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

海洋油氣資源的開采過程中，海上平臺和浮式生產(chǎn)儲油裝置（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，均通過海上平臺起重機（以下簡稱吊機）來實現(xiàn)，它為海上平臺的正常生產(chǎn)作業(yè)提供重要保障。

海上吊機均使用液壓傳動的形式，其原動機為柴油機或電動機，帶動著液壓泵，產(chǎn)生的有壓油液通過液壓閥的控制后到達液壓馬達或液壓缸，進而完成卷揚動作或伸縮動作。

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，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。由于油液的流動特點，液壓系統(tǒng)具有非常明顯的污染性，即某一元件損壞時，會將鐵屑雜質(zhì)充滿整個液壓系統(tǒng)，能迅速損壞其它元件。

鑒于以上問題，急需一套監(jiān)測系統(tǒng)，來實現(xiàn)對吊機液壓系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，出現(xiàn)異常時能夠發(fā)出預(yù)警，防止發(fā)生更嚴(yán)重的損壞。同時其存儲的數(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，進而降低運維的綜合成本。

本文以中船華南生產(chǎn)的海上平臺吊機為例，從監(jiān)測系統(tǒng)總體方案、參數(shù)確定、硬件及軟件的實現(xiàn)等方面進行闡述，詳細說明了液壓系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)在海上平臺吊機上的應(yīng)用方法，為其它類似項目提供重要的借鑒和指導(dǎo)。

2 系統(tǒng)總體方案

2．1 海上吊機工作原理

海上平臺吊機是通過一個圓柱形基座固定在海上平臺或FPSO的甲板上，基座與上部轉(zhuǎn)臺通過回轉(zhuǎn)支承連接。桁架式吊臂和A型架安裝在上部轉(zhuǎn)臺上，一般使用銷軸連接，吊臂頭部和A型架頂部通過鋼絲繩相連，外觀整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 海上平臺吊機

海上吊機包含起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)，還包括動力控制系統(tǒng)和安全防護系統(tǒng)。起升機構(gòu)是通過卷繞在起升絞車上的鋼絲繩拉拽吊鉤，進而實現(xiàn)重物的提升和下放。變幅機構(gòu)是通過卷繞在變幅絞車上的鋼絲繩拉拽吊臂頭部，實現(xiàn)吊臂的俯仰角度變化，最終實現(xiàn)變幅動作。而回轉(zhuǎn)機構(gòu)是液壓馬達通過減速器的動力傳遞，將扭矩傳遞到驅(qū)動小齒輪上，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)動作。

綜上，整個設(shè)備的動力傳遞、動作控制等，均由液壓系統(tǒng)來實現(xiàn)。從原動機的聯(lián)軸器和鐘形罩開始，到液壓泵、液壓閥和液壓馬達，均劃分為液壓系統(tǒng)的范疇。

2．2 液壓系統(tǒng)特點

絞車基本組成介紹有個總圖。

海上吊機液壓系統(tǒng)一般采用負載傳感型控制方式，其系統(tǒng)能自動的將負載所需壓力或流量的信號，傳遞到泵變量控制機構(gòu)，使其壓力參量發(fā)生變化，從而調(diào)整供油單元的運行狀態(tài)，使其幾乎僅向系統(tǒng)提供負載所需的液壓功率（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)實現(xiàn)實時的負載適應(yīng)。

一般包含1套變量泵組、1個多路換向閥、1套控制系統(tǒng)、多個液壓馬達，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 海上吊機液壓系統(tǒng)示意圖

2．3 總體方案設(shè)計

目前，海上吊機只能顯示載重量、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?，沒有足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)進行分析，只能通過現(xiàn)象結(jié)果和以往經(jīng)驗來對故障進行判斷。

