211112468_15_t钻柱升沉补偿空气动力站的研制

2023年4月
地质装备
15t 钻柱升沉补偿空气动力站的研制
宋志亮,薛善忠,缪佳佳,孙军盈,孙卫娜,杨雨濛,马亦农,高明帅,黄江涛
(中地装(北京)科学技术研究院有限公司,北京 100120
)摘 要:针对近海域㊁适用于浪高ʃ1.5m ㊁
小吨位的小型综合地质勘察船,需要一种具备模块化设计㊁布置灵活㊁钻探系统移植方便㊁对船舶的适配性好等特点的空气动力站㊂为此,作者对其关键设备 升沉补偿的高压气源系统进行了研究设计㊂该系统是一种紧凑型㊁集装箱装载㊁高防护等级,并集成了空气控制阀组的空气动力站,已完成了厂内充排气试验㊁高压试验㊁升沉补偿流程动作试验㊂试验结果表明,相关参数满足了设计的需求㊂通过对15t 钻柱升沉补偿空气动力站的研究,
为我国小型勘探船在近海进行钻探㊁勘察㊁取样等作业提供了更多的窗口时间选择,加快了升沉补偿系统国产化研究的步伐,为后续研究提供了一定的借鉴作用㊂
关键词:升沉补偿系统;空气动力站;近海勘探船;空气控制阀组
中图分类号:P 634;P 754 文献标识码:A 文章编号:1009282X (2023)02000107
T h e D e v e l o p m e n t o f A i r P o w e r S t a t i o n f o r 15t D r i l l S t r i n g H e a v i n g a n d S i n k i n g C o m p
e n s a t i o n S O N G Z h i l i a n g X U E S h a n z h o n g M I A O J i a j i a S U N J u n y i n g S U N W e i n a Y A N G Y u m e n g
M A Y i n o n g G A O M i n g s h u a i H U A N G J i a n g
t a o C h i n a G e o l o g i c a l E q u i p m e n t R e s e a r c h I n s t i t u d e C o L t d B e i j i n g 1
00120 C h i n a A b s t r a c t F o r t h e s m a l l c o m p r e h e n s i v e g e o l o g i c a l s u r v e y s h i p w i t h s m a l l t o n n a g e u n d e r a w a v e h e i g
h t o f ʃ1.5m i n o f f s h o r e a r e a a n a i r p o w e r s t a t i o n w i t h m o d u l a r d e s i g n f l e x i b l e l a y o u t c o n v e n i e n t t r a n s p l a n t a t i o n f o r d r i l l i n g s y s t e m a n d g o o d a d a p t a b i l i t y t o s h i p
i s n e e d e d T h e r e f o r t h e a u t h o r s s t u d y a n d d e s i g n t h e k e y e q u i p m e n t -h i g h p r e s s u r e a i r s u p p l y s y s t e m f o r h e a v i n g a n d s i n k i n g
c o m p e n s a t i o n T h i s s y s t e m i s a c o m p a c t c o n t a i n e r -l o a
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e d h i g h p r o t e c t i o n l e v e l a i r p o w e r s t a t i o n i n t e g
