CN113465965A - 一种海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置，以扩大高度适用范围，减小对执行器的扭矩要求。包括塔器、摇摆运动模拟机构、加固机构、升降机构及底座。摇摆运动模拟机构包括摇摆驱动单元和随动单元，摇摆驱动单元包括多个摇摆执行器；随动单元包括十字铰平台和十字铰，塔器下端安装于十字铰平台上，十字铰平台通过十字铰与底座连接。每个摇摆执行器的两端分别与升降机构及塔器铰接。加固机构包括多个由钢缆和阻尼器组成的加固单元。升降机构带动摇摆执行器到达与塔器重心相对的位置，通过摇摆执行器与十字铰相配合实现塔器的摇摆模拟运动。该装置减轻了摇摆执行器的荷载，提高了使用的安全性和可靠性，适用于不同高度的塔器摇摆。

Description

一种海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置

技术领域

本发明涉及海上石油及天然气开采技术领域，更具体地说，是涉及一种浮式生产储卸装置上高耸式反应塔器的性能研究与试验装置。

背景技术

浮式生产储卸装置是目前集天然气预处理、液化、储存、装卸及外输为一体的海上油气田开发装置。由于从海底开采出的油气中大多含有二氧化碳、硫化氢等酸性气体，该酸性气体的存在会导致储运管道腐蚀、燃气热值降低、生成水合物等问题，因此，需在预处理环节对天然气进行脱酸处理。根据脱酸工艺要求，用于吸收酸气和吸收剂氧化再生的主要设备一般为细长型的高耸塔器结构。然而，与传统陆上工厂不同，浮式生产储卸装置在风、浪、流等环境因素影响下会产生一定的响应运动，其中，船舶横摇、纵摇运动对塔器的反应性能影响明显。因此，需对浮式生产储卸装置反应塔器在横摇、纵摇运动条件下的各层介质分离效果进行试验研究。

用于塔器摇摆试验的装置主要包括摇摆驱动机构和加固组件，摇摆驱动机构能够使得塔器产生二自由度及六自由度的摇摆，加固组件能够保障塔器在摇动过程中的安全。目前，摇摆驱动机构及安全防护机构均为固定结构，只能用于一套塔器的摇摆试验。当塔器的高度发生变化时，摇摆装置的结构形式、加固方式也需要随之重新计算与调整，需要更换摇摆驱动机构及安全防护机构，使用不方便，也造成了重复投资。同时，由于塔器重心过高，导致惯性力矩增大，对驱动装置的扭矩要求也随之增大，这将大幅提高摇摆装置的设备与建造成本，同时，重心过高也将使塔器摇摆时的安全性难以保证。

且传统的试验仅用缆绳对塔器进行固定，安全防护有所缺失。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的装置不能适应塔高变化、安全防护缺失的问题，而提供一种海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置，以扩大塔器摇摆试验装置的高度适用范围，减小对执行器的扭矩要求。

本发明的另一个目的是提供一种摇摆试验的方法，能够减小对执行器的扭矩要求。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置，包括塔器、摇摆运动模拟机构、加固机构、升降机构及底座，所述摇摆运动模拟机构包括摇摆驱动单元和随动单元，所述摇摆驱动单元包括多个摇摆执行器，所述摇摆执行器为直线伸缩式执行器；所述随动单元包括十字铰平台和十字铰；所述塔器下端安装于所述十字铰平台上，所述十字铰平台通过所述十字铰与所述底座连接；每个所述摇摆执行器的两端分别与所述升降机构及塔器铰接；所述加固机构包括多个由钢缆和阻尼器组成的加固单元；所述阻尼器的两端分别与所述钢缆和塔器上端连接；每个所述摇摆执行器与一组所述加固单元相对应，相对应的所述加固单元中的所述钢缆、阻尼器与所述摇摆执行器位于同一垂面内；所述升降机构带动所述摇摆执行器到达与所述塔器重心相对的位置，通过所述摇摆执行器的伸缩动作与所述十字铰相配合实现所述塔器的摇摆模拟运动。

