CN102398856A - 深海作业起重机用主动补偿系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种深海作业起重机用主动补偿系统，其对设于浮动艇筏的深海作业起重机的马达和头部的动作进行控制，以不受浮动艇筏的移动的影响的方式，控制深海作业起重机的位置，头部由井顶和采油树组成。其包括：MRU，其监测浮动艇筏的移动；伺服阀，其控制马达的旋转角和转矩、卷扬机的旋转速度；控制板，其中已设定有外围程序；主动补偿装置，其利用浮动艇筏的移动信息和由控制板控制的信息，用PLC连续控制采油树的位置；以及驱动控制装置，其接收马达的旋转角和转矩信息以及卷扬机的旋转速度信息，控制卷扬机的旋转速度，其中，驱动控制装置由主动补偿装置用PLC进行控制，并从控制板接收外围程序的信号，从而变更马达的旋转角而且维持马达的转矩。

Description

深海作业起重机用主动补偿系统
技术领域
本发明涉及一种深海作业起重机用主动补偿系统。
背景技术
由于世界天然能源日益减少而在海洋开采能源的工程越加速，为开采这些能源所需的浮式生产储油装置(FPSO)、深海钻井船(Drillship)等的产品需求也猛速增加，石油和燃气等的开采作业也呈现日益增加的趋势。
并且，由于目前全世界对能源的需求增加，而用于开发能源的船舶以及海洋设备产业持续发展，进而对大型、能精密控制的起重机的需求越来越增加。
世界性的船主或者石油公司不仅需要这些相关的船舶，同时也需要用于操纵在深海运用或者被设置的钻采装备(比如；ROV、X-mastree、BOP、Riser)的起重机。
而且替代依赖于高费用的供应船，使用安装在船体上的起升起重机进行作业，在生产方面和经济方面更有效率，这是已经认定的事实。因此对这方面的研究也很活跃。
其中，需要研究的是为运用船舶的主要装备(X-mas tree、Wellhead等)而所需的能精密控制的起重机。
发明内容
为解决上述的技术问题，本发明的目的为提供一种深海作业起重机用主动补偿系统，其以浮动艇筏的移动数据为基础，以PLC控制对马达动作的控制信号，从而在深海作业时，安装在起重机头部的采油树(X-mas tree)的位置可以以不受浮动艇筏的移动的影响的方式被控制。
根据本发明的第一方面的深海作业起重机用主动补偿系统，其对设于浮动艇筏的深海作业起重机的马达和头部的动作进行控制，以不受上述浮动艇筏的移动的影响的方式，控制上述深海作业起重机的位置，其特征在于，上述头部由安装在油井上部的井顶以及与上述井顶连接的包括多个阀门的采油树组成，并且，上述主动补偿系统包括：MRU(运动参照装置，Motion Reference Unit)，其安装在上述浮动艇筏或者上述深海作业起重机上而监测上述浮动艇筏的移动；伺服阀，其控制上述马达的旋转角和转矩、以及连接在上述马达和上述头部之间的卷扬机的旋转速度；控制板，其中已设定有外围程序；主动补偿装置(Active Heave Compensation Unit)，其利用由上述MRU监测到的上述浮动艇筏的移动信息和由上述控制板控制的信息，用PLC(可编程序控制器，Programmable Logic Controller)连续控制上述采油树的位置；以及驱动控制装置，其从上述马达和上述卷扬机接收上述马达的旋转角和转矩信息以及上述卷扬机的旋转速度信息，控制上述卷扬机的旋转速度，其中，上述驱动控制装置由上述主动补偿装置用PLC进行控制，并从上述控制板接收上述外围程序的信号，从而变更上述马达的旋转角而且维持上述马达的转矩。
根据本发明的第二方面的深海作业起重机用主动补偿系统，其特征在于，上述卷扬机是一种提升卷扬机，其以油压为动力通过缩放起升钢丝绳的旋转动作补正上述采油树的位置。
根据本发明的第三方面的深海作业起重机用主动补偿系统，其特征在于，上述驱动控制装置由数字闭环(Digital Closed Loop)组成。
