引言
海上無人平臺與傳統(tǒng)有人平臺相比,具有成本低、環(huán)境影響小、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢。然而,無人平臺的推廣應(yīng)用還面臨著一些挑戰(zhàn),其中之一就是如何解決維保人員對無人平臺的定期巡檢和設(shè)備維護(hù)問題。
1當(dāng)前登離平臺現(xiàn)狀
當(dāng)前,海上有人平臺的登離以直升機(jī)登船、平臺吊機(jī)/吊籠以及登船軟梯三種方式最為常見[1]。然而,這些方式在應(yīng)用于無人平臺時都存在一定的局限性。由于無人平臺上無人操作吊機(jī),使用平臺吊機(jī)和吊籠轉(zhuǎn)運人員已經(jīng)變得不可行。采用直升機(jī)運送維保人員雖然快捷,但成本較高,維保人員離開平臺的時間難以與直升機(jī)計劃飛行時間無縫對接,同時無人平臺的特點是小而多、成群分部,直升機(jī)無法滿足多人次多點起落,且部分無人平臺甚至未安裝直升機(jī)坪。通過平臺軟梯登平臺的方式成本最低,但維保人員會存在一定的安全風(fēng)險,特別是在海上風(fēng)浪較大的情況下不利于維保人員攜帶大量工具。
目前,國內(nèi)外在海洋鉆井平臺、海上風(fēng)電、船舶等領(lǐng)域都對登離裝置做了一定的研究,其中也包含帶有深沉補償裝置的登離裝置[2—3],但其大多是安裝在支持船上,通過收集船舶運動數(shù)據(jù),將其轉(zhuǎn)換成電信號傳輸至登離裝置上,利用大型液壓缸做相反方向的運動,從而實現(xiàn)登離裝置本體的水平穩(wěn)定。其特點是穩(wěn)定性能好,反饋精度高,但該裝置一般是固定在船體上,將大面積占用船體甲板,無法再利用船舶進(jìn)行其他作業(yè),只能專船專用。
2新型登離方式研究思路
研究海上無人平臺登離方式,可以提高操作效率和安全性。海上無人平臺作為一種高度自動化設(shè)備,其登離方式的優(yōu)化將直接影響到運行效率和操作風(fēng)險的控制。因此,本研究的成果對于提高海上無人平臺的運行效率和降低操作風(fēng)險具有重要意義。
目前,海上無人平臺的升降方式主要包括鋼索吊桿式、液壓升降式和氣動升降式三種。
鋼索吊桿式是一種傳統(tǒng)且常見的方式。它在平臺和登陸設(shè)施之間設(shè)置鋼索吊桿,通過升降機(jī)或絞盤等設(shè)備實現(xiàn)平臺的登離操作。這種方式具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠的特點。然而,由于使用鋼索吊桿,平臺的升降速度較慢,且在強風(fēng)或惡劣海況下容易受到外力干擾,影響登離操作的安全性。
液壓升降式懸掛升降方式是一種較為先進(jìn)的方式。它通過液壓系統(tǒng)控制平臺的升降,具有升降速度快、操作方便的優(yōu)點。與鋼索吊桿式相比,液壓升降式能更好地適應(yīng)海況變化,提高登離操作的靈活性和安全性。
氣動升降式懸掛升降方式是一種新型的方式。它通過氣囊或氣壓裝置控制平臺的升降,具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、升降速度快的特點。與液壓升降式相比,氣動升降式更加節(jié)能環(huán)保,且維護(hù)成本較低。然而,由于氣動裝置對環(huán)境要求較高,需要保持一定的氣壓穩(wěn)定,對氣囊或氣壓裝置的材質(zhì)和耐久性要求較高,因此設(shè)計和制造難度也較大。
針對海洋平臺的結(jié)構(gòu)特點,為取代傳統(tǒng)的鋼索吊桿登離方式'筆者將采用更為先進(jìn)的液壓或氣動方式實現(xiàn)響應(yīng)速度更快的登離平臺。由于海洋平臺氣源主要來自空壓機(jī),其容量只能滿足生產(chǎn)工藝需要,如要驅(qū)動登離裝置,需要保障連續(xù)且大量的氣源,海洋平臺是無法具備此條件的。所以,未來新型的登離平臺方式,必然是采用液壓系統(tǒng)。
3新型登離方式技術(shù)難點
穩(wěn)定性風(fēng)險管理是海上無人平臺登離方式中至關(guān)重要的一項技術(shù)。穩(wěn)定性是指無人平臺在海上運行時能夠保持平穩(wěn)的狀態(tài)'不會因外部環(huán)境的變化而發(fā)生傾覆或失穩(wěn)的情況。穩(wěn)定性風(fēng)險管理的目標(biāo)是通過合理的設(shè)計和控制措施,確保無人平臺在各種環(huán)境條件下都能保持穩(wěn)定。