所述升降机构包括多个升降单元，每个所述升降单元对应一个所述摇摆执行器；每个所述升降单元包括支撑立柱、升降平台、升降驱动电机、多组齿轮齿条升降传动机构及升降锁止器，多组所述升降传动机构中的齿条分别固定安装于所述支撑立柱的外壁上，所述升降平台为空心结构，与所述齿条啮合的所述齿轮固定安装于所述升降平台的空心位置；所述升降驱动电机通过多组所述齿轮齿条升降传动机构驱动所述升降平台；所述升降平台的下端设置有升降锁止器；所述塔器重心位置处紧箍有塔箍，所述摇摆执行器的两端分别与所述升降平台及所述塔箍铰接。

所述加固单元中的所述钢缆的下端分别与相对的所述升降单元的所述支撑立柱固定连接；相对应的所述加固单元中的所述钢缆与阻尼器、所述升降单元中的所述支撑立柱的轴线以及摇摆执行器位于同一垂面内。

所述摇摆执行器由驱动缸及伸缩杆组成；所述驱动缸与所述升降平台铰接，所述伸缩杆与所述塔箍铰接；所述伸缩杆及驱动缸与所述塔箍处在同一水平面。

所述摇摆执行器为四个，四个所述摇摆执行器与所述塔箍的铰接点分别位于所述塔器内接正方形的四个角点；所述支撑立柱为四个，分别位于与所述摇摆执行器对应的正方形同心的正方形的四个角点。

所述底座的横截面及纵截面均为等腰梯形。

所述升降平台的横截面外部为正八边形，内部空心为正方体型，对应所述正方体型的四个棱线上分别安装有所述齿轮，所述齿条分别安装于所述支撑立柱上与相对应的所述齿轮相啮合。

所述塔箍由两块塔箍板通过螺栓连接而成。

所述阻尼器为弹簧阻尼器或粘滞阻尼器。

一种海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置进行摇摆试验的方法，包括下述步骤：

(1)用管线将塔器介质开孔与其他反应装置、物质储存装置连接起来，保证反应密闭、连续；在塔器介质开孔位置布置相应的物质检测与监测装置；

(2)打开管线阀口，待反应达到稳定状态后，升降机构带动摇摆执行器上升至与所述塔器重心相对的位置，启动摇摆执行器；

(3)根据不同的塔器横摇、纵摇运动参数，控制摇摆执行器的伸缩量，所述摇摆执行器的运动带动所述塔器，在所述十字铰辅助下，使所述塔器产生预定的横摇、纵摇运动；

(4)记录、分析所述塔器物质检测与监测点的数据，研究在不同海上环境条件下浮式生产储卸装置上塔器内物质分离效果和塔器反应性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的摇摆试验装置通过升降驱动机构使得升降平台能够沿支撑立柱上下自由移动至塔器重心高度，能够大幅降低塔器的摇摆惯量，在一定程度上减轻了摇摆执行器的荷载，大大提高了使用的安全性和可靠性，同时，使得本发明的实验装置适用于不同高度的塔器摇摆，节约了设备及建造成本。

2.本发明的摇摆试验装置通过十字铰的配合转动和伸缩杆的伸缩运动使塔器最终产生横摇、纵摇运动，塔器的自重和动载荷不仅由摇摆组件提供支持，同时也由随动组件底座分担了一定的荷载，因此，底座减轻了驱动装置的承载力，使塔器的摇摆更加稳定。

3.本发明的摇摆试验装置的加固组件中，塔器顶部安装的阻尼器，一方面可用于增加塔器在左右大幅度摇摆时钢缆自身的可拉伸效果，同时也有效减轻了塔器顶部出现的振动现象，提高了使用的安全性和可靠性。

4、本发明的摇摆试验的方法中首先利用升降机构将摇摆执行器升至塔器重心位置，能够大幅降低塔器的摇摆惯量，在一定程度上减轻了摇摆执行器的荷载，大大提高了使用的安全性和可靠性，同时，使得本发明的实验装置适用于不同高度的塔器摇摆，扩大了高度适用范围，节约了设备及建造成本。

