王 波，何東升，謝小路，代 輝，李 川

(西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500)

引言

在海上鉆井作業(yè)時(shí)，當(dāng)發(fā)生臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)等惡劣天氣或鉆井船動(dòng)力定位系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，需要對(duì)海水中的隔水管進(jìn)行緊急脫離。隔水管的緊急脫離，可以由操作人員控制程序發(fā)出隔水管脫離指令，也可以由設(shè)定程序根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出隔水管脫離指令。隔水管緊急脫離后，張緊器為隔水管系統(tǒng)施加一個(gè)非常大的垂直向上拉力，所以隔水管會(huì)以較高的速度向上反沖，有可能撞擊鉆井平臺(tái)，發(fā)生災(zāi)難性事故。對(duì)于深水作業(yè)的具有動(dòng)力定位裝置的平臺(tái)，為避免隔水管反沖撞擊鉆井平臺(tái)帶來(lái)人員和財(cái)產(chǎn)的損失，必須為張緊器安裝防反沖控制系統(tǒng)，以控制隔水管在緊急脫離后張緊器施加在隔水管上的張緊力大小，既要降低隔水管的反沖速度，避免速度過(guò)大與上端鉆井平臺(tái)或鉆井船相撞，也要保持隔水管的回升速度，避免隔水管隨海浪升沉作用下與下端井口發(fā)生相撞。

隔水管張緊器防反沖控制技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)較為成熟，美國(guó)NOV、挪威Aker MH和法國(guó)Control Flow公司的隔水管張緊器防反沖控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到浮式作業(yè)平臺(tái)/船，且已服役多年，系統(tǒng)可靠性、有效性較高。國(guó)外學(xué)者對(duì)緊急脫離作業(yè)操作規(guī)程和抗反沖控制規(guī)程等均有深入的研究[1-2]，并形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[3]。國(guó)內(nèi)對(duì)于防反沖系統(tǒng)控制的研究還處于理論分析和樣機(jī)試驗(yàn)階段，目前還沒(méi)有防反沖系統(tǒng)投入海上鉆井平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用。其中，暢元江[4]和張磊等[5]利用ANSYS和AMESim仿真軟件對(duì)隔水管張緊系統(tǒng)的防反沖控制模型進(jìn)行了模擬分析，提出了以模糊PID抗反沖控制的策略；劉啟蒙等[6]在分布式系統(tǒng)平臺(tái)上搭建了隔水管張緊系統(tǒng)監(jiān)控軟件，并提出了抗反沖控制的硬件實(shí)現(xiàn)方法；李朝瑋等[7-8]研究了隔水管-井口-導(dǎo)管系統(tǒng)整體力學(xué)性能，并進(jìn)行了鉆井液下泄研究以及反沖響應(yīng)分析；李歡等[9-10]利用AMESim仿真軟件搭建了防反沖控制模型，研究了相關(guān)控制參數(shù)及脫離時(shí)刻對(duì)反沖控制的影響，并對(duì)隔水管張緊裝置抗反沖控制算法適應(yīng)性進(jìn)行了研究；任鋼峰等[11]、周天明等[12]依托相關(guān)制造企業(yè)完成了隔水管張緊器樣機(jī)的研制和陸地模擬試驗(yàn)；何新霞等[13]對(duì)隔水管反沖控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真分析，并提出基于模糊PID控制器調(diào)節(jié)反沖開(kāi)度，有效地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；董學(xué)蓮[14]、廖佳敏等[15]分析了高壓氣瓶體積、液壓管線壓降、系統(tǒng)張緊力和剛度等因素對(duì)隔水管張緊系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；段明星等[16]基于SimulationX多學(xué)科仿真軟件建立了氣液回路和多體機(jī)械系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)仿真模型，其分別研究分析了在正常鉆井作業(yè)、對(duì)稱布置的2套張緊液壓缸失效和隔水管緊急解脫這3種工況模式時(shí)的張緊系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)；周然等[17]研究了隔水管張緊器的工作原理和特點(diǎn)，對(duì)2種隔水管張緊器進(jìn)行性能分析和優(yōu)缺點(diǎn)比較，分析了張緊器的發(fā)展趨勢(shì)；王騰等[18]綜合考慮了鉆井液下泄力、張拉力等因素影響，利用ANSYS/AQWA軟件建立了緊急解脫隔水管回彈耦合計(jì)算模型，并以1500 m水深鉆井作業(yè)緊急解脫隔水管為例進(jìn)行了隔水管回彈響應(yīng)分析；孫占廣等[19]通過(guò)對(duì)所建立的防反沖控制模型進(jìn)行仿真分析，得出主閥開(kāi)度控制曲線是隔水管反沖控制的主要影響因素，優(yōu)化主閥開(kāi)度曲線可優(yōu)化反沖相應(yīng)過(guò)程的結(jié)果；費(fèi)凌等[20]以南海某鉆井平臺(tái)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種隔水管抗反沖控制閥，并將抗反沖控制閥應(yīng)用在液缸式隔水管張緊系統(tǒng)模型中，以驗(yàn)證抗反沖控制閥的抗反沖控制效果。

