CN106864686A - 一种应用大行程磁流变阻尼器的顶部立管张紧器及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用大行程磁流变阻尼器的顶部立管张紧器及其控制系统，包括张紧器顶部框架、张紧器下框架、设置在张紧器顶部框架与张紧器下框架间的立管、均匀设置在立管周围的大行程磁流变阻尼器，张紧器顶部框架上设置有张紧环，张紧器下框架的中间通孔内设置有托辊架，托辊架内设置有辊承支臂，辊承支臂的端部设置有与立管接触的托辊，每个大行程磁流变阻尼器包括与托辊架铰接的缸体、设置在缸体内的活塞、与活塞连接的活塞杆，活塞杆的上端与张紧环的下端连接，活塞上设置有励磁线圈，所述缸体内还设置有磁流变液，张紧器下框架设置在平台下甲板上。本发明有助于降低海洋油气勘探作业风险，尤其是在深水中，降低作业风险是非常重要的。

Description

一种应用大行程磁流变阻尼器的顶部立管张紧器及其控制 系统

技术领域

本发明涉及一种应用大行程磁流变阻尼器的顶部立管张紧器及其控制系统，一种用于从海床井口或海底结构延伸到海上平台或船舶(如移动式海洋钻井装置、Spar平台，张力腿(TLP)平台，半潜式平台或其它干式平台)的张紧垂直深水立管的应用磁流变阻尼器的新型顶部立管张紧器。

背景技术

在用海洋平台开采海底油气储层时，通常从一个或多个海底井口或海底结构到平台连接有钻井和生产立管。应用深水作业的浮式平台，包括SPAR平台、张力腿(TLP)平台、半潜式平台和其他移动作业船，作业时都会受到风浪流的海洋环境载荷作用产生运动。

张紧器通常安装在平台上用以支撑立管顶部，并能随着平台控制立管的运动。此外，立管张力必须为正，这样才能保证立管在自身重量和平台运动和环境载荷的动态响应作用下不会产生弯曲。因此，张紧器必须在一定的范围内对立管施加持续性的张力以补偿立管和平台之间的相对运动。这种在顶部通过张紧器施加张力的垂直立管称为顶部张紧立管(TTR)。这种立管基本上是垂直从水面浮式平台甲板连接到平台下面海床上的井口设备上的，立管靠张紧系统(即张紧器)支撑。张紧器通过与立管顶部部件连接的导管接箍(或张紧环)给立管施加向上的张紧力。

用于浮动平台中的垂直顶部张紧立管的张紧器系统通常包括安装到平台甲板上的液压气动张紧器组件及立管支撑导管管箍(或张紧环)，通过支撑导管管箍(或张紧环)将张力从张紧器组件传送到立管。液压气动张紧器通常包括连接在平台和立管之间的主动液压缸和气动蓄能器以补偿平台的俯仰，升沉和偏航运动。平台在环境条件作用下会产生升沉和偏移运动，导致平台吃水变化和立管相对于平台长度的变化，从而使张紧液压缸产生往复运动。在液缸和蓄能器中介质的压缩和膨胀的弹簧效应下，立管的升沉运动能够部分抵消立管的小升沉运动，从而使立管保持恒定的张力。然而，当平台产生明显的偏移时，气缸中的介质的压缩会导致气缸压力增加从而使立管张力增加。增加的立管张力是由立管的升沉运动、立管的刚度和张紧系统合成的非线性函数。另一方面，当平台在竖直方向下沉时，液缸工作介质膨胀且压力减小。张紧器可能因立管顶端下部明显的向上的冲程变化或平台的突然下降而导致张力损失，从而使立管出现弯曲。

主要有两种类型的液压气动张紧器系统：“压缩式”-受压式液压张紧系统、“拉伸式”-受拉式液压张紧系统。两种系统都采用活塞式液缸，活塞杆通过张紧环装置与立管连接。受压式液缸的安装方式是活塞杆朝上，压力作用到液缸的活塞侧从而提供立管所需的张紧力。活塞杆处于压缩状态且提供立管所需的张力，有效地向上推动立管。相反，受拉式液缸的安装方式是活塞杆朝下。压力作用在液缸的活塞杆一侧，从而向上拉动立管产生立管张力。受压式张紧器近年来采用较多，且已经用于深水TTR立管(顶部张紧立管)和钻井立管中。

