CN111043111B - 一种降低浮式钻井平台悬挂隔水管轴向动载荷的液压系统 - Google Patents
一种降低浮式钻井平台悬挂隔水管轴向动载荷的液压系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种降低浮式钻井平台悬挂隔水管轴向动载荷的液压系统，包括执行机构和液控系统，执行液缸的顶端部设置有悬挂端面，液压缸内设有活塞杆，所述活塞杆内穿设有悬挂短节，悬挂短节的动力输出端与若干对接的隔水管的动力输入端固定连接。本发明公开的液压系统应用于海洋浮式钻井平台进行隔水管悬挂时，采用半主动补偿加速度动载荷削峰法，通过控制器监测加速度并控制执行液缸无杆腔的压力进而减小隔水管因升沉运动产生的动载，简化了作业流程，确保悬挂隔水管的安全，还避免当升沉过于剧烈的时候补偿冲程超出设备能力而造成设备的损坏。
Description
技术领域
本发明涉及海洋石油钻井平台安全作业技术领域，具体涉及一种降低浮式钻井平台悬挂隔水管轴向动载荷的液压系统。
背景技术
水浮式钻井平台在钻井作业期间，为了应对台风，通常需要回收连接在水下井口和平台之间的隔水管系统，但是当台风距离平台较近时，允许上千米隔水管回收的时间非常紧张，因此通常将隔水管悬挂在平台上。常规的隔水管悬挂模式有软悬挂和硬悬挂两种，硬悬挂是将隔水管顶端直接通过卡盘夹持，使隔水管与钻井平台刚性连接；软悬挂是将隔水管在张紧器处悬挂，由张紧器冲程被动补偿平台运动对悬挂隔水管产生动载荷。
硬悬挂模式下，悬挂隔水管随平台升沉上下运动，由于隔水管顶端与平台刚性连接，平台运动直接传递到隔水管顶端，可能使隔水管出现动态压缩，导致隔水管出现局部屈曲失稳，还可能使隔水管顶部出现极端张力，相比而言，软悬挂能够大大缓解因平台升沉运动造成的张力超载和轴向压缩的风险，综合应力水平也较低，在同样的海况条件下，软悬挂模式的隔水管安全性更高。但是常规的软悬挂模式存在以下问题：第一，为了防止钻井船升沉引起悬挂隔水管与海底碰撞，需要拆除张力系统并甩掉伸缩节，起出一定数量的隔水管，然后再把伸缩节和张力系统重新进行安装，由此导致软悬挂模式的作业相对比较繁琐；第二，伸缩节和张力系统的安装需要在月池进行作业，在台风恶劣海况下，这种月池作业的难度和风险较高；第三，软悬挂模式一般采用纯被动式的液压补偿方案，液缸补偿冲程大于平台的升沉量，而且由于采用的是纯被动的补偿方案，无法对补偿冲程进行控制，因此如果响应冲程较高可能引起的隔水管轴向运动超过伸缩节或者张力系统冲程，可能发生设备的破坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低浮式钻井平台悬挂隔水管轴向动载荷的液压系统，用以解决目前隔水管软悬挂模式的作业繁琐、风险较高、设备容易损坏等问题。
本发明提供一种降低浮式钻井平台悬挂隔水管轴向动载荷的液压系统，包括执行机构和液控系统，所述执行机构包括一液压缸，所述执行液缸的顶端部设置有悬挂端面，所述液压缸内设有活塞杆，所述活塞杆内穿设有悬挂短节，所述悬挂短节的顶端与所述活塞杆的顶端固定连接；所述悬挂短节的动力输出端与若干对接的隔水管的动力输入端固定连接；所述液压缸包括有杆腔部和无杆腔部，所述有杆腔部与所述无杆腔部之间通过输油管相连；所述有杆腔部与所述无杆腔部之间的输油管上设置有单向阀，所述单向阀只能使有杆腔部内的液压油单向流至无杆腔部；所述液控系统包括控制器、蓄能器、节流阀和关断阀，所述蓄能器与所述液压缸的无杆腔部之间通过输油管连通，所述节流阀设计有正向输油管路和逆向输油回路，所述正向输油管路和所述逆向输油回路共用一个电磁阀，所述关断阀设置于所述液压缸对接接口与无杆腔之间的输油管上，所述电磁阀、所述关断阀均与所述控制器相连。
