海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台开发.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 6 期 2023 年 6 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.6 Jun.2023 收稿日期:2023-01-04 基金项目:国家自然科学基金项目（52271300，52071337）；国家高技术船舶项目（CBG2N21-4-2）；山东省重点研发计划项目（2022CXGC020402）；中国石油大学（华东）教学改革项目（CM2022032）作者简介:刘秀全（1987），男，山东枣庄，博士，副教授，主要研究方向为海洋油气装备与安全技术，。引文格式:刘秀全，李彦伟，王向磊，等.海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台开发J.实验技术与管理,2023,40(6):168-172.Cite this article:LIU X Q,LI Y W,WANG X L,et al.Development of experimental platform for hang-off dynamics control of offshore drilling risersJ.Experimental Technology and Management,2023,40(6):168-172.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.06.026 海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台开发 刘秀全，李彦伟，王向磊，黄鲁蒙，畅元江（中国石油大学（华东）海洋油气装备与安全技术研究中心，山东 青岛 266580）摘 要：该文开发了一种海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台。平台使用六自由度平台模拟海洋浮式钻井平台的运动，并基于集中质量法和动力学相似原理，设计了隔水管缩尺模型。实验平台的悬挂系统可实现上冲程控制、下冲程控制和非控制锁死 3 种动作，测控系统使用监视与控制通用系统（MCGS）组态软件、可编程逻辑控制器（PLC）和 PID 控制算法开发。通过使用该实验平台，学生可以增加对海洋钻井隔水管悬挂动力学控制的感性认识，通过实际动手操作训练可加深对隔水管悬挂动力学控制理论、技术和装置的理解，提升教学效果并培养学生的创新意识。关键词：海洋钻井；隔水管；悬挂动力学；动力学控制；实验平台 中图分类号：TE52 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)06-0168-05 Development of experimental platform for hang-off dynamics control of offshore drilling risers LIU Xiuquan,LI Yanwei,WANG Xianglei,HUANG Lumeng,CHANG Yuanjiang(Centre for Offshore Engineering and Safety Technology,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)Abstract:In this paper,an experimental platform for dynamic control of offshore drilling riser suspensions in offshore drilling is developed.A six-degree-of-freedom platform is used to simulate the motion of offshore floating drilling platform.A scale model of riser is designed based on the centralized mass method and dynamic similarity principle.The suspension system of the experimental platform can realize 3 kinds of actions:up stroke control,down stroke control and non-control locking.The measurement and control system is developed by using monitor and control generated system(MCGS)configuration software,Siemens S7-1200 programmable logic controller(PLC)and proportion integral derivative(PID)control algorithm.By using this experimental platform,students can increase their perceptual knowledge of the dynamic control of riser suspension in offshore drilling.Through practical hands-on training,they can deepen their understanding of the theory,technology and device of riser suspension dynamic control,improve the teaching effect and cultivate students innovative consciousness.Key words:offshore drilling;riser;hang-off dynamics;dynamics control;experimental platform 海洋钻井隔水管是连接海面浮式钻井平台与海底井口的关键装备，是海洋油气勘探开发的“咽喉”。