液缸式隔水管張緊系統(tǒng)建模及性能分析

(西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 613009)

引言

隨著石油資源的消耗量持續(xù)上升，陸地以及淺水區(qū)域的石油產(chǎn)量已經(jīng)不能滿足人類發(fā)展的需求，因此，人類開始向深海區(qū)域研究發(fā)展。在深海采油系統(tǒng)中，隔水管張緊系統(tǒng)是其重要的設(shè)備之一，當(dāng)出現(xiàn)船體升沉、漂移、浪涌等不可避免因素時，隔水管張緊系統(tǒng)為隔水管提供恒定張力，以保證其安全工作。

目前，在深海鉆井作業(yè)中已有相關(guān)文獻(xiàn)，文獻(xiàn)[1]闡述了液壓系統(tǒng)在石油鉆機(jī)上的應(yīng)用，研究了在遇到鉆井事故時保證人員和設(shè)備的安全的策略。文獻(xiàn)[2]研究了海洋鉆井天車升沉補(bǔ)償系統(tǒng)隔離閥的動態(tài)特性分析。文獻(xiàn)[3-4]闡明了隔水管對于浮式鉆井平臺的重要性, 指出其正確使用直接關(guān)系到整個鉆井作業(yè)的順利完成，甚至整個鉆井平臺的安全，得到在海洋鉆井過程中必須保證隔水管的安全性和穩(wěn)定性的結(jié)論。文獻(xiàn)[5]研究了滑輪鋼絲繩式和直接液缸式2種典型隔水管張緊器。文獻(xiàn)[6]中提到隔水管張緊系統(tǒng)可以通過伸縮節(jié)為隔水管頂部提供垂向力，以控制隔水管的應(yīng)力和位移，并能在浮體作垂直和水平運動的情況下，使隔水管柱的張力基本保持恒定，不致使它出現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等損壞。文獻(xiàn)[7-9]中提到深水鉆井中，底部隔水管總成與防噴器緊急脫離發(fā)生情況時，隔水管會反沖，容易導(dǎo)致鉆井事故。文獻(xiàn)[10-12]中通過三維軟件建立隔水管張緊系統(tǒng)模型，并通過對張緊器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，表明設(shè)計的合理可行性。在文獻(xiàn)[13-15]中，一些學(xué)者認(rèn)為我國在深?；虺詈５氖豌@采技術(shù)還不成熟，展開了對深水鉆井設(shè)備中鉆井隔水管的研究，并用ABAQUS軟件對頂部張緊鉆井隔水管進(jìn)行了力的分析。在文獻(xiàn)[16]中，研究了液壓管線在機(jī)械液壓系統(tǒng)中對整個液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性的影響。 在文獻(xiàn)[17]中，研究了隔水管張緊系統(tǒng)在不同的海況條件下的工作性能，并建立了數(shù)學(xué)模型。

通過上述分析可知，隔水管張緊系統(tǒng)的性能好壞是保證深海鉆井平臺穩(wěn)定有效工作的前提。然而，在目前已有的國內(nèi)外文獻(xiàn)中，對隔水管張緊系統(tǒng)的性能影響因素研究相對較少。本研究設(shè)計并建立了一種新的隔水管張緊系統(tǒng)模型，其中，液壓缸、蓄能器等都采用了氣液型，更能符合實際工作要求。 在此基礎(chǔ)上，研究了影響隔水管張緊系統(tǒng)性能的因素。本研究的研究成果對于提高深海鉆井平臺的工作效率具有積極的意義。

1 液缸式隔水管張緊系統(tǒng)工作原理及問題闡述

隔水管張緊系統(tǒng)是海洋石油勘探開發(fā)關(guān)鍵而又薄弱的環(huán)節(jié)，是連接井口防噴器與鉆井平臺之間的重要通道，張緊器為隔水管頂部提供張緊力，并補(bǔ)償鉆井平臺運動對隔水管系統(tǒng)的影響，控制隔水管系統(tǒng)的位移和應(yīng)力，并能在浮式平臺作垂直或水平運動時，使隔水管的張力近似保持恒定。

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

液缸式張緊系統(tǒng)主要由液壓缸、蓄能器、反沖控制閥、控制撬、氣瓶、空壓機(jī)、注液機(jī)等結(jié)構(gòu)組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。液壓缸活塞缸端連接在鉆井平臺上，活塞桿端與伸縮節(jié)上的載荷環(huán)相連。海洋鉆井隔水管張緊系統(tǒng)的主要功能是為隔水管柱建立一個恒定的頂部張力，消除浮式平臺或鉆井船只相對隔水管的升沉運動，從而保障隔水管系統(tǒng)的安全，其工作原理示意圖如圖2所示。

