性變形或摩擦力來消耗振動能量。

振動被動控制一般只對某種設定的振動特征進行控制,缺乏跟蹤和調(diào)節(jié)的能力,其效果明顯依賴于輸入激勵的頻譜特性和結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。目前的研究主要集中在減震效果的定量設計控制和可靠性研究。海洋平臺所應用的振動被動控制有:①隔振,橡膠隔振墊最常用,水平剛度和阻尼是隔振裝置設計的兩個主要參數(shù),須具有較強的變形能力、足夠的初始剛度和強度、較大的阻力;②調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(Tuned Mass Damper),起到動力減振器的作用;③調(diào)諧液體阻尼器(Tuned Liquid Damper),容器中水的慣性力和波浪對容器壁產(chǎn)生的動壓力成為對結(jié)構(gòu)的控制力,涉及復雜的流體力學問題;④其他動力吸振裝置,如擺式質(zhì)量阻尼器、質(zhì)量泵、液壓質(zhì)量控制系統(tǒng)等;⑤阻尼衰減器,通過消耗振動能量減弱振動的危害,有粘彈性阻尼器、摩擦阻尼器、金屬阻尼器(彈塑性耗能器)、粘滯液體阻尼器等形式。

這些減震裝置不僅對結(jié)構(gòu)強度沒有增強,反而因質(zhì)量增加而影響其結(jié)構(gòu)強度。盡管人們進行了廣泛而深入的研究[3-4],振動被動控制仍然具有控制頻帶不寬和低頻難隔離的局限性。

2 對振動主動控制的分析

振動主動控制是基于某種閉環(huán)控制算法,根據(jù)輸入量或(/和)輸出量的采集數(shù)據(jù),通過一定的控制率來確定控制力,并由作動器借助于外界能源將控制力施加于結(jié)構(gòu)上以達到減震的目的。其主要特點是需要外部能源。常規(guī)的控制算法有經(jīng)典線性最優(yōu)控制、模態(tài)控制、自適應控制、瞬時最優(yōu)控制、預測控制、智能控制、魯棒控制等。

振動主動控制的控制裝置大體上由儀器測量系統(tǒng)傳感器、控制系統(tǒng)計算機、動力驅(qū)動系統(tǒng)作動器等組成。目前研究開發(fā)的作動器主要有主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)、主動拉索系統(tǒng)、主動空氣動力擋風板系統(tǒng)、主動支撐系統(tǒng)、氣體脈沖發(fā)生器控制系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)參數(shù)可變性半主動控制系統(tǒng)等。

(1)主動質(zhì)量阻尼系統(tǒng)(Active Mass Damper),由振動被動控制中的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器演變而來。通過安裝在結(jié)構(gòu)上的傳感器,監(jiān)測結(jié)構(gòu)響應,由控制率得出控制力,驅(qū)動電液伺服裝置,借助于附加質(zhì)量將控制力施加于結(jié)構(gòu)。

(2)主動拉索系統(tǒng)(Active Tendon System),在拉索上安裝電液伺服系統(tǒng),在結(jié)構(gòu)中設置傳感器,傳感器把測得的結(jié)構(gòu)響應傳遞給控制器,控制器則按控制算法得出控制力,驅(qū)動電液伺服系統(tǒng)施加給拉索。

(3)主動空氣動力擋風板系統(tǒng)(aerodynamical shield plate),通過改變擋風板的受風面積來調(diào)整擋風板所受的風壓力,從而抑制結(jié)構(gòu)的風激響應?？刂屏繛楦淖儞躏L板受風面積的操縱支桿滑動所需的能量。

(4)主動支撐系統(tǒng)(active support system),在抗側(cè)力構(gòu)件上設置斜撐,利用電液伺服系統(tǒng)控制斜撐的收縮運動,可利用結(jié)構(gòu)上己有的支撐構(gòu)件,適用于高層、高聳和大跨結(jié)構(gòu)。

(5)氣體脈沖發(fā)生器控制系統(tǒng)(gas pulse producer),以氣體沖擊形成脈沖控制力,可靈活調(diào)節(jié)其方向和幅度。

(6)結(jié)構(gòu)參數(shù)可變性半主動控制,利用控制機構(gòu)主動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的參數(shù),使振動問題不再突出。只需要比較小的外部能量,通常被看作為可以控制的被動裝置。目前較典型的裝置有可變剛度系統(tǒng)、可變阻尼系統(tǒng)、主動調(diào)諧參數(shù)質(zhì)量阻尼系統(tǒng)、可控電流變或磁流變液體阻尼器、可控摩擦式隔振系統(tǒng)、變孔口液體阻尼器、受控液體耗能器等。

盡管人們也進行了廣泛而深入的研究[5-6],振動主動控制在實施上仍有一些關鍵技術(shù)問題需要解決,比如控制率的設計。

3 振動干預控制方案

海洋平臺在鉆井時最大的振源是旋轉(zhuǎn)、提升、循環(huán)、動力與傳動等四大系統(tǒng)的動力機械,較典型的振動方式主要有扭轉(zhuǎn)拈滑、鉆頭跳動、底部鉆具組合正向偏轉(zhuǎn)、底部鉆具組合倒轉(zhuǎn)及間歇性偏轉(zhuǎn)、鉆頭偏轉(zhuǎn)、底部鉆具組合諧振、鉆柱的橫-扭耦合振動、鉆柱與井壁的碰撞等。

振動問題的關鍵是共振。哪個頻率共振?激勵是什么?干擾是什么?共振頻率與系統(tǒng)的固有頻率是相同呢,還是成倍數(shù)關系呢?這些都是難以用理論分析獲得答案的問題,都需要采用試驗測試的方法推測出來。

