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備維護問題。
1當前登離平臺現(xiàn)狀
當前,海上有人平臺的登離以直升機登船、平臺吊機/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,使用平臺吊機和吊籠轉(zhuǎn)運人員已經(jīng)變得不可行。采用直升機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險,特別是在海上風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、海上風電、船舶等領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備,其登離方式的優(yōu)化將直接影響到運行效率和操作風險的控制。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。它在平臺和登陸設施之間設置鋼索吊桿,通過升降機或絞盤等設備實現(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的液壓或氣動方式實現(xiàn)響應速度更快的登離平臺。由于海洋平臺氣源主要來自空壓機,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新型登離方式技術難點
穩(wěn)定性風險管理是海上無人平臺登離方式中至關重要的一項技術。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)定性風險管理的目標是通過合理的設計和控制措施,確保無人平臺在各種環(huán)境條件下都能保持穩(wěn)定。
穩(wěn)定性風險管理需要對無人平臺登離裝置的結(jié)構(gòu)進行合理設計。其結(jié)構(gòu)應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。為了確保設計的準確性,可以借助計算機輔助設計軟件進行模擬分析,評估其穩(wěn)定性。
穩(wěn)定性風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'需要在設計中考慮這些因素'并采取相應的措施來應對。例如'可以在裝置底部設置液壓緩沖器,以減輕波浪對平臺的影響。
綜上所述,穩(wěn)定性風險管理是海上無人平臺登離裝置設計中不可忽視的一部分。通過合理的設計和控制措施,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)定性風險管理需要考慮結(jié)構(gòu)設計、控制措施、環(huán)境變化等因素,并進行全面的風險評估和管理。只有做好穩(wěn)定性風險管理,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堋Ｖ鲃邮缴畛裂a償裝置的核心技術是高精度傳感器以及控制系統(tǒng),并且裝置設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,當拖輪處于海浪波谷中時,彈簧阻尼會被釋放恢復到初始位置,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),其復雜程度遠高于其中一種,相對而言故障率也會更高,所以該項技術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計
固定式海洋平臺本體分為四大部分,包含導管架、上部組塊、生活樓以及模塊鉆機;而無人平臺只有導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,裝置的總長度達到20 m以上,大大增加了裝置的材料成本,也增加了平臺導管架結(jié)構(gòu)的負載。除此位置外,在下層甲板以下還設有一層工作甲板,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即可達到要求,且工作甲板也常用于平臺登離,各項設計也利于人員高效登離平臺。
6新型登離裝置設計
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,解鎖護欄后人員即可通過前擋板登上吊籃,當人員站立在吊籃中以后,升起前擋板并鎖好護欄,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計,并通過檢錯糾錯編碼方式實現(xiàn)對設備的遠距離、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,擴大使用范圍。在安全性上,遙控器外殼應具備防水、防撞擊、防腐蝕、防電磁干擾等性能。在操作性上,應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、急停開關以及各類備用開關,其中急停開關作為安全保障設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計,在投入應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、遠程控制邏輯以及傳動系統(tǒng)的設計等等。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。
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