圖1 張緊裝置結(jié)構(gòu)圖

從圖2中可以看出，液缸式張緊系統(tǒng)工作時，由液壓缸、蓄能器、工作氣瓶組組成一個“液氣彈簧”，并隨著浮式鉆井平臺在海浪或者潮汐等海況的影響下做升沉運動，液壓缸則做上下移動。以海平面為參照物，當(dāng)鉆井船向上運動時，液壓缸缸體同樣向上運動，使有桿端腔內(nèi)的液壓油被壓至油氣直接接觸式蓄能器。當(dāng)鉆井船向下運動時，液壓缸缸體同樣向下運動，液壓缸的有桿腔從蓄能器中吸入液壓油。蓄能器液壓油部和注液機(jī)連接，注液機(jī)為液缸和蓄能器提供工作介質(zhì)。圖示左邊液缸無桿端腔與低壓氮氣瓶連接，右邊空氣控制撬和氣瓶組連接，備用氣瓶組下連接空壓機(jī)，空壓機(jī)為備用氣瓶組補(bǔ)充干燥的高壓氣體。抗反沖閥(ARV)位于液缸和蓄能器之間，通過控制其節(jié)流口的開度進(jìn)而控制張緊器液缸的速度。在正常鉆井作業(yè)中，隔水管張緊系統(tǒng)為隔水管提供所需的張緊力，一方面防止隔水管出現(xiàn)彎曲變形;另一方面在隔水管發(fā)生緊急脫離的情況下，防止隔水管反沖過程中與鉆井平臺或鉆井船發(fā)生碰撞，造成嚴(yán)重的損失。

圖2 隔水管張緊系統(tǒng)工作原理

1.2 主要問題闡述

由以上分析可知，張緊系統(tǒng)對鉆井作業(yè)的安全可靠運行有極為重要的作用。然而，該系統(tǒng)由于組件多，建模復(fù)雜，海上環(huán)境惡劣，急需可靠的方法以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。目前已有的文獻(xiàn)在針對該系統(tǒng)建模時采用了簡化，忽略了該系統(tǒng)運行中諸多因素，不能全面的反映該系統(tǒng)的運行過程?；诖?，本研究建立了一種新的系統(tǒng)仿真模型，特別建立了氣液型的液壓缸、蓄能器，在此基礎(chǔ)上研究了影響該系統(tǒng)運行的關(guān)鍵因素。

2 液缸式隔水管張緊系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模

2.1 氣體狀態(tài)方程

理想的氣體狀態(tài)是假定氣體分子不占有容積；氣體分子間也沒有相互作用力。 然而，實際氣體狀態(tài)下，該條件不能滿足。不同于文獻(xiàn)[18],采用理想氣體模型，本研究采用范德瓦爾斯方程描述實際氣體狀態(tài)，該方程可以表示為：

(1)

由此得到在任意時刻低壓及高壓氮氣瓶氣體壓力為：

(2)

(3)

式中，m1，m2為氮氣氣體質(zhì)量；M1，M1為氮氣摩爾質(zhì)量； R為普適氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；a為度量分子間引力的參數(shù)，氮氣的a值為1.390；b為每個分子平均占有的空間大小(即氣體的體積除以總分子數(shù)量)，氮氣的b值為0.03913，Vgd為低壓氮氣瓶的體積。

同時，可以得到任意時刻的低壓氮氣瓶的氣體以及高壓空氣瓶體積，分別為:

Vgd=Vgd0-Ap×xp

(4)

Vgg=Vgg0+Ar×xp

(5)

式中，Vgd0,Vgg0為低壓氮氣瓶的氣體以及高壓空氣瓶的初始體積；Ap，Ar分別為液壓缸活塞無桿端及有桿端的面積；xp為液壓缸缸體相對于活塞的位移，方向取向上為正。

(6)

(7)

2.2 張緊裝置管線壓降

為防止隔水管系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急解脫時，活塞桿急劇回彈，一般會在高壓蓄能器與液壓缸之間的管線上安裝隔水管回彈控制閥。若隔水管系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急解脫，則減小回彈控制閥閥口開度或關(guān)閉回彈控制閥，以控制工作液壓油流速。

假設(shè)液壓流體流經(jīng)回彈控制閥體時為紊流狀態(tài)，紊流狀態(tài)下管線壓力損失公式可表示為：

(8)

