CN102288420A - 深水立管提升系统试验装置 - Google Patents

Abstract

一种深水立管提升系统试验装置，设有一立管提升系统样机，该立管提升系统样机固定在一振动平台上，该振动平台与一试验控制监测装置相连，振动平台上固定有一收放绞车缆绳控制装置，该收放绞车控制装置的缆绳连接在立管的上端；一配重架与挂靠平台模拟塔架固定在振动平台一侧的地面上，该配重架与立管下端的钢丝绳连接配重，该挂靠平台模拟塔架的下方固定有一牵引缆控制装置，在张力转换时，牵引缆控制装置的牵引缆绳连接在立管的上端；一电动跑车直线运动装置位于配重架与挂靠平台模拟塔架的下方。本发明可以利用一套试验装置完全在陆地上模拟深海立管安装及其安装工艺过程，为立管提升设备的功能可行性及其自身的安全性提供了依据。

Description

深水立管提升系统试验装置

技术领域

本发明涉及试验装置，尤其涉及一种用于验证深水立管提升设备的安装工艺可行性及安全性的深水立管提升系统试验装置。属于海洋石油工程领域。

背景技术

深水油气田开发是投资高、风险大并且高新技术密集的能源工业新领域。其中，深水立管及水下设施安装过程是深水开发工程中比较复杂，同时，也是极其重要的部分。由于深海安装的高风险性，若直接进行海试则风险大，耗资耗时。所以，在立管安装前，模拟深海中立管安装的整个过程，用于验证理论，并指导实践，以避免不必要的损失。

目前，深水设备的试验验证主要是采用混合模型试验方法，运用大型水池、造波器、激振器等技术设备来模拟海况，但是，专用的大型水池深度有限，数量较少；并且，大型水池的建造耗费人力财力。而对于深水立管提升系统的验证，目前尚无专用的模拟试验装置。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术存在的上述缺点，而提供一种深水立管提升系统试验装置，其可以在陆地上模拟立管安装的提升、下放、收放绞车缆绳牵引缆间的张力转换以及立管挂靠平台的整个过程，通过模拟实验能够充分反映立管的提升、挂靠和下放，在各种海况下船的运动响应、实际立管安装工艺中移船的过程、立管在张力转换过程中的形态以及立管挂靠平台等可能发生的情况，解决了利用一套试验装置完全在陆地上模拟深海立管安装及其安装工艺过程的问题；为立管提升设备的功能可行性及其自身的安全性提供了依据，降低了深水立管提升系统安装风险及安装成本，对深水立管安装工艺的进一步深入研究具有指导意义。

本发明的目的是由以下技术方案实现的：

一种深水立管提升系统试验装置，其特征在于：设有一立管提升系统样机，该立管提升系统样机固定在一振动平台上，该振动平台与一试验控制监测装置相连，振动平台上固定有一收放绞车缆绳控制装置，该收放绞车控制装置的缆绳连接在立管的上端；一配重架与挂靠平台模拟塔架固定在振动平台一侧的地面上，该配重架与立管下端的钢丝绳连接配重，该挂靠平台模拟塔架的下方固定有一牵引缆控制装置，在张力转换时，牵引缆控制装置的牵引缆绳连接在立管的上端；一电动跑车直线运动装置位于配重架与挂靠平台模拟塔架的下方。

所述振动平台为六自由度振动平台，六自由度振动平台的结构主要包括：一上部工作平台、数套伺服液压缸及底座，数套伺服液压缸安装于上部工作平台和底座之间，数套伺服液压缸通过传感器与试验控制监测装置相连，在试验控制监测装置的控制下，振动平台模拟工程船舶在海洋环境下的运动状态。