附图说明

图1为本发明海上高耸塔器的自生式摇摆试验装置的总体示意图；

图2为本发明海上高耸塔器的自生式摇摆试验装置的俯视图。

图3为摇摆组件截面图；

图4为升降平台工作运行示意图；

图5为升降平台升降锁紧器工作示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置的如图1-图5所示，包括塔器1、摇摆运动模拟机构、加固机构、升降机构及底座9。

所述塔器1的底部为裙座形式，所述塔器1的顶部和底部各有两个开口2，顶部为物质A进口和物质B出口，底部为物质A出口和物质B进口，物质A和物质B为塔器内部的两种反应物质，包括但不限于原料气、酸气、胺液等。这里省略了其他人孔、监测孔等设备部件。

所述摇摆运动模拟机构包括摇摆驱动单元和随动单元。所述摇摆驱动单元包括多个摇摆执行器10，所述摇摆执行器10为直线伸缩式执行器。所述随动单元包括十字铰平台14和十字铰15，所述塔器1下端安装于所述十字铰平台14上，所述十字铰平台14通过所述十字铰15与所述底座9连接。每个所述摇摆执行器10的两端分别与所述升降机构及塔器1铰接。所述加固机构包括多个由钢缆4和阻尼器3组成的加固单元。所述阻尼器3的两端分别与所述钢缆4和塔器1上端连接。每个所述摇摆执行器与一组所述加固单元相对应，相对应的所述加固单元中的所述钢缆4、阻尼器3与所述摇摆执行器10位于同一垂面内。所述升降机构带动所述摇摆执行器10到达与所述塔器1重心相对的位置，通过所述摇摆执行器10的伸缩运动与所述十字铰15相配合实现所述塔器的摇摆模拟运动。阻尼器3将钢缆4顶端和塔器1顶部相连，增加了塔器大幅摇摆时缆绳的拉伸性能，也减轻了塔器顶部出现的振动现象，可以选择弹簧阻尼器、粘滞阻尼器等。升降机构能够根据被试塔器的不同高度而将摇摆执行器10调整到相应的塔器重心平面，使塔器摇摆惯量大为降低。

本实施例中，所述升降机构包括多个升降单元，每个所述升降单元对应一个所述摇摆执行器。每个所述升降单元包括支撑立柱5、升降平台7、升降驱动电机、多组齿轮齿条升降传动机构6及升降锁止器8，其中，所述支撑立柱5优选为混凝土材料。多组所述升降传动机构中的齿条6-3分别固定安装于所述支撑立柱5的外壁上，所述升降平台7为空心结构，与所述齿条6-3啮合的所述齿轮6-1通过齿轮轴6-2可转动安装于所述升降平台7的空心位置。所述升降驱动电机通过所述齿轮齿条升降传动机构驱动所述升降平台7。所述升降平台7的下端设置有所述升降锁止器8，升降锁止器8采用常规的齿条锁止结构。在到达预定位置后能够防止升降平台7继续上下移动。所述塔器1重心位置处紧箍有塔箍12，所述摇摆执行器10的两端分别与所述升降平台7及所述塔箍12铰接。所述加固单元中的所述钢缆4的下端分别与相对的所述升降单元的所述支撑立柱5固定连接。相对应的所述加固单元中的所述钢缆4与阻尼器3、所述升降单元中的所述支撑立柱5的轴线以及摇摆执行器10位于同一垂面内。

本实施例中，所述摇摆执行器10由驱动缸10-1及伸缩杆10-2组成。所述驱动缸10-1通过虎克铰11与所述升降平台7铰接，所述伸缩杆10-2通过虎克铰与所述塔箍12铰接。所述伸缩杆10-2、驱动缸10-1与塔箍12处在同一水平面。

本实施例中，所述摇摆执行器10为四个，四个所述摇摆执行器10与所述塔箍12的铰接点分别位于所述塔器内接正方形的四个角点。所述支撑立柱5为四个，分别位于与所述摇摆执行器对应的正方形同心的正方形的四个角点。