优选地，所述节流阀包括蓄能器对接接口和液压缸对接接口，所述蓄能器对接接口和所述液压缸对接接口之间内置有第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀和所述电磁阀，所述蓄能器对接接口、所述第二单向阀、所述电磁阀、所述第四单向阀和所述液压缸对接接口通过管道连接形成正向输油管路；所述液压缸对接接口、所述第三单向阀、所述电磁阀、所述第一单向阀和所述蓄能器对接接口通过管道连接形成逆向输油回路；所述节流阀设置于所述蓄能器与所述无杆腔部连通的输油管上，且所述蓄能器对接接口和所述液压缸对接接口分别对接于连通所述蓄能器的输油管与所述无杆腔部的输油管。
优选地，所述液控系统还包括压力传感器，所述压力传感器连接有感应片，该感应片设置于所述关断阀与所述无杆腔之间的输油管上，所述压力传感器与所述控制器相连。
优选地，所述节流阀与所述蓄能器连通的输油管上设有溢流阀，所述溢流阀的排液口的下方设置有储油箱；所述溢流阀与所述控制器相连。
优选地，所述液压缸的有杆腔部通过输油管连通有低压蓄能器，所述低压蓄能器与所述液压缸的有杆腔部之间的输油管上设置有低压单向阀，其中低压单向阀只能使低压蓄能器的液压油单向流至有杆腔部。
优选地，所述悬挂短节与所述活塞杆的连接处设置有加速度传感器，所述加速度传感器与所述控制器相连。
本发明的有益效果是：
本发明公开的一种降低浮式钻井平台悬挂隔水管轴向动载荷的液压系统，包括执行机构和液控系统，执行液缸的顶端部设置有悬挂端面，液压缸内设有活塞杆，所述活塞杆内穿设有悬挂短节，悬挂短节的动力输出端与若干对接的隔水管的动力输入端固定连接。该液压系统应用于海洋浮式钻井平台进行隔水管悬挂时，采用半主动补偿加速度动载荷削峰法，通过控制器监测加速度并控制执行液缸无杆腔的压力进而减小隔水管因升沉运动产生的动载，无需工人下水作业，简化了作业流程；减小悬挂隔水管在钻井平台升沉过程中产生的动态载荷，提高悬挂隔水管对恶劣环境条件的适应能力，确保悬挂隔水管的安全；还能够有效控制活塞的运动冲程，避免当升沉过于剧烈的时候，补偿冲程超出设备能力，造成设备的损坏。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的液压系统内部结构示意图；
图2是图1的A-A向剖视图；
图3是本发明实施例1提供的加速度动载荷变化示意图。
具体实施方式
实施例1
实施例1提供一种液压系统，用于降低隔水管随浮式钻井平台升沉运动的剧烈程度，减小隔水管因升沉运动产生的动载，保证隔水管的安全，下面对其结构进行详细描述。
参考图1，该液压系统包括执行机构和液控系统。所述执行机构包括一液压缸1，液压缸1装设有液压油100，所述执行液缸1的顶端部设置有悬挂端面1.1，该悬挂端面1.1悬挂于浮式钻井平台。
结合图2，所述液压缸1内穿设有活塞杆2，所述活塞杆2内穿设有悬挂短节12。
所述活塞杆2的上部伸出所述活塞杆2的顶端露出顶端，所述活塞杆2的下部位于所述液压缸1内，将所述液压缸1分成有活塞杆2的有杆腔部和无活塞杆2的无杆腔部，有杆腔部与无杆腔部之间通过输油管相连，且于该输油管上设置有单向阀3，其中单向阀3只能使有杆腔部内的液压油单向流至无杆腔部。