所述试验控制监测装置包括：工控机、单片机、变频器、牵引缆绳控制装置、收放绞车控制装置、电动跑车直线运动装置、角度传感器、拉力传感器、振动平台、应变片及动态应变仪，该工控机分别与单片机、角度传感器、拉力传感器、振动平台以及动态应变仪相接；其中，一路：单片机通过变频器分别与电动跑车直线运动装置、牵引缆控制装置以及收放绞车缆绳控制装置相连，而电动跑车直线运动装置与连接在配重及立管之间的缆绳相连；二路：牵引缆控制装置通过牵引缆绳与立管相连；三路：收放绞车缆绳控制装置通过收放缆绳与立管相连；振动平台通过立管提升系统样机、应变片与动态应变仪相连，应变片将测得的数据通过动态应变仪传输到工控机处理平台；立管提升系统样机通过收放缆绳与立管相连；角度传感器、拉力传感器的一端分别与工控机相连，另一端分别与立管相连；角度传感器和拉力传感器分别将在立管测得的数据直接传输到工控机处理平台。

所述配重架的结构主要包括：一梯形支撑架，支撑架顶部设有横梁，横梁的中部安装有一滑轮，来自立管提升系统样机中立管尾端的缆绳通过该滑轮，并在缆绳上布置有设定重量的配重，且该配重架与挂靠平台模拟塔架的中平面重合。

所述挂靠平台模拟塔架的结构主要包括：一梯形支撑架，支撑架顶部设有横梁，横梁的中部安装有一滑轮，来自立管首端的牵引绳通过该滑轮并与牵引缆控制装置相连接，且该挂靠平台模拟塔架与配重架的中平面重合。

所述电动跑车直线运动装置与立管提升系统样机在一中平面上，且该电动跑车直线运动装置与配重架的中平面呈一条直线。

所述电动跑车直线运动装置包括：电动跑车装置和直线装置，电动跑车装置安装在直线装置上；其中，直线装置包括：一导轨，该导轨上设有一直齿条，导轨下端安装有一支撑塔架；电动跑车装置包括：电机、减速器、齿轮、滚轮及连接架，其中，减速器的一端安装在电机上，减速器另一端与一齿轮组相连，该齿轮组安装在一连接架上，且与直齿条相啮合，连接架上安装有滚轮。

所述收放绞车缆绳控制装置固定在振动平台的中平面上。

本发明的有益效果：本发明可以在陆地上模拟立管安装的提升、下放、收放绞车缆绳牵引缆间的张力转换以及立管挂靠平台的整个过程，通过模拟实验能够充分反映立管的提升、挂靠和下放，在各种海况下船的运动响应、实际立管安装工艺中移船的过程、立管在张力转换过程中的形态以及立管挂靠平台等可能发生的情况，解决了利用一套试验装置完全在陆地上模拟深海立管安装及其安装工艺过程的问题；为立管提升设备的功能可行性及其自身的安全性提供了依据，降低了深水立管提升系统安装风险、大型船舶的动复员以及水下操作过程等安装成本，为深水立管安装工艺的进一步深入研究具有指导意义。

附图说明：

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明六自由度振动平台结构示意图。

图3为本发明深水立管提升系统样机结构示意图。

图4为本发明电动跑车直线运动装置示意图。

图5电动跑车装置示意图。

图6电动跑车装置齿轮组结构示意图。

图7挂靠平台模拟塔架和配重架示意图。

图8试验测试控制监测装置连接框图。

图中主要标号说明：

1振动平台、11上部工作平台、12伺服液压缸、13底座、2立管提升系统样机、21立管固定装置、22收放线限位装置、23提升系统主体塔架、3立管、4电动跑车直线运动装置、41直线装置、411导轨、412直齿条、413支撑塔架、42电动跑车装置、421电机、422减速器、423大齿轮、424滚轮、425连接架、426小齿轮、427大滚轮、428定滑轮、429连接轴、4210法兰、43底部支座、5挂靠平台模拟塔架、51支撑架、52横梁、53滑轮、54牵引缆绳、55牵引绞车、6配重架、61支撑架、62横梁、63滑轮、64缆绳、65配重、7牵引缆控制装置、8收放绞车缆绳控制装置、81收放缆绳、9工控机、91单片机、92变频器、93应变片、94动态应变仪、95角度传感器、96拉力传感器。

