段　武，李　峰，劉遠(yuǎn)波，杜明賢，郭　冬，王福貴

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002）①

dC120/180-Y型游車升沉補(bǔ)償裝置液氣系統(tǒng)研究

段武1，2，李峰1，劉遠(yuǎn)波1，2，杜明賢1，2，郭冬1，2，王福貴1，2

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002）①

對(duì)國(guó)內(nèi)首次設(shè)計(jì)的DC120/180-Y型游車升沉補(bǔ)償裝置液氣系統(tǒng)的主要特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述，分析總結(jié)了其設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意的主要問題，并將其理論計(jì)算數(shù)據(jù)輸入仿真軟件中進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明：補(bǔ)償效果完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了其理論計(jì)算方法的正確性。

游動(dòng)滑車；升沉補(bǔ)償裝置；高壓氣瓶組；蓄能器；主動(dòng)補(bǔ)償缸

鉆柱升沉補(bǔ)償裝置是海洋鉆井的重要設(shè)備，廣泛應(yīng)用于浮式鉆井平臺(tái)或鉆井船中。升沉補(bǔ)償按結(jié)構(gòu)可分為天車升沉補(bǔ)償、游車升沉補(bǔ)償?shù)取Ｌ燔囇a(bǔ)償結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本較高，主要應(yīng)用于大載荷（≥2 700 k N）的補(bǔ)償。游車補(bǔ)償制造成本較低，一般應(yīng)用于中小載荷（＜2700kN）的補(bǔ)償。升沉補(bǔ)償裝置按其動(dòng)力供給方式又可分為被動(dòng)式、主動(dòng)式和半主動(dòng)式［1-6］。被動(dòng)式補(bǔ)償裝置成本較低，控制簡(jiǎn)單，補(bǔ)償精度較差；主動(dòng)式補(bǔ)償裝置成本高，控制復(fù)雜，但補(bǔ)償精度高；半主動(dòng)式則是取兩者的優(yōu)點(diǎn)，在相對(duì)較合理的成本基礎(chǔ)上取得滿意的補(bǔ)償精度。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制的DC120/180-Y型游車升沉補(bǔ)償裝置即為半主動(dòng)式游車升沉補(bǔ)償裝置。

DC120/180-Y型游車升沉補(bǔ)償裝置主要由機(jī)械、液氣、電控等3大部分組成。其中，液氣系統(tǒng)是升沉補(bǔ)償裝置的核心，其設(shè)計(jì)的合理與否直接決定著補(bǔ)償效果的好與差及生產(chǎn)成本的高與低。DC120/180-Y型游車升沉補(bǔ)償裝置液氣系統(tǒng)如圖1所示，本文就其主要特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮的因素進(jìn)行總結(jié)。

圖1　DC120/180Y型游車升沉補(bǔ)償裝置液氣系統(tǒng)

1　主要特點(diǎn)

1） 在被動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上增設(shè)主動(dòng)補(bǔ)償裝置，提高補(bǔ)償精度。

結(jié)合了主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)和被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，主要載荷由被動(dòng)系統(tǒng)承擔(dān)，降低能耗；而慣性載荷、摩擦載荷以及壓力變化附加載荷由主動(dòng)系統(tǒng)克服，使得該裝置具有較好的補(bǔ)償效果和較強(qiáng)的適應(yīng)性。

2） 主動(dòng)補(bǔ)償采用比例閥+恒壓變量泵的控制模式，控制響應(yīng)快且節(jié)能。

液壓系統(tǒng)控制通常有泵控和閥控2種方式。閥控執(zhí)行元件慣性小，響應(yīng)速度快，控制精度高；但由于存在節(jié)流損失和溢流損失，能量損耗高，系統(tǒng)發(fā)熱量大；大功率時(shí)工作液容易發(fā)熱，需要配備大功率冷卻系統(tǒng)。泵控能量損失少，系統(tǒng)發(fā)熱少；但由于執(zhí)行元件慣性較大，致使系統(tǒng)響應(yīng)較慢，控制效果較差。綜合考慮泵控和閥控的優(yōu)缺點(diǎn)，采用比例閥＋恒壓變量泵的控制方式，將二者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，發(fā)揮其各自的長(zhǎng)處。