根据本发明的第四方面的深海作业起重机用主动补偿系统，其特征在于，上述伺服阀(Servo valve)安装在上述马达的前端，而且包括传感器部和反馈部，将由上述传感器部监测到的上述马达的驱动信息，通过上述反馈部传送给上述驱动控制装置。
根据本发明的第五方面的深海作业起重机用主动补偿系统，其特征在于，上述外围程序由一般卷上、卷下动作模式、自重卷下动作模式、主动补偿模式、准备模式组成。
根据本发明的第六方面的深海作业起重机用主动补偿系统，其特征在于，上述MRU在上述外围程序为主动补偿模式时进行启动。
根据本发明的第七方面的深海作业起重机用主动补偿系统，其特征在于，在采油树的外表面上喷涂涂层，该涂层通过下述方式形成：在由96～98％的三氧化二铬(Cr2O3)和2～4％的二氧化钛(TiO2)混合组成的陶瓷粉末、三氧化二铬(Cr2O3)粉末、氧化铝(Al2O3)粉末、二氧化钛(TiO2)粉末、三氧化二钇(Y2O3)粉末、氧化锆(ZrO2)粉末、镍铬碳化铬(Cr3C225NiCr)粉末(chromium carbide 75％，nickel20％，chromium 5％)当中，选择任意一种具有10～44μm的粉末粒度的粉末，将具有上述粉末粒度的粉末热喷涂在采油树的外表面上。
如上所述，根据本发明，由于以浮动艇筏的移动数据为基础，以PLC控制对马达的动作的控制信号，因此在深海作业时，安装在起重机头部上的采油树的位置可以以不受浮动艇筏的移动的影响的方式被控制。
除了如上所述的本发明要解决的技术问题、技术问题的解决手段以及效果以外，具体的事项都包括在下面要记载的实施例和附图中。通过参照附图在后面详细说明的实施例，本领域的技术人员会很明确本发明的优点和特点以及实现这些的方法。在整个说明书中，同样的附图标记指代同样的结构要素。
附图说明
图1是适用根据本发明的深海作业起重机用主动补偿系统的浮动艇筏和深海作业起重机的示意图。
图2是根据本发明的深海作业起重机用主动补偿系统的结构示意图。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的实施例。但是，本领域技术人员应该清楚地知晓附图只是起到更加容易地解释本发明内容的作用，本发明的范围并不被限制在附图范围内。
图1是适用根据本发明的深海作业起重机用主动补偿系统的浮动艇筏(floating craft)和深海作业起重机的示意图，而且图2是根据本发明的深海作业起重机用主动补偿系统的结构示意图。
如图1所示，在利用能源开采船舶或者石油钻采装备用海洋设备产业的浮动艇筏10进行深海作业时，可以将根据本发明的深海作业起重机用主动补偿系统A应用于安装在上述浮动艇筏10上的起重机20。更详细地说，应用于安装在石油、燃气等开采作业时使用的浮式生产储油装置(FPSO)、深海钻井船(Drillship)等上的起重机20，从而以电子方式控制安装在上述起重机20上的采油树(X-mas tree)700的位置。
一般来说，石油、燃气等开采作业时使用的浮式生产储油装置或者深海钻井船，利用液压缸方式控制采油树700的位置。但是如使用这样的液压缸方式，在挂钩的前端安装机械式液压缸时，则如下述表1所示，与本发明的深海作业起重机用主动补偿系统的伺服马达方式比较，重量更重、需要更宽的设置空间以及需要更多的费用成本、控制精准度也很低，并且在运转时在时间上有限制，因此给使用者带来很多不便。
表一
  项目  液压缸方式   伺服马达方式
  重量  150％   100％
  设置空间  200％   100％
  精准度  60～70％   90～95％
  费用  120％   100％
  运转方法  时间上有限制   在时间上没有限制(具有连续性)
  适用领域  供应船(Supply Boat)   浮式生产储油装置(FPSO)