本監(jiān)測方案是利用現(xiàn)場加裝的各類傳感器，采集海上平臺吊機重要的液壓系統(tǒng)參數(shù)，通過在PLC中編寫的狀態(tài)監(jiān)測程序，構(gòu)建數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對參數(shù)進行實時分析處理，并直觀的顯示出來，讓設(shè)備的操作者和管理者對設(shè)備狀態(tài)有非常清晰的掌握。

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

3 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

3．1 壓力監(jiān)測

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，會出現(xiàn)系統(tǒng)壓力不足或無法建立壓力，或者會出現(xiàn)憋壓等情況。因此，對系統(tǒng)壓力的監(jiān)測有十分重要的意義。

壓力的感知采用的是一種數(shù)字壓力傳感器，其最為主要的特點是非常容易現(xiàn)場安裝及日常使用。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)。通過內(nèi)部的程序設(shè)置，可以將顯示器上的數(shù)字進行垂直翻轉(zhuǎn)180°，方便任何角度查看，所以在安裝時不必過多考慮安裝角度問題。

傳感器的感應(yīng)膜片采用齊平設(shè)計，即感應(yīng)膜片幾乎與安裝表面相平，沒有凹陷結(jié)構(gòu)，不會產(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

流量的穩(wěn)定性直接影響液壓系統(tǒng)的速度性能，執(zhí)行機構(gòu)的運動速度要符合載荷所要求的速度范圍，即低速時不能有爬行現(xiàn)象，高速時不能有沖擊情況，在各動作速度控制時，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)點是不用對原液壓系統(tǒng)管路進行改動，進而不會產(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，具有四種類型的時間軸圖表顯示功能，能夠便捷的確認歷史變化。液晶顯示器可以設(shè)置為閃爍顯示，即使距離較遠，仍可掌握正在運行的傳感器主機。

該傳感器的原理是，測量將超聲波信號從傳感器上的一點傳輸?shù)搅硪稽c所經(jīng)過的時間。當(dāng)流速增加時，信號傳輸?shù)臅r間將會縮短，通過流量時間長短和流速的關(guān)系，便可以對液壓油進行實時的監(jiān)控。超聲波信號的穩(wěn)定傳輸，是監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件，可以通過自動調(diào)節(jié)信號來補償管線內(nèi)外的雜質(zhì)堆積或生銹，實現(xiàn)更長的穩(wěn)定運行時間。

3．3 溫度監(jiān)測

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

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

檢測元件在內(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（圖3）

圖3 海上吊機液壓監(jiān)測系統(tǒng)

海上吊機液壓系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)實時分析、故障預(yù)警、歷史數(shù)據(jù)調(diào)閱等功能，是將各個點位的傳感器數(shù)據(jù)集中進行處理的方式來完成。

對液壓系統(tǒng)的溫度、流量、壓力等重要參數(shù)進行監(jiān)測，對電氣系統(tǒng)的電壓、電流等參數(shù)進行監(jiān)測。實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)可用來實現(xiàn)故障預(yù)警，累積的存儲數(shù)據(jù)可用來指導(dǎo)下一步維護和壽命評估等工作，提升吊機完整性管理的手段。

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，上位機軟件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為一個整體，針對不同類型傳感器，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，具體包括開發(fā)數(shù)據(jù)采集端的驅(qū)動和接口程序，實現(xiàn)本地傳感器配置、數(shù)據(jù)顯示、圖表輸出、本地數(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)，將對故障模型進行自主學(xué)習(xí)，通過對數(shù)據(jù)的分析實現(xiàn)故障預(yù)警功能。

5 結(jié)語

本文闡述的海上吊機液壓監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效監(jiān)測液壓系統(tǒng)運行的重要參數(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。而對于一些較為陳舊的吊機，也可以通過適應(yīng)性改造來實現(xiàn)對其運行參數(shù)的采集和分析處理。

本監(jiān)測系統(tǒng)充分利用現(xiàn)代自動化、智能化的相關(guān)技術(shù)，能夠為海上吊機實現(xiàn)智能化奠定重要的基礎(chǔ)。同時，對海上吊機的維修保養(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值。