基盘升沉补偿系统的设计和分析

徐宝富，羊衍贵，谌志新，2，王云杰

(1.农业部渔业装备与工程重点开放实验室，上海 200092;2.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092;3.同济大学机械与能源工程学院，上海 201804)

近年来，全球油气重大发现50%以上来自于海上，特别是深水领域，海洋油气的勘探的新趋势是由水深200～300 m的大陆架区域向3000 m的深水区域发展［1］.安装在工作船上的勘探设备在工作中受到海浪升降的影响，通常应有升降补偿装置.补偿装置就是消除海浪波动影响，使勘探设备犹如在陆地工作一样安全可靠.本文以勘察船上的基盘为例，介绍基盘升沉补偿装置的选型和设计问题.

1 基本概况

如图1所示［2］，安装在勘察船上的基盘和取样设备主要由基盘绞车、取样绞车、基盘和取样器组成.基盘绞车由液压马达驱动，可将基盘下放到海床上.基盘是钻杆在海底定位的装置，钻探结束后，钻杆被基盘上的海底钳夹紧，取样器由取样绞车下放，通过空心的钻杆并靠其自身的重力砸击钻探面来进行取样.取样成功后，取样器被取样绞车提升到勘察船，基盘绞车将基盘提升至勘察船，完成整个工作循环.钻探过程较长，有时可达几周时间.在工作过程中，因海浪波动引起勘察船作升降运动，因此需要基盘波浪补偿系统来确保基盘不被拉起和保证钢丝绳有一定拉紧力.勘察船因海浪上升时，钢丝绳应自动放长保证一定拉力，而工作船下降时，钢丝绳应自动收紧，保证一定拉力，保证基盘平稳地置于海底.

基盘波浪补偿系统的技术难点是:①由于深海作业(海深达3000m)的钢丝绳很长，绳重较大.补偿功率较大;②海浪幅度较大，其幅值可达±3m，周期达12s，这加大了补偿功率和补偿机构.

2 补偿方案分析

图1 勘探设备结构简图Fig.1 Schematic of exploration equipment

补偿方案有主动补偿和被动补偿2大类:①主动补偿是应用专用能源来进行补偿作业，如使用专用泵源，通过伺服阀、比例阀或电磁阀进行控制来完成补偿作业，一般形成闭环系统.主动补偿系统补偿精度高、响应快、性能稳定，不受工况影响.但补偿功率消耗大，尤其对大位移补偿更是如此，而且补偿功率大部转化为热量，液压系统还需附加散热器散热，以维持系统热平衡.②被动补偿是把海浪升降的能量储存起来，作补偿能源.如使用液压系统被动补偿方案，将波浪上升能量通过液压系统储存在蓄能器中，而在波浪下降过程中释放出来，用作补偿能量.被动补偿方法优点是不需专用能源，系统发热少，但补偿精度低［3］.

对于基盘海浪补偿装置，要求补偿精度不高，因此选用被动补偿较合适.

一般被动补偿方案有如下几种:①液压缸和滑轮组被动补偿;②液压马达被动补偿;③重锤平衡被动补偿.

2.1 液压缸和滑轮组被动补偿

2.1.1 补偿原理

液压缸和滑轮组被动补偿方案的原理如图2所示［2］.在起升钢丝绳中间安放一个液压缸和倍率为2的滑轮组被动补偿机构(也可根据需要选用别的倍率值).补偿机构由蓄能器2、补偿缸3、定滑轮5和动滑轮6组成.基盘绞车1正常升降时，补偿机构不工作，当基盘3下降到海床时，基盘绞车1制动，补偿机构开始工作.在勘察船上升时，钢丝绳被拉伸，补偿缸活塞杆被压缩缩回，将液压缸大腔的液压油压进蓄能器储油，整个升程是蓄能器储能的过程.勘察船下降时，钢丝绳有放松趋向，此时，蓄能器向液压缸输出液压油，使活塞杆伸出，通过滑轮组，予以补偿钢丝绳放松的长度，并保持钢丝绳一定的拉力，蓄能器以波浪的周期循环过程进行储油和释油，完成被动补偿作业［3］.