既然描述振動問題的有效數(shù)據(jù)來自于試驗測量,那么任何理論分析都是定性研究的。與其牽強地套用控制理論、探索控制率,不如直接拿試驗測試數(shù)據(jù)確定共振頻率、震源和共振原因,然后通過改變動力機械的工作頻率來避免共振,這是振動干預控制方案的基本思想。振動干預控制由兩部分組成,一是振動監(jiān)測系統(tǒng),二是人工干預方案。其系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 振動干預控制的系統(tǒng)方框圖

在圖1當中,Xi(s)為鉆機的動力輸入頻率,Xo(s)為海洋鉆井平臺的振動響應,測量模塊得出主要共振頻率,分析模塊給出需要調(diào)整的頻率值,通常需要采用人工干預的方式。由于鉆桿、平臺、動力設備、循環(huán)系統(tǒng)等的振動各有特點,因此,海洋鉆井平臺的振動干預控制系統(tǒng)是一個多輸入多輸出的大系統(tǒng)。方案實施的技術(shù)路線如圖2所示。

采用現(xiàn)場測試的方式,接觸測量與非接觸測量相結(jié)合,定性分析與定量分析相結(jié)合。關鍵技術(shù)包括振源的甄別、控制方式與控制量的確定、人工干預的時機與方式等。

在隨機波浪載荷和地震載荷作用較強時,由于其頻率隨時變動,可擇機開機或以較低速度維持鉆井連續(xù)工作。

圖2 振動干預控制的技術(shù)路線圖

4 方案的可行性分析

振動干預控制方案涉及機械工程測試技術(shù)、機械工程控制技術(shù)、振動力學、振動控制理論、電氣技術(shù)等學科,各學科的飛速發(fā)展為方案的實施提供了理論支撐。

我國的振動檢測技術(shù)達到了很高的水平,接觸式測量裝置精巧便捷,發(fā)達的噪聲檢測技術(shù)為振動的非接觸間接檢測提供了有力的支持,手持簡易測振儀器的測量結(jié)果也可以作為監(jiān)測系統(tǒng)的參考信息。振動理論已比較完備,準確測量和甄別鉆井現(xiàn)場的振源及其振動特性是完全能夠做到的。

簡單系統(tǒng)(經(jīng)典)和復雜系統(tǒng)(現(xiàn)代)控制理論均已形成較成熟的理論體系,可以建立切實有效的控制系統(tǒng),給出較恰當?shù)目刂屏俊?/p>

實施振動干預控制方案的關鍵是實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)整。變頻器也可以簡單地理解為參數(shù)變壓器,具有調(diào)壓、調(diào)頻、穩(wěn)壓、調(diào)速等基本功能,可以把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電,從而調(diào)整電機轉(zhuǎn)速,還可以使電機以較小的啟動電流,獲得較大的啟動轉(zhuǎn)矩。

5 結(jié) 論

盡管振動的機理尚無定論,振動的理論分析與試驗研究[7]也為振動的主動和被動控制打下了基礎。

本文提出的振動干預控制是第三個振動控制方法,變抑制振動為干預振動,可行性和可操作性強,易于實現(xiàn)。該方法不僅適用于海洋平臺的振動控制,而且任何結(jié)構(gòu)、機械、建筑等均可采用該方法減震。

[1] 嵇春艷,于 雯,張 赟,等.半主動控制方法對海洋平臺結(jié)構(gòu)振動控制效果的數(shù)值模擬及試驗對比研究[J].機床與液壓, 2010,38(14):90-93.

[2] 劉國昊,劉 吉.深水海洋鉆井平臺振動特性研究[J].機械研究與應用,2014,27(5):14-16.

[3] 楊琳琳,張 闖.截割滾筒的非線性振動參數(shù)研究[J].機械研究與應用,2013,26(1):1-2,4.

[4] 張曉瑩,李 輝,李 豪,等.慣性往復振動機械載荷分析[J].機械研究與應用,2013,26(2):15-17.

[5] 許冬梅.機械轉(zhuǎn)動設備振動特性的研究[J].機械研究與應用, 2015,28(3):160-161.

[6] 苑雙雙.浮式海洋平臺原型測量與監(jiān)測技術(shù)研究[D].大連:大連理工大學,2013.

[7] 孫 霞.往復式機械的故障診斷分析[J].機械研究與應用, 2010,23(4): 114-115.

Study on the Vibration Intervention Control Plan of Safely Drilling on Offshore Platform

LI Chun-ming
(China University of Petroleum(East China),Dongying Shandong 257061,China)

The vibration is a main factor that influences the safety of offshore platform drilling.The main form and limitations of the positive vibration control on offshore platform is analyzed in this paper,and the research focus of the active vibration control is also analyzed.The vibration intervention control plan is proposed afterwards.According to the field test data,the resonance frequency is decided,and the source of resonance is found out.Then,the working frequency of power machinery is changed in order to avoid the resonance.

vibration intervention control;offshore platform;drill;safety

TH113;P751;X937

A

1007-4414(2015)05-0192-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.071

2015-08-04

本文的研究屬于中國石油天然氣集團公司石油科技中青年創(chuàng)新基金資助項目(編號:05E7029,名稱:海洋平臺的振動主動控制研究)的后續(xù)研究內(nèi)容。

李春明(1971-),男,山東德州人,博士后,副教授,研究方向:機械設計制造及其自動化、優(yōu)化方法、創(chuàng)新方法、機械控制工程等。