在台风、平台失位等场景下，需要将钻井隔水管从底部解脱并悬挂于海洋浮式钻井平台上。由于受到海洋浮式钻井平台升沉运动的激励作用，钻井隔水管会产生剧烈的悬挂动力响应，易发生隔水管悬挂失效事故，影响海洋油气开发1-3。因此，海洋钻井隔水管悬挂动力学是海洋油气安全高效开发的重要理论基础，同时也是海洋工程结构动力学和海洋石油装备概论等课程的重要教学内容。针对海洋钻井隔水管悬挂动力学问题，国内外学者基于牛顿第二定律4、哈密顿原理5等建立了海洋 刘秀全，等：海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台开发 169 钻井隔水管悬挂动力学模型，逐步发展并形成了有限单元法6、集中质量法7、柔性分段模型法8、有限差分法9等分析方法。近年来，国内学者提出了一套专用的海洋钻井隔水管悬挂系统，通过驱动补偿液压缸带动隔水管进行悬挂运动补偿，提高海洋浮式钻井平台悬挂隔水管的环境适应能力，保障作业的安全10-12，这些理论、技术和装置的发展为海洋油气安全高效开发等实际工程提供了重要支撑，也拓展了相关课堂教学内容。然而，由于缺乏相应的海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台，在将新发展的海洋钻井隔水管悬挂动力学控制理论引入课堂教学时，学生难以获得感性认识和实际动手操作训练。针对以上问题，本文基于动力学相似原理开发了海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台。该实验平台使用监视与控制通用系统（monitor and control generated system，MCGS）组态软件、可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）和 PID（proportion integral derivative）控制算法等，可直观展示隔水管悬挂动力学控制原理和过程。通过实验教学，学生可以深入理解隔水管悬挂动力学控制理论、原理与技术。此外，该平台与课堂理论教学相互补充，实现了教学效果的提升。1 总体设计方案 海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台总体设计方案如图 1 所示。实验平台主要包括六自由度平台、隔水管缩尺模型、悬挂系统和测控系统。六自由度平台安装在 10 m 高的台架顶部，用于模拟海洋浮式钻井平台运动。悬挂系统是由液压缸和液压系统构成的机 图 1 实验平台的总体设计方案 械液压系统，安装在六自由度平台的顶部，用于控制隔水管悬挂动态载荷。隔水管缩尺模型模拟悬挂的隔水管系统，其顶部与悬挂系统连接，其底部与隔水管底部总成连接，并自由悬挂于水中。测控系统实时监测隔水管系统的动力响应，通过控制液压系统，最终实现对隔水管系统悬挂动力响应的控制。在实验过程中，隔水管缩尺模型受到六自由度平台的激励，产生悬挂动态载荷，如图 2 所示。如果隔水管悬挂动态载荷过大，会出现悬挂断裂失效事故；如果隔水管悬挂动态载荷过小，会出现轴向动态压缩。测控系统根据得到的偏差，控制悬挂系统的节流阀开度和电磁换向阀的开关（图 1），液压系统驱动液压缸活塞杆运动控制隔水管悬挂载荷。控制策略采用“刚柔并济”的理念，如图 2 所示，控制区为柔性补偿区，非控制区为刚性不补偿区。通过驱动悬挂系统的液压缸活塞杆缩回，削减过大的载荷，防止隔水管悬挂断裂失效；通过驱动悬挂系统液压缸活塞杆伸出，提高过小载荷，防止隔水管动态压缩，实现对载荷极值区域的控制。在控制区驱动液压缸活塞杆，以减小隔水管悬挂系统尺寸和控制过程中的能耗，并实现隔水管悬挂系统智能与绿色的设计目标。图 2 悬挂动载控制效果图 2 实验系统设计 2.1 六自由度平台 图 1 中的六自由度平台底座尺寸为 1 470 mm 1 695 mm，顶部动平台的尺寸为 1 200 mm1 200 mm，通过 6 个伺服电机驱动的电动缸连接底座和顶部动平台。6 个电动缸可独立进行伸缩运动（通过伺服驱动器控制），驱动顶部动平台完成笛卡尔坐标系内的 3个平移运动和绕 3 个坐标轴的转动。本实验主要利用六自由度平台的上下运动模拟海洋浮式钻井平台的升沉运动，从而激励隔水管缩尺模型产生悬挂动态载荷。平台的有效负载为 1 500 kg，升沉运动的最大幅值为0.243 m、最大速度为 0.3 m/s，可满足隔水管悬挂动力学实验测试要求。170 实 验 技 术 与 管 理 2.2 隔水管缩尺模型 海洋钻井隔水管系统为细长柔性体。集中质量法为隔水管悬挂动力学模拟的有效方法，基本理论是把隔水管系统看作由一系列“质量-弹簧-阻尼”单元串联组成的系统，如图 3 所示。