海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台开发.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 6 期 2023 年 6 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.6 Jun.2023 收稿日期:2023-01-04 基金项目:国家自然科学基金项目(52271300,52071337);国家高技术船舶项目(CBG2N21-4-2);山东省重点研发计划项目(2022CXGC020402);中国石油大学(华东)教学改革项目(CM2022032)作者简介:刘秀全(1987),男,山东枣庄,博士,副教授,主要研究方向为海洋油气装备与安全技术,。引文格式:刘秀全,李彦伟,王向磊,等.海洋钻井
2、隔水管悬挂动力学控制实验平台开发J.实验技术与管理,2023,40(6):168-172.Cite this article:LIU X Q,LI Y W,WANG X L,et al.Development of experimental platform for hang-off dynamics control of offshore drilling risersJ.Experimental Technology and Management,2023,40(6):168-172.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/k
3、i.sjg.2023.06.026 海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台开发 刘秀全,李彦伟,王向磊,黄鲁蒙,畅元江(中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心,山东 青岛 266580)摘 要:该文开发了一种海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台。平台使用六自由度平台模拟海洋浮式钻井平台的运动,并基于集中质量法和动力学相似原理,设计了隔水管缩尺模型。实验平台的悬挂系统可实现上冲程控制、下冲程控制和非控制锁死 3 种动作,测控系统使用监视与控制通用系统(MCGS)组态软件、可编程逻辑控制器(PLC)和 PID 控制算法开发。通过使用该实验平台,学生可以增加对海洋钻井隔水管悬挂动力学控制的
4、感性认识,通过实际动手操作训练可加深对隔水管悬挂动力学控制理论、技术和装置的理解,提升教学效果并培养学生的创新意识。关键词:海洋钻井;隔水管;悬挂动力学;动力学控制;实验平台 中图分类号:TE52 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)06-0168-05 Development of experimental platform for hang-off dynamics control of offshore drilling risers LIU Xiuquan,LI Yanwei,WANG Xianglei,HUANG Lumeng,CHANG Yuanjiang(Ce
5、ntre for Offshore Engineering and Safety Technology,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)Abstract:In this paper,an experimental platform for dynamic control of offshore drilling riser suspensions in offshore drilling is developed.A six-degree-of-freedom platform is used to simulate the
6、 motion of offshore floating drilling platform.A scale model of riser is designed based on the centralized mass method and dynamic similarity principle.The suspension system of the experimental platform can realize 3 kinds of actions:up stroke control,down stroke control and non-control locking.The
