CN106321534B - 海洋浮式钻井游车大钩升沉补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋浮式钻井游车大钩升沉补偿装置，采用双活塞式液压缸作为补偿液压缸，将高压气瓶与双活塞式液压缸的高压气腔相连，从而在活塞杆上提供一个被动补偿力；同时将液压泵输出的液压油经过比例方向阀通向双活塞式液压缸的上、下高压油腔，从而在活塞杆上提供一个可以控制大小与方向的主动补偿力，被动与主动补偿力共同驱动钻机负载实现升沉补偿功能。PLC根据运动参考单元检测到的平台升沉运动信号与激光测距仪检测到的补偿液压缸活塞杆运动信号，通过位移闭环控制来驱动活塞杆实现升沉补偿功能。本发明可以提高补偿控制精度，降低系统能耗与制造成本，提高补偿液压缸的使用寿命。

Description

海洋浮式钻井游车大钩升沉补偿装置

技术领域

本发明涉及电液控制技术为特征的液压控制系统，尤其涉及一种海洋钻井平台钻柱升沉补偿装置。

背景技术

海洋石油钻井所采用的浮式钻井装置在风浪等自然因素的作用下将产生周期性的升沉运动，从而带动钻井装备和钻柱进行升沉运动，影响了钻进效率，增加了钻井成本，甚至造成安全事故。因此浮式钻井平台或钻井船上必须配备一套升沉补偿系统，用来稳定井底钻压，减轻钻机动载荷，其综合性能的好坏直接影响着海洋石油的开发成本。升沉补偿系统是集机、电、气、液、自动控制、智能检测为一体的复杂装备，具有高技术、高投入、高风险等特点。

常用的海洋钻井平台钻柱升沉补偿装置，按照其安装位置与工作原理主要分为游车大钩升沉补偿装置与天车升沉补偿装置；按照其动力提供方式可以分为主动式、被动式和半主动式。主动式升沉补偿系统具有良好的补偿效果和较强的适应性，但是由于钻柱质量大，上下往复运动频繁，因此补偿过程中消耗大量能量。被动式升沉补偿系统在补偿过程中基本不需要系统额外提供能量，并且系统简单，但是补偿效果不理想，存在一定的滞后现象。半主动式升沉补偿能综合两者的优点，但是系统结构较为复杂，制造成本较高。

在游车大钩升沉补偿装置中，采用普通单作用液压缸作为升沉补偿液压缸时，其补偿系统具有结构简单、成本较低等优点，但是由于普通单作用液压缸只能实现单动力行程控制，补偿精度受到限制；采用复合液压缸作为升沉补偿液压缸，其补偿系统能够实现双动力行程控制，补偿精度较高，但是由于复合液压缸本身结构和制造工艺复杂，使其制造成本高，使用寿命降低。

发明内容

本发明的目的是要提供一种海洋浮式钻井游车大钩升沉补偿装置，以满足海上石油钻井的性能要求，同时提高系统的补偿精度与工作寿命、降低系统能耗与制造成本。

为实现上述目的，本发明的总体构思是采用双活塞式液压缸作为升沉补偿液压缸,将高压气瓶与双活塞式液压缸的高压气腔相连，提供一个承受钻机载荷的被动补偿力，将液压泵输出的高压液压油与双活塞式液压缸的上、下油腔相连，提供一个可以控制大小与方向的主动补偿力，共同驱动钻机负载实现升沉补偿功能；在液压缸的大气腔安装位移传感器，精确测量活塞杆的补偿位移，从而实现位移闭环控制。