如图2所示，根据本发明的深海作业起重机用主动补偿系统A，控制安装在浮动艇筏10上的深海作业起重机20的马达500与头部700的动作，以不受上述浮动艇筏10的移动的影响的方式，控制上述深海作业起重机20的位置。另一方面，上述头部700由安装在油井上部的井顶720以及与上述井顶连接的包括多个阀门的采油树710构成。
更详细地说，根据本发明的深海作业起重机用主动补偿系统A，包括；MRU(运动参照装置，Motion Reference Unit)，其安装在上述浮动艇筏10或者上述深海作业起重机20上而监测上述浮动艇筏10的移动；伺服阀(Servo valve)550，其控制马达500的旋转角和转矩、以及连接在上述马达500和上述头部700之间的卷扬机600的旋转速度；控制板300，其中已设定有外围程序；主动补偿装置(Active Heave Compensation Unit)200，其利用由上述MRU 100监测到的上述浮动艇筏10的移动信息和由上述控制板300控制的信息，用PLC(可编程序控制器，Programmable Logic Controller)连续控制上述采油树710的位置；以及驱动控制装置400，其从上述马达500和上述卷扬机600接收上述马达500的旋转角和转矩、以及上述卷扬机600的旋转速度信息，由上述主动补偿装置200用PLC进行控制，从上述控制板300接收上述外围程序的信号，从而变更上述马达500的旋转角而且维持上述马达500的转矩，并且调整上述卷扬机600的旋转速度。
在此，上述马达500优选使用液压马达(Hydraulic Motor)，即伺服马达(Servo Motor)(以下简称为辅助(Secondary)马达)。
在此，上述卷扬机600优选使用以油压为动力通过缩放起升钢丝绳(未图示)的旋转动作补正上述采油树(X-mas tree)的位置的、即能够提升或者放下上述采油树(X-mas tree)的提升卷扬机。
上述驱动控制装置400由数字闭环(Digital Closed Loop)组成。上述驱动控制装置400与上述马达500连接，将由安装在上述马达500的前端的伺服阀550的传感器部(未图示)监测到的油量和压力值与预先设定的控制值进行比较，从而控制上述马达500的旋转角和压力。
上述伺服阀550安装在上述马达500的前端而监测上述马达500的旋转角和转矩，然后将这些信息传送给上述驱动控制装置400，并且以上述传送的监测值为基础，由上述驱动控制装置400传送的控制信息可以控制上述马达500的旋转角和转矩。另外上述伺服阀550虽然没有图示，但其包括传感器部和反馈部，将由上述传感器部监测到的上述马达500的驱动信息，通过上述反馈部传送到上述驱动控制装置400。
上述外围程序由一般卷上、卷下动作模式、自重卷下动作模式、主动补偿模式、准备模式组成。一般卷上、卷下动作模式指在一般的卷上、卷下动作区间按照此模式使马达500动作。自重卷下动作模式指在受自重即重力(Gravity)影响的卷下动作区间按照此模式使马达500运作。而且，在主动补偿模式时，上述MRU 100进行启动，监测上述浮动艇筏10的移动(即浮动艇筏的位移、速度、加速度)信息，利用监测到的信息，在深海使采油树710稳定作业。并且，准备模式指在上述主动补偿装置200进行启动的同时，在卷下动作模式区间进行动作的模式。在此，上述MRU 100在上述外围程序设定为主动补偿模式时进行启动。
并且，虽然没有图示，但在本发明的主动补偿系统A中可以附加设置深海作业用机器人ROV(遥控水下航行器，remotely operatedvehicles)或者用于防止因油井释放的燃气引起爆炸的装备BOP(防喷器，blowout preventer)，从而可以提高深海作业用起重机的作业效率。
根据如上述结构构成的本发明的深海作业起重机用主动补偿系统A，将作为石油钻采装备的采油树710能安全地组装在安装于1500m以上的深海底的井顶720上。借此，本发明的深海作业起重机用主动补偿系统A以浮动艇筏10的移动数据为基础，用PLC对马达500的动作的控制信号进行控制，从而在深海作业时，安装在起重机20的头部700上的采油树710的位置可以以不受浮动艇筏的移动的影响的方式被控制。