3） 系統(tǒng)關(guān)鍵部件工作狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋。

系統(tǒng)中主要閘閥、被動(dòng)補(bǔ)償缸、主動(dòng)缸和鎖緊缸等關(guān)鍵構(gòu)件均設(shè)置了傳感器或開關(guān)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測(cè)各閘閥和關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件的位置，控制單元根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)發(fā)出合理的控制指令，以保證任何一個(gè)操作安全、準(zhǔn)確。

4） 主動(dòng)/被動(dòng)補(bǔ)償方式切換便捷。

當(dāng)系統(tǒng)只需要被動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，只需關(guān)閉主動(dòng)泵站，同時(shí)將比例閥組各閥件切換至特定位置即可。當(dāng)主、被動(dòng)補(bǔ)償同時(shí)使用時(shí)，主動(dòng)泵啟動(dòng)，比例閥組各閥件處于工作狀態(tài)即可。

5） 系統(tǒng)設(shè)置防爆閥、隔離閥，確保系統(tǒng)工作安全。

被動(dòng)補(bǔ)償缸進(jìn)油口管路安裝有防爆閥，以便在發(fā)生鉆柱掉落、爆管、鏈條斷裂等事故時(shí)，防爆閥通過流量變化快速關(guān)閉；由于補(bǔ)償缸屬于活動(dòng)部件，存在膠管非正常損壞的危險(xiǎn)，此時(shí)液壓油流量大，壓力高，容易對(duì)人體其他部件造成傷害，所以在軟管連接的另一端設(shè)置固定隔離閥，當(dāng)軟管損壞時(shí)，隔離閥得到信號(hào)自動(dòng)關(guān)閉主管道，避免造成二次傷害；同時(shí)，隔離閥通過壓差變化自動(dòng)關(guān)閉，避免安全事故的發(fā)生及液壓油外泄造成環(huán)境污染。

2　設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題

2.1 被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)液壓介質(zhì)的選擇

被動(dòng)補(bǔ)償裝置液壓介質(zhì)的選擇主要考慮其抗燃性。目前的抗燃液主要分為含水型與合成型2種，其應(yīng)用較廣范的液壓液有水乙二醇和脂肪酸脂［7］。水-乙二醇的介質(zhì)特性決定其工作壓力最大僅能達(dá)到21 MPa，且性能不穩(wěn)定，但其成本低廉。脂肪酸脂等合成型液壓液的工作壓力最大可達(dá)到35 MPa，但其價(jià)格高。本補(bǔ)償裝置液壓介質(zhì)為水-乙二醇。

2.2 被動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)，被動(dòng)液壓缸采用單作用液壓缸。為防止被動(dòng)補(bǔ)償缸補(bǔ)償作業(yè)時(shí)由于慣性力活塞碰撞缸底，被動(dòng)補(bǔ)償缸設(shè)計(jì)行程時(shí)應(yīng)考慮一定富裕量。

2.3 高壓氣瓶組容積的確定

高壓氣瓶組容積的選擇直接決定被動(dòng)補(bǔ)償效果的好壞，氣瓶組容積越大［8-9］，氣瓶?jī)?nèi)氣體壓力波動(dòng)值越小，補(bǔ)償效果越好，但成本相應(yīng)增大；反之，氣瓶組容積越小，氣瓶?jī)?nèi)氣體壓力波動(dòng)值越大，補(bǔ)償效果越差，但成本較低。因此，必須選擇相比較合理的氣瓶容積，既可以滿足補(bǔ)償精度要求，又不至于承擔(dān)過高的成本壓力。在進(jìn)行氣瓶組容積計(jì)算時(shí)還應(yīng)考慮絕熱系數(shù)，因?yàn)椴煌慕^熱系數(shù)對(duì)氣瓶容積的計(jì)算有較大影響。

2.4 主動(dòng)補(bǔ)償缸的設(shè)計(jì)

主動(dòng)補(bǔ)償缸所需驅(qū)動(dòng)力計(jì)算主要考慮以下4個(gè)方面因素：

1） 補(bǔ)償器機(jī)械結(jié)構(gòu)的效率影響。

2） 高壓氣瓶組空氣壓力變化導(dǎo)致被動(dòng)缸推力的波動(dòng)。

3） 補(bǔ)償裝置產(chǎn)生的附加慣性力。

4） 被動(dòng)補(bǔ)償管路壓降損失產(chǎn)生的作用力。

主動(dòng)缸在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮降低主動(dòng)泵站的總功率，需采用等速缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主動(dòng)補(bǔ)償缸在設(shè)計(jì)行程時(shí)應(yīng)考慮預(yù)留一定余量，主動(dòng)缸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　主動(dòng)補(bǔ)償缸等速結(jié)構(gòu)