r a t e d w i t h a i r c o n t r o l v a l v e g r o u p a n d c h a r g e &e x h a u s t t e s t h i g h p r e s s u r e t e s t a n d h e a v i n g a n d s i n k i n g c o m p e n s a t i o n a c t i o n t e s t i n f a c t o r y h a s b e e n c o m p l e t e d T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e l e v a n t p a r a m e t e r s c a n m e e t t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s T h r o u g h t h e s t u d y o
n t h e a i r p o w e r s t a t i o n f o r t h e h e a v i n g a n d s i n k i n g c o m p e n s a t i o n o f 15t d r i l l s t r i n g i t c a n p r o v i d e m o r e w i n d o w t i m e o p t i o n s f o r s m a l l e x p l o r a t i o n s h i p s i n C h i n a t o c a r r y o u t d r i l l i n g s u r v e y s a m p l i n g a n d o t h e r o p e r a t i o n s i n t h e o f f s h o r e a c c e l e r a t e t h e r e s e a r c h p a c e f o r t h e l o c a l i z a t i o n o f h e a v i n g a n d s i n k i n g c o m p e n s a t i o n s y s t e m a n d a l s o p r o v i d e s a c e r t a i n r e f e r e n c e f o r t h e f o l l o w -u p s t u d y
K e y
w o r d s h e a v i n g a n d s i n k i n g c o m p e n s a t i o n s y s t e m a i r p o w e r s t a t i o n o f f s h o r e e x p l o r a t i o n s h i p a i r c o n t r o l v a l v e g r o u p 收稿日期:20220608
作者简介:宋志亮(1990-),男,机械工程专业,工程师,主要从事地质装备电气系统设计研制工作,E -m a i l :136********@
y
e a h .n e t ㊂0 引言
海洋工程勘察船是将海洋钻探㊁海底浅表层取样㊁地震探测㊁单波束及多波束探测㊁深拖探测等调
查手段集于一身的综合地质调查船[
1-2
]㊂勘察船钻探取样过程中,为了克服周期性波浪升沉对钻探系
统的影响,使钻柱和钻头始终保持在一个比较稳定
的姿态及钻压下正常工作,必须对钻柱进行相应的升沉补偿㊂钻柱升沉补偿装置分为被动补偿和主动
补偿,设备庞大且价格昂贵,大多使用在大吨位的海
洋油气钻井船或者浮式平台上,是海洋油气装备高
端产品之一[
3-4
]㊂目前使用的钻柱升沉补偿装置基本都为国外公司垄断,主要生产厂家为美国国民油
井公司(N O V )
和挪威MH 公司㊂这两家公司生产的补偿装置性能可靠㊁技术成熟,但价格高昂㊁体型庞大㊂国内宝鸡石油机械有限责任公司自2009年开始对钻井平台和钻柱升沉补偿装置进行研究,研
1
宋志亮等:15t 钻柱升沉补偿空气动力站的研制
第24卷 第2期
制了180t 浮式平台升沉补偿装置
[5-6
]和 海洋地质十号 勘察船60t 钻柱升沉补偿装置[7]
㊂
无论是被动补偿还是主动补偿,高压气源系统
和空气控制阀组都是核心关键设备㊂大吨位的钻井船舶需要专门设计,升沉补偿系统的空气压缩机㊁储气罐和空气阀组都需要提前设计布局在船舱室内㊂这种方式节虽然省主甲板空间,但是带来的问题是
管路连通复杂(穿过甲板㊁过墙设计㊁密封等问题)㊁维护检修比较困难,体积和管路复杂性限制其用于模块
化装备集成和应用拓展㊂本文通过对被动式升沉补偿原理分析,对15t 升沉补偿空气系统进行计算仿真,然后对相关设备进行选型设计,最后通过三维建
模对空气系统的安装布局做了优化设计,并结合船体
实际条件,研制出一种集空气压缩机㊁储气罐㊁气控阀