而且，在采油树710的外表面上喷涂涂层，该涂层通过下述方式形成：在由96～98％的三氧化二铬(Cr2O3)和2～4％的二氧化钛(TiO2)混合组成的陶瓷粉末、三氧化二铬(Cr2O3)粉末、氧化铝(Al2O3)粉末、二氧化钛(TiO2)粉末、三氧化二钇(Y2O3)粉末、氧化锆(ZrO2)粉末、镍铬碳化铬(Cr3C2 25NiCr)粉末(chromium carbide 75％，nickel20％，chromium 5％)当中，选择任意一种具有10～44μm的粉末粒度的粉末，将具有上述粉末粒度的粉末热喷涂在采油树710的外表面上。
在对采油树710进行喷砂处理(Sand Blasting)、清洁处理(cleaning)之后，在其外表面上进行上述喷涂。
通过下述的方式进行如上所述的喷涂：在由96～98％的三氧化二铬(Cr2O3)和2～4％的二氧化钛(TiO2)混合组成的陶瓷粉末、三氧化二铬(Cr2O3)粉末、氧化铝(Al2O3)粉末、二氧化钛(TiO2)粉末、三氧化二钇(Y2O3)粉末、氧化锆(ZrO2)粉末、镍铬碳化铬(Cr3C2 25NiCr)粉末(chromium carbide 75％，nickel 20％，chromium 5％)当中，选择任意一种具有10～44μm的粉末粒度的粉末，将具有上述粉末粒度的粉末热喷涂在采油树710的外表面上。
三氧化二铬(Cr2O3)起到钝化层(Passivity Layer)的作用，阻止氧气向金属内部侵入，从而防止生锈。
二氧化钛(TiO2)，由于在物理化学上非常稳定，而且隐蔽力高而多用于白色颜料，并且由于折射率高而多用于高折射率的陶瓷，并且具有光催化性、超亲水性的特点。二氧化钛(TiO2)具有空气净化作用、抗菌作用、分解有害物质作用、防止污染功能、防止变色功能。具有上述特点的二氧化钛(TiO2)使涂层101可靠地被覆在鼓轮驱动轴100外表面上，并且分解、清除附着在采油树710上的异物，从而防止采油树710的损伤。
在此，如将三氧化二铬(Cr2O3)与二氧化钛(TiO2)混合使用时，它们的混合比例优选为在96～98％的三氧化二铬(Cr2O3)中混合2～4％的二氧化钛(TiO2)。
三氧化二铬(Cr2O3)的混合比例如少于96～98％，则在高温等环境下，三氧化二铬(Cr2O3)的被覆经常被破坏，因此采油树710的防锈效果大幅度下降。
二氧化钛(TiO2)的混合比例如少于2～4％，则二氧化钛(TiO2)的效果降低很多，导致失去与三氧化二铬(Cr2O3)混合的目的。即二氧化钛(TiO2)分解、清除附着在采油树710外表面上的异物，从而防止采油树710的损伤，但如其混合比例少于2～4％时，分解附着的异物需要很长时间。
氧化铝(Al2O3)喷涂于采油树710的外表面时，由于其涂层被膜很均匀而且没有孔隙而可以可靠地保护采油树710的外表面。这种氧化铝(Al2O3)的熔点很高，为2050℃，因此在高温下也可以保护采油树710，而且在防止氧化方面很有效果。因此，喷涂于采油树710的氧化铝(Al2O3)阻止海水或者空气接触于采油树710的外表面，从而防止采油树710的氧化。
三氧化二钇(Y2O3)具有较好的耐热性、耐高温氧化性、耐腐蚀性，即使处于等离子腐蚀气氛当中，也仍然具有耐等离子腐蚀性，比较适合用于热喷涂。
氧化锆(ZrO2)是具有高熔融温度(约2,700℃)的耐热性材料，除此以外，热传导度低，而且具有从酸性至碱性领域的较宽的耐化学稳定性，并且具有热膨胀性低、高强度、高硬度(莫氏硬度7.0以上)的耐摩擦性等较好的材料特点。
镍铬碳化铬(Cr3C2 25NiCr)粉末由75％的碳化铬(chromiumcarbide)、20％的镍(nickel)、5％的铬(chromium)混合组成。