穩(wěn)定性風(fēng)險管理需要對無人平臺登離裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計。其結(jié)構(gòu)應(yīng)具備足夠的剛度和強度,能夠承受外部環(huán)境的影響;還需要考慮設(shè)備的重心位置和重量分布,使其在運行過程中保持穩(wěn)定。為了確保設(shè)計的準(zhǔn)確性,可以借助計算機(jī)輔助設(shè)計軟件進(jìn)行模擬分析,評估其穩(wěn)定性。
穩(wěn)定性風(fēng)險管理還需要考慮海上環(huán)境的變化。海上環(huán)境的變化包括海浪、風(fēng)力等因素的變化'這些因素都會對登離穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此'需要在設(shè)計中考慮這些因素'并采取相應(yīng)的措施來應(yīng)對。例如'可以在裝置底部設(shè)置液壓緩沖器,以減輕波浪對平臺的影響。
綜上所述,穩(wěn)定性風(fēng)險管理是海上無人平臺登離裝置設(shè)計中不可忽視的一部分。通過合理的設(shè)計和控制措施,可以提高裝置的穩(wěn)定性,確保其在各種環(huán)境條件下都能正常運行。穩(wěn)定性風(fēng)險管理需要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制措施、環(huán)境變化等因素,并進(jìn)行全面的風(fēng)險評估和管理。只有做好穩(wěn)定性風(fēng)險管理,才能保證海上無人平臺登離裝置的安全運行。
4新型登離方式技術(shù)研究
為滿足海上平臺登離的環(huán)境特點,本文研究的登離裝置由液壓缸、轉(zhuǎn)動軸、吊籃以及緩震器組成,其中液壓缸主要實現(xiàn)裝置的伸縮功能,讓登離裝置離開平臺的水平距離盡可能地大,使得拖輪與平臺導(dǎo)管架保持一定的安全距離;轉(zhuǎn)動軸主要實現(xiàn)裝置
水平方向的旋轉(zhuǎn)以及伸縮臂在垂直方向上的旋轉(zhuǎn),使得裝置可以將吊籃降低至接近拖輪的水平面,同時也可以針對不同的海況調(diào)整安全位置,以適應(yīng)拖輪的運行方向;吊籃主要承載人員以及必要的貨物,滿足一定的承載重量;緩震器安裝在吊籃底部,用以抵消拖輪受波浪起伏造成的震動。
深沉補償裝置按照工作原理可以分為主動式、被動式以及混合式。
主動式深沉補償裝置為閉環(huán)式控制系統(tǒng),其采用多方位和多角度的高精傳感器對船舶的運動姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集,通過轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,由計算控制系統(tǒng)計算深沉補償裝置的運動參數(shù),通過液壓、電力等方式驅(qū)動裝置以相同的幅度以及相反的方向運動,從而實現(xiàn)深沉補償?shù)墓δ?。主動式深沉補償裝置的核心技術(shù)是高精度傳感器以及控制系統(tǒng),并且裝置設(shè)計上也要滿足大慣性狀態(tài)下登離裝置的穩(wěn)定、快速及實時有效性。其優(yōu)點是精度高、補償能力強,但是系統(tǒng)相對復(fù)雜、功率大,在海洋平臺上不適用。
被動式深沉補償裝置和主動式相比,屬于開環(huán)式系統(tǒng),簡化模型后即一套減振裝置,利用彈簧式阻尼系統(tǒng)搭建,針對裝置載重、運動范圍選擇不同的阻尼結(jié)構(gòu)或液壓油缸。載人吊籃接近拖輪處后,當(dāng)拖輪在海浪的作用下上升時,吊籃本身由于自身的重力以及慣性有保持穩(wěn)定不動的運動趨勢,此時彈簧阻尼結(jié)構(gòu)或液壓油缸被壓縮,使得吊籃的運動范圍大大縮小,減少了人員的不適感;反之,當(dāng)拖輪處于海浪波谷中時,彈簧阻尼會被釋放恢復(fù)到初始位置,或液壓缸中的油體會回到緩沖蓄能器中。被動式深沉補償裝置由于結(jié)構(gòu)簡單、承載能力強,適用于海上平臺。本裝置采用結(jié)構(gòu)更加簡單的彈簧阻尼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)深沉補償功能。
混合式深沉補償裝置集合了主動式和被動式的優(yōu)點,能實現(xiàn)相對高精度的補償功能,但從另一方面來說,由于集合了兩種不同系統(tǒng),其復(fù)雜程度遠(yuǎn)高于其中一種,相對而言故障率也會更高,所以該項技術(shù)在未獲得充分驗證的前提下暫不考慮。
5新型登離裝置總體布置設(shè)計