2.1.2 模型的建立

勘察船上升工况

图2 液压缸和滑轮组被动补偿方案原理图Fi.2 Principle schematic of passive heave compensation using hydraulic cylinder and pulley group

式中:Fy为油缸输出的力;px为蓄能器的工作压力;AD为补偿缸大腔面积;ηg为补偿缸的机械效率;m为钢丝绳滑轮组的倍率;ηh为滑轮组的效率;Fb为要求钢丝绳保持的拉力;Ff为在海水中的钢丝绳受到的浮力，d为钢丝绳外径，L为浸在海水中钢丝绳的总长度，γ为海水的密度，γ=1030 kg·m－3，g为重力加速度，g=9.8 m·s－2;Fg为动滑轮5以下的钢丝绳的重力，Fg=Lgγgg，Lg为动滑轮5到基盘之间的钢丝绳的长度，γg为钢丝绳的单重;Fi为运动部件的惯性力，Fi=myaL，my为运动部件的质量(包括缸活塞杆、动滑轮和运动的钢丝绳)，aL为运动部件的加速度，即海浪加速度.运动部件惯性力较小，计算中可略去.

勘察船下降工况

2.1.3 补偿缸和蓄能器参数的确定

Fb取最大张力值Fbmax，并取蓄能器最高工作压力pxmax，由式(1)试算补偿缸的内径D0为

将计算所得的D0值，根据液压缸内径系列，取液压缸的内径为D.

Fb取最大张力值Fbmax，由式(1)得补偿液压缸内径为D时，蓄能器最大工作压力p2为

Fb取最小张力值Fbmin，由式(1)得补偿液压缸内径为D时，蓄能器最小工作压p1为

式中:AL为海浪振幅;ΔAL为极限情况下，海浪振幅的增加量.蓄能器储油和释放容积ΔV为

式中:p0为蓄能器充气压力，取p0=0.9p1;k为绝热指数，对氮气或空气，可取k=1.4.

2.2 液压马达的被动补偿

2.2.1 补偿原理

液压马达被动补偿原理如图3所示［2］.将起升液压马达同时用作液压马达被动补偿系统，连接阀2处中位时蓄能器和液压马达连接油路被切断，操纵换向阀可使基盘绞车运行.若换向阀处中位，连接阀移入左位，蓄能器和液压马达油路连接，形成补偿系统.在勘察船上升时，钢丝绳拉动液压马达旋转，马达输出液压油，向蓄能器充油，蓄能器储能;当勘察船下降时，蓄能器向液压马达供油，使钢丝绳拉直，并保持一定拉紧力.

2.2.2 模型的建立

勘察船上升工况

图3 液压马达被动补偿方案原理图Fig.3 Principle schematic of passive heave compensation using hydraulic motor

式中:Ty为补偿液压马达输出的扭矩;Vm0为补偿液压马达总排量;i为起升机构减速器的传动比;ηt为补偿液压马达和起升机构减速装置的总机械效率;Di为补偿时卷筒钢丝绳工作直径;Jm为换算到马达轴上的液压马达、减速装置卷筒和卷筒上钢丝绳的总惯量;ε为换算到马达轴上的角加速度，ε=;F，F可按gf前述液压缸被动补偿中相关公式计算.勘察船下降工况

2.2.3 补偿液压马达和蓄能器参数的确定

马达的主参数要考虑3个参数:补偿压力、马达的总排量和补偿时马达最高转速.

补偿压力，即蓄能器实际补偿工作压力，因起升液压马达兼作补偿马达，蓄能器最高补偿压力应和起升液压马达实际工作压力一致，最大压力不能超过马达的额定工作压力，以保证液压马达安全可靠工作.

补偿马达的总排量，若起升马达使用一个液压马达驱动，则驱动马达排量为补偿马达的总排量，适当选取蓄能器的补偿压力来平衡负载，但蓄能器最大工作压力不能超过液压马达的额定工作压力.若起升机构使用多个液压马达，可选用其中几个组合来满足补偿马达总排量要求，以减少蓄能器的总容积.

蓄能器的工作总容积ΔV为

式中:ηmV为液压马达的容积效率.