通过等离子喷涂方式形成由在这些材料当中选择的一种材料组成的涂层，使得该涂层以50～600μm的厚度形成于采油树710的外表面上，并维持硬度为900～1000HV、表面糙度为0.1～0.3μm。
将在上述粉末当中选择的一种粉末与14000℃气体以马赫2程度的速度喷射在采油树710的外表面上而形成上述涂层。
如涂层的厚度薄于50，则无法保障上述陶瓷涂层的效果，但如涂层的厚度厚于600μm，则上述效果基本上没有得到提高，相反，为过量的陶瓷涂层的作业，要浪费更多的作业时间和材料费。
在向采油树710喷涂涂层的过程当中，采油树710的温度会上升，为了防止采油树710的变形，将采油树710利用冷却装置(未图示)冷却，从而使温度维持为150～200℃。
在采油树710的外表面上形成涂层的热喷涂法为将金属、陶瓷以及这些材料的混合物注入在高温的气体火焰(gas-flame)或者等离子体(plasma)内，然后以熔融或者半熔融状态高速喷射而在母材的表面上形成被膜的表面处理技术。
在热喷涂件的钨阴极和Cu阳极的喷嘴之间加上电能就会发生电弧，其中如流入气体或者气体混合物就会发生等离子体。在此等离子体指的是：如将分子状态的气体在高温下加热的话，会解离为原子，在此加上能量而会放出电子的状态。等离子体可以有效地用于具有高能量的热源。作为热喷涂热源的等离子体射流(plasma jet)的特点如下所述。
由于是能量密度较高的热源，所以较容易对高熔点金属或者陶瓷进行热喷涂。由于只要是对金属、陶瓷、塑胶等具有比较安全熔融现象的物质就可以进行热喷涂，所以被膜材料的选择领域比较广。由于等离子体射流的速度高，而热喷涂材料高速地碰撞于被处理物，从而可以获得高密强度、高密度的被膜。由于容易实现大量输出，单位时间的热喷涂量较大，因此工作效率高，具有经济性。由于是无氧、无炭、清洁的热化学活性热源，而热喷涂材料的污染和变化很小。
根据热源的种类和条件，对热喷涂飞行粒子的温度、停留时间(dwell time)、与氛围气体成分接触的时间、尤其是与母材表面的碰撞能量、冷凝速度等带来变化。即热喷涂被膜的物理化学性质会有很大的变化。
注入在等离子体火焰内的热喷涂材料被热源加热熔融，通过等离子体射流超高速飞行。由于飞行中的熔融粒子与空气接触而在其周围形成氧化被膜，并且在该状态下与母材碰撞，因此在采油树710上形成的热喷涂被膜具有如在表面上形成氧化膜的无数微粒子堆积那样的断面结构。
适用于热喷涂的粉末粒度优选为10～44μm。热喷涂的微粒度不足10μm时，在热喷涂过程中会容易变为蒸汽化，但热喷涂的微粒度超过44μm时，在热喷涂过程中会发生未熔融，因此热喷涂的粉末粒度优选为10～44μm。并且，对热喷涂被膜的质量影响较大的是粒度分布，如粒度差较大，则由于各粉末粒子从热源获得的能量和飞行轨道会不同，而涂层的组成和物性的均等性会下降。因此需要严格控制热喷涂粉末的粒度分布。
为使热喷涂件的供应速度维持既均匀又稳定，而且为使供应粉末均匀地加热，即为提高熔融粒子的流动性，在上述的粉末粒度内，粉末的形状优选为球状。
在涂层的外表面可以喷涂利用由金属系玻璃石英系组成的三氧化铬(CrO3)构成的密封材料(未图示)。三氧化铬是一种无机密封材料，可以喷涂在由镍铬碳化铬粉末构成的涂层的外表面上。
三氧化铬(CrO3)用于需要高耐磨性、润滑性、耐热性、耐腐性、异型性的地方，在空气中不变色，耐久性大，耐磨性和耐腐性较好。如在涂层的外表面上喷涂密封材料时，其喷涂厚度优选为0.3～0.5μm。如密封材料的喷涂厚度不足0.3μm，则即使是轻微的刮痕，密封材料也容易被凹陷而脱落，得不到上述的效果。如涂得太厚而密封材料的涂层厚度超过0.5μm，则在喷涂面上会产生很多针孔(pin hole)和裂缝等。因此，密封材料的喷涂厚度优选为0.3～0.5μm左右。