本发明采用的技术方案是在由大钩、横梁、普通单作用液压缸或复合式液压缸、游车、链条、链轮、液压蓄能器、压力传感器构成的半主动式游车大钩升沉补偿装置的基础上进行改进，去掉压力传感器、液压蓄能器及其补油回路，用两个相同的双活塞式液压缸替换两个普通单作用液压缸或复合式液压缸，两个双活塞式液压缸对称布置于游车的两侧，还增加了运动参考单元与激光测距仪。游车和双活塞式液压缸固联，横梁与大钩固联，并通过链条与游车机械连接，变频电机与液压泵机械连接，激光测距仪安装在双活塞式液压缸的大气腔内，激光反射面板与双活塞式液压缸的上活塞相连，运动参考单元与钻井平台固联。液压泵的入口与油箱相连，液压泵的出口经单向阀与比例方向阀的P口相连，比例方向阀的T口与油箱相连，比例方向阀的A口与双活塞式液压缸的上高压油腔相连，比例方向阀的B口经限速阀与双活塞式液压缸的下高压油腔相连；溢流阀的入口与单向阀的出口相连，溢流阀的出口与油箱相连；旁通阀一端与双活塞式液压缸的上高压油腔相连，另一端与双活塞式液压缸的下高压油腔相连；双活塞式液压缸的大气腔通过空气过滤器与大气相通；失电保护阀一端同时与高压气瓶、闸阀的出口和泄压阀的入口相连，另一端经液动切断阀与双活塞式液压缸的高压气腔相连；运动参考单元和激光测距仪的电信号均接入PLC控制单元，PLC控制单元输出控制电信号与比例方向阀、旁通阀、失电保护阀和变频电动机连接。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

1.补偿液压缸采用双活塞式液压缸结构，实现了半主动补偿方式，活塞杆上的被动补偿力基本承担了钻机的静载荷，液压泵提供的可变主动补偿力主要克服补偿过程中的摩擦力与系统惯性等，从而有效降低了系统能耗；同时，由于高压气瓶与双活塞式液压缸的高压气腔直接相连，节省了长距离的液压管路，使补偿过程中的系统惯性能耗与传输能量损失得到了进一步降低。

2.双活塞式液压缸实现了平台上升、下沉双行程的主动控制，并且激光测距仪等位移检测装置可以安装在液压缸的大气腔内，从而对活塞杆的补偿位移进行精确测量，解决了补偿液压缸补偿位移难以测量的技术问题，进而通过双行程的位移闭环控制提高了系统的补偿精度。

3.相对于普通液压缸与复合液压缸，双活塞式液压缸采用双活塞承载，具有结构与制造工艺简单、活塞杆纵向稳定性好、使用寿命长等优点，提高了游车大钩补偿装置的综合性能。

4.当系统突然失载时，双活塞式液压缸的活塞杆会快速上行，流出下高压油腔的流量增大，但限速阀会限制流量低于某一值，从而限制活塞上行的速度，同时下高压油腔的压力增大，推动液动切断阀换向，切断高压气瓶与双活塞式液压缸之间的通道；与此同时，激光测距仪测得活塞杆的速度超出正常范围，PLC控制单元立即发出控制指令切断失电保护阀的电源，从而切断高压气瓶与双活塞式液压缸之间的通道。通过上述双重保护措施，避免了由于失载而导致恶性事故发生的可能性。