随着我国向深海进军，海上资源开采作业将会遇到深水高温高压作业的危险，也将给立管系统带来极大挑战，包括：

(1)超深水达到1万米以上时，对立管的压溃承载能力提出了新的要求，极大地增加了立管重量和顶部张力支撑要求；

(2)油藏压力超过20,000psi，迫使立管的材质和管厚推到了极限，也更进一步增加立管重量和张力支撑要求；

(3)超深海环境非线性载荷和平台运动增大，对立管特别是顶部造成极限动力载荷。

而液压气动张紧器存在着液压缸要求速度高，需要多根大直径管线进液才能保证液压缸速度；体积大，加工制造困难；安装位置位于平台底部，安装和维护比较困难等缺点。

磁流变液(MR)是一种能够改变流变行为的可控流体。它是将微米尺寸的顺磁极化铁颗粒分散于非磁性液体(水、乙二醇、合成油或矿物油等)中形成的悬浮液。磁流变阻尼器的缸体内部和活塞周围都充满磁流变流体，当系统通入电流时，沿着活塞液压缸会产生磁场。磁性颗粒在磁场作用下排成磁链，并能够改变可控流体的流变行为，即通过改变磁场强度的大小改变流体的粘度。通过改变施加到阻尼器的电流大小，就能够相应地改变磁场强度，从而改变流体的粘度。磁流变阻尼器的最大的阻尼力主要由磁流变液的性能，磁流变液在阻尼器内的流动模式及阻尼器的尺寸共同决定。目前磁流变阻尼器的主流形式为剪切阀式磁流变液阻尼器结构，活塞缸式结构，活塞与缸体内壁间存在环形间隙。

控制系统装置主要有三种类型：被动、主动和半主动。被动控制装置不需要电源操作，直接抑制振动或位移。主动控制装置需要依靠强大的功率电源对系统直接施加动力来抑制系统的振动。而半主动控制装置只需要微小的功率，并且通过施加改变系统的物理性质的载荷来抑制系统的振动。磁流变(MR)阻尼器就是一种由磁流变流体制成的新的半主动装置，是一种最有前途的用于结构减振的新型阻尼装置。当有磁场作用时，可控制磁流变(MR)流体在毫秒内改变其屈服强度。

磁流变阻尼器具有机械构造简单、动力范围宽广、能量需求低、输出载荷大和大鲁棒性等特点，这类装置已经被证明能很好的运用于土木工程结构来抵抗强震和强风。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种应用大行程磁流变阻尼器的顶部立管张紧器及其控制系统。

本发明的目的是这样实现的：一种应用大行程磁流变阻尼器的顶部立管张紧器，包括张紧器顶部框架、张紧器下框架、设置在张紧器顶部框架与张紧器下框架间的立管、均匀设置在立管周围的大行程磁流变阻尼器，张紧器顶部框架上设置有张紧环，张紧器下框架的中间通孔内设置有托辊架，托辊架内设置有辊承支臂，辊承支臂的端部设置有与立管外表面接触的托辊，每个大行程磁流变阻尼器包括与托辊架铰接的缸体、设置在缸体内的活塞、与活塞连接的活塞杆，活塞杆的上端与张紧环的下端连接，活塞上设置有励磁线圈，所述缸体内还设置有磁流变液，张紧器下框架设置在平台下甲板上。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述大行程磁流变阻尼器的个数是4-6个。

2.一种大行程磁流变阻尼器的顶部立管张紧器的控制系统，包括系统控制器、阻尼器控制器、驱动器，在活塞杆上设置有力传感器，平台下甲板上设置有监测平台的升沉和偏移运动的传感器；

所述系统控制器根据大行程磁流变阻尼器的结构参数和磁流变液的性能并基于Bingham模型计算立管张紧力，测量磁流变阻尼器阻尼减振的噪声；

所述阻尼器控制器用于产生阻尼力的控制电压，其包括输入输出接口单元、电荷放大器、RMS电路、A/D转换器、D/A转换器和PI控制器，阻尼器控制器将控制参考信号与力传感器的反馈信号比较，输出阻尼力控制电压，并通过驱动器输出控制电流，控制相对应的大行程磁流变阻尼器，改变大行程磁流变阻尼器的阻尼特性；