制約張緊器防反沖控制系統(tǒng)工業(yè)化應(yīng)用的主要因素在于防反沖控制試驗(yàn)投入成本高、海試風(fēng)險(xiǎn)大，防反沖控制系統(tǒng)直接影響隔水管系統(tǒng)和平臺(tái)的安全，海試必須保證在萬(wàn)無(wú)一失的情況下才可開(kāi)展。因此，在張緊器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)仿真軟件開(kāi)展抗反沖控制策略研究，研究結(jié)果用于驗(yàn)證系統(tǒng)功能、優(yōu)化控制策略以及防反沖閥的主閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于隔水管張緊器防反沖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)海上應(yīng)用具有一定的實(shí)際意義。

隔水管串、環(huán)境載荷、張緊器和浮式平臺(tái)在反沖過(guò)程中屬于多體動(dòng)力學(xué)耦合范疇。本研究針對(duì)隔水管串和張緊系統(tǒng)建立簡(jiǎn)化模型，以單套隔水管張緊器和簡(jiǎn)化后的隔水管串為基礎(chǔ)，開(kāi)展相應(yīng)的防反沖閥的設(shè)計(jì)和防反沖控制研究。

1 隔水管張緊器系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

深水鉆井隔水管張緊器系統(tǒng)的主要功能是為隔水管串建立一個(gè)恒定的頂部張力，以補(bǔ)償隔水管隨海浪起伏相對(duì)浮式鉆井平臺(tái)或鉆井船只垂直方向的位移，從而保障鉆井平臺(tái)或者鉆井船在鉆采過(guò)程中隔水管系統(tǒng)在海水環(huán)境中的安全。

根據(jù)張緊力提供方式的不同，隔水管張緊器可分為直接作用式張緊器(Direct Acting Tensioner，DAT)和滑輪鋼絲繩式張緊器(Wireline Riser Tensioner，WRT)。

隔水管系統(tǒng)上部裝有伸縮節(jié)，起補(bǔ)償鉆井平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)作用，伸縮節(jié)內(nèi)管通過(guò)最上部的撓性接頭和分流器相連，其外管則通過(guò)張緊環(huán)與直接作用式隔水管張緊器相連；隔水管中間段為大量首尾相連相同長(zhǎng)度的隔水管；隔水管下部由LMRP、BOP和下部柔性接頭組成，下部柔性接頭與水下隔水管總成相連，隔水管總成與水下防噴器相連接，隔水管整體結(jié)構(gòu)連接如圖1所示。

圖1 隔水管張緊器防反沖系統(tǒng)組成圖

張緊器系統(tǒng)正常工作時(shí)，由張緊器液缸、低壓氮?dú)馄?、蓄能器、工作氣瓶組和防反沖閥等組成一個(gè)“液氣彈簧”組合，在海浪的作用下做升沉運(yùn)動(dòng)。由圖1可以看到，張緊器液缸氣腔室與低壓氮?dú)馄肯噙B接，低壓氮?dú)馄科鹁彌_氣壓和保護(hù)液缸的作用；蓄能器與工作空氣瓶組相連接，工作空氣瓶組為蓄能器提供高壓；空氣控制橇和備用空氣瓶組共同實(shí)現(xiàn)對(duì)工作氣瓶組的增減壓；張緊器液缸和蓄能器之間連接有防反沖閥，通過(guò)控制防反沖閥的開(kāi)度以調(diào)節(jié)連接張緊器液缸和蓄能器管線內(nèi)液壓油的流量，從而達(dá)到控制張緊器液缸活塞桿運(yùn)動(dòng)速度的目的。

1.2 防反沖閥的主要作用

隔水管張緊器防反沖控制系統(tǒng)其作用主要有3個(gè)：

(1) 當(dāng)LMRP與BOP的連接緊急斷開(kāi)以后，限制隔水管垂直向上反沖的速度與加速度，從而控制伸縮節(jié)內(nèi)筒沿外筒的縱向位移，防止內(nèi)筒超出其最大沖程而發(fā)生內(nèi)外筒的碰撞；

(2) 降低張緊器液缸中活塞的運(yùn)動(dòng)速度，防止活塞桿發(fā)生壓縮以及避免因張緊器鋼絲繩松弛導(dǎo)致鋼絲繩斷開(kāi)或脫離滑輪，從而引起張緊器液缸系統(tǒng)的損壞；

(3) 通過(guò)控制隔水管頂部張緊力的大小，控制LMRP與BOP之間的軸向距離，防止兩者發(fā)生碰撞。

1.3 張緊器防反沖系統(tǒng)模型的基本假設(shè)

在對(duì)深水鉆井隔水管防反沖控制系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，為方便分析和計(jì)算，所以對(duì)其模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)系統(tǒng)做如下假設(shè)：

(1) 僅考慮平臺(tái)垂直方向的升沉運(yùn)動(dòng)，即忽略反沖響應(yīng)過(guò)程中隔水管的側(cè)向變形，并將其視為與波浪周期一致的簡(jiǎn)諧(正弦)運(yùn)動(dòng)；

