自升式海洋平台液压升降系统设计研究

自升式海洋平台液压升降系统设计研究

苏伟民

广东精铟海洋工程股份有限公司 528200

摘要：近年来，海洋平台的质量要求不断提高，作为平台的重要组成部分，液压升降系统设计需要不断优化，实现自升式设计目标，满足海洋平台的使用要求。文章将以自升式海洋平台液压升降系统为研究对象，根据其作用原理与使用要求，不断优化系统设计，保证平台运动的平稳性，降低造价成本，提高运输效率，促进海洋平台控制水平的提高，满足平台升降使用的要求。

关键词：系统设计；自升式；海洋平台；液压系统

引言：自升式海洋平台的液压升降系统主要采用PROFIBUS-DP的形式进行升降点连接，不断优化分布式I/O控制，为系统运行提供稳定的网络环境，从系统的优化布置到硬件组成进行持续优化，实现同步控制系统的目标。另外，适当安装故障报警系统，确保液压升降系统的使用安全，提高系统控制质量。

1 自升式海洋平台液压升降系统的概述

海洋平台是海洋石油天然气资源开发的基础支撑，对海上生产、生活有着重要的意义。自升式海洋平台液压升降系统能够为海上工作者提供便利，随着科学技术的创新，海洋平台的功能也在不断丰富。据统计调查显示，我国在不同海域已建成海洋平台6000余座，为海上石油勘探、开采提供有力支撑。我国的海洋平台主要集中在渤海区域，其中渤海1号、3号、5号、7号与11号自升式海洋平台液压升降系统已经得到广泛使用，为我国海洋石油资源开发提供技术支撑。另外，随着科技的发展，我国石油、天然气资源的开发潜力不断提升，海洋平台相关技术得到充分发展。根据国际能源总署（IEA）发出的研究报告显示，未来全球能源行业的投资还在不断提升[1]。其中海上资源开发的投资比重越来越大，为自升式海洋平台液压升降系统的开发设计提供发展方向。

2 自升式海洋平台液压升降系统的组成

基于自升式海洋平台液压升降的原理，对系统结构的组成进行客观分析。首先，自升式平台结构是由桩腿、平台、升降基础组成的。升降基础包含升降装置和锁紧装置，桩腿支撑着海洋平台进行海上作业，通过升降基础进行桩腿固定，确保海洋平台质量稳定，在迁航途中，为海洋平台提供充足的浮力，使其保证海上作业的稳定性。升降基础通过将桩腿与船体固定，使其形成稳定的整体。并将船体的荷载通过桩腿传递，确保自升式海洋平台液压升降系统功能的有效发挥。

3 自升式海洋平台液压升降系统的设计要点

3.1明确设计要求

结合自升式海洋平台液压升降系统的使用工况，对设计要求与设计标准进行明确。1）系统运行中，海洋平台自动上升与下降，其中的参数较为准确。设计人员对桩腿下降工况进行分析，对桩腿的重量与平台重量进行控制，使其达到设计要求。据调查分析显示，桩腿的实际重量达到80000KN，而平台的实际重量则达到70000KN。结合系统的运行原理，并对海上作业外界环境的影响分析，明确设计荷载。例如，设计人员将桩腿、平台、恶劣环境下的风浪与其它不利因素综合考量，对设计荷载取值120000KN。并对自升式海洋平台升降点的荷载进行设计，使其达到设计标准。其中，升降点的设计荷载为30000KN，而实际荷载为20000KN。2）自升式海洋平台上升期间，设计人员对相关参数信息进行收集。并对海洋平台的使用环境进行调查，确保海平面环境不会对平台造成严重影响。尤其是盐雾、雷暴等天气，需要采取科学的预防措施，避免其对系统运行造成影响，保证自升式海洋平台液压升降系统设计的质量。3）据设计人员表示，通过合理选择材料，加强系统结构设计，使自升式海洋平台液压升降系统能够在-20℃-55℃环境下稳定运行。同时，系统自适应性较强，在湿度较大的海洋气候中稳定使用。4）通过风力测试的方法，加强系统设计，排除风速对自升式海洋平台使用的影响。设计人员参考相应的标准，将系统抵抗风速的能力不断提升，保证工作风速≤6级。同时，设计者对系统运行时的平台荷载进行分析，根据荷载的传递原理，加强支撑构件的强度系数，使其强度参数符合设计标准，满足系统设计要求。