隔水管悬挂动力学的一般方程可表示为7 MxCxKxF（1）式中，M 为质量矩阵；C 为阻尼矩阵；K 为刚度矩阵；F 为载荷向量；x 为隔水管轴向位移向量；x为隔水管轴向速度向量；x为隔水管轴向加速度向量。图 3 隔水管悬挂动力学模型 基于动力学相似原理，对隔水管系统悬挂动力学参数进行缩尺，理想的缩尺模型是对 M、C、K 和 F等比缩尺，缩尺前后的动力学特性保持不变。因此，本文设计了隔水管“质量-弹簧-阻尼”缩尺模型单根，主要由配重块、弹簧、阻尼器和管体等组成，如图 4(a)所示。管体及其内部配重块用于适配缩尺后的隔水管质量；弹簧用于适配缩尺后的隔水管轴向刚度；阻尼器用于适配缩尺后的隔水管结构阻尼；管体外形尺寸用于适配缩尺后的轴向水动力载荷。通过两端的盖板和密封垫将配重块、弹簧、阻尼器封装在管体内部，各个隔水管缩尺模型单根之间通过法兰连接组成隔水管系统。本研究团队共设计加工了 8 个隔水管缩尺模型单根，实物如图 4(b)所示，每个隔水管缩尺模型单根的长度为 1 m，通过 8 个缩尺模型单根的串联组成隔水管缩尺试验模型。2.3 悬挂系统 本文设计的悬挂系统主要由液压缸与液压系统两部分组成。液压缸为中空的环形液压缸，悬挂短节穿过中空的环形液压缸，通过卡块与液压缸的活塞杆连接；液压系统由油箱、液压泵、过滤器、蓄能器、单向阀、速闭阀、溢流阀、比例节流阀、电磁换向阀、图 4 隔水管缩尺模型单根 PLC 等组成，如图 5 所示。在液压系统工作时，液压泵向蓄能器充油并维持蓄能器压力稳定；通过调节电磁换向阀的阀位与比例节流阀的阀口开度，形成三种回路，推动液压缸活塞杆实现过小悬挂载荷上冲程控制、过大悬挂载荷下冲程控制和非控制锁死 3 种动作。图 5 悬挂系统设计原理图 （1）过小悬挂载荷上冲程控制。电磁换向阀的阀芯推向一侧，打通比例节流阀与蓄能器之间的油路，调节比例节流阀的阀口开度，蓄能器中液压油流入液压缸，推动液压缸的活塞杆伸出，以提高过小悬挂载荷，防止隔水管动态压缩。（2）过大悬挂载荷下冲程控制。电磁换向阀的阀芯推向另一侧，打通比例节流阀与油箱之间的油路，调节比例节流阀的开度，使液压缸中液压油流回油箱，刘秀全，等：海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台开发 171 液压缸的活塞杆缩回，以削减过大悬挂载荷，防止隔水管悬挂断裂失效。（3）非控制锁死。电磁换向阀的阀芯位于中间位置，关闭比例节流阀的阀口，封闭液压缸的无杆腔与有杆腔端油路，液压缸的活塞杆锁死，不对隔水管悬挂载荷进行控制。此外，为了保障实验过程中液压系统的安全，当液压系统出现失压或管线爆裂现象时，速闭阀会快速关闭，防止隔水管缩尺模型突然跌落。当液压系统超压时，液压油经溢流阀流回油箱，防止出现液压系统压力过高的情况。2.4 测控系统 海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台的测控系统设计如图 6 所示，主要包括上位机、下位机、传感器和执行器。上位机为人机交互的载体，是控制系统宏观指令的制订层；下位机是具体控制指令的制订层，也是控制系统的执行中枢；传感器实时监测实验系统的关键参数，包括液压缸的活塞杆伸出量、液压缸的无杆腔压力（蓄能器压力）和隔水管悬挂动载；执行器为下位机指令的执行终端，用于控制悬挂系统的液压泵、电磁换向阀和比例节流阀。测控系统的具体工作流程是通过传感器对隔水管和悬挂系统进行实时监测，通过上位机和下位机开展实时分析与控制，利用 PID 控制器实现对隔水管悬挂动力系统的控制。图 6 测控系统设计方案 使用 MCGS 组态软件系统开发了控制系统的上位机13，通过 MCGS 触摸屏实现人机交互，主要包括系统设置界面和 PID 控制界面等。通过触摸屏控制系统可以对控制参数进行在线设置与修改，如图 6 所示。通过系统设置界面可以对三分力仪测量参数、悬挂系统压力参数、液压缸动作区域等进行设置，通过 PID控制界面可以设置 PID 控制参数，并对实验系统进行实时监控预警。上位机通过以太网 TCP/IP 与下位机的通信，并将上位机的设置参数传递给下位机，用于隔水管悬挂动力学控制。同时，上位机还能实时获取控制过程中的监测数据，并进行数据存储与可视化显示。基于西门子 S7-1200 PLC 开发了测控系统的下位机14-15，通过模拟量向数字量的转换模块（A/D 模块）采集传感器的监测数据，PLC 根据监测数据生成执行器的动作指令，配合 A/D 和输出/输入（I/O）模块实现指令下发，从而驱动执行器完成隔水管悬挂动力学控制。基于 PID 控制算法和梯形图语言开发了 PLC 控制程序16。悬挂动力学控制 PID 算法的流程如下：根据隔水管悬挂动载响应曲线确定目标载荷的上限值和下限值（图 2 控制区），传感器实时监测隔水管悬挂动载与目标载荷之间的差值，将差值作为偏差信号传递至 PID 控制器，PID 控制器根据偏差信号计算液压系统节流阀的阀口开度，可表示为 PD0IPDI1d()()()()dd1()()()()te ttTe te ttTTte te ttTe te ttTTt （2）式中，(t)为节流阀的阀口开度；e(t)为偏差值；t 为运行时间；t 为采样时间间隔；TP为比例增益；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。根据监测数据的偏差值大小，控制液压缸活塞杆的运动，分为以下3种情况：当隔水管悬挂动载值高于目标载荷上限值时，偏差值为监测动载与上限值的差值，此时，通过调整节流阀开度和电磁换向阀的阀位，推动液压缸活塞杆进行下冲程动作；当隔水管悬挂动载低于目标载荷下限值时，偏差值为监测动载与下限值的差值，此时，通过调整节流阀开度和电磁换向阀的阀位，推动液压缸活