7、measurement and control system is developed by using monitor and control generated system(MCGS)configuration software,Siemens S7-1200 programmable logic controller(PLC)and proportion integral derivative(PID)control algorithm.By using this experimental platform,students can increase their perceptual
8、knowledge of the dynamic control of riser suspension in offshore drilling.Through practical hands-on training,they can deepen their understanding of the theory,technology and device of riser suspension dynamic control,improve the teaching effect and cultivate students innovative consciousness.Key wo
9、rds:offshore drilling;riser;hang-off dynamics;dynamics control;experimental platform 海洋钻井隔水管是连接海面浮式钻井平台与海底井口的关键装备,是海洋油气勘探开发的“咽喉”。在台风、平台失位等场景下,需要将钻井隔水管从底部解脱并悬挂于海洋浮式钻井平台上。由于受到海洋浮式钻井平台升沉运动的激励作用,钻井隔水管会产生剧烈的悬挂动力响应,易发生隔水管悬挂失效事故,影响海洋油气开发1-3。因此,海洋钻井隔水管悬挂动力学是海洋油气安全高效开发的重要理论基础,同时也是海洋工程结构动力学和海洋石油装备概论等课程的重要教学内容
10、。针对海洋钻井隔水管悬挂动力学问题,国内外学者基于牛顿第二定律4、哈密顿原理5等建立了海洋 刘秀全,等:海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台开发 169 钻井隔水管悬挂动力学模型,逐步发展并形成了有限单元法6、集中质量法7、柔性分段模型法8、有限差分法9等分析方法。近年来,国内学者提出了一套专用的海洋钻井隔水管悬挂系统,通过驱动补偿液压缸带动隔水管进行悬挂运动补偿,提高海洋浮式钻井平台悬挂隔水管的环境适应能力,保障作业的安全10-12,这些理论、技术和装置的发展为海洋油气安全高效开发等实际工程提供了重要支撑,也拓展了相关课堂教学内容。然而,由于缺乏相应的海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台,在
11、将新发展的海洋钻井隔水管悬挂动力学控制理论引入课堂教学时,学生难以获得感性认识和实际动手操作训练。针对以上问题,本文基于动力学相似原理开发了海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台。该实验平台使用监视与控制通用系统(monitor and control generated system,MCGS)组态软件、可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)和 PID(proportion integral derivative)控制算法等,可直观展示隔水管悬挂动力学控制原理和过程。通过实验教学,学生可以深入理解隔水管悬挂动力学控制理论、原理与技术。此外,该平台
12、与课堂理论教学相互补充,实现了教学效果的提升。1 总体设计方案 海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台总体设计方案如图 1 所示。实验平台主要包括六自由度平台、隔水管缩尺模型、悬挂系统和测控系统。六自由度平台安装在 10 m 高的台架顶部,用于模拟海洋浮式钻井平台运动。悬挂系统是由液压缸和液压系统构成的机 图 1 实验平台的总体设计方案 械液压系统,安装在六自由度平台的顶部,用于控制隔水管悬挂动态载荷。隔水管缩尺模型模拟悬挂的隔水管系统,其顶部与悬挂系统连接,其底部与隔水管底部总成连接,并自由悬挂于水中。测控系统实时监测隔水管系统的动力响应,通过控制液压系统,最终实现对隔水管系统悬挂动力响应的控
13、制。在实验过程中,隔水管缩尺模型受到六自由度平台的激励,产生悬挂动态载荷,如图 2 所示。如果隔水管悬挂动态载荷过大,会出现悬挂断裂失效事故;如果隔水管悬挂动态载荷过小,会出现轴向动态压缩。测控系统根据得到的偏差,控制悬挂系统的节流阀开度和电磁换向阀的开关(图 1),液压系统驱动液压缸活塞杆运动控制隔水管悬挂载荷。控制策略采用“刚柔并济”的理念,如图 2 所示,控制区为柔性补偿区,非控制区为刚性不补偿区。通过驱动悬挂系统的液压缸活塞杆缩回,削减过大的载荷,防止隔水管悬挂断裂失效;通过驱动悬挂系统液压缸活塞杆伸出,提高过小载荷,防止隔水管动态压缩,实现对载荷极值区域的控制。在控制区驱动液压缸活塞