所述驱动器用于产生大行程磁流变阻尼器的励磁线圈磁场的电流，其包括脉宽调制发生器、功率放大器和场效应管。

3.控制步骤为：

步骤1：平台做升沉或偏移运动时，设置在平台下甲板上的传感器监测到平台的运动变化，而大行程磁流变阻尼器接收到传感器发出的信号，并释放励磁线圈的电流和磁场，活塞杆沿着缸体轴向自由滑动；

步骤2：同时，传感器将监测到的平台运动的信号传递给系统控制器，系统控制器基于Bingham模型计算立管所需张紧力，而且系统控制器可测量大行程磁流变阻尼器的阻尼减振的噪声，验证大行程磁流变阻尼器的减振降噪的科学性；

步骤3：阻尼器控制器根据所需的张紧力通过阻尼器控制器上的电荷放大器、RMS电路和A/D转换器输出控制参考电压；同时活塞杆反馈的力传感器的也通过电荷放大器、RMS电路和A/D转换为反馈电压，输出控制参考电压与反馈电压比较，计算出当前阻尼力控制电压信号u_i；

步骤4：将控制电压信号u_i传递给驱动器上的脉宽调制发生器，输出脉宽调制信号，经功率放大器放大后加在场效应管的控制极上，并通过调节主电路的导通时间输出控制电流；

步骤5：将输出的控制电流给励磁线圈，从而改变磁流变液的磁场强度和阻尼力，使大行程磁流变阻尼器产生阻尼力，活塞杆向上推张紧器顶部框架，完成对立管的拉紧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明改进了立管张紧器系统，创造性地在张紧器上应用磁流变(MR)阻尼器对顶部张紧立管(TTR)的动态响应中，即本发明提出一种应用磁流变阻尼器的新型顶部立管张紧器，旨在解决超深水高温高压立管的关键问题，满足设计可靠性和生产安全要求，以及人因工程适应性。本发明不仅能用于顶部立管张紧器的磁流变阻尼器的控制，还能用于其他各深海作业缓冲减阻的磁流变阻尼器的控制。本发明应用将有助于降低海洋油气勘探作业风险，尤其是在深水中，降低作业风险是非常重要的。

应用本发明能够：

(1)承载非常大的张力负载，适应高温高压环境下立管的极端张力要求，并能改善立管的涡激振动(VIV)抑制能力；

(2)控制立管张紧器在小行程范围内，从而适应环境极限载荷和平台运动；

(3)有效地避免立管和平台之间的垂直共振；

(4)显着减小由于环境负荷或张紧器故障而引起的立管大位移造成的极端冲击力。

附图说明

图1是本发明的应用大行程磁流变阻尼器的新型顶部立管张紧器的结构示意图；

图2是本发明的控制系统的控制原理图。

图中：1.张紧环，2.张紧器顶部框架，3.立管，4.活塞杆，5.立管接头，6.缸体，7.活塞，8.励磁线圈，9.磁流变液，10.下甲板，11.张紧器下框架，12.辊承支臂，13.托辊，14.大行程磁流变阻尼器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本发明的一种应用大行程磁流变阻尼器的新型顶部立管张紧器，包括张紧环1、张紧器顶部框架2、多个大行程磁流变阻尼器14、张紧器下框架11、托辊13、辊承支臂12。平台的下甲板10上垂直安装具有轴线的维持立管张力的受压式张紧器。所述的磁流变阻尼器14包括活塞杆4、缸体6、活塞7、励磁线圈8和磁流变液9。磁流变阻尼器14上下分别连接在张紧器顶部框架2和平台下甲板10上的张紧器下框架11上，通过远程同步驱动，多个磁流变阻尼器14能够在同一平面上的张紧器顶部框架2和张紧器下框架11之间运动。磁流变阻尼器包括活塞杆4、缸体6、活塞7、励磁线圈8和磁流变液9，磁流变阻尼器14的活塞7轴向支撑在缸体6内，活塞7可在缸体6内滑动啮合，活塞7连接活塞杆4，活塞杆4向上连接到张紧器顶部框架2上。同时，张紧器顶部框架2支撑一个大直径导管并通过张紧环1与立管3连接。活塞杆向上推张紧器顶部框架时，也相应地通过张紧环向上拉紧立管。张紧器下部框架11上的辊支撑臂12和托辊13能够抵抗由于平台或船体偏转运动引起的立管3力矩。当立管3上下冲击时，托辊13能够在立管接头5施加两点耦合力矩反作用于立管3上部采油树设备对立管3产生的动态弯矩，并能够抵消磁流变阻尼器14产生的弯矩作用。