具体实施方式

如图1-图8所示，本发明主要包括：振动平台1、立管提升系统样机2、立管3、电动跑车直线运动装置4、挂靠平台模拟塔架5、配重架6、牵引缆控制装置7及收放绞车缆绳控制装置8，其中，立管提升系统样机2焊接固定在振动平台1上，本实施例的振动平台为六自由度振动平台1。六自由度振动平台1与一试验控制监测装置相连，六自由度振动平台1的结构主要包括：一上部工作平台11、数套伺服液压缸12及底座13，数套伺服液压缸12安装于上部工作平台11和底座13之间，数套伺服液压缸12通过传感器与试验控制监测装置相连，数套伺服液压缸12在试验控制监测装置的控制下模拟工程船舶在海洋环境下的运动状态。并通过伺服液压缸12的协调动作模拟工程船舶的运动，进而保证试验系统模拟的真实可靠性。本实施例的立管提升系统样机2，主要由立管固定装置21、收放线限位装置22、提升系统主体塔架23构成。其中，立管固定装置21位于提升系统主体塔架23的工作平台上，收放线限位装置22位于提升系统主体塔架23工作平台下方，收放线限位装置22与立管固定装置21在竖直方向上二者中心是重合的。

配重架6与挂靠平台模拟塔架5通过膨胀螺栓固定在六自由度振动平台1一侧的地面上，配重架6与挂靠平台模拟塔架5的中平面重合。配重架6的结构主要包括：一梯形支撑架61，支撑架61顶部设有横梁62，横梁62的中部安装有一滑轮63，来自立管提升系统样机2中立管尾端的缆绳64通过该滑轮63，并在缆绳64上布置有设定重量的配重65，且配重架6与挂靠平台模拟塔架5的中平面重合。

挂靠平台模拟塔架5的结构主要包括：一梯形支撑架51，支撑架51顶部设有横梁52，横梁52的中部安装有一滑轮53，来自立管提升系统样机2中立管首端的牵引绳54通过滑轮53与牵引绞车55相连接，且该挂靠平台模拟塔架5与配重架6的中平面重合。

电动跑车直线运动装置4位于配重架6与挂靠平台模拟塔架5的下方，与立管提升系统样机2在一中平面上，且与配重架6的中平面呈一条直线。

电动跑车直线运动装置4包括：电动跑车装置42和直线装置41，电动跑车装置42安装在直线装置41上；其中，直线装置41包括：一导轨411，导轨411上设有一直齿条412，导轨411下端采用焊接方式安装有一底部支座43；

电动跑车装置42包括：电机421、减速器422、由大齿轮423与小齿轮426通过啮合构成的齿轮组、滚轮424、连接架425、大滚轮427、定滑轮428、连接轴429、法兰4210，其中，减速器422的一端通过法兰4210安装在电机421上，减速器422的另一端通过连接轴429上小齿轮426与大齿轮423进行啮合，从而构成齿轮组，齿轮组安装在一连接架425上，且与直齿条412相啮合，大齿轮423通过轴连接大滚轮427，大滚轮与直线装置41的下表面接触，连接架425上安装有滚轮424，滚轮424用于支撑着连接架425，在连接架上方有定滑轮428焊接在其上。

收放绞车缆绳控制装置8通过螺栓固定在六自由度振动平台1的中平面上，牵引缆控制装置7通过膨胀螺栓固定在挂靠平台模拟塔架5的正下方，收放绞车控制装置8的缆绳通过快速接头连接在立管3的上端，而位于立管3下端圆环上的钢丝绳则是通过与配重架6连接配重，在张力转换时，将牵引缆控制装置7的牵引缆绳通过快速接头连接在立管3的上端。