所述悬挂短节12的顶端与所述活塞杆2的顶端固定连接且其连接处设置有加速度传感器11，所述悬挂短节12的动力输出端与若干对接的隔水管13的动力输入端固定连接。
其中，被悬挂的若干隔水管13的重量通过悬挂短节12、活塞杆2、执行液缸1传递至悬挂端面1.1传递到浮式钻井平台，在没有液压补偿的情况下，当浮式钻井平台随着波浪作用发生上下升沉运动时，执行液缸1和悬挂的隔水管13随着浮式钻井平台一起上下升沉运动。
继续参考图1，所述液控系统包括控制器10、蓄能器7、溢流阀8、储油箱9、节流阀6、关断阀4和压力传感器5，
所述蓄能器7内储存有液压油100，所述蓄能器7与所述液压缸1的无杆腔部之间通过输油管连通。
所述节流阀6设计有正向输油管路和逆向输油回路，所述正向输油管路和所述逆向输油回路共用一个电磁阀6.5，所述电磁阀6.5与所述控制器10相连。
值得一提的是，这里的“正向”指的是液压油100从蓄能器7流入至液压缸1，“逆向”指的是液压油100从液压缸1流入蓄能器7。
具体地，节流阀6包括蓄能器对接接口和液压缸对接接口，蓄能器对接接口和液压缸对接接口之间内置有第一单向阀6.1、第二单向阀6.2、第三单向阀6.3、第四单向阀6.4和电磁阀6.5，蓄能器对接接口、第二单向阀6.2、电磁阀6.5、第四单向阀6.4和液压缸对接接口通过管道连接形成正向输油管路；液压缸对接接口、第三单向阀6.3、电磁阀6.5、第一单向阀6.1和蓄能器对接接口通过管道连接形成逆向输油回路；所述节流阀6设置于所述蓄能器7与所述无杆腔部连通的输油管上，且所述蓄能器对接接口和所述液压缸对接接口分别对接于连通所述蓄能器7的输油管与所述无杆腔部的输油管。
所述关断阀4是现有技术，其是一个两位阀，可以选择联通或关闭，所述关断阀4设置于所述液压缸对接接口与无杆腔之间的输油管上；
压力传感器5为现有技术，其连接有感应片，该感应片设置于所述关断阀4与无杆腔之间的输油管上。
节流阀6与蓄能器7连通的输油管上设有溢流阀8，所述溢流阀8的排液口的下方设置有储油箱9。
为了能及时地给所述液压缸1的有杆腔部补充液压油100，所述液压缸1的有杆腔部通过输油管连通有低压蓄能器14，所述低压蓄能器14与所述液压缸1的有杆腔部之间的输油管上设置有低压单向阀15，其中低压单向阀15只能使低压蓄能器14的液压油单向流至有杆腔部。
其中关断阀4、压力传感器5、电磁阀6.5、加速度传感器11和溢流阀8均与所述控制器10通过有线相连，
控制器10接受压力传感器5、加速度传感器11的监测数据，并通过向电磁阀6.5和关断阀4发出控制指令，调节执行液缸1的无杆腔部和有杆腔部的位移变化，最后通过溢流阀8调节输油管内部的液压油的流向。即打开溢流阀8，输油管内部的液压油流入至储油箱9。
在没有液压补偿的情况下，当浮式钻井平台随着波浪作用发生上下升沉运动时，执行液缸1和悬挂的隔水管13随着浮式钻井平台一起上下升沉运动。常规的补偿方法采用全部补偿的方案，本发明通过监测悬挂管柱轴向的加速度传感器11，设置一个门限值，当加速度小于门限值时，关断阀4处于关闭状态，液压系统不起补偿作用，当加速度传感器11大于门限值，关断阀4处于联通状态，通过电磁阀6.5控制无杆腔压力，保持活塞上下压力差不变，从而保证悬挂管柱的加速度不变，动态载荷也就不会再持续增加。该系统并不是全程补偿，而是在当加速度较大时，超出设计的门限值的时候，才起作用，因此对系统的能量要求也就降低了。