附图说明

图1是依据本发明所提出的海洋浮式钻井游车大钩升沉补偿装置的结构示意图；

图2是本发明所提出的海洋浮式钻井游车大钩升沉补偿装置的液压系统原理图。

图中：1—大钩，2—横梁，3—双活塞式液压缸，4—游车，5—链条，6—链轮，7—运动参考单元，8—变频电机，9—液压泵，10—溢流阀，11—单向阀，12—比例方向阀，13—旁通阀，14—限速阀，15—高压气腔，16—下活塞，17—下高压油腔，18—上高压油腔，19—上活塞，20—激光反射面板，21—激光测距仪，22－活塞杆，23－空气过滤器，24—大气腔，25—液动切断阀，26—高压气瓶，27—闸阀，28－气压源，29－泄压阀，30—失电保护阀，31—PLC控制单元，32—油箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图所示，游车4和双活塞式液压缸3固联；横梁2与大钩1固联，并通过链条5与游车4机械连接；变频电机8与液压泵9机械连接；运动参考单元7与钻井平台固联；液压泵9的入口与油箱32相连，液压泵9的出口经单向阀11与比例方向阀12的P口相连，比例方向阀12的T口与油箱32相连，比例方向阀12的A口与双活塞式液压缸3的上高压油腔18相连，比例方向阀12的B口经限速阀14与双活塞式液压缸3的下高压油腔17相连；溢流阀10的入口与单向阀11的出口相连，溢流阀10的出口与油箱32相连；旁通阀13一端与双活塞式液压缸3的上高压油腔18相连，另一端与双活塞式液压缸3的下高压油腔17相连；双活塞式液压缸3的大气腔24通过空气过滤器23与大气相通；失电保护阀30的一端同时与高压气瓶26、闸阀27和泄压阀29相连，另一端经液动切断阀25与双活塞式液压缸3的高压气腔15相连；运动参考单元7和激光测距仪21的电信号均接入PLC控制单元31，PLC控制单元31输出控制电信号与比例方向阀12、旁通阀13、失电保护阀30和变频电动机8连接。双活塞式液压缸3的下活塞16、上活塞19同时与活塞杆22固联，两个活塞共同承担活塞杆22的纵向与横向载荷，通过高压气瓶26与液压泵9作用在两个活塞上的合力一起驱动活塞杆22与链条5来实现升沉补偿运动。激光测距仪21安装在双活塞式液压缸3的大气腔24内，激光反射面板20与双活塞式液压缸3的上活塞19相连；当激光测距仪21测得活塞杆22的速度超出正常范围，PLC控制单元31立即发出控制指令切断失电保护阀30的电源，使其处于关闭状态。

本发明的工作原理如下：

正常工作时失电保护阀30通电处于上位接通状态，液动切断阀25在弹簧的作用下处于上位导通状态，高压气瓶26与双活塞式液压缸3的高压气腔15相连，为活塞杆22提供一个被动补偿力，基本承担了钻机的静载荷。当旁通阀13处于右位导通状态，双活塞式液压缸3的上高压油腔18和下高压油腔17相通，不起补偿作用，此时系统是被动式升沉补偿系统。当旁通阀13处于左位断开状态，双活塞式液压缸3的上高压油腔18和下高压油腔17不相通，起补偿作用，此时系统是半主动式升沉补偿系统。

当浮式海洋钻井平台随波浪下沉时，井架会带着游车4和双活塞式液压缸3下降。安装在钻井平台上的运动参考单元7检测到平台的升沉运动信号，并将该信号传递给PLC控制单元31。同时，双活塞式液压缸3大气腔24内的激光测距仪21将检测到的活塞杆相对运动信号也传递给控制PLC单元31。PLC控制单元31根据检测到的上述信号并根据制定好的控制策略向比例方向阀12发出控制指令使其右移，使比例方向阀12的P口与A口相通，比例方向阀12的B口与T口相通，使液压泵9向双活塞式液压缸3的上高压油腔18供油，为活塞杆22提供一个向上的主动补偿力，该主动补偿力与高压气瓶26作用在活塞杆22上的被动补偿力联合驱动活塞杆22伸出，从而使游车4相对于平台上行，以维持其空间的绝对位置不变。此过程中，通过调节阀芯右移的位移量来改变阀口的通流面积，从而控制流量以控制活塞杆22的运动速度，提高系统的补偿效果。

反之同理，当浮式海洋钻井平台随波浪上升时，井架会带着游车4和双活塞式液压缸3上升，运动参考单元7与激光测距仪21分别将平台的升沉运动信号、活塞杆的相对运动信号传递给PLC控制单元31。PLC控制单元31根据检测到的上述信号并根据制定好的控制策略向比例方向阀12发出控制指令使其左移，使比例方向阀12的P口与B口相通，比例方向阀12的A口与T口相通，液压泵9向双活塞式液压缸3的下高压油腔17供油，为活塞杆22提供一个向下的主动补偿力，该力与钻机载荷联合驱动活塞杆22回缩，从而使游车4相对于平台下行，以维持绝对位置不变。

当系统突然失载时，双活塞式液压缸3活塞杆会快速上行，流出下高压油腔17的流量增大，但限速阀14会限制流量低于某一值，从而限制活塞杆22上行的速度；同时下高压油腔17的压力增大，推动液动切断阀25换向，切断高压气瓶26与双活塞式液压缸3之间的通道；同时，激光测距仪21检测到活塞杆22的速度超出正常范围，PLC控制单元31立即发出控制指令切断失电保护阀30的电源，使其处于关闭状态，也切断高压气瓶26与双活塞式液压缸3之间的通道。通过上述双重保护措施，避免由于失载而导致的恶性事故发生。