试验控制监测装置包括：工控机9、单片机91、变频器92、牵引缆绳控制装置7、收放绞车控制装置8、电动跑车直线运动装置4、角度传感器95、拉力传感器96、六自由度振动平台1、应变片93及动态应变仪94，工控机9分别与单片机91、角度传感器95、拉力传感器96、六自由度振动平台1以及动态应变仪94相接；其中，一路：单片机91通过变频器94分别与电动跑车直线运动装置4、牵引缆控制装置7以及收放绞车缆绳控制装置8相连，而电动跑车直线运动装置4与连接在配重65及立管3之间的缆绳64相连；二路：牵引缆控制装置7通过牵引缆绳54与立管3相连；三路：收放绞车缆绳控制装置8通过收放缆绳81与立管3相连；六自由度振动平台1通过立管提升系统样机2、应变片93与动态应变仪94相连，应变片93将测得的数据通过动态应变仪94传输到工控机9处理平台；立管提升系统样机2通过收放缆绳81与立管3相连；角度传感器95、拉力传感器96的一端分别与工控机9相连，另一端分别与立管3相连；角度传感器95和拉力传感器96分别将在立管3测得的数据直接传输到工控机9处理平台。

本发明试验运行过程如下：

本发明的试验装置能够模拟立管的提升、下放、张力转换以及立管挂靠平台过程。

在以下的整个工作过程中，将相应的工况输入到六自由度平台控制界面上，控制电脑将控制信号传送给液压伺服阀，通过液压伺服阀来控制各个液压缸的运动，从而来模拟各个海况下海洋石油工程船舶运动的响应。

(1)立管提升过程：启动工控机9，工控机9将指令传送给单片机91，通过单片机91来控制收放绞车缆绳控制装置8，开启液压系统，打开收放线限位装置22，此时，立管3以0.2m/s的速度开始提升，待立管3提升到收放线限位装置22时，将收放线限位装置22收回；当立管3提升到略高于立管固定装置21时，停止提升，闭合立管固定装置21将立管3固定，完成立管3提升过程的模拟；

(2)张力转换过程：将牵引缆绳连接到立管3的封头上，打开立管固定装置21，下放立管3，当立管3下放到收放限位装置22下端时，开启收放线限位装置22，继续下放立管3直至完成立管3下放过程的模拟；然后，开始回收牵引缆绳54，牵引缆绳54逐渐施加拉力，并逐渐将收放绞车缆绳81拉力全部转换到牵引缆绳54上，此时，收放绞车缆绳81处于完全不受力状态，完成张力转换过程。在此过程中，立管模型上有角度传感器95来实时的监测立管3的形态，测得的数据通过控制线传送到工控机9上，工控机9通过对比测得的角度与预设的角度(80°)，来决定收放绞车缆绳控制装置8和牵引缆控制装置7收、放缆绳以及收、放缆绳的速度。单片机91将指令传送给绞车缆绳控制装置8和牵引缆控制装置7的变频器92，通过变频器92来控制其运动。通过收放绞车缆绳控制装置8和牵引缆绳控制装置7保证立管3的角度始终为80°。

(3)挂靠平台：通过单片机9系统将指令传给牵引缆控制装置7，控制电葫芦的提升速度，使得牵引缆绳朝着收绳的方向运动，从而提升立管3，待立管3提升到指定高度时，将立管3挂靠在平台模拟塔架5上，然后，停止提升，完成了立管3挂靠平台的过程模拟。在整个过程中，开启动态应变仪94以及拉力传感器96，使用应变片93对立管提升系统样机2与六自由度运动平台1的连接处受力进行测量，通过拉力传感器96来对整个张力转换过程中张力的变化进行实时测量，利用角度传感器95对过程中的缆绳角度进行实时测量。