如图2所示，本发明的一种应用大行程磁流变阻尼器的新型顶部立管张紧器，其阻尼力控制系统包括阻尼器反馈控制系统、驱动器、磁流变阻尼器和力传感器。所述的阻尼器反馈控制系统包括传感器、系统控制器和阻尼器控制器。阻尼器控制器将控制参考信号与力传感器的反馈信号比较，输出阻尼力控制电压，并通过驱动器输出控制电流，控制相对应的磁流变阻尼器，改变其阻尼特性，达到输出张紧力的目的。

所述传感器监测平台的升沉和偏移运动，传感器可以选用位移传感器、速度传感器和加速度传感器，本控制装置采用位移传感器。

所述阻尼器控制器主要用于产生阻尼力的控制电压，其包括输入输出接口单元、电荷放大器、RMS电路、A/D转换器、D/A转换器和PI控制器，阻尼器控制器将控制参考信号与力传感器的反馈信号比较，输出阻尼力控制电压，并通过驱动器输出控制电流，控制相对应的磁流变阻尼器，改变其阻尼特性。

所述系统控制器根据磁流变阻尼器的结构参数和磁流变液的性能，基于Bingham模型计算立管张紧力；并测量磁流变阻尼器阻尼减振的噪声。

所述驱动器主要用于产生磁流变阻尼器线圈磁场的电流，其包括脉宽调制(PWM)发生器、功率放大器和场效应管，驱动器可以产生磁流变阻尼器线圈磁场的电流。

本发明的控制系统的控制原理为：当平台在环境条件作用下产生升沉或偏移运动时，阻尼器反馈控制系统的传感器监测到平台的运动，磁流变阻尼器接收到传感器发出的信号，磁流变阻尼器释放电流和磁场，活塞杆沿着缸体轴向自由滑动；同时，传感器监测到平台运动的信号传递给系统控制器，系统控制器基于Bingham模型计算立管所需张紧力，输出控制参考信号传递给阻尼器控制器，阻尼器控制器根据所需的张紧力输出控制电压给驱动器)，通过活塞上的励磁线圈使阻尼器产生阻尼力，拉紧立管；同时，磁流变阻尼器上的活塞杆上的力传感器监测到实际产生的反馈阻尼力与立管所需张紧力进行比较，反馈到阻尼器控制器上，阻尼器控制器实时改变控制电压，调节阻尼力，从而减少张力变化，避免冲击损坏，并且阻尼器控制器以PI控制算法为核心，输出阻尼力控制电压给驱动器；控制电压加到驱动器的脉宽调制(PWM)发生器，经功率放大后加在场效应管的控制极上，通过调节主电路的导通时间输出控制电流，从而控制相对应的磁流变阻尼器，改变其阻尼特性，达到输出张紧力的目的。

将磁流变阻尼器应用在顶部张紧立管的张紧器中，对海洋立管的应力降低和减少海洋立管的磨损有很大的作用。较小的应力和磨损能够增加使用寿命，并且磁流变阻尼器可以避免张紧器上的冲击负载，因此减小立管极限张力有助于防止立管和溢油的灾难性故障。

本发明一种应用大行程磁流变阻尼器的新型顶部立管张紧器的阻尼力控制系统的控制步骤为：

步骤1：平台做升沉或偏移运动时，传感器监测到平台的运动变化，磁流变阻尼器14接收到传感器发出的信号，磁流变阻尼器14释放励磁线圈8的电流和磁场，阻尼器活塞杆4沿着缸体6轴向自由滑动；

步骤2：紧接着，传感器监测到平台运动的信号传递给系统控制器，系统控制器基于Bingham模型计算立管所需张紧力。系统控制器测量磁流变阻尼器14阻尼减振的噪声，以验证磁流变阻尼器14的减振降噪的科学性。

