鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)變頻器故障排查方式的探討

胡聞嘉 孟旭

摘要：隨著變頻升降系統(tǒng)在鉆井平臺(tái)上得到廣泛運(yùn)用，其穩(wěn)定性成為重中之重。由于海工裝備的特殊性，在遠(yuǎn)海一旦發(fā)生變頻器故障，能否在短時(shí)間內(nèi)排除故障，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行就尤為重要了。本文將根據(jù)作者從業(yè)10年的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于最常見(jiàn)變頻器故障排查方案進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：鉆井平臺(tái);變頻升降系統(tǒng);變頻器故障

一、引言

由上海振華重工自主研發(fā)的齒輪齒條式電控升降系統(tǒng)，已普遍應(yīng)用在30余臺(tái)JU2000E型鉆井平臺(tái)上，這些平臺(tái)遍布國(guó)內(nèi)外各大海域。通常，各家鉆井公司會(huì)根據(jù)自身情況，要求設(shè)計(jì)方派遣專(zhuān)業(yè)工程師抵達(dá)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)支持。然而，隨著近兩年新冠疫情在全球蔓延，迫使工程師無(wú)法及時(shí)前往各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)。在雙方尋求新的合作模式過(guò)程中，遠(yuǎn)程技術(shù)服務(wù)正在逐漸替代常規(guī)的模式，成為主流。這無(wú)論對(duì)于用戶(hù)還是工程師都是雙重考驗(yàn)。作為用戶(hù)，必須擯棄以往對(duì)于供應(yīng)商的技術(shù)依賴(lài)，需要對(duì)升降系統(tǒng)有較為深刻的認(rèn)識(shí)。而作為工程師，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的有限信息，提出既快速又準(zhǔn)確的解決方案。

二、升降系統(tǒng)簡(jiǎn)介

JU2000E型鉆井平臺(tái)有3根樁腿，每根樁腿呈三角形，各個(gè)三角形的一角稱(chēng)為一個(gè)弦（chord）。每根弦上各自布置了6套升降裝置，整船總計(jì)54套。

每臺(tái)升降裝置由一臺(tái)變頻電機(jī)、一套減速箱和一臺(tái)制動(dòng)器組成。通過(guò)對(duì)電機(jī)的控制，由減速箱作為傳動(dòng)鏈，將電機(jī)在高速側(cè)的力矩轉(zhuǎn)化到減速箱小齒輪的低速側(cè)，帶動(dòng)樁腿齒條的上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)升降系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，由制動(dòng)器在高速側(cè)剎住電機(jī)，使得平臺(tái)停止運(yùn)行。

每根樁腿的18套升降裝置，由一套NXI15006型變頻器驅(qū)動(dòng)。因此，作為升降系統(tǒng)的動(dòng)力源，一旦變頻器發(fā)生故障后，整個(gè)升降裝置將處于“停滯”狀態(tài)，需要第一時(shí)間排除掉故障。

三、故障排查風(fēng)險(xiǎn)

（一）故障的分類(lèi)

升降系統(tǒng)的故障大致分為如下幾類(lèi)

1. I/O類(lèi)故障

此類(lèi)故障主要包括電氣元器件的狀態(tài)反饋與既定不符。比如：馬達(dá)啟動(dòng)器跳閘、制動(dòng)器接觸器誤動(dòng)作、限位開(kāi)關(guān)無(wú)正常反饋等。通常這些故障可以借助電氣原理圖、故障列表、PLC程序等迅速準(zhǔn)確鎖定故障源，通過(guò)遠(yuǎn)程指導(dǎo)，第一時(shí)間幫助用戶(hù)解決問(wèn)題，讓系統(tǒng)恢復(fù)正常。

2.通訊類(lèi)故障

此類(lèi)故障主要由于某個(gè)通訊站如：CPU、I/O從站、變頻器、絕對(duì)值編碼器等通訊狀態(tài)丟失導(dǎo)致。通常這些故障可以通過(guò)人機(jī)界面顯示的實(shí)時(shí)通訊狀態(tài)圖鎖定具體某個(gè)部件，再通過(guò)對(duì)其針對(duì)性的檢查進(jìn)行排除，亦可通過(guò)遠(yuǎn)程協(xié)助的方式幫助用戶(hù)解決。

3.邏輯類(lèi)故障

此類(lèi)故障主要對(duì)讀取的外部數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理，以達(dá)到保護(hù)升降機(jī)械、電控裝置的目的。比如：當(dāng)一條弦內(nèi)6臺(tái)升降裝置的力矩不平衡時(shí)，會(huì)有提示警告。又或者對(duì)操作人員不規(guī)范操作有可能引起系統(tǒng)損壞的行為進(jìn)行程序上的約束。這些故障可以通過(guò)針對(duì)性的講解，或者對(duì)于操作手冊(cè)規(guī)范性的學(xué)習(xí)后，一一排除。