立管提升系统样机2及立管3为按实际立管提升系统比例缩小制造；收放牵引绞车、收放绞车缆绳控制装置、牵引缆绳控制装置均为现有装置；电动葫芦、钢丝绳、液压缸、电机、减速器、齿条、工字钢、工控机、单片机、变频器、应变片、动态应变仪、角度传感器、拉力传感器、变频器、采集系统均为市售。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种深水立管提升系统试验装置，其特征在于：设有一立管提升系统样机，该立管提升系统样机固定在一振动平台上，该振动平台与一试验控制监测装置相连，振动平台上固定有一收放绞车缆绳控制装置，该收放绞车控制装置的缆绳连接在立管的上端；一配重架与挂靠平台模拟塔架固定在振动平台一侧的地面上，该配重架与立管下端的钢丝绳连接配重，该挂靠平台模拟塔架的下方固定有一牵引缆控制装置，在张力转换时，牵引缆控制装置的牵引缆绳连接在立管的上端；一电动跑车直线运动装置位于配重架与挂靠平台模拟塔架的下方。

2.根据权利要求1所述的深水立管提升系统试验装置，其特征在于：所述振动平台为六自由度振动平台，六自由度振动平台的结构主要包括：一上部工作平台、数套伺服液压缸及底座，数套伺服液压缸安装于上部工作平台和底座之间，数套伺服液压缸通过传感器与试验控制监测装置相连，在试验控制监测装置的控制下，振动平台模拟工程船舶在海洋环境下的运动状态。

3.根据权利要求1或2所述的深水立管提升系统试验装置，其特征在于：所述试验控制监测装置包括：工控机、单片机、变频器、牵引缆绳控制装置、收放绞车控制装置、电动跑车直线运动装置、角度传感器、拉力传感器、振动平台、应变片及动态应变仪，该工控机分别与单片机、角度传感器、拉力传感器、振动平台以及动态应变仪相接；其中，一路：单片机通过变频器分别与电动跑车直线运动装置、牵引缆控制装置以及收放绞车缆绳控制装置相连，而电动跑车直线运动装置与连接在配重及立管之间的缆绳相连；二路：牵引缆控制装置通过牵引缆绳与立管相连；三路：收放绞车缆绳控制装置通过收放缆绳与立管相连；振动平台通过立管提升系统样机、应变片与动态应变仪相连，应变片将测得的数据通过动态应变仪传输到工控机处理平台；立管提升系统样机通过收放缆绳与立管相连；角度传感器、拉力传感器的一端分别与工控机相连，另一端分别与立管相连；角度传感器和拉力传感器分别将在立管测得的数据直接传输到工控机处理平台。

4.根据权利要求1所述的深水立管提升系统试验装置，其特征在于：所述配重架的结构主要包括：一梯形支撑架，支撑架顶部设有横梁，横梁的中部安装有一滑轮，来自立管提升系统样机中立管尾端的缆绳通过该滑轮，并在缆绳上布置有设定重量的配重，且该配重架与挂靠平台模拟塔架的中平面重合。

5.根据权利要求1或4所述的深水立管提升系统试验装置，其特征在于：所述挂靠平台模拟塔架的结构主要包括：一梯形支撑架，支撑架顶部设有横梁，横梁的中部安装有一滑轮，来自立管首端的牵引绳通过该滑轮并与牵引缆控制装置相连接，且该挂靠平台模拟塔架与配重架的中平面重合。

6.根据权利要求1所述的深水立管提升系统试验装置，其特征在于：所述电动跑车直线运动装置与立管提升系统样机在一中平面上，且该电动跑车直线运动装置与配重架的中平面呈一条直线。

7.根据权利要求1或6所述的深水立管提升系统试验装置，其特征在于：所述电动跑车直线运动装置包括：电动跑车装置和直线装置，电动跑车装置安装在直线装置上；其中，直线装置包括：一导轨，该导轨上设有一直齿条，导轨下端安装有一支撑塔架；电动跑车装置包括：电机、减速器、齿轮、滚轮及连接架，其中，减速器的一端安装在电机上，减速器另一端与一齿轮组相连，该齿轮组安装在一连接架上，且与直齿条相啮合，连接架上安装有滚轮。

8.根据权利要求1所述的深水立管提升系统试验装置，其特征在于：所述收放绞车缆绳控制装置固定在振动平台的中平面上。

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