本实施例中，所述底座9的横截面及纵截面均为等腰梯形，用于满足十字铰15的转动范围需求并承担部分塔器1重量。

本实施例中，所述升降平台7的横截面外部为正八边形，内部空心为正方体型，对应所述正方体型的四个棱线上分别安装有所述齿轮6-1，所述齿条6-3分别安装于所述支撑立柱5上与所述齿轮相啮合。所述升降平台7由升降驱动电机控制，升降驱动电机带动四列齿轮6-1的转动，使之在四个支撑立柱5上移动，升降驱动电机的顺时针或逆时针转动，对应升降平台7的向上或向下移动，在升降平台的带动下，相对应的摇摆执行器产生向上或向下的位移。

本实施例中，所述塔箍12由两块塔箍板通过螺栓连接而成。

本实施例中，对应每列齿条6-3，在所述升降平台7的底部设有四个升降锁紧器8，当升降平台7移动到塔器1重心所在平面时，开启升降锁紧器8，固定升降平台7在混凝土立柱5上的位置不变。升降锁紧器呈三棱柱结构，底部设有勾槽。当平台移动到塔器重心位置后，勾槽将齿条勾紧，防止升降平台继续上下移动。

以下对海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置的安装流程进行具体说明。

步骤1在空阔场地安装四个混凝土支撑立柱5，并在其上安装相应的齿条6-3；

步骤2将组装好齿轮6-1、齿轮轴6-2和升降锁紧器8的升降平台7安装在混凝土立柱5上，相对应的齿轮与齿条啮合；

步骤3将底座9在对应位置通过地脚螺栓安装在预先浇筑的混凝土基础上，将十字铰15安插在底座9上，在十字铰15外侧安装十字铰平台14，使十字铰15嵌套在十字铰平台14内部，并在十字铰15的四个端口处通过销轴将十字铰平台14固定。

步骤4在塔器1重心位置安装好塔箍12，在塔器1顶部焊接好连接孔，并将塔器1吊运至十字铰平台14上，通过加强螺栓13固定在十字铰平台14上，同时保持吊车对塔器1的控制；

步骤5在塔箍12和升降平台7的对应位置安装虎克铰，启动升降机构使摇摆执行器与塔器重心在同一平面，升降锁紧器动作升降平台锁止，并将摇摆执行器两端分别与相对应的虎克铰连接；

步骤6依次从上到下完成加固组件的安装，包括阻尼器3和钢缆4，调节钢缆4使之具有一定的预紧力；

步骤7检查并确定摇摆运动模拟机构安装完好，解锁吊车对塔器1的控制。

本发明的利用海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置进行摇摆试验的方法包括下述步骤：

1.用管线将塔器介质开孔2与其他反应装置、物质储存装置连接起来，保证反应密闭、连续。在塔器介质开孔2位置布置相应的物质检测与监测装置；

2.打开管线阀口，待反应持续一段时间并达到稳定状态后，升降机构带动摇摆执行器上升至与所述塔器重心相对的位置，启动摇摆执行器。

3.摇摆执行器由上位机控制，在上位机软件中输入浮式生产储卸装置横摇、纵摇的运动幅值、频率和相位参数，这些运动参数取决于风、浪、流等环境条件及船舶形状、吃水等自身因素。

4.根据不同的塔器横摇、纵摇运动参数，采用闭环PID算法控制摇摆执行器伸缩杆的伸缩量，十字铰15辅助伸缩杆的运动随之产生两个方向的转动，使塔器产生预定的横摇、纵摇运动。