4.變頻器故障

變頻器作為整套升降電控系統(tǒng)的集成部件，其內(nèi)部有著十分繁瑣的硬件和軟件構(gòu)成。根據(jù)專(zhuān)用變頻器手冊(cè)，常見(jiàn)的故障有三十多種，得根據(jù)面板上的故障代碼和變頻器的具體現(xiàn)象逐步判斷。一旦發(fā)生此類(lèi)故障，如果用戶(hù)對(duì)于變頻器沒(méi)有一定的知識(shí)儲(chǔ)備，很難第一時(shí)間將最準(zhǔn)確的信息反饋給工程師。即使工程師獲取了準(zhǔn)確的信息，對(duì)于每種故障的解決方案也大有不同。其復(fù)雜程度非前三類(lèi)故障所能比擬。因此，如何簡(jiǎn)單有效的通過(guò)遠(yuǎn)程指導(dǎo)的方式幫助用戶(hù)解決復(fù)雜的變頻器故障成了服務(wù)工程師的一大課題。

（二）海上排查故障的風(fēng)險(xiǎn)

海工設(shè)備排查故障比起其他行業(yè)存在特殊性，尤其對(duì)于升降系統(tǒng)而言，一旦鉆井平臺(tái)處于非安全位置，而系統(tǒng)因?yàn)槟硞€(gè)硬件損壞導(dǎo)致停機(jī)，并且不能在短時(shí)間內(nèi)盡快解決的話，會(huì)帶來(lái)重大損失，有時(shí)甚至危及人員及設(shè)備安全。主要包括以下四點(diǎn)：

1.作業(yè)待機(jī)損失

根據(jù)某石油公司統(tǒng)計(jì)，拖航期間停滯一天所產(chǎn)生的費(fèi)用包括：3艘拖航用船、整船的生活用電、各個(gè)第三方公司人員派遣費(fèi)用等，合計(jì)不低于40萬(wàn)美金。

2.海浪沖擊船體的風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)鉆井平臺(tái)長(zhǎng)期處于漂浮狀態(tài)時(shí)，會(huì)受到海浪沖擊的影響。在極端惡劣天氣下，整個(gè)平臺(tái)會(huì)劇烈晃動(dòng)，對(duì)于平臺(tái)工作人員和設(shè)備帶來(lái)影響甚至安全隱患。

3.插樁穿刺風(fēng)險(xiǎn)

鉆井平臺(tái)在插樁過(guò)程中發(fā)生穿刺并不罕見(jiàn)，此時(shí)需要通過(guò)升降樁腿，將平臺(tái)調(diào)平。此時(shí)如果不幸發(fā)生變頻器故障，如果在最短時(shí)間內(nèi)不能將故障解除，很可能將造成平臺(tái)傾覆的悲劇。

4.平臺(tái)漫水風(fēng)險(xiǎn)

當(dāng)操作人員選擇低潮位拔樁的時(shí)候，若發(fā)生短時(shí)間內(nèi)無(wú)法解決的變頻器故障時(shí)，隨著漲潮，在高潮位的潮水很可能沒(méi)過(guò)甲板面，導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，危及船員生命。

四、通用解決方案

如圖2所示，一套變頻器由4臺(tái)NFE、2臺(tái)INU和1臺(tái)BCU組成。針對(duì)每個(gè)不同部件，在交機(jī)前由專(zhuān)員給用戶(hù)理論培訓(xùn)和實(shí)際拆裝講解。根據(jù)近5年從各個(gè)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)的反饋匯總，其中測(cè)量板故障12起，風(fēng)扇板故障4起，ASIC板故障3起，充電電阻故障1起，其他各類(lèi)故障累積5起。由此可見(jiàn)，測(cè)量板故障在所有變頻器故障中所占比例較高，需要引起重視。

在2020年4月，某鉆井平臺(tái)的升降系統(tǒng)出現(xiàn)變頻器故障。面板上顯示F3接地故障+F41IGBT過(guò)溫故障。實(shí)際檢查現(xiàn)場(chǎng)的電纜接地以及實(shí)測(cè)IGBT溫度，均未發(fā)現(xiàn)異常。由此推斷IGBT內(nèi)部的測(cè)量板發(fā)生故障的可能性很大，其檢測(cè)的數(shù)據(jù)與實(shí)際不符，屬于“誤動(dòng)作”。一臺(tái)INU包含U V W三相，每一相包含2個(gè)IGBT模塊，每個(gè)模塊中有1塊測(cè)量板。而在面板上只能讀出故障源在哪個(gè)INU里，而并不能明確是哪一相的哪塊測(cè)量板發(fā)生了故障。這樣就會(huì)存在以下的問(wèn)題：