(2) 張緊器液壓缸、蓄能器等設(shè)備由于隨船作升沉運(yùn)動(dòng)，可視為和鉆井平臺(tái)一樣的剛性部件；

(3) 浮式鉆井平臺(tái)可自由運(yùn)動(dòng)，不考慮隔水管系統(tǒng)反作用力影響；

(4) 將隔水管系統(tǒng)作為細(xì)長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行考慮，隔水管的軸向剛度不變，忽略浮力塊的作用；

(5) 隔水管的離散段具有相同的彈簧剛度；

(6) 不考慮海流和海風(fēng)對(duì)隔水管系統(tǒng)的橫向作用力，考慮海水對(duì)隔水管柱的黏性阻尼；

(7) 不考慮張緊器系統(tǒng)內(nèi)液壓管線壓降局部壓力損失，不考慮系統(tǒng)內(nèi)管路流量損失；

(8) 連接蓄能器和液壓缸間的管路內(nèi)油液密度處處相等，即管路內(nèi)的油液能量守恒；

(9) 忽略張緊器中氣體在狀態(tài)變化時(shí)與外界發(fā)生的熱交換，即氣體符合絕熱狀態(tài)變化規(guī)律。

2 隔水管張緊器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 隔水管系統(tǒng)模型

在鉆井平臺(tái)實(shí)際工作時(shí)，隔水管串的形狀為細(xì)長(zhǎng)桿，忽略隔水管因海水流動(dòng)或船體漂移所受的橫向受力。將隔水管串簡(jiǎn)化為單自由度系統(tǒng)，對(duì)于隔水管串系統(tǒng)類的彈性體采用離散的質(zhì)量-彈簧-阻尼單元進(jìn)行模擬，隔水管串總質(zhì)量分布為上、下2個(gè)集中質(zhì)量塊M1和 M2，質(zhì)量塊的摩擦力代表海水的阻尼力，搭建的隔水管模型忽略鉆井液和隔水管之間的摩擦力。上部質(zhì)量塊M1為水面附近不帶浮力塊的隔水管重量，而隔水管串的質(zhì)量更多集中在其垂直底部位置，將水下LMRP、鉆井液和下部隔水管串質(zhì)量當(dāng)做集中質(zhì)量塊M2，上部質(zhì)量塊Ml的質(zhì)量占隔水管串總質(zhì)量的25%，下部質(zhì)量塊M2的質(zhì)量占隔水管串總質(zhì)量的75%，隔水管串質(zhì)量分布模型如圖2所示。

圖2 隔水管串模型質(zhì)量分布圖

在隔水管柱向上反沖過(guò)程中，假定其在反沖過(guò)程中為彈簧模型，其彈簧剛度K可由式(1)計(jì)算：

(1)

式中，E—— 隔水管彈性模量，取210 GPa

Ar—— 隔水管橫截面積，m2

L—— 隔水管串長(zhǎng)度，m

海水對(duì)隔水管串的運(yùn)動(dòng)阻力可用冪律流體(非牛頓流體)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算公式為：

τ=μγl

(2)

式中，τ—— 剪切力

μ—— 稠度系數(shù)

γ—— 剪切速率

l—— 流變指數(shù)

將海水假設(shè)為牛頓流體，流變指數(shù)l取1，可以得到海水的阻力計(jì)算公式為：

Fsea=πDLμseavriser

(3)

式中，μsea—— 海水稠度系數(shù)，取1.5

vriser—— 隔水管串反沖上升速度，m/s

D—— 隔水管串水下動(dòng)力學(xué)外直徑，m

2.2 氣體狀態(tài)變化分析

根據(jù)波義耳定律，在定量定溫下，理想氣體的體積與氣體的壓強(qiáng)成反比，則可得空氣瓶中高壓氣體在任意時(shí)刻的壓力計(jì)算公式：

(4)

式中，pg0—— 初始時(shí)刻高壓氣體壓力，MPa

Vg0—— 初始時(shí)刻高壓氣體體積，m3

pg—— 任意時(shí)刻高壓氣體壓力，MPa

Vg—— 任意時(shí)刻高壓氣體體積，m3

n—— 氣體常數(shù)，當(dāng)蓄能器排油的速度很快當(dāng)作輔助動(dòng)力源或應(yīng)急動(dòng)力源時(shí)，可按絕熱過(guò)程來(lái)計(jì)算，取n=1.4

由于蓄能器和高壓空氣瓶氣體體積變化是由液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)所引起，因此當(dāng)液壓缸活塞在液缸內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，蓄能器和高壓空氣瓶氣體體積變化計(jì)算公式為：

(5)

高壓氣體體積Vg在任意時(shí)刻的計(jì)算公式如式(6)所示：

Vg=Vg0+AhrxP

(6)

式中，Ahr—— 張緊器液壓缸活塞有桿端的面積，m2

Dp—— 張緊器液壓缸活塞直徑，m

Dr—— 張緊器液壓缸活塞桿直徑，m

xp—— 張緊器液壓缸活塞相對(duì)缸體的位移，方向取向上為正，m

同理可得低壓氮?dú)馄恐械牡獨(dú)庠谌我鈺r(shí)刻的體積和壓力計(jì)算公式分別為：

Vd=Vd0-Ahpxp

(7)

(8)

