海洋钻井隔水管张力器控制系统研究

摘 要：海洋钻井隔水管张力器是浮式钻井装置上的一种关键设备，用于提升隔水管、消除隔水管重力、为伸缩节提供结构性支持、保证隔水管的正常工作并消除浮式平台或钻井船相对于钻井隔水管的升沉运动。其中，为提高张力器对波浪垂荡运动的及时性，张紧装置中的监控控制系统至关重要，对保持隔水管受恒定张力、张紧器的运动行程以及张紧能力有重要的影响。海洋隔水管张力器主要有钢丝绳式和液压缸直接式（DAT）2种，不同类型张紧装置的控制系统也有不同，滑轮钢丝绳技术比较成熟，适用于安装在半潜式钻井平台中钻井模块的四周，直接液缸式张紧器制造难度大，技术先进，全球仅有一两家公司具备制造能力，本文就两种张紧器的控制系统分别探讨其控制原理、控制方式、控制系统关键技术等问题。

关键词：隔水管；张紧系统；控制系统；监测响应

海洋钻井隔水管张紧器的技术革新随着半潜式钻进平台的技术发展而发展的，隔水管张紧器国内研究还处于起步阶段，现有宝鸡石油机械有限公司、中国石油大学以及上海708研究所等单位研究，其设计和制造主要被NOV、CAMERCON、MH、CONTROL FLOW等西方少数公司掌握。

1滑轮钢丝绳隔水管张力器控制系统

被动补偿式张紧器的控制系统是基于液缸下的控制模块，在对张紧器活塞运动数据进行现场信息监控收集条件下，通过对比钻井平台升沉运动，经过人机界面HMI和逻辑控制单元SLCU对其控制操作。所采集的信号是由布置于抗反冲监控单元的位移传感器、线绳式位置传感器、气源监控单元的传感器以及钻井平台的升沉运动单元的速度位移传感器进行实时收集，然后在CPU的每个脉冲周期，由SLCU对张紧器活塞位置和升沉运动单元发出坐标询问信号，处理传递过来的信号，以判断系统的状态。如图1所示，是张紧器的监测控制组成图。

被动式补偿隔水管中对张紧力的控制可以采用间接张力控制法，又称补偿控制，它通过对影响张力稳定的参数的调节补偿可能出现的张力变化，间接地保持张力稳定，即只给定张力设定值，不用检测器采集张力的实际值，对张力不形成闭环控制，而是通过对被控机即驱动电机的电流或励磁电流的控制来间接对张力进行恒定控制，从而使电动机力矩保持不变，保证被卷取产品的张力恒定。如图2所示，人工控制式张力补偿控制。

2 直接作用式液缸隔水管张力器控制系统

直接作用式液缸隔水管张力器是近年来发展起来的一种新型结构，随着大型液压缸制造技术的发展而逐渐被研究推广使用，通常安装在平台的下表面，采用4个或6个为一组的液压缸组合。

直接作用式液缸隔水管张紧系统由司钻房远程控制，控制板分为3个功能模块：压力调节、細节监控和通用功能。其控制系统是一种模块化的集中控制系统，采用安全遥控操作系统，能处理系统内部的连锁及报警等，当系统出现任何异常情况进行信息报告或者报警。隔水管张紧系统的PLC柜是系统的通信与信息中心，所有的进入/输出设备、控制板及司钻屏的信号都经由此柜传输。升沉检测装置等功能与钢丝绳式张紧器功能相似，在此不再赘述。直接作用式的这种自动控制方式，波浪补偿部分会投入工作，自动控制需要设置起升的速度，补偿形式等参数，剩余部分由波浪补偿控制器根据传感器采集的信号和控制流程与策略完成。整个系统的控制组成如图3所示。

3结论

目前在钻井平台上安装的被动式隔水管张紧系统主要有钢丝绳式张紧器和直接作用式张紧器两种。虽然直接作用式张紧器的液压缸尺寸比较大，但是钢丝绳式张紧器的滑轮组占平台空间较大，而且钢丝绳易损坏失效，维修强度大。两者的控制系统在原理上是基本一致的，只是直接作用式的张紧器控制系统需要基于液压系统的发展，在集成电子技术上，实现波浪垂荡运动的补偿。隔水管张紧器的控制系统的关键问题在于监测响应和张力控制，所控制的反馈信息基于监测响应的信号处理，所施加的张力控制也需要监测响应的监测数据，同时计算机处理控制系统也是未来的张紧器应该朝向自动化的领域发展的方向。

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作者简介：

李宇（1997～），男，西南石油大学机电工程学院本科在读，研究方向为机械设计制造及自动化。