14、杆,以减小隔水管悬挂系统尺寸和控制过程中的能耗,并实现隔水管悬挂系统智能与绿色的设计目标。图 2 悬挂动载控制效果图 2 实验系统设计 2.1 六自由度平台 图 1 中的六自由度平台底座尺寸为 1 470 mm 1 695 mm,顶部动平台的尺寸为 1 200 mm1 200 mm,通过 6 个伺服电机驱动的电动缸连接底座和顶部动平台。6 个电动缸可独立进行伸缩运动(通过伺服驱动器控制),驱动顶部动平台完成笛卡尔坐标系内的 3个平移运动和绕 3 个坐标轴的转动。本实验主要利用六自由度平台的上下运动模拟海洋浮式钻井平台的升沉运动,从而激励隔水管缩尺模型产生悬挂动态载荷。平台的有效负载为 1 50
15、0 kg,升沉运动的最大幅值为0.243 m、最大速度为 0.3 m/s,可满足隔水管悬挂动力学实验测试要求。170 实 验 技 术 与 管 理 2.2 隔水管缩尺模型 海洋钻井隔水管系统为细长柔性体。集中质量法为隔水管悬挂动力学模拟的有效方法,基本理论是把隔水管系统看作由一系列“质量-弹簧-阻尼”单元串联组成的系统,如图 3 所示。隔水管悬挂动力学的一般方程可表示为7 MxCxKxF(1)式中,M 为质量矩阵;C 为阻尼矩阵;K 为刚度矩阵;F 为载荷向量;x 为隔水管轴向位移向量;x为隔水管轴向速度向量;x为隔水管轴向加速度向量。图 3 隔水管悬挂动力学模型 基于动力学相似原理,对隔水管系
16、统悬挂动力学参数进行缩尺,理想的缩尺模型是对 M、C、K 和 F等比缩尺,缩尺前后的动力学特性保持不变。因此,本文设计了隔水管“质量-弹簧-阻尼”缩尺模型单根,主要由配重块、弹簧、阻尼器和管体等组成,如图 4(a)所示。管体及其内部配重块用于适配缩尺后的隔水管质量;弹簧用于适配缩尺后的隔水管轴向刚度;阻尼器用于适配缩尺后的隔水管结构阻尼;管体外形尺寸用于适配缩尺后的轴向水动力载荷。通过两端的盖板和密封垫将配重块、弹簧、阻尼器封装在管体内部,各个隔水管缩尺模型单根之间通过法兰连接组成隔水管系统。本研究团队共设计加工了 8 个隔水管缩尺模型单根,实物如图 4(b)所示,每个隔水管缩尺模型单根的长度
17、为 1 m,通过 8 个缩尺模型单根的串联组成隔水管缩尺试验模型。2.3 悬挂系统 本文设计的悬挂系统主要由液压缸与液压系统两部分组成。液压缸为中空的环形液压缸,悬挂短节穿过中空的环形液压缸,通过卡块与液压缸的活塞杆连接;液压系统由油箱、液压泵、过滤器、蓄能器、单向阀、速闭阀、溢流阀、比例节流阀、电磁换向阀、图 4 隔水管缩尺模型单根 PLC 等组成,如图 5 所示。在液压系统工作时,液压泵向蓄能器充油并维持蓄能器压力稳定;通过调节电磁换向阀的阀位与比例节流阀的阀口开度,形成三种回路,推动液压缸活塞杆实现过小悬挂载荷上冲程控制、过大悬挂载荷下冲程控制和非控制锁死 3 种动作。图 5 悬挂系统设
18、计原理图 (1)过小悬挂载荷上冲程控制。电磁换向阀的阀芯推向一侧,打通比例节流阀与蓄能器之间的油路,调节比例节流阀的阀口开度,蓄能器中液压油流入液压缸,推动液压缸的活塞杆伸出,以提高过小悬挂载荷,防止隔水管动态压缩。(2)过大悬挂载荷下冲程控制。电磁换向阀的阀芯推向另一侧,打通比例节流阀与油箱之间的油路,调节比例节流阀的开度,使液压缸中液压油流回油箱,刘秀全,等:海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台开发 171 液压缸的活塞杆缩回,以削减过大悬挂载荷,防止隔水管悬挂断裂失效。(3)非控制锁死。电磁换向阀的阀芯位于中间位置,关闭比例节流阀的阀口,封闭液压缸的无杆腔与有杆腔端油路,液压缸的活塞杆锁
19、死,不对隔水管悬挂载荷进行控制。此外,为了保障实验过程中液压系统的安全,当液压系统出现失压或管线爆裂现象时,速闭阀会快速关闭,防止隔水管缩尺模型突然跌落。当液压系统超压时,液压油经溢流阀流回油箱,防止出现液压系统压力过高的情况。2.4 测控系统 海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台的测控系统设计如图 6 所示,主要包括上位机、下位机、传感器和执行器。上位机为人机交互的载体,是控制系统宏观指令的制订层;下位机是具体控制指令的制订层,也是控制系统的执行中枢;传感器实时监测实验系统的关键参数,包括液压缸的活塞杆伸出量、液压缸的无杆腔压力(蓄能器压力)和隔水管悬挂动载;执行器为下位机指令的执行终端,用
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