2.5 蓄能器容積的選擇

為保證升沉補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償過程的平穩(wěn)性、安全性，在被動(dòng)補(bǔ)償裝置空氣與液壓管線之間設(shè)置活塞式蓄能器實(shí)現(xiàn)氣液隔離。蓄能器的容積應(yīng)比被動(dòng)液壓缸塞腔容積之和略大一些。

2.6 主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)比例閥組的設(shè)計(jì)

比例閥組設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮主、被動(dòng)補(bǔ)償同時(shí)工作，被動(dòng)補(bǔ)償單獨(dú)工作時(shí)兩補(bǔ)償裝置不得相互干涉，不得影響補(bǔ)償精度，不得損害主動(dòng)液壓缸。

2.7 大流量液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該裝置液氣系統(tǒng)流量大、壓力高，在選擇液壓元件時(shí)必須考慮其可靠性、靈敏度及壓降值。系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)時(shí)通徑應(yīng)考慮其富裕量，盡量減少?gòu)濐^和軟管的使用，以降低管路壓降。主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)比例閥組應(yīng)靠近主動(dòng)液壓缸布置，縮短閥組與液壓缸之間管線長(zhǎng)度，提高響應(yīng)速度。

3　仿真分析

通過設(shè)計(jì)確定各參數(shù)后，利用SIMULILNK/ADAMS軟件進(jìn)行模擬分析，在不同工況條件下對(duì)比補(bǔ)償效果的差異性。圖3為考慮與忽略傳動(dòng)系統(tǒng)效率2種情況下的被動(dòng)補(bǔ)償效果曲線。圖4為增加主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償效果曲線［10］。

通過模擬分析，得出如下結(jié)論：

1） 補(bǔ)償系統(tǒng)傳動(dòng)效率越高，被動(dòng)補(bǔ)償效果越好。

2） 不同的高壓氣瓶組容積決定著補(bǔ)償效果的好壞。

3） 增加主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)后的補(bǔ)償效果明顯提高。

4） 仿真分析結(jié)果與理論計(jì)算數(shù)據(jù)基本吻合。

圖3　被動(dòng)補(bǔ)償效果曲線

圖4　增加主動(dòng)補(bǔ)償效果曲線

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)半主動(dòng)式游車升沉補(bǔ)償裝置液氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出一些建議，以防止在后期設(shè)計(jì)過程中發(fā)生走彎路、考慮不全面、不到位等情況，從而影響升沉補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償精度。DC120/180-Y型游車升沉補(bǔ)償裝置液氣系統(tǒng)為國(guó)內(nèi)首次設(shè)計(jì)，通過理論計(jì)算確定其主要部件技術(shù)參數(shù)，再反之將數(shù)據(jù)寫入仿真軟件中，通過模擬分析得出其仿真補(bǔ)償效果完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而驗(yàn)證了理論計(jì)算方法的準(zhǔn)確性?？蔀椴ɡ松裂a(bǔ)償裝置液氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

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［4］ 陳祖波，呂巖，等.浮式鉆井鉆柱升沉補(bǔ)償概述［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（10）：28-32.

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［8］ 白鹿.鉆柱液壓升沉補(bǔ)償系統(tǒng)研究［D］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)，2009.

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Research about Liquid Gas System of d C120/180-Y Travel Block-based Heaven Compensator

DUANWu1，2，LI Feng1，LIUYuanbo1，2，DUMingxian1，2，GUODong1，2，WANG Fugui1，2
（1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.National Oil&Gas Drilling Equipment Engineering Research Center，Baoji 721002，China）

The main characters of liquid gas system about DC120/180-Y travel block-based heave compensator which is designed for the first time on domestic are briefly presented.The primal points that should be taken care in the design procedure of it are analyzed and generalized.The theoretical data are inputted into simulation software to make an analog simulation.The simulate results indicate that the final compensating effects totally satisfied the design requirements，and the correctness of the theoretical computational method is proved also.

traveling block；heave compensator；high-pressure gas cylinder group；accumulator；ac-tive compensating cylinder

TE923

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.005

1001-3482（2015）07-0021-04

①2015-01-26

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助（2012AA09A203）

段 武（1984-），男，陜西禮泉人，工程師，主要從事石油鉆采設(shè)備設(shè)計(jì)研究，E-mail：duanwu521＠126.com。