式中，pd0—— 初始時(shí)刻低壓氮?dú)鈿怏w壓力，MPa

Vd0—— 初始時(shí)刻低壓氮?dú)鈿怏w體積，m3

pd—— 任意時(shí)刻低壓氮?dú)鈿怏w壓力，MPa

Vd—— 任意時(shí)刻低壓氮?dú)鈿怏w體積，m3

Ahp—— 活塞無(wú)桿端的面積，m2

2.3 空氣彈簧剛度計(jì)算

作用在隔水管上的活塞桿力的變化取決于蓄能器氣體部分中壓縮空氣的壓力。由蓄能器、工作氣瓶組和液壓缸高壓部分組成的整個(gè)系統(tǒng)可被視為理想的氣體彈簧，需要計(jì)算其剛度，以便準(zhǔn)確計(jì)算由于升沉運(yùn)動(dòng)引起的活塞桿力大小變化。

假設(shè)初始時(shí)刻液壓缸中的活塞位于其中間行程。因此，相應(yīng)的蓄能器內(nèi)氣體體積為：

Vg=Vg0+Ahrxp

(9)

假設(shè)氣體遵循絕熱變化(n=1.4)，則表達(dá)式為：

(10)

在穩(wěn)定狀態(tài)下，液壓缸活塞桿力與液壓和氣動(dòng)壓力平衡。那么，液壓缸中活塞的方程式表示為(忽略液缸與活塞的摩擦)：

Fp=pAhr-pdAhp+meffg

(11)

(12)

式中，F(xiàn)p—— 液壓缸活塞力，N

p—— 液壓缸活塞上的液壓油壓力，MPa

Fl—— 液壓缸活塞桿拉力，N

meff—— 活塞總質(zhì)量，包括活塞桿和活塞本體的質(zhì)量，kg

在平衡狀態(tài)下，蓄能器氣室內(nèi)的壓力pg等于施加在液壓缸活塞上的液壓油壓力，則：

pg=p

(13)

因此，下面的表達(dá)式是有效的，即：

Fp+pdAr-meffg=pgAhr

(14)

式中，Vg0+Vav—— 初始?xì)怏w體積，包括氣瓶組體積和蓄能器體積，m3

則空氣等效彈簧剛度k為：

(15)

上述表達(dá)式表明，彈簧剛度隨活塞位移的增大而減小，反之亦然。體積較小的蓄能器，由于蓄能器中的油量迅速增加而具有更大的剛度。

同理，通過(guò)同樣的步驟，可得低壓氮?dú)馄恐袣怏w彈簧的剛度表達(dá)式：

(16)

式中，Vn—— 低壓缸室內(nèi)總氣體體積，包括氮?dú)馄矿w積，m3

An—— 低壓氮?dú)馄棵娣e，m2

由式(16)可知，氮?dú)馄績(jī)?nèi)活塞面積越大、氮?dú)馄繅毫υ礁?、活塞沖程越短或多變指數(shù)n值越大，低壓氮?dú)馄壳皇业膭偠染驮酱蟆?/p>

2.4 張緊系統(tǒng)模型

張緊力和張緊器液壓缸剛度是張緊系統(tǒng)的重要參數(shù)，張緊力是由液壓缸活塞兩端的壓力差產(chǎn)生的，液壓缸高壓由高壓工作氣瓶提供，其低壓端連接低壓氮?dú)馄?。忽略張緊器系統(tǒng)液壓管線壓降及液壓缸內(nèi)摩擦力等因素影響，可得到張緊器系統(tǒng)張緊力的計(jì)算公式：

Ft=pgAhr-pdAhp

(17)

對(duì)式(17)在液壓缸活塞的平衡點(diǎn)xp=0處做泰勒公式展開(kāi)，略去高次項(xiàng)，可以得到線性化的張緊力計(jì)算公式：

(18)

由式(17)求活塞上張緊力Ft對(duì)活塞位移xp的導(dǎo)數(shù)，可以得到張緊器液壓缸剛度的計(jì)算公式：

(19)

通過(guò)對(duì)式(19)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以更加清楚的看到張緊器液壓缸剛度隨活塞位移的變化規(guī)律。在實(shí)際工作中，高壓空氣瓶中氣體的體積和壓力遠(yuǎn)大于低壓氮?dú)馄繗怏w的體積和壓力，所以式(19)可作如下近似簡(jiǎn)化：

(20)

從式(20)可得，張緊器液壓缸剛度與液壓缸活塞的位移有關(guān)，隨著液壓缸活塞位移的增大，張緊器液缸剛度減?。粡埦o器液壓缸剛度也與氣體常數(shù)有關(guān)，氣體常數(shù)取值越大，張緊器液壓缸剛度越大；高壓空氣瓶氣體體積越大，張緊器液壓缸剛度越??；高壓空氣瓶氣體壓力越大，張緊器液壓缸剛度越大。

2.5 防反沖閥模型

在海上鉆井作業(yè)的半潛式鉆井平臺(tái)或鉆井船上隔水管張緊系統(tǒng)中，防反沖閥連接在油氣蓄能器和張緊器液壓缸之間起節(jié)流作用，其實(shí)際為一個(gè)比例節(jié)流控制閥，根據(jù)薄壁節(jié)流孔口特性，使用薄壁孔口流量公式可得到流過(guò)防反沖控制閥的流量方程式為：