式中，pvalue_drop表示回彈控制閥閥口的壓力損失；ζ表示回彈控制閥閥口的流阻系數(shù)；ρ表示工作液壓油密度；V表示工作液壓油在回彈控制閥閥口的平均流速。

依據(jù)流量的連續(xù)性方程，可得回彈控制閥閥口流速為：

(9)

式中，Vp為液壓缸活塞桿的運動速度；Ar為液壓缸有桿腔的橫截面積；A表示回彈控制閥閥口開度。

將式(9)代入式(8)可得回彈控制閥閥體局部壓力損失，其表達(dá)式如下：

(10)

當(dāng)一段管線的截面不存在任何突變時，可認(rèn)為該管線只存在沿程壓力損失。若忽略直接作用式張緊系統(tǒng)的管線突變截面，則可利用達(dá)西公式來直接計算張緊系統(tǒng)的沿程壓力損失:

(11)

式中，pway_drop為張緊系統(tǒng)的液壓管線的沿程壓力損失;d為張緊系統(tǒng)液壓管線平均內(nèi)徑；ξ為沿程阻力系數(shù)；v為張緊系統(tǒng)液壓管線內(nèi)工作液壓油的平均流速。

2.3 張緊力和剛度的計算

張緊力和剛度是張緊系統(tǒng)的主要參數(shù)，張緊力是由于液壓缸活塞兩段的壓力差產(chǎn)生的，忽略張緊系統(tǒng)液壓管線壓降等因素，得到張緊系統(tǒng)的張緊力的公式。

Ft=pggAr-pgdAr=

(12)

式(12)中張緊力Ft對xp進(jìn)行求導(dǎo)，即得到張緊裝置剛度如式(13)：

(13)

對上式進(jìn)行簡化，以便更能清楚地看到張緊裝置的剛度隨著缸體移動而產(chǎn)生變化。因為低壓氮氣瓶中的壓力和體積都遠(yuǎn)小于高壓空氣瓶，得到簡化公式：

(14)

由建立的數(shù)學(xué)模型可得到如下結(jié)論，張緊系統(tǒng)剛度與液壓缸缸體的位移有關(guān)，液壓缸缸體的位移越大，張緊系統(tǒng)的剛度越??；張緊系統(tǒng)剛度還與高壓空氣瓶的氣體積有關(guān)，氣體體積越大，張緊系統(tǒng)剛度越小。張緊系統(tǒng)還與液壓管線有關(guān)，液壓管線越長，直徑越小，沿程壓降越大。所以研究高壓空氣瓶體積與缸體位移以及液壓管線對液缸式隔水管張緊系統(tǒng)的影響是非常必要的。

3 基于AMESim軟件的液缸式張緊系統(tǒng)建模與仿真

本研究根據(jù)南海某實際平臺隔水管鉆井工程項目，該平臺氣液原理圖如圖3所示，相應(yīng)參數(shù)如表1所示。 通過分析液缸式隔水管張緊系統(tǒng)的工作原理， 以及隔水管張緊系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)和液氣原理圖， 建立了相應(yīng)模型。并以建立的數(shù)學(xué)模型為理論依據(jù)，在AMESim軟件中建立隔水管張緊系統(tǒng)模型，并為每個元件選擇合適的子模型，通過分析不同海浪，不同液壓管線等條件下隔水管張緊系統(tǒng)高壓氣瓶的壓力變化，對隔水管張緊系統(tǒng)開展研究。本研究在AMESim環(huán)境中所建立的隔水管張緊系統(tǒng)如圖4所示。

表1 隔水管張緊系統(tǒng)主要參數(shù)

圖3 隔水管張緊系統(tǒng)液氣原理圖

圖4 AMESim隔水管張緊系統(tǒng)模型

3.1 海浪影響

在實際海況中，海浪是不可避免的，是影響隔水管張緊系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，不同海浪的高度對張緊系統(tǒng)的性能有很大的影響。在AMESim環(huán)境中運行模型，設(shè)置浪高分別為1， 2， 3， 4， 5 m，得到了高壓氣瓶的壓力變化曲線。仿真結(jié)果如表2及圖5所示。