固定式海洋平臺本體分為四大部分,包含導(dǎo)管架、上部組塊、生活樓以及模塊鉆機(jī);而無人平臺只有導(dǎo)管架和上部組塊部分。上部組塊一般分為上層甲板、中層甲板以及下層甲板,各甲板主要布置生產(chǎn)工藝處理設(shè)施。以常規(guī)平臺為例,下層甲板一般距離海平面18~22 m,如登離裝置設(shè)計在下層甲板(圖1),按照水平伸出距離10 m計算,裝置的總長度達(dá)到20 m以上,大大增加了裝置的材料成本,也增加了平臺導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的負(fù)載。除此位置外,在下層甲板以下還設(shè)有一層工作甲板,一般距離海平面7~8 m,同樣按照10 m的水平伸出距離計算,裝置的長度只需12 m即可達(dá)到要求,且工作甲板也常用于平臺登離,各項設(shè)計也利于人員高效登離平臺。
6新型登離裝置設(shè)計
實際工作過程中,本登離裝置用于作業(yè)人員由拖輪登離海洋平臺。如圖2所示,本登離裝置初始位置為各伸縮臂全部收縮至最短狀態(tài)時,旋轉(zhuǎn)底座(23)旋轉(zhuǎn)至海洋平臺甲板側(cè),使得吊籃(20)底部與海洋平臺甲板面接觸;當(dāng)人員需要由拖輪登平臺時,旋轉(zhuǎn)底座帶動旋轉(zhuǎn)主臂(19)和支臂(16/17)至合適位置,通過液壓缸(1/2/3/4/5)將伸縮臂(6/7/8/18)展開,直至吊籃底部靠近拖輪甲板,然后放下吊籃的前擋板(27),使得前擋板能夠放置在拖輪甲板上,解鎖護(hù)欄后人員即可通過前擋板登上吊籃,當(dāng)人員站立在吊籃中以后,升起前擋板并鎖好護(hù)欄,然后液壓缸將伸縮臂收縮,直至吊籃底部與海洋平臺甲板面接觸,旋轉(zhuǎn)底座再帶動整個裝置旋轉(zhuǎn)至初始位置,人員即可登上海洋平臺。
7無線控制裝置設(shè)計
控制系統(tǒng)由發(fā)射器和接收器兩大部分組成(圖3)。其中,發(fā)射器采用多路控制模式,首先應(yīng)具有無線操控功能,滿足人員方便攜帶的要求;其次需要特別考慮可靠性、靈活性、安全性和可操作性。
在可靠性上,本控制裝置采用無線工業(yè)遙控器,利用雙CPU控制、433 MHz與2.4 GHz雙頻段無線通信和冗余設(shè)計,并通過檢錯糾錯編碼方式實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)距離、高可靠性控制,確保安全運行。在靈活性上,同時兼容CAN總線作為線纜控制,擴(kuò)大使用范圍。在安全性上,遙控器外殼應(yīng)具備防水、防撞擊、防腐蝕、防電磁干擾等性能。在操作性上,應(yīng)滿足裝置各方向運動的功能,其加速度和移動速度能滿足人員安全、高效地登離平臺,在登平臺過程中可實現(xiàn)一鍵式回收操作。
接收器安裝在登離裝置上,接收由登平臺人員手持的遠(yuǎn)程控制裝置的信號,并監(jiān)測裝置的運行。發(fā)射器以微型控制器為主要核心,其中包括穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集以及交互控制程序、雙頻收發(fā)程序、數(shù)據(jù)編碼譯碼程序以及各個模塊的控制驅(qū)動程序。接收器通過對各子程序的調(diào)用和中斷程序的執(zhí)行,實現(xiàn)發(fā)射器與接收器之間的穩(wěn)定通信,實現(xiàn)其對登離平臺裝置的無線控制功能。
發(fā)射器也就是遙控器,其主要包含液晶顯示儀、遙控桿、急停開關(guān)以及各類備用開關(guān),其中急停開關(guān)作為安全保障設(shè)置在最便于人員操作處,采用紅色按鈕帽結(jié)構(gòu)。遙控桿分布在左右兩側(cè),主要用于控制裝置上下、左右、旋轉(zhuǎn)方向的運動。
8結(jié)束語
海洋平臺在我國的油氣田開發(fā)上發(fā)揮著不可或缺的重要作用,未來隨著科技的進(jìn)步,我國的油氣田將走向深海,同時也會有越來越多的邊際油田得到開發(fā),可以預(yù)見的是,將有各個油田群建立起來,無人平臺也將是一個重大發(fā)展趨勢。而本文所研究的無人平臺登離裝置只是初步的概念設(shè)計,在投入應(yīng)用前仍然需要大量的分析和研究,包括裝置的穩(wěn)定性、安全性和可靠性;同時該裝置也有著一定的優(yōu)化空間,包括材料的選用、遠(yuǎn)程控制邏輯以及傳動系統(tǒng)的設(shè)計等等。但無人登離裝置是無人平臺發(fā)展的一個必然趨勢,具有重大的實踐意義。
下載文檔