(21)

式中，Cd—— 節(jié)流口的流量系數(shù)

Av—— 節(jié)流口的通流面積，m2

Δp—— 主閥兩端壓差，MPa

ρ—— 張緊器液壓缸內(nèi)液壓油的密度，kg/m3

pa—— 蓄能器側(cè)油腔室壓力，MPa

pt—— 液壓缸側(cè)油腔室壓力，MPa

3 防反沖閥控制系統(tǒng)

3.1 工作原理

防反沖閥是隔水管張緊器控制系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于控制從蓄能器流向張緊器液缸的油液流速，從而達(dá)到控制隔水管向上回升速度的目的，設(shè)計(jì)的防反沖閥系統(tǒng)有2種工作模式4種功能，防反沖閥控制系統(tǒng)的原理如圖3所示。

圖3 防反沖閥控制系統(tǒng)原理圖

根據(jù)海上鉆井平臺(tái)的油氣開(kāi)采需求，設(shè)計(jì)的隔水管張緊器防反沖閥有正常工作和緊急控制2種工作模式。在正常工作模式下，防反沖閥全開(kāi)不限流，此時(shí)張緊器系統(tǒng)的功能是鉆井平臺(tái)的升沉補(bǔ)償器，如果鋼絲繩式張緊器液缸鋼絲繩突然斷裂，或者有液缸無(wú)法正常工作時(shí)，管路內(nèi)流過(guò)防反沖閥主閥的流量會(huì)突然變大，從而產(chǎn)生較大的壓差將主閥快速關(guān)閉，并通過(guò)主閥的節(jié)流孔讓液壓油繼續(xù)流向張緊器液缸，對(duì)張緊器液缸起到保護(hù)的作用。當(dāng)防反沖閥處于緊急控制模式時(shí)，隔水管的LMRP與BOP連接斷開(kāi)并向上運(yùn)動(dòng)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)液缸活塞和隔水管的位移并與主閥控制液缸位移做比較，PLC根據(jù)接收到的信號(hào)調(diào)節(jié)PV1比例閥的開(kāi)度，從而控制主閥液缸的位移，同時(shí)主閥液缸的位移信號(hào)由LVDT反饋給PLC控制中心以此形成閉環(huán)控制，主閥液缸的活塞桿可以調(diào)節(jié)主閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)管路內(nèi)流向張緊器液缸的液壓油流速，以此控制液缸活塞桿回縮速度在2 m/s以內(nèi)。如果在緊急控制模式時(shí)，出現(xiàn)張緊器液缸壓力大于蓄能器壓力一定值的情況，會(huì)在壓差作用下打開(kāi)SV3讓SV2重新連接主閥液缸，連接后主閥液缸會(huì)在壓差作用下向上回縮，主閥的開(kāi)度變大，管路內(nèi)流量也會(huì)變大，當(dāng)主閥兩端壓差減小到SV3的設(shè)定值時(shí)，SV3將關(guān)閉，由PV1繼續(xù)控制主閥的開(kāi)度直到隔水管回收完成。

3.2 邏輯控制算法

根據(jù)設(shè)計(jì)的防反沖閥控制系統(tǒng)原理，采用PID位置反饋控制防反沖閥在緊急模式時(shí)的主閥開(kāi)度，通過(guò)位移和速度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)張緊器液缸活塞桿的位移和速度信號(hào)，并將檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)算法轉(zhuǎn)換成控制防反沖閥主閥開(kāi)度的控制信號(hào)，控制目的是通過(guò)控制主閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流向液壓缸的液壓油流速，從而達(dá)到將液缸活塞桿運(yùn)動(dòng)速度控制在2 m/s以內(nèi)的目的，使隔水管能夠順利平穩(wěn)地回收到鉆井平臺(tái)。防反沖閥控制系統(tǒng)的PID位置反饋控制算法如圖4所示。

圖4 防反沖系統(tǒng)位置控制算法原理圖

3.3 張緊系統(tǒng)防反沖閥主要參數(shù)

挪威Aker Kvaerner MH公司生產(chǎn)的DAT直接作用式張緊器具有張緊能力大、重量輕、反沖控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)某海上鉆井平臺(tái)上得到了應(yīng)用。本研究以DAT為例，確定隔水管張緊系統(tǒng)的基本參數(shù)，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)張緊器性能的影響，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示，防反沖閥的工作參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 防反沖閥的工作參數(shù)

4 防反沖系統(tǒng)的仿真分析

防反沖閥仿真模型主閥關(guān)鍵參數(shù)在AMESim軟件中的設(shè)置如表3所示。

表3 防反沖閥在AMESim中的主要參數(shù)

4.1 防反沖系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)隔水管張緊器的實(shí)際工作情況，假設(shè)沿張力環(huán)周向均勻分布的6個(gè)張緊器受力情況完全相同，且全部張緊器處于正常工作狀態(tài)，則由模型的對(duì)稱性和簡(jiǎn)化仿真計(jì)算量可知，只需針對(duì)1個(gè)張緊器系統(tǒng)和1/6個(gè)隔水管系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析即可。根據(jù)設(shè)計(jì)的張緊器防反沖閥系統(tǒng)工作原理圖和建立的數(shù)學(xué)模型，在AMESim軟件中搭建其仿真模型，如圖5所示。