表2 不同浪高時壓力狀況

由此可以得出結(jié)論：海浪對隔水管張緊系統(tǒng)的影響很大，海浪越大，隔水管張緊系統(tǒng)中高壓氣瓶的壓力波動越大。根據(jù)與理論壓力波動值正負(fù)25%左右對比，仿真出結(jié)果與理論值存在偏差，造成這種情況的原因是隔水管張緊系統(tǒng)在工作過程中，海浪越大，液壓油流過液壓管線的流速就越大，通過管道的沿程壓力損失越大，所以海浪越高，壓力波動越大。當(dāng)海浪過大時，會造成隔水管串與水下設(shè)備發(fā)生碰撞，這時可切斷隔水管串和水下設(shè)備的連接，使隔水管底部總成(LMRP)從水下防井噴裝置(BOP)上脫離。隔水管柱中存儲的能量將會迅速釋放，隔水管柱將在短時間內(nèi)向上產(chǎn)生位移，這時就需要抗反沖控制閥來調(diào)節(jié)節(jié)流口的開度，控制張緊器液缸的速度，避免隔水管與鉆井平臺、鉆井船發(fā)生碰撞。

圖5 不同浪高時高壓氣瓶壓力變化

3.2 液壓管線影響

液體在管線中流動，沿程會產(chǎn)生壓力損失，所以液壓管線的長度粗細(xì)都將直接影響隔水管張緊系統(tǒng)的工作性能與效率，下表3為液壓管線參數(shù)，第一組是沒有考慮到沿程壓降等因素計算出的液壓管線參數(shù)，其余組為對照組，將參數(shù)輸入隔水管張緊系統(tǒng)模型，探究隔水管張緊系統(tǒng)在一個波浪周期為12 s，浪高為2 m的情況下壓力波動以及隔水管柱的位移波動情況。得到仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出液壓管線不是造成壓力波動的主要原因，但從隔水管柱的位移波動情況來看，液壓管線參數(shù)的改變會造成隔水管柱產(chǎn)生位移波動，在不同液壓管線參數(shù)條件下，隔水管柱位移對比情況如圖7～圖10所示。

表3 液壓管線參數(shù)

M為碳鋼無縫鋼管； N為不銹鋼無縫鋼管。

圖6 不同液壓管線高壓氣瓶壓力比較結(jié)果

圖7 一組與二組隔水管柱位移波動比較結(jié)果

圖8 一組與三組隔水管柱位移波動比較結(jié)果

圖9 一組與四組組隔水管柱位移波動比較

由上圖可以看出液壓管線的長度、直徑可以影響隔水管柱的穩(wěn)定性，如圖7所示，液缸-蓄能器管線長度由25 m變成50 m，隔水管的位移波動變小，趨于穩(wěn)定速度更快； 如圖8所示液缸-蓄能器管線直徑由200 mm

圖10 一組與五組隔水管柱位移波動比較

變成100 mm，隔水管的位移波動明顯變小，更快時間趨于穩(wěn)定，造成這種情況的原因是液壓管線直徑和長度是影響沿程壓降的直接因素，沿程壓力損失變大，到達(dá)隔水管的壓力就變小，所以位移波動變小。如圖9所示，蓄能器-空氣控制撬管線長度由15 m變成30 m，隔水管的位移波動變大，趨于穩(wěn)定速度更慢；圖10中，蓄能器-空氣控制撬管線直徑由130 mm變成260 mm，隔水管的位移波動明顯變大，更慢趨于穩(wěn)定速度，原因是高壓氣瓶的輸出壓力增大，隔水管壓力增大，所以隔水管位移波動增大。

3.3 高壓氣瓶體積影響

高壓空氣瓶是組成隔水管張緊系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，選擇合適的高壓氣瓶體積是保證隔水管張緊系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提。本研究在不同的高壓氣瓶體積的條件下，驗證了隔水管張緊系統(tǒng)的壓力波動情況。具體參數(shù)如下表4所示，第一組是根據(jù)高壓空氣瓶容積變化為液缸排出液體的體積，計算出的高壓空氣瓶體積的理論值，其余組為對照組，將參數(shù)輸入隔水管張緊系統(tǒng)模型中，設(shè)定隔水管張緊系統(tǒng)在一個波浪周期是12 s，浪高為2 m。改變高壓氣瓶體積參數(shù)，得到不同高壓氣瓶體積的條件下，高壓氣瓶體積對隔水管張緊系統(tǒng)性能的影響，如表5以及圖11所示。

表4 液壓管線基本參數(shù)

表5 不同高壓氣瓶體積壓力表

圖11 不同條件下高壓氣瓶壓力比較

仿真結(jié)果表明，氣瓶體積對壓力的影響很大，高壓氣瓶體積減越小，壓力波動越大；高壓氣瓶體積越大，壓力波動越小，隔水管張緊系統(tǒng)性能越穩(wěn)定。