步骤3：计算的立管所需张紧力通过阻尼器控制器上的电荷放大器、RMS电路和A/D转换器，输出控制参考电压；同时磁流变阻尼器14上的活塞杆4反馈的力传感器的也通过电荷放大器、RMS电路和A/D转换为反馈电压，输出控制参考电压与反馈电压比较，经过PI控制算法计算出当前阻尼力控制电压信号u_i。

步骤4：控制电压信号ui传递给驱动器上的脉宽调制(PWN)发生器，输出脉宽调制(PWN)信号，经功率放大后加在场效应管的控制极上，并通过调节主电路的导通时间输出控制电流。

步骤5：输出控制电流给阻尼器活塞7上的励磁线圈8，从而改变磁流变液9的磁场强度和阻尼力，使阻尼器14产生阻尼力，活塞杆4向上推张紧器顶部框架2，也相应地通过张紧环1向上拉紧立管3。

Claims (4)

1.一种应用大行程磁流变阻尼器的顶部立管张紧器，其特征在于：包括张紧器顶部框架、张紧器下框架、设置在张紧器顶部框架与张紧器下框架间的立管、均匀设置在立管周围的大行程磁流变阻尼器，张紧器顶部框架上设置有张紧环，张紧器下框架的中间通孔内设置有托辊架，托辊架内设置有辊承支臂，辊承支臂的端部设置有与立管外表面接触的托辊，每个大行程磁流变阻尼器包括与托辊架铰接的缸体、设置在缸体内的活塞、与活塞连接的活塞杆，活塞杆的上端与张紧环的下端连接，活塞上设置有励磁线圈，所述缸体内还设置有磁流变液，张紧器下框架设置在平台下甲板上。

2.根据权利要求1所述的一种应用大行程磁流变阻尼器的顶部立管张紧器，其特征在于：所述大行程磁流变阻尼器的个数是4-6个。

3.一种权利要求2所述的应用大行程磁流变阻尼器的顶部立管张紧器的控制系统，其特征在于：包括系统控制器、阻尼器控制器、驱动器，在活塞杆上设置有力传感器，平台下甲板上设置有监测平台的升沉和偏移运动的传感器；

所述系统控制器根据大行程磁流变阻尼器的结构参数和磁流变液的性能并基于Bingham模型计算立管张紧力，测量磁流变阻尼器阻尼减振的噪声；

所述阻尼器控制器用于产生阻尼力的控制电压，其包括输入输出接口单元、电荷放大器、RMS电路、A/D转换器、D/A转换器和PI控制器，阻尼器控制器将控制参考信号与力传感器的反馈信号比较，输出阻尼力控制电压，并通过驱动器输出控制电流，控制相对应的大行程磁流变阻尼器，改变大行程磁流变阻尼器的阻尼特性；

所述驱动器用于产生大行程磁流变阻尼器的励磁线圈磁场的电流，其包括脉宽调制发生器、功率放大器和场效应管。

4.根据权利要求3所述的应用大行程磁流变阻尼器的顶部立管张紧器的控制系统，其特征在于：控制步骤为：

步骤1：平台做升沉或偏移运动时，设置在平台下甲板上的传感器监测到平台的运动变化，而大行程磁流变阻尼器接收到传感器发出的信号，并释放励磁线圈的电流和磁场，活塞杆沿着缸体轴向自由滑动；

步骤2：同时，传感器将监测到的平台运动的信号传递给系统控制器，系统控制器基于Bingham模型计算立管所需张紧力，而且系统控制器可测量大行程磁流变阻尼器的阻尼减振的噪声，验证大行程磁流变阻尼器的减振降噪的科学性；

步骤3：阻尼器控制器根据所需的张紧力通过阻尼器控制器上的电荷放大器、RMS电路和A/D转换器输出控制参考电压；同时活塞杆反馈的力传感器的也通过电荷放大器、RMS电路和A/D转换为反馈电压，输出控制参考电压与反馈电压比较，计算出当前阻尼力控制电压信号u_i；

步骤4：将控制电压信号u_i传递给驱动器上的脉宽调制发生器，输出脉宽调制信号，经功率放大器放大后加在场效应管的控制极上，并通过调节主电路的导通时间输出控制电流；

步骤5：将输出的控制电流给励磁线圈，从而改变磁流变液的磁场强度和阻尼力，使大行程磁流变阻尼器产生阻尼力，活塞杆向上推张紧器顶部框架，完成对立管的拉紧。