圖5 張緊系統(tǒng)防反沖仿真模型圖

4.2 防反沖主閥開(kāi)度與PID控制測(cè)試

采用PID控制方法，實(shí)現(xiàn)在隔水管緊急脫離時(shí)刻對(duì)主閥開(kāi)度的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)液缸活塞速度的調(diào)節(jié)。在進(jìn)行正式的防反沖控制之前，需先對(duì)設(shè)計(jì)的防反沖控制閥進(jìn)行主閥輸入信號(hào)ψ與主閥開(kāi)度xf的控制測(cè)試，圖6為防反沖閥主閥開(kāi)度與PID控制測(cè)試模型。

圖6 防反沖閥主閥開(kāi)度與PID控制測(cè)試模型

根據(jù)防反沖閥的控制性能指標(biāo)，經(jīng)過(guò)測(cè)試調(diào)節(jié)PID參數(shù)，最終確定PID參數(shù)如下：Kp=179，Ki=0.1，Kd=0.05。

從測(cè)試結(jié)果圖7中可以看出，輸入信號(hào)為3.4，相應(yīng)的主閥閥芯位移為0.034 m，即輸入信號(hào)能精確控制主閥閥芯的位移。隨著主閥輸入信號(hào)在第5秒發(fā)出控制信號(hào)，主閥在第5.09秒完成響應(yīng)，即主閥從全關(guān)到全開(kāi)的響應(yīng)時(shí)間為90 ms。當(dāng)主閥輸入信號(hào)在第6秒再次發(fā)出控制信號(hào)，主閥在第6.11秒完成響應(yīng)，即主閥從全開(kāi)到全關(guān)的響應(yīng)時(shí)間為110 ms。因此，主閥測(cè)試結(jié)果滿足主閥的設(shè)計(jì)要求，表明所設(shè)置的PID參數(shù)合理，符合實(shí)際應(yīng)用要求。

圖7 主閥輸入控制信號(hào)與主閥開(kāi)度關(guān)系曲線圖

4.3 防反沖閥功能測(cè)試

通過(guò)在AMESim軟件中搭建的張緊器防反沖系統(tǒng)的仿真模型來(lái)模擬分析防反沖閥在正常模式和緊急斷開(kāi)模式時(shí)的工作情況，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的防反沖閥的有效性和可靠性。

1) 正常模式

張緊器防反沖閥系統(tǒng)在正常模式工作時(shí)，其主要是在鉆井平臺(tái)隨海浪做升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)起補(bǔ)償器的作用，保持隔水管拉力與張緊器系統(tǒng)拉力的平衡。在仿真模型中，通過(guò)液壓缸的失效來(lái)驗(yàn)證防反沖控制閥的有效性，具體方法為：當(dāng)液壓缸失效時(shí)，防反沖控制閥將檢測(cè)兩側(cè)壓差，當(dāng)系統(tǒng)流量Q達(dá)到設(shè)定的觸發(fā)流量時(shí)，主閥兩側(cè)壓差增大，同時(shí)主閥開(kāi)度將會(huì)減小直至閥關(guān)閉。在仿真中，利用分段線性信號(hào)源發(fā)生器模擬管路內(nèi)流量的增加，利用節(jié)流閥口模擬防反沖控制閥的出口節(jié)流特性，仿真測(cè)試模型如圖8所示。

圖8 防反沖閥功能測(cè)試模型

根據(jù)建立的隔水管張緊器防反沖系統(tǒng)仿真模型以及防反沖閥的主要參數(shù)，得到防反沖閥相關(guān)的功能參數(shù)數(shù)據(jù)，仿真結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖9 主閥閥芯位移與系統(tǒng)流量供應(yīng)關(guān)系圖

圖10 主閥壓差與系統(tǒng)流量供應(yīng)關(guān)系圖

從圖9～圖11可以看出，隨著系統(tǒng)流量供應(yīng)的增加，主閥兩端的壓差達(dá)到一定值時(shí)，主閥閥芯的位移在主閥兩端壓差的作用下快速移動(dòng)直到完成閥的關(guān)閉。由圖9可知，第5.19秒，流經(jīng)主閥的流量達(dá)到預(yù)先假設(shè)的觸發(fā)流量9190 L/min；從圖11可知，第7.2秒,主閥在兩端壓差的作用下移動(dòng)到最大位移處完成了主閥的關(guān)閉。因此，主閥從全開(kāi)到全關(guān)用了2.01 s，主閥閥芯完全關(guān)閉的時(shí)間小于規(guī)定的2.5 s，滿足防反沖控制閥的工作性能要求，表明所設(shè)計(jì)的閥門能夠滿足工作要求，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的防反沖閥在正常模式時(shí)的功能有效性。