组和控制系统于一体的空气动力站系统㊂空气动力站的全部设备集成设计安装在一台集装箱内,集装箱置于钻探船主甲板面㊂这种设计具有空间紧凑㊁安装便捷㊁管线敷设简单㊁设备移运方便等优点㊂1 技术分析及系统配置1.1 补偿原理分析
15t 钻柱升沉补偿系统为被动式升沉补偿类
型㊂该类型是目前应用最多的一种升沉补偿方式,具有能耗小㊁成本相对低㊁系统结构简单等优点,其基本组成包括气罐组㊁活塞式蓄能器㊁补偿液压缸及
阀组等,系统原理见图1
㊂图1 气液补偿系统原理图
F i g .1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f a i r -l i q u i d c o m p e n s a t i o n s y
s t e m 顶驱滑车随波浪起伏沿导轨上下运行,
补偿液压缸的上下运行推动活塞式气液蓄能器内的容积变化,容积变化引起工作气罐压力在一定范围变化,压力变化使补偿液压缸向上的拉力发生变化㊂忽略其他次要因素后,向上的拉力变化可简化
为钻柱的位移x 1㊁补偿液压缸有杆腔面积A s 1和压力变化Δp d 三个因素,活塞蓄能器容积变化量为ΔV d ,ΔV d =x 1A s 1㊂
蓄能器中气体平均体积为V 0,船体的升沉引起
蓄能器中活塞产生的位移为x ,变化后气体体积为V x ,根据气体定律[8
],可得出以下关系式:
p 0V 0=p x
V x (1)式中:p 0为蓄能器中气体的平均压力,p x 为气体体积压缩至V x 时的压力㊂
依据上述容积变化计算出气液蓄能器的压力变
化Δp d =p x -p 0㊂蓄能器活塞的面积为A s 2,则变化后气体体积为V x =V 0-A s x ;
井底钻压变化量ΔF d =Δp d A s 1㊂
因此,在确定钻井要求的井底钻压改变值的允许范围后,根据起钻压变化与储能气体体积之间的关系式,即可决定出气体体积和储气罐的容积㊂1.2 容积计算
钻具(400m 直径127m m 钻具海水中重
75k N )㊁钻铤(海水中重35k N )及顶驱(40k N )
总重,设定初设补偿能力为150k N ,钻压变化量ʃ3500N ㊂作业工况海浪高度ɤ2.5m ,补偿行程取ʃ1.5m ㊂按
海浪周期平均12s ㊁浪高ʃ1.5m 时,船体最快升降速度v m a x =
0.785m /s ,取值0.8m /s ㊂其中,已知补偿液压缸有杆腔截面面积A s 1=
5652m m 2
,最大补偿能力150k N 时,
计算可得蓄能2
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器平均工作压力p d =13.3M P a ㊂依据设计目标,钻压变化范围ʃ3500N ,由钻压变化和补偿液压缸有杆腔截面的面积A s 1可计算出气液蓄能器的压力
变化Δp d =0
.31M P a ㊂当已知钻井船升沉位移x 1=1500m m 及有杆腔面积A s 1=
5652m m 2
,则活塞蓄能器容积变化量ΔV d =16.95L ㊂
依据气体定律㊁设计蓄能器平均压力及上述容
积变化,可得出如下计算公式:
p d ˑV 0=(p d +Δp d )
ˑ(V 0-ΔV d )(2) 带入计算参数,
求解上述方程可以初步得到气罐容积V 0=744L ㊂由于储气罐是蓄能器的组成部
分,故根据V 0即可进行分配,确定储气罐的容积㊁数目以及蓄能器的容积㊂
依据计算目标,暂定工作气罐容积800L ,
备用组气罐是为工作气罐快速充气的部件,选定容积为
400L ㊂1.3 空气动力站配置
根据被动补偿原理,15t 升沉补偿控制系统的空气动力站原理图如图2所示,主要分为空气压缩
机组㊁气罐组和控制阀组三大部分
㊂
图2 系统原理图
F i g .2 S y s t e m s c h e m a t i c d i a g
r a m 依据设计计算结果㊁
平台布局和空间限制要求以及现有技术条件,在兼顾可靠性和先进性的同时
进行选型和配置,空气动力站设计参数配置见表1㊂根据船舶甲板空间布局,通过三维软件虚拟仿
真布置优化,集成一体式升沉补偿空气动力站的总体设计布局见图3
㊂2 主要设备2.1 高压空气压缩机
根据升沉补偿输出压力和流量要求以及经济性考虑,气源系统空气压缩机采用往复式㊁强制风冷多级压缩㊂受空气压缩机材质的限制,单级压缩的压缩比过大,对材质要求高,不经济㊂三级泵头虽然节省费用,但是不能保证用于海洋工程勘察的高压
表1 空气动力站主要配置参数
T a b l e 1 M a i n c o n f i g
u r a t i o n p a r a m e t e r s o f a i r p o w e r s t a t i o n 供电电压/V
380控制气压力/M P a 0.6~0.8