3.4 氣瓶充、放氣過程分析

在深海鉆井隔水管張緊系統(tǒng)工作時，氣瓶充氣時間是決定張緊系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作的關(guān)鍵參數(shù)?？諌簷C(jī)在電機(jī)作用下工作，空壓機(jī)為備用氣瓶組充氣，當(dāng)備用氣瓶組達(dá)到工作壓力后，計算的備用氣瓶組工作壓力為31 MPa，備用氣瓶組為工作氣瓶充氣，工作氣瓶壓力由0上升到工作壓力11.2 MPa。在AMESim環(huán)境中建立氣瓶充、放氣模型如圖12、圖13所示，空壓機(jī)以及電機(jī)參數(shù)如表6所示。仿真得到空壓機(jī)為備用氣瓶組充氣到工作壓力時需要的時間，結(jié)果如圖14所示；工作氣瓶充氣、放氣時間曲線，如圖15、圖16所示。

圖12 氣瓶充氣模型

圖13 氣瓶放氣模型

電機(jī)轉(zhuǎn)速/r·min-1電機(jī)額定功率/kW空壓機(jī)排量/m3·h-11770 55 149

圖14 備用氣瓶組充氣過程

圖15 工作氣瓶組充氣過程

圖16 工作氣瓶組放氣過程

從圖14～圖16可得出氣瓶充、放氣時間，如表7所示。

表7 氣瓶充、放氣時間分析

對可靠性和安全性的要求，首先是對作業(yè)時間的要求，作業(yè)之前需要提前充氣，整個氣瓶都沒有氣體的話充氣時間太長，影響隔水管張緊系統(tǒng)的工作效率；其次，在氣瓶充放氣過程中，氣瓶會產(chǎn)生溫度變化，備用氣瓶與工作氣瓶在充氣過程中，溫度升高，工作氣瓶在放氣過程中，溫度降低，如圖17～圖19所示。溫度過高或者過低都會造成人員傷亡，所以研究氣瓶充、放氣過程是保證了隔水管張緊系統(tǒng)安全性的重要前提。

圖17 備用氣瓶充氣過程溫度變化

圖18 工作氣瓶組充氣過程溫度變化

圖19 工作氣瓶放氣過程溫度變化

4 結(jié)論

研究液缸式隔水管張緊系統(tǒng)的性能影響因子，基于AMESim環(huán)境進(jìn)行模型仿真分析，得到在不同影響因素下的響應(yīng)。

(1) 本研究根據(jù)實際氣體狀態(tài)，液壓管線壓降，系統(tǒng)張緊力和剛度建立數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)模型，得到影響液缸式隔水管張緊系統(tǒng)的因素；

(2) 根據(jù)實際工作平臺，采用氣液型蓄能器以及液壓缸液缸式隔水管張緊系統(tǒng)，在AMESim分析軟件中建立液缸式隔水管張緊系統(tǒng)仿真模型，得到海浪高度是影響隔水管張緊系統(tǒng)壓力波動的主要因素。海浪越高，液缸式隔水管張緊系統(tǒng)的壓力波動越大，隔水管張緊系統(tǒng)工作越不穩(wěn)定，當(dāng)海浪過大時，系統(tǒng)中抗反沖控制閥就發(fā)揮了其重要中作用；

(3) 由于液體在管線中流動，會產(chǎn)生沿程壓力損失，在AMESim分析軟件中仿真模型，得到液壓管線對液缸式隔水管張緊系統(tǒng)的影響，所以在實際工作中選擇合適的液壓管線，能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，減少成本，提高工作效率；

(4) 研究了不同高壓氣瓶體積對張緊系統(tǒng)張緊力穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，高壓氣瓶體積越大，高壓氣瓶體積越大，壓力波動越小，隔水管張緊系統(tǒng)性能越穩(wěn)定；

(5) 在AMESim環(huán)境中建立氣瓶充、放氣模型，得到了氣瓶充放氣時間以及溫度變化，提高了其工作效率，確保隔水管張緊系統(tǒng)在實際深海運行中可靠穩(wěn)定，保證了隔水管張緊系統(tǒng)工作的安全性；

(6) 本研究建立的模型和張緊系統(tǒng)工作原理一致，通過仿真模型驗證了液缸式張緊系統(tǒng)的影響因子，對張緊系統(tǒng)性能的研究提供理論依據(jù)，具有積極的現(xiàn)實意義。