Fb取最大张力值Fbmax，由式(9)得蓄能器最大工作压p2为

2.3 重锤平衡被动补偿

2.3.1 补偿原理

如图4所示［2］，利用重锤4来储存能量和释放能量.在起升钢丝绳中间，安装定滑轮2和动滑轮6，形成2倍率滑轮组，与动滑轮6连接的钢丝绳绕过定滑轮5与重锤4连接.在正常升降时，使补偿机构制动，操纵基盘绞车就可完成基盘正常升降.当要进行补偿时，基盘绞车制动，在勘察船上升时，钢丝绳拉动动滑轮6，继而拉动重锤4上升，补偿装置储能，并保持钢丝绳有一定的拉紧力;勘察船下降时，重锤4向下运动拉紧钢丝绳使钢丝绳保持一定拉紧力，补偿装置释放能量，当然滑轮组倍率也可采用4，但增大重锤重力，减小补偿行程.

2.3.2 模型的建立

勘察船上升工况

式中:Gb为重锤重力.

勘察船下降工况

2.3.3 重锤重力的确定

可先由式(17)，初步确定重锤重力Gb，然后按式(15)和(16)验算拉力是否满足要求，再进一步调整重锤重力.

3 实际算例

以一个基盘被动补偿实例计算来说明3种被动补偿机构的特点.

图4 重锤被动补偿方案原理图Fig.4 Principle schematic of passive heave compensation using hammer

3.1 设计要求

(1)海况参数.最大海况条件，海浪振幅AL=±3 m，海浪振幅增加量ΔAL=±0.4 m，周期T=12 s.

(2)系统要求补偿力.作业时保证基盘绞车的钢丝绳张力F=20～50 kN(不包括钢丝绳重力).

(3)钢丝绳参数.钢丝绳规格φ40mm(GB/T8918—2006)，单重γg=6.69 kg·m－1

(4)作业水深3200 m.

3.2 计算结果

(1)液压缸滑轮组被动补偿:取m=4，ηh=0.98，ηg=0.98，计算得D0=211.7mm.取 D=220mm，S=1.7 m，计算得所需蓄能器的参数如表1.

(2)液压马达被动补偿:取Vm0=4 L·r－1，i=6，ηt=0.921，Di=0.72 m，Jm=279 kg·m2，计算得所需蓄能器参数如表1.

(3)重锤平衡被动补偿:取 m=2，ηh=0.99，计算得 Gb=410 kN，补偿重锤位移 S=3.4 m;Fb=24.4 ～45.8 kN.

表1 蓄能器参数Tab.1 Accumulator parameter

4 结论

从上述实际算例的结果，可得出以下结论:

(1)在满足拉力范围要求前提下，重锤补偿方案最简单，无需蓄能器及相关液压元件，价格较低、可靠性好、维护方便，但重锤重力和体积较庞大，需较大的安装空间，补偿精度较好.因重锤行程有限，补偿时重锤中位应和波浪的中位对中，否则会使补偿限位而使补偿失效，所以应有对中控制措施.

(2)液压缸滑轮组被动补偿方案与液压马达被动补偿方案相比，前者可根据需要选择滑轮组倍率，以选择相应的补偿缸行程和补偿液压缸内径，补偿蓄能器容积略小，但液压缸和滑轮组安装和布置较麻烦，维修也不方便;液压缸滑轮组被动补偿方案与重锤平衡被动方案相比较，前者需蓄能器和液压元件，价格昂贵，维修麻烦，但补偿精度较重锤要差.若要提高精度需加大蓄能器总容积，因补偿缸行程有限，补偿缸中位应和波浪中位对中，否则会使补偿限位而补偿失效，所以应有对中控制措施.

(3)液压马达被动补偿方案与液压缸滑轮组被动补偿方案比较，前者利用起升液压马达作补偿元件，机构和布置简单，因要通过马达、减速装置和卷筒传动进行补偿，其惯性矩较大，致使蓄能器容积增大，增大费用.这是补偿马达最大的不足.因卷筒钢丝绳可多留出足够余量，波浪对中要求不高，在补偿过程中，蓄能器会自动调节适应补偿要求，补偿精度较重锤略差，若要提高精度，需加大蓄能器总容积.

因此，在被动补偿方案选择时，要根据补偿要求和补偿工况要求进行综合评价来选择合适补偿方案.

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