空气压缩机功率/k W 15工作气罐数量
16单个工作气罐容积/L 50工作气罐工作压力/M P a 30备用气罐数量
8单个备用气罐容积/L
50备用气罐工作压力/M P a 30
控制阀组工作压力/M P a 20.7
控制阀组减压范围/M P a 4~21阀组控制气源压力/M P a 0.7~0.9
系统流量(进气状态)/(L ∙m i n
-1)650排气压力/M P a
30
3
宋志亮等:15t钻柱升沉补偿空气动力站的研制第24卷第2
期
图3总体布局
F i g.3
G e n e r a l l a y o u t
系统的可靠性㊂五级泵头的起步排量大㊁可靠性极高,但是费用昂贵,占用空间尺寸大[9-11]㊂为了兼顾可靠性㊁排量和成本,最终选用四级压缩泵头㊂空气压缩机参数如表2所示㊂
表2空气压缩机参数
T a b l e2P a r a m e t e r s o f a i r c o m p r e s s o r
气缸数4
压缩级数4
压缩介质空气
流量(进气状态)/(L∙m i n-1)650
排气压力/M P a30
冷却方式风冷
驱动方式电机皮带驱动驱动电机功率/k W15
驱动电机转速/(r∙m i n-1)1400
电源电压/V380
工作噪声/d Bɤ90
空气压缩机系统由四级气缸㊁船用电机㊁电控箱及箱体组成,见图4㊂
图4空气压缩机结构图
F i g.4S t r u c t u r a l d r a w i n g o f a i r c o m p r e s s o r
空气压缩机周围空气经过进气过滤器过滤,通过进气阀依次进入第一㊁二㊁三㊁四级气缸㊂压缩产生的部分热量通过风扇产生的风由缸头㊁活塞㊁曲轴箱和润滑油发散出去,压缩空气中保留的热量通过从一级到另一级的充当散热器的长管散发出去㊂进气的空气中包含一定水分,在压缩和冷却的过程中,冷凝水和油微粒会混合成一种乳白色乳液,沉积在分离器底部,通过自动排污系统排出㊂
2.2储气罐
常规海洋钻井船升沉补偿气罐安装于船舱内的设备间,采用大容量㊁数量少的气罐组合方式㊂这种方式的缺点是:①其中某一个气罐有问题后,气源容量不足以支撑系统运行,将影响整个钻探作业;②大容量气罐的管汇直径大,气罐的安装固定需要的保险系数更高;③单体大容量的高压气罐成本更高[12-14]㊂
综上分析,15t升沉补偿系统空气动力站储气罐选用耐压31.5M P a㊁公称容积50L的高压气罐组合设计㊂依据钻柱升沉补偿设计计算,工作组气罐800L由16个气罐组成,备用组气罐容积400L 由8个气罐组成㊂为了便于管路汇集和阀板设计,将气罐组分成六层,每层4只气罐,底下两层为备用组气罐,上面四层为工作组气罐,整体布置如图5
㊂
图5储气罐布置图
F i g.5A i r s t o r a g e t a n k l a y o u t
储气罐卧式水平安装,节省高度方向空间尺寸,提高集装箱房体空间利用率㊂每个储气单元均可以独立关闭㊁排空㊁检修和更换,不影响勘察平台深沉补偿系统正常使用,减少停机检修时间㊂所有储气罐置于一个框架内,该框架通过地脚螺栓固定在房体底
4
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撬,并预留吊装环㊂该储气罐可以整体移出房体,可方便快捷地进行整体安装㊁保养㊁检修和更换作业㊂2.3 增减压气控阀组
气控阀组主要包括钻柱升沉补偿气控阀组㊁基盘补偿气控阀组以及相应的检测和连接元件㊂主要气控阀阀体均选用耐高压和抗腐蚀材质制造,以保
证其能够在恶劣的工作环境下长时间稳定运行㊂
气控阀组模块化安装设计,集中于一个安装板,该安装板安装于储气罐架侧面,这种设计可以节省储气罐与气控阀组间的管路连通长度,减少过板接头,从而可以降低设备的故障率,进而提高升沉补偿
系统整体的可靠性㊂气控阀组原理见图6
㊂图6 补偿气阀控制原理图
F i g .6 C o n t r o l s c h e m a t i c d i a g r a m o f c o m p
e n s a t i o n a i r v a l v e s 钻柱升沉补偿气控阀组包括高压气罐充气阀
(Y V 02)㊁主隔离阀(Y V 01)㊁旁通阀(Y V 04
)㊁高压气罐排气阀(Y V 03)和气液蓄能器排气阀(Y V 05)㊂高压充气阀负责给工作组储气罐增压补气,主隔离阀负责工作组储气罐与气液蓄能器间大通径的关断与连通,旁通阀负责工作组储气罐与气液蓄能器间小通径的关断与连通,高压气罐排气阀和气液蓄能器排气阀分别负责工作组储气罐减压放气和气液蓄能器减压放气㊂
基盘补偿气控阀组[16]包括基盘工作气罐充气阀
(Y V 11)和基盘工作气罐排气阀(Y V 12