5.记录、分析塔器1物质检测与监测点的数据，研究在不同海上环境条件下浮式生产储卸装置上塔器内物质分离效果和塔器反应性能。

本发明的自升式摇摆试验装置能适应由于高度不同而重心不同的各类海上高耸塔器的摇摆试验，能充分保证塔器摇摆时的安全稳固，可用于研究浮式生产储卸装置上高耸塔器在不同的运动工况下，塔器内部物质分离效果的影响，有利于改进塔器的工艺性能、提高浮式生产储卸装置的生产效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置，其特征在于，包括塔器、摇摆运动模拟机构、加固机构、升降机构及底座，所述摇摆运动模拟机构包括摇摆驱动单元和随动单元，所述摇摆驱动单元包括多个摇摆执行器，所述摇摆执行器为直线伸缩式执行器；所述随动单元包括十字铰平台和十字铰；所述塔器下端安装于所述十字铰平台上，所述十字铰平台通过所述十字铰与所述底座连接；每个所述摇摆执行器的两端分别与所述升降机构及塔器铰接；所述加固机构包括多个由钢缆和阻尼器组成的加固单元；所述阻尼器的两端分别与所述钢缆和塔器上端连接；每个所述摇摆执行器与一组所述加固单元相对应，相对应的所述加固单元中的所述钢缆、阻尼器与所述摇摆执行器位于同一垂面内；所述升降机构带动所述摇摆执行器到达与所述塔器重心相对的位置，通过所述摇摆执行器的伸缩动作与所述十字铰相配合实现所述塔器的摇摆模拟运动。

2.根据权利要求1所述的海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置，其特征在于，所述升降机构包括多个升降单元，每个所述升降单元对应一个所述摇摆执行器；每个所述升降单元包括支撑立柱、升降平台、升降驱动电机、多组齿轮齿条升降传动机构及升降锁止器，多组所述升降传动机构中的齿条分别固定安装于所述支撑立柱的外壁上，所述升降平台为空心结构，与所述齿条啮合的所述齿轮固定安装于所述升降平台的空心位置；所述升降驱动电机通过多组所述齿轮齿条升降传动机构驱动所述升降平台；所述升降平台的下端设置有升降锁止器；所述塔器重心位置处紧箍有塔箍，所述摇摆执行器的两端分别与所述升降平台及所述塔箍铰接。

3.根据权利要求2所述的海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置，其特征在于，所述加固单元中的所述钢缆的下端分别与相对的所述升降单元的所述支撑立柱固定连接；相对应的所述加固单元中的所述钢缆与阻尼器、所述升降单元中的所述支撑立柱的轴线以及摇摆执行器位于同一垂面内。

4.根据权利要求2或3所述的海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置，其特征在于，所述摇摆执行器由驱动缸及伸缩杆组成；所述驱动缸与所述升降平台铰接，所述伸缩杆与所述塔箍铰接；所述伸缩杆及驱动缸与所述塔箍处在同一水平面。

5.根据权利要求4所述的海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置，其特征在于，所述摇摆执行器为四个，四个所述摇摆执行器与所述塔箍的铰接点分别位于所述塔器内接正方形的四个角点；所述支撑立柱为四个，分别位于与所述摇摆执行器对应的正方形同心的正方形的四个角点。

6.根据权利要求2所述的海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置，其特征在于，所述底座的横截面及纵截面均为等腰梯形。

7.根据权利要求2所述的海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置，其特征在于，所述升降平台的横截面外部为正八边形，内部空心为正方体型，对应所述正方体型的四个棱线上分别安装有所述齿轮，所述齿条分别安装于所述支撑立柱上与相对应的所述齿轮相啮合。

8.根据权利要求2所述的海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置，其特征在于，所述塔箍由两块塔箍板通过螺栓连接而成。

9.根据权利要求2所述的海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置，其特征在于，所述阻尼器为弹簧阻尼器或粘滞阻尼器。

10.一种利用权利要求1-9所述的海上高耸塔器的自升式摇摆试验装置进行摇摆试验的方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)用管线将塔器介质开孔与其他反应装置、物质储存装置连接起来，保证反应密闭、连续；在塔器介质开孔位置布置相应的物质检测与监测装置；

(2)打开管线阀口，待反应达到稳定状态后，升降机构带动摇摆执行器上升至与所述塔器重心相对的位置，启动摇摆执行器；

(3)根据不同的塔器横摇、纵摇运动参数，控制摇摆执行器的伸缩量，所述摇摆执行器的运动带动所述塔器，在所述十字铰辅助下，使所述塔器产生预定的横摇、纵摇运动；

(4)记录、分析所述塔器物质检测与监测点的数据，研究在不同海上环境条件下浮式生产储卸装置上塔器内物质分离效果和塔器反应性能。

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