1.如果平臺(tái)上有INU（三相）的整機(jī)備件該如何更換？

2.如果平臺(tái)上有INU（單相）的備件該如何更換？

3.如果平臺(tái)上只有IGBT的備件該如何更換？

答：

1.如果平臺(tái)上有三相的整機(jī)備件，可以直接更換。整機(jī)的拆換最為簡(jiǎn)單，拆換后只需在新的PCB板卡內(nèi)刷新程序即可。整機(jī)備件的價(jià)格超過(guò)100w人民幣，整機(jī)的更換時(shí)間約為2個(gè)小時(shí)，更換過(guò)程較為簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的專(zhuān)業(yè)知識(shí)背景。

2.如果平臺(tái)上只有單相的備件，必須一相相更換。每更換一相后需要用直流電源帶電測(cè)試，如果更換相并非故障相，需重新更換。單相備件的價(jià)格約30w人民幣，更換時(shí)間約為2-6個(gè)小時(shí)。更換過(guò)程相較更換整機(jī)更為復(fù)雜，并且有一定無(wú)法保證一次找到對(duì)應(yīng)的故障相，耗費(fèi)時(shí)間。

3.如果平臺(tái)上只有IGBT的備件，必須一個(gè)個(gè)逐一更換并上電檢測(cè)，如果更換的并非故障相，需要重新更換。單個(gè)IGBT模塊價(jià)格約5w人民幣，更換時(shí)間約為3-8個(gè)小時(shí)。由于IGBT位于整機(jī)深處，拆換需要相當(dāng)?shù)氖炀毝?，第一次拆?huì)非常費(fèi)時(shí)。

由此可見(jiàn)，第一種方案最為簡(jiǎn)便，效率也最高。但是備件的價(jià)格很高，因一塊測(cè)量板故障而更換整個(gè)三相INU代價(jià)太大，用戶(hù)不會(huì)接受。后兩種方案雖然不用更換整體，備件的價(jià)格相對(duì)便宜，但是更換過(guò)程對(duì)于專(zhuān)業(yè)要求較高，而且不能確保一次成功。

而在上文中提到，海上搶險(xiǎn)，時(shí)間就是生命線。一旦在變頻器發(fā)生故障的情況下，不巧發(fā)生了“穿刺”事件，若無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)將故障排除，將發(fā)生平臺(tái)漫水，最終導(dǎo)致設(shè)備損壞，重則危及人員生命的情況。

五、使用NC-Drive軟件解決方案

NC-Drive是一款Danfoss變頻器配套使用軟件。它具備下載、上傳參數(shù)，記錄抓拍波形，導(dǎo)出故障信息等功能?？紤]到測(cè)量板本身在系統(tǒng)運(yùn)行中，起到檢測(cè)并傳輸數(shù)據(jù)的作用，而它的故障往往是因?yàn)榘蹇ū旧淼姆栏繉踊蛘唠娙輦€(gè)別損壞導(dǎo)致，原本正常的信息經(jīng)過(guò)測(cè)量板的計(jì)算后，發(fā)生真實(shí)性的突變。結(jié)合NC-Drive的功能，試圖通過(guò)抓拍這個(gè)突變值，準(zhǔn)確定位故障相，由此即節(jié)省了備件費(fèi)用，又能迅速地切除故障。

首先，將整個(gè)INU單元整體移出柜體平放，將直流電源接至母排的正負(fù)極，使用RS232線連接電腦和手操盒，打開(kāi)NC-Drive軟件，設(shè)置監(jiān)控電流波形曲線，最后在控制盒中手動(dòng)運(yùn)行一段測(cè)試程序。

在測(cè)試故障變頻器的過(guò)程中，可以清晰地看到V相的電流發(fā)生了明顯突變（2149.4A），遠(yuǎn)高于正常相U（-40A）和W（0A）。整個(gè)測(cè)試過(guò)程僅僅耗時(shí)10分鐘，便能高效的定位故障點(diǎn)。有的放矢更換V相的IGBT模塊后，故障得以排除。整個(gè)篩查工作不到3個(gè)小時(shí)，對(duì)于工程師進(jìn)過(guò)系統(tǒng)訓(xùn)練后，時(shí)間可以進(jìn)一步縮短，同時(shí)又為用戶(hù)節(jié)省了備件成本，一舉兩得。

六、兩種方案的對(duì)比和總結(jié)

通過(guò)NC-Drive抓拍比對(duì)波形的方式來(lái)排查測(cè)量板故障，效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)的方式。考慮到這種方式在鉆井平臺(tái)維保過(guò)程中具有很高的實(shí)際價(jià)值，它不僅可以幫助用戶(hù)節(jié)省開(kāi)支，又能準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，可以說(shuō)是篩查測(cè)量板故障的最優(yōu)解。目前，公司已將該方案制作成教學(xué)PPT，通過(guò)給用戶(hù)培訓(xùn)，提高他們的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，在應(yīng)急情況下能夠從容地解決問(wèn)題。

作者單位：胡聞嘉? ? 孟旭? ? 上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司

胡聞嘉（1987.03-），男，漢族，浙江金華，本科，中級(jí)工程，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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