),基盘工作气罐充气阀负责给基盘补偿的工作气罐补气增压㊁基盘工作气罐排气阀负责给基盘工作气罐减压放气㊂2.4 一体化控制房
一体化控制房作为整个系统的承载件,采用撬装底座集装箱式设计,结构紧凑,布局合理,方便运
移搬迁㊂考虑海上平台作业甲板的风浪和暴雨极端天气情况,房体所有过孔均做高出主甲板面400m m 以上㊂房体散热通道设计为可以通过开关调节的百叶窗,工作时排气,非工作状态下可以选择关闭,有效防止海水灌入㊂房体的结构选材和喷涂充
分考虑了海洋环境的腐蚀条件,进出房体的管道接头和高压消音器均采用316L 不锈钢材质,
结构表面喷涂海洋防腐漆[
15
]㊂气源系统与钻探系统接口设置于集装箱高位,方便到达补偿架的高压管线布置,集装
箱高位接口包括钻柱升沉补偿气液蓄能器接口㊁基盘补偿工作气罐接口㊁现场总线接口㊁动力电源接口㊁低压控制气源接口及高压消音器㊂
3 试验运行
空气动力站性能测试包括密封性测试和功能性测试,密封性能测试如下表3
㊂5
宋志亮等:15t钻柱升沉补偿空气动力站的研制第24卷第2期
表3性能测试报表
T a b l e3P e r f o r m a n c e t e s t r e p o r t
气路工况阀组编号阀工作状态测试结果
低压控制气路工作组球阀
备用组球阀
气控阀组
B V10㊁B V11㊁B V12㊁B V13㊁B V20㊁B V21㊁B V22㊁B V23关闭
B V14㊁B V15㊁B V24㊁B V25关闭
Y V01a/b㊁Y V02㊁Y V03㊁Y V04㊁Y V05㊁Y V11㊁Y V12关闭
0.8M P a㊁30m i n无
泄漏
备用组气罐充气工作组球阀
备用组球阀
气控阀组
B V10㊁B V11㊁B V12㊁B V13㊁B V20㊁B V21㊁B V22㊁B V23关闭
B V14㊁B V15打开
B V24㊁B V25关闭
Y V01a/b㊁Y V02㊁Y V03㊁Y V04㊁Y V05㊁Y V11㊁Y V12打开
备用组气路冲压
30M P a,0~30M P a
充气计时240m i n
工作组气罐充气工作组球阀
备用组球阀
气控阀组
B V10㊁B V11㊁B V12㊁B V13打开
B V20㊁B V21㊁B V22㊁B V23关闭
B V14㊁B V15㊁B V24㊁B V25关闭
Y V01a/b㊁Y V02㊁Y V03㊁Y V04㊁Y V05㊁Y V11㊁Y V12打开
工作组气路冲压
30M P a,0~30M P a
充气计时360m i n
工作组气罐排气工作组球阀
备用组球阀
气控阀组
B V10㊁B V11㊁B V12㊁B V13关闭
B V20㊁B V21㊁B V22㊁B V23打开
B V14㊁B V15㊁B V24㊁B V25关闭
Y V01a/b㊁Y V02㊁Y V03㊁Y V04㊁Y V05㊁Y V11㊁Y V12打开
消音器排气噪声
100d B,每12m i n
气压下降5M P a
备用组气罐排气工作组球阀
备用组球阀
气控阀组
B V10㊁B V11㊁B V12㊁B V13㊁B V20㊁B V21㊁B V22㊁B V23关闭
B V14㊁B V15关闭
B V24㊁B V25打开
Y V01a/b㊁Y V02㊁Y V03㊁Y V04㊁Y V05㊁Y V11㊁Y V12打开
每7m i n气压下降
5M P a
功能性测试包括本地操作测试和远程测试,远程测试通过钻探系统集成的升沉补偿控制界面进行远程控制[17-18]㊂由于厂内不具备升沉补偿条件,因此只是对所有控制阀的动作进行了本体测试和远程控制测试,并对充放气时间以及升沉补偿液压缸的速度进行了测试㊂通过模拟演算,理论上分析该空气动力系统达到了升沉补偿设计的需求,进一步的工艺控制测试需要在海试过程中进行验证㊂
4结论
通过分析升沉补偿系统原理,针对小型船体的紧凑型平台布局,以被动式升沉补偿方式为技术路线,对空气动力站的研制得出如下结论:①空气动力站集空气压缩机㊁储气罐㊁电控系统㊁钻柱补偿和基盘补偿气控阀组于一个集装箱房内,对于空间受限的小型海洋勘探船来说是一次有意义的探索;②集成式的空气动力站在一定程度上可以减少高压管汇,对降低成本和减少故障率具有明显的优势;③空气动力站配备自动化管理系统,包含工业以太网组网㊁远程监视和控制㊁故障保存和查询㊁自动化排污等,可实现独立运行和集成于一体化司钻控制系统;
④海洋勘察平台的升沉补偿系统是一项复杂的系统工程,本文研制的空气动力站的性能发挥需要勘察平台机械㊁液压㊁电气㊁控制算法等多方面综合考量,空气动力站本身也需要逐步迭代优化㊂
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