根据本发明的上述采油树710，由于喷涂在其外表面上的涂层而强度和硬度增加，耐腐性提高，即使有外部的冲击，其表面也不会容易受损，因此长时间在海水里使用也不腐蚀。
以上所说明的本发明并不限定于前述实施例以及附图，在不脱离本发明技术思想的范围内能够进行各种替换、变形以及变更，这对于本发明所属的技术领域中具有普通知识的技术人员而言是不言而喻的。

Claims (7)

1.一种深海作业起重机用主动补偿系统，其对设于浮动艇筏(10)的深海作业起重机(20)的马达(500)和头部(700)的动作进行控制，以不受上述浮动艇筏(10)的移动的影响的方式，控制上述深海作业起重机(20)的位置，其特征在于，
上述头部(700)由安装在油井上部的井顶(720)以及与上述井顶连接的包括多个阀门的采油树(710)组成，
并且，上述主动补偿系统包括：
MRU(运动参照装置，Motion Reference Unit)(100)，其安装在上述浮动艇筏(10)或者上述深海作业起重机(20)上而监测上述浮动艇筏(10)的移动；
伺服阀(550)，其控制上述马达(500)的旋转角和转矩、以及连接在上述马达(500)和上述头部(700)之间的卷扬机(600)的旋转速度；
控制板(300)，其中已设定有外围程序；
主动补偿装置(Active Heave Compensation Unit)(200)，其利用由上述MRU(100)监测到的上述浮动艇筏(10)的移动信息和由上述控制板(300)控制的信息，用PLC(可编程序控制器，Programmable Logic Controller)连续控制上述采油树(710)的位置；以及
驱动控制装置(400)，其从上述马达(500)和上述卷扬机(600)接收上述马达(500)的旋转角和转矩信息以及上述卷扬机(600)的旋转速度信息，控制上述卷扬机(600)的旋转速度，
其中，上述驱动控制装置(400)由上述主动补偿装置(200)用PLC进行控制，并从上述控制板(300)接收上述外围程序的信号，从而变更上述马达(500)的旋转角而且维持上述马达(500)的转矩。
2.如权利要求1所述的深海作业起重机用主动补偿系统，其特征在于，
上述卷扬机(600)是一种提升卷扬机，其以油压为动力通过缩放起升钢丝绳的旋转动作补正上述采油树(710)的位置。
3.如权利要求1所述的深海作业起重机用主动补偿系统，其特征在于，
上述驱动控制装置(400)由数字闭环(Digital Closed Loop)组成。
4.如权利要求1所述的深海作业起重机用主动补偿系统，其特征在于，
上述伺服阀(Servo valve)(550)安装在上述马达(500)的前端，而且包括传感器部和反馈部，将由上述传感器部监测到的上述马达(500)的驱动信息，通过上述反馈部传送给上述驱动控制装置(400)。
5.如权利要求1所述的深海作业起重机用主动补偿系统，其特征在于，
上述外围程序由一般卷上、卷下动作模式、自重卷下动作模式、主动补偿模式、准备模式组成。
6.如权利要求5所述的深海作业起重机用主动补偿系统，其特征在于，
上述MRU(100)在上述外围程序为主动补偿模式时进行启动。
7.如权利要求1所述的深海作业起重机用主动补偿系统，其特征在于，
在采油树(710)的外表面上喷涂涂层，
该涂层通过下述方式形成：在由96～98％的三氧化二铬(Cr2O3)和2～4％的二氧化钛(TiO2)混合组成的陶瓷粉末、三氧化二铬(Cr2O3)粉末、氧化铝(Al2O3)粉末、二氧化钛(TiO2)粉末、三氧化二钇(Y2O3)粉末、氧化锆(ZrO2)粉末、镍铬碳化铬(Cr3C2 25NiCr)粉末(chromium carbide 75％，nickel 20％，chromium 5％)当中，选择任意一种具有10～44μm的粉末粒度的粉末，将具有上述粉末粒度的粉末热喷涂在采油树(710)的外表面上。
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