圖11 主閥閥芯位移與主閥壓差關(guān)系圖

2) 緊急模式

隔水管張緊器防反沖閥系統(tǒng)在緊急模式工作時(shí)，其主要作用是通過(guò)防反沖閥控制管路內(nèi)液壓油的流速來(lái)調(diào)節(jié)隔水管的反沖速度，以保證隔水管能順利回收到鉆井平臺(tái)。在圖5建立的仿真模型中，通過(guò)用階躍信號(hào)元件設(shè)置相關(guān)參數(shù)傳遞控制信號(hào)給可變剛度彈簧模擬隔水管緊急脫離的過(guò)程。隔水管位移xg曲線如圖12所示，第29秒，隔水管底部裝置收到緊急脫離信號(hào)后LMRP和BOP連接裝置完成斷開(kāi)操作，然后隔水管柱在巨大張緊力作用下開(kāi)始向上反沖運(yùn)動(dòng)；第50秒，隔水管柱完成了回收，并鎖定在鉆井平臺(tái)上隨平臺(tái)一起在海浪作用下運(yùn)動(dòng)。

圖12 隔水管位移圖

從圖13、圖14中可以看出，第29秒，隔水管完成與井下連接裝置的脫離開(kāi)始向上反沖；第30秒，液缸活塞桿達(dá)到最大速度1.55 m/s，然后液缸活塞桿速度v開(kāi)始減??；第50秒，完成隔水管回收后速度趨于穩(wěn)定值0。因此，在隔水管完成回收過(guò)程中，液缸活塞桿速度小于設(shè)計(jì)的液缸活塞桿最大運(yùn)動(dòng)速度2 m/s，所設(shè)計(jì)的防反沖控制邏輯能有效的將液缸活塞桿運(yùn)動(dòng)速度控制在合理范圍內(nèi)。

圖13 張緊器液缸活塞桿位移圖

圖14 張緊器液缸活塞桿速度圖

4.4 海況對(duì)隔水管回收的影響

海況是引起船舶升沉和漂移運(yùn)動(dòng)的來(lái)源，海上不同的波浪等級(jí)會(huì)產(chǎn)生不同的波浪高度，這對(duì)隔水管的緊急斷開(kāi)成功回收產(chǎn)生重要的影響。由于隔水管與浮式鉆井平臺(tái)/船屬于剛性連接，所以隔水管會(huì)隨著浮式鉆井平臺(tái)/船一起在波浪的作用下做垂直升沉運(yùn)動(dòng)。為避免隔水管在緊急脫離后的初始脫離階段LMRP與BOP相碰撞，需要在考慮波浪起伏的情況下合理的選擇隔水管脫離時(shí)間以便更好地控制隔水管向上的反沖速度。

用正弦波模擬海浪的起伏，浮式鉆井船的升沉周期與波浪運(yùn)動(dòng)周期相同。浮式鉆井船的升沉波高遵循衰減系數(shù)KS，則其升沉運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化計(jì)算公式為：

(22)

(23)

式中，Hb—— 船體隨波浪運(yùn)動(dòng)的高度，m

Hw—— 海水波浪的高度，m

S—— 船體沉入海水與海水接觸的面積，S=5500 m2

g—— 重力加速度，取9.8 m/s2

ρW—— 海水的密度，取1025 kg/m3

Mb—— 船體質(zhì)量，取3.5×107kg

ωb—— 波浪角頻率，rad/s

由式(22)和式(23)計(jì)算可以得到鉆井船體在不同海況下隨海浪做升沉運(yùn)動(dòng)的計(jì)算參數(shù)，波浪高度和波浪周期等參數(shù)采用實(shí)際海況數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 鉆井船體在不同海浪等級(jí)時(shí)的升沉高度

根據(jù)表4所示的數(shù)據(jù)，在AMESim仿真軟件中計(jì)算得到隔水管在不同海況回收時(shí)的結(jié)果，如圖15所示。

圖15 在不同海況時(shí)隔水管回收效果

從圖15中可以看出，隨著海浪等級(jí)的增加，隔水管在回收時(shí)的波動(dòng)越大，若隔水管在5級(jí)海浪以后開(kāi)始執(zhí)行緊急回收操作就會(huì)發(fā)生沖缸現(xiàn)象，導(dǎo)致液缸的損壞。因此，如果要緊急回收隔水管建議選擇在海浪等級(jí)較小時(shí)就開(kāi)始對(duì)隔水管進(jìn)行回收操作。

4.5 過(guò)拉張緊力對(duì)隔水管回收的影響

一般情況下，為保證在緊急斷開(kāi)時(shí)隔水管能順利與井下連接器斷開(kāi)，以及當(dāng)有一對(duì)張緊器在維護(hù)或失效時(shí)也能正常工作，通常會(huì)給張緊系統(tǒng)設(shè)置一定的張緊過(guò)拉力[21]。

為驗(yàn)證設(shè)置一定的過(guò)拉力對(duì)隔水管在緊急斷開(kāi)時(shí)向上運(yùn)動(dòng)的影響，在仿真時(shí)分別給單個(gè)張緊器設(shè)置過(guò)拉量為-10%，-5%，0%，5%，10%，15%的張緊力，張緊力過(guò)拉量具體參數(shù)如表5所示，其他參數(shù)不變進(jìn)行仿真分析，仿真計(jì)算得到的結(jié)果如圖16、圖17所示。