高压气瓶26和双活塞式液压缸3之间安装了失电保护阀30，当系统由于某种原因失去电力供应的时候，失电保护阀30在弹簧的作用下复位，切断高压气瓶26和双活塞式液压缸3之间的回路，避免事故发生。

本发明采用双活塞式液压缸结构，实现了半主动补偿方式与双行程主动控制，节省了长距离的液压管路，因此提高了补偿精度、有效减低了系统能耗；此外，双活塞式液压缸还具有结构与制造工艺简单、活塞杆纵向稳定性好、使用寿命长、可方便测量活塞杆位移等优点，可以有效提高海洋浮式钻井游车大钩升沉补偿装置的综合性能。

Claims (3)

1.一种海洋浮式钻井游车大钩升沉补偿装置，包括大钩(1)、横梁(2)、游车(4)、链条(5)、链轮(6)、变频电机(8)、液压泵(9)、溢流阀(10)、单向阀(11)、比例方向阀(12)、旁通阀(13)、限速阀(14)、激光反射面板(20)、空气过滤器(23)、液动切断阀(25)、高压气瓶(26)、闸阀(27)、气压源(28)、泄压阀(29)、失电保护阀(30)、PLC控制单元(31)和油箱(32)，其特征在于，还包括两个相同的双活塞式液压缸(3)、运动参考单元(7)与激光测距仪(21)，两个双活塞式液压缸对称布置于游车(4)的两侧，游车(4)和双活塞式液压缸(3)固联，横梁(2)与大钩(1)固联，并通过链条(5)与游车(4)机械连接，变频电机(8)与液压泵(9)机械连接，激光测距仪(21)安装在双活塞式液压缸(3)的大气腔(24)内，激光反射面板(20)与双活塞式液压缸(3)的上活塞(19)相连；运动参考单元(7)与钻井平台固联；所述液压泵(9)的入口与油箱(32)相连，液压泵(9)的出口经单向阀(11)与比例方向阀(12)的P口相连，比例方向阀(12)的T口与油箱(32)相连，比例方向阀(12)的A口与双活塞式液压缸(3)的上高压油腔(18)相连，比例方向阀(12)的B口经限速阀(14)与双活塞式液压缸(3)的下高压油腔(17)相连；溢流阀(10)的入口与单向阀(11)的出口相连，溢流阀(10)的出口与油箱(32)相连；旁通阀(13)一端与双活塞式液压缸(3)的上高压油腔(18)相连，另一端与双活塞式液压缸(3)的下高压油腔(17)相连；双活塞式液压缸(3)的大气腔(24)通过空气过滤器(23)与大气相通；失电保护阀(30)的一端同时与高压气瓶(26)、闸阀(27)的出口和泄压阀(29)的入口相连，另一端经液动切断阀(25)与双活塞式液压缸(3)的高压气腔(15)相连；运动参考单元(7)和激光测距仪(21)的电信号均接入PLC控制单元(31)，PLC控制单元(31)输出控制电信号与比例方向阀(12)、旁通阀(13)、失电保护阀(30)和变频电机(8)连接。

2.根据权利要求1所述的海洋浮式钻井游车大钩升沉补偿装置，其特征在于，双活塞式液压缸(3)的下活塞(16)、上活塞(19)同时与活塞杆(22)固联，两个活塞共同承担活塞杆(22)的纵向与横向载荷；通过高压气瓶(26)与液压泵(9)作用在两个活塞上的合力一起驱动活塞杆(22)与链条(5)来实现升沉补偿运动。

3.根据权利要求1所述的海洋浮式钻井游车大钩升沉补偿装置，其特征在于，高压气瓶(26)和双活塞式液压缸(3)之间安装了失电保护阀(30)，当系统失去电力供应时，失电保护阀(30)在弹簧的作用下复位，切断高压气瓶(26)和双活塞式液压缸(3)之间的回路，避免事故发生。