3.2编制设计方案

科学编制自升式海洋平台液压升降系统总体方案，为系统设计提供支撑。1）基于本液压升降系统的运行特点，在可靠性与安全性设计中不断优化，编制可行性的设计方案。例如，系统设计人员总结系统的运行特点，系统负载较大，空间结构复杂，行程较长，环境恶劣。对此，采用多桩腿结构平台进行上下梁结构设计，发挥系统液压升降的功能。设计人员通过方案设计，确定在海洋平台与桩腿位置的交接点合理布置液压升降装置。并使用焊接牛腿的方式，在桩腿位置进行焊接固定，确保主液压缸可环绕轴承进行转动，从而实现多铰点自由度的耦合。2）合理编制间歇式升降方案，并对方案的科学性与可行性作出分析，确保自升式海洋平台液压升降系统设计符合要求。例如，设计者根据耳板、液压缸与销轴的使用情况，在桩腿位置焊接牛腿。在此过程中，需要控制桩腿焊接的距离，通过与液压缸的固定，不断连接海洋平台的耳板，适当推动液压缸的伸出与缩回，使其上下交替来实现负载转移，从而实现平台与桩腿的升降设计

[2]。设计者根据方案内容，采用串联的形式进行主液压缸的设计，并改进单出杆的形式，提升其功能效果。3）基于间歇式升降方案的结构，对间歇式升降步序进行分析。其中，间歇式升降结构主要包括上梁、桩腿牛腿、推拉液压缸、主液压缸、耳板与下梁等装置。如图一所示，设计者根据桩腿上升过程进行分析。在下梁支撑柱腿下，将上梁转入中位；上梁支撑柱腿后，下梁移至中位，并将下梁进行拆卸，将主液压缸伸至1600mm；上梁支撑柱腿期间，将下梁移至中位；下梁支撑柱腿，将主液压缸缩至1500mm，并将上梁中位转出，使主液压缸全缩，实现柱腿上升过程的设计。

图一 间歇式升降步序

3.3系统参数计算

自升式海洋平台液压升降系统运行中，不同工况系统的动作不同。因此，设计者需要针对特定工况进行考虑，提高系统设计的针对性，发挥系统的功能作用。1）设计者结合四种工况的特点，对每个步序进行研究，详细分析动作循环特征。例如，技术人员根据桩腿上升工况，对相关系统参数进行计算，得到准确的参数信息，从而优化系统的设计，提高系统的运行质量。例如，上液压缸伸缸动作中，装置的内部压力为6.00MPa，流量为154.5L/min，功率则为15.45kW。基于系统参数计算公式，准确计算桩腿上升工况的步序时间。结合上述公式，设计者对下液压缸的相关动作与下推拉液压缸的相关动作进行准确计算，并得到相应的步序参数信息，为系统优化设计提供参数支撑。2）利用系统参数信息，加强对自升式海洋平台液压升降系统的节能设计，使系统的性价比显著提升，符合绿色发展理念要求。例如，技术人员将相关参数信息计算并统计，结合液压系统工作效率，对系统运行的能量损失情况作出分析。其中，液压元件的参数信息不同，液压缸能量转换期间会造成能量损失，设计者对机械摩擦损失的情况进行分析，详细计算摩擦损失、压力损失与容积损失。针对损失情况，不断优化自升式海洋平台液压升降系统中的液压元件质量，减少元件的磨损，优化元件结构，降低能量损失的概率[3]。3）设计者根据液压泵运动情况，对负载状态下系统不适所产生的匹配损失进行计算。准确衡量泵工作压力与负载大小，并以参数信息的形式进行记录。基于泵流量与负载运动速度的参数关系，详细计算二者的联系，从而确定参数方程。另外，对液压系统设计不合理的位置进行能量损失计算，从而改进液压系统中相关元件的参数性能，适当降低升降系统运动消耗的能量，提高系统设计的整体质量。