该液压系统采用半主动补偿法，能够有效控制动载荷，可以有效的降低补偿冲程的要求，节省了设备安装的空间需求；以非全周期补偿的方式只消除隔水管动载的峰值部分，如图3所示，无需额外提供主动力，可有效提高工作功率；能够有效控制活塞的运动冲程，避免当升沉过于剧烈的时候，补偿冲程超出设备能力，造成设备的损坏；可以根据具体海况条件及浮式钻井平台的升沉幅度，设定允许的升沉加速度，并调整系统充压值。
本发明装置的具体操作方法是：
第一步：蓄能器7预充压力P0，通过控制器10控制节流阀6，关断阀4打到连通位置，将悬挂隔水管13顶起来，使得活塞杆2的活塞位于液压缸的中位。
预充压力值P0的计算：P0S1-P0S2＝mg→P0＝mg÷(S1-S2)
式中，S1为活塞无杆腔的面积，S2为活塞有杆腔的面积，m为悬挂隔水管的重量，g为重力加速度。
第二步：通过控制器10调节节流阀6，关断阀4打到关断位置，蓄能器7充高压PH，确定加速度峰值上行加速度aUmax和下行加速度aDmax，此数值为悬挂隔水管可能的最大加速度。利用此数值，计算蓄能器7的高压值PH。
活塞杆上行：PHUS1-PHUS2-mg＝maumax→PHU＝(maumax+mg)÷(S1-S2)
活塞杆下行：mg+PlowS2-PHDS1＝maDmax→PHD＝(mg-maDmax)÷S1
充高压PH：PH＝max(PHU，PHD)＝PHU
式中，PHU为活塞上行时活塞无杆腔和有杆腔的压力，因为活塞上行过程中通过单流阀3，有杆腔和无杆腔是连通的，所以两个腔的压力是一致的。aUmax为上行加速度；PHD为活塞下行时，活塞无杆腔的压力；aDmax为下行加速度；Plow为低压，由低压蓄能器14通过低压单向阀15提供，该部分的主要功能是在活塞下行过程中补充有杆腔的液压油，因此压力值非常低，在计算加速度时可以忽略。
第三步：设置一个加速度阙值±as，此值为作业人员希望控制的隔水管加速度，通过液压系统控制隔水管加速度小于as，以控制隔水管系统的动态载荷。通过控制器10，监测加速度传感器11，如果加速度超过as或者小于-as，启动液压系统对加速度进行控制，具体过程如下：
①监测加速度传感器11，获取的隔水管加速度如果大于as或者小于-as，保持节流阀6处于关闭状态，关断阀4处于关断位置，此时，液缸活塞2处于锁定状态，活塞及悬挂隔水管随着浮式钻井平台的升沉而上下运动，相互之间没有相对运动。
②监测加速度传感器11，获取隔水管加速度如果小于-as，通过控制器10调整关断阀4到连通的位置，调整节流阀6，控制节流后的压力维持在PD，维持加速度位置在as，不再持续增加，以确保悬挂隔水管的动态载荷不再增加。
活塞杆向下加速度：mg+PlowS2-PDS1＝mas→PD＝(mg-mas)÷S1
式中，PD为活塞下行时，活塞无杆腔的压力；Plow为低压，由低压蓄能器14通过低压单向阀15提供，该部分的主要功能是在活塞下行过程中补充有杆腔的液压油，因此压力值非常低，在计算加速度时可以忽略。
③监测加速度传感器11，获取隔水管加速度如果大于as，通过控制器10调整关断阀4到连通的位置，调整节流阀6，控制节流后的压力维持在PU，维持加速度位置在as，不再持续增加，以确保悬挂隔水管的动态载荷不再增加。