表5 張緊力過(guò)拉量參數(shù)值

圖16 不同張緊力過(guò)拉量條件下隔水管的位移變化

從圖16、圖17中可以看出隨著張緊力過(guò)拉量的增加，隔水管反沖的位移增大，同時(shí)液缸活塞桿的最大速度也將變大。從圖中17還可以看出，張緊力過(guò)小，在隔水管完成回收后液缸無(wú)法完全鎖定隔水管；張緊力過(guò)大，液缸可以鎖定隔水管，但會(huì)出現(xiàn)小幅的速度波動(dòng)。因此，張緊力過(guò)拉量應(yīng)在合理的范圍內(nèi)，既可有效保證隔水管從連接裝置順利脫離，也避免液缸活塞桿的最大速度過(guò)大。

圖17 不同張緊力過(guò)拉量條件下液缸活塞桿速度變化

4.6 防反沖主閥閥芯位移對(duì)隔水管回收的影響

為進(jìn)一步精確控制液缸活塞的回縮位移，對(duì)防反沖主閥閥芯最大位移對(duì)液缸活塞回縮位移的影響進(jìn)行分析，得到的結(jié)果如圖18所示。

圖18 主閥不同閥口開(kāi)度下液缸的位移變化

從圖18中可以看出，液缸活塞桿位移都會(huì)到達(dá)預(yù)先設(shè)置的鎖緊位移，防反沖主閥閥芯最大位移越小，能夠更加穩(wěn)定平緩的控制張緊器液缸活塞的收縮，此仿真分析結(jié)果對(duì)液缸活塞回縮的精確控制有重要意義。

4.7 緊急斷開(kāi)時(shí)刻對(duì)隔水管回收的影響

由于隔水管的反沖只發(fā)生在幾個(gè)海浪升沉周期，隔水管的反沖是有意義的使用一個(gè)規(guī)則波作為環(huán)境激勵(lì)和沿正弦周期點(diǎn)斷開(kāi)隔水管。為了覆蓋整個(gè)循環(huán)周期，通常需要8個(gè)斷開(kāi)點(diǎn)，以45°為增量，從0°～315°。因此，在AMESim平臺(tái)中用正弦信號(hào)模擬波浪運(yùn)動(dòng)的周期，用第24，25，27，29，30，31，33，35，36秒代表0°，45°，90°，135°，180°，215°，270°，315°，分析在這8個(gè)相位進(jìn)行緊急脫離對(duì)隔水管位移和隔水管速度的影響，仿真結(jié)果如圖19、圖20所示。

圖19 緊急脫離時(shí)刻選擇對(duì)隔水管位移影響

圖20 緊急脫離時(shí)刻選擇對(duì)隔水管速度影響

從圖19、圖20可以看出，隔水管在0°～90°緊急脫離時(shí)，反沖速度大，且在回收過(guò)程出現(xiàn)向下運(yùn)動(dòng)的位移，這有可能會(huì)引起隔水管底部LMRP與BOP相撞；隔水管在135°～270°緊急脫離時(shí)，隔水管回收速度較小，在安全范圍內(nèi)，且隔水管位移一直向上運(yùn)動(dòng)。因此，建議選擇在135°～270°之間對(duì)隔水管進(jìn)行緊急脫離操作。

5 結(jié)論

(1) 通過(guò)建立的隔水管張緊器防反沖控制仿真模型，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的張緊器防反沖閥的控制功能、防反沖邏輯算法以及防反沖閥本身的性能參數(shù)達(dá)到了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，證明了所設(shè)計(jì)的防反沖閥的可靠性和有效性；

(2) 隔水管張緊器液缸活塞桿位置與主閥的開(kāi)度控制曲線是防反沖控制的關(guān)鍵因素，不同的參數(shù)設(shè)定將產(chǎn)生完全不同的防反沖效果，本研究計(jì)算的防反沖控制參數(shù)可為隔水管張緊系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供相關(guān)的指導(dǎo)參考；

(3) 通過(guò)所建立的模型仿真發(fā)現(xiàn)，液缸的最大速度控制在2 m/s以內(nèi)，系統(tǒng)流量等參數(shù)均在設(shè)計(jì)的工作范圍之內(nèi)，因此，所設(shè)計(jì)的張緊器防反沖閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理；

(4) 研究分析了海況、過(guò)拉力、防反沖主閥閥口最大開(kāi)度以及緊急斷開(kāi)時(shí)刻選擇對(duì)隔水管反沖控制作業(yè)的影響，根據(jù)仿真結(jié)果建議在5級(jí)海浪前進(jìn)行隔水管的回收，建議選擇在135°～270°之間對(duì)隔水管進(jìn)行緊急脫離操作，此仿真分析為進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化防反沖閥提供了參考依據(jù)；

(5) 可進(jìn)一步優(yōu)化主閥開(kāi)度控制曲線和開(kāi)展控制算法優(yōu)化，進(jìn)而優(yōu)化防反沖的相關(guān)過(guò)程，并應(yīng)考慮鉆井液濃度和鉆井液釋放對(duì)鉆井液反沖力的影響。