3.4关键技术应用

自升式海洋平台液压升降系统的设计离不开先进的技术，结合系统设计内容，加强关键技术的创新与应用，提高系统的安全性与稳定性。1）采用科学的误差控制技术，精准控制系统内部误差，保证桩腿的质量。例如，自升式海洋平台液压升降系统中，需要采用四根梁作为平台或桩腿的重量转移部件。技术人员参照设计方案，对四根梁负载情况进行对比，有效控制梁与桩腿的质量。其中，焊接人员对桩腿进行焊接，有效控制焊接误差。使用先进的检测设备，对梁表面与桩腿承力面的误差进行计算，从而减小接触面积，提高桩腿受力支撑水平。2）运用先进的测量技术，控制自升式海洋平台液压升降系统设计的准确性。例如，技术人员对上、下梁两端端头位置进行测量。确保凹槽与挡板之间存在2mm的间隙，为系统的灵活使用提供保障。技术人员持续转动上、下梁角度，保证角度为1°，并对梁与桩腿牛腿之间的受力情况作出分析，绘制受力图，加强应力分析，保障系统的安全运行。3）借助互联网技术，建立系统三维模型，对系统的内部结构与外部情况进行研究。同时，开发应用先进技术软件，实现对海洋平台同步升降的控制，确保液压系统功能稳定，能够得到设计人员的准确控制，满足系统开发要求。例如，技术人员通过计算机平台，对主液压缸的工作状态进行分析。主液压缸空载状态与带载状态会准确显示，技术人员根据计算机显示器掌控其状态，从而加强系统的设计，提高系统设计质量。4）运用节能技术、安全技术与调频技术，根据自升式海洋平台液压升降系统的设计内容，达到设计指标，发挥先进技术的优势，促进系统设计水平的提高。例如，更换自升式海洋平台液压升降系统的动力装置，使用清洁能源。并加强安全设计，为系统提供安全保障，系统运行的稳定性得到提高，运行成本下降，间接带动相关行业发展，发挥系统的优势作用。

3.5功能模块设计

自升式海洋平台液压升降系统的功能较多，需要强化功能模块设计，发挥系统的主要功能，保障海上作业的安全。1）集中控制模块设计。控制功能是自升式海洋平台液压升降系统的主要功能模块，设计者基于现存科技手段，使用PLC控制设备，利用算法进行系统控制指令的生成，满足系统设计的需求。例如，通过PLC算法体系，在设备之间建立联系，使得功能模块有效发挥，提高系统控制水平。例如，集中控制系统通过控制器进行控制，输入、输出指令即可实现对控制对象的有效控制。另外，除了集中控制模块，设计者融合数字技术，建立远程控制模块，提高自升式海洋平台液压升降系统远程控制能力。2）故障检测功能模块设计。自升式海洋平台液压升降系统运行中，难免出现故障。通过编辑故障检测程序，对系统运行状态进行实时管控，达到系统质量控制的目的。例如，设计者输入功能模块的指令，优化系统的硬件配置与软件程序，按照中央处理器的型号进行配置，实现故障检测功能的发挥

[4]。在此基础上，一旦系统内部元件出现问题，故障检测系统会自动发出警报，提醒故障维修人员进行维修处理，保障系统安全。3）CPU模块与电源模块设计。技术人员根据自升式海洋平台液压升降系统的设计方案，对系统的相关硬件配置产生了解。合理选择中央处理器模块，实现自升式海洋平台液压升降系统通信功能的有效发挥。另外，不断提高输入模块与输出模块的质量，加强对信号模块（SM）的设计，发挥通信处理器的作用。例如，设计者严格执行硬件组态任务，生成网络，对网络中的节点与模块进行分析，合理选择参数，提高模块功能设计质量。

结论：综上所述，文章通过对自升式海洋平台液压升降系统的概述进行分析，详细描述海洋平台的功能作用，为系统的结构组成设计提供理论支撑。同时，通过明确系统设计要求、科学编制设计方案、准确计算系统参数、创新并应用关键技术等方式实现系统的优化设计，保证系统的稳定运行，推动海上作业平台的高质量发展，提高海洋资源开发利用的效率。

参考文献：

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[2]刘崇喆,姜瑞,马金金,等.某自升式风电安装平台高压液压管路系统安装工艺改进[J].广东造船,2022,41(05):94-96.
[3]万家平,杨旭,吴东伟,等.海洋平台升降用多工况适应性液压系统设计与控制分析[J].液压气动与密封,2022,42(09):34-40+46.
[4]王卫东,王雪,余小琴,等.多点支撑液压不规则平面升降台同步升降控制系统研发[J].机械研究与应用,2022,35(04):104-107.