活塞杆向上加速度：PUS1-PUS2-mg＝mas→PU＝(mas+mg)÷(S1-S2)
式中，PU为活塞上行时，活塞无杆腔和有杆腔的压力，因为活塞上行过程中通过单流阀3，有杆腔部和无杆腔部是连通的，所以两个腔的压力是一致的。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (4)
1.一种降低浮式钻井平台悬挂隔水管轴向动载荷的液压系统，其特征在于，包括执行机构和液控系统，
所述执行机构包括一液压缸（1），所述液压缸（1）的顶端部设置有悬挂端面（1.1），所述液压缸（1）内设有活塞杆（2），所述活塞杆（2）内穿设有悬挂短节（12），所述悬挂短节（12）的顶端与所述活塞杆（2）的顶端固定连接，所述悬挂短节（12）与所述活塞杆（2）的连接处设置有加速度传感器（11），所述悬挂短节（12）的动力输出端与若干对接的隔水管（13）的动力输入端固定连接；
所述液压缸（1）包括有杆腔部和无杆腔部，所述有杆腔部与所述无杆腔部之间通过输油管相连；所述有杆腔部与所述无杆腔部之间的输油管上设置有单向阀（3），所述单向阀（3）只能使有杆腔部内的液压油单向流至无杆腔部；
所述液控系统包括控制器（10）、蓄能器（7）、节流阀（6）和关断阀（4），
所述蓄能器（7）与所述液压缸（1）的无杆腔部之间通过输油管连通，
所述节流阀（6）设计有正向输油管路和逆向输油回路，所述正向输油管路和所述逆向输油回路共用一个电磁阀（6.5），
所述节流阀（6）包括蓄能器对接接口和液压缸对接接口，所述蓄能器对接接口和所述液压缸对接接口之间内置有第一单向阀（6.1）、第二单向阀（6.2）、第三单向阀（6.3）、第四单向阀（6.4）和所述电磁阀（6.5），
所述蓄能器对接接口、所述第二单向阀（6.2）、所述电磁阀（6.5）、所述第四单向阀（6.4）和所述液压缸对接接口通过管道连接形成正向输油管路；
所述液压缸对接接口、所述第三单向阀（6.3）、所述电磁阀（6.5）、所述第一单向阀（6.1）和所述蓄能器对接接口通过管道连接形成逆向输油回路；
所述节流阀（6）设置于所述蓄能器（7）与所述无杆腔部连通的输油管上，且所述蓄能器对接接口和所述液压缸对接接口分别对接于连通所述蓄能器（7）的输油管与所述无杆腔部的输油管；
所述关断阀（4）设置于所述液压缸对接接口与无杆腔部之间的输油管上，
所述加速度传感器（11）、所述电磁阀（6.5）、所述关断阀（4）均与所述控制器（10）相连。
2.如权利要求1所述的液压系统，其特征在于，
所述液控系统还包括压力传感器（5），所述压力传感器（5）连接有感应片，该感应片设置于所述关断阀（4）与所述无杆腔部之间的输油管上，
所述压力传感器（5）与所述控制器（10）相连。
3.如权利要求1所述的液压系统，其特征在于，
所述节流阀（6）与所述蓄能器（7）连通的输油管上设有溢流阀（8），所述溢流阀（8）的排液口的下方设置有储油箱（9）；
所述溢流阀（8）与所述控制器（10）相连。
4.如权利要求1所述的液压系统，其特征在于，
所述液压缸（1）的有杆腔部通过输油管连通有低压蓄能器（14），所述低压蓄能器（14）与所述液压缸（1）的有杆腔部之间的输油管上设置有低压单向阀（15），其中低压单向阀（15）只能使低压蓄能器（14）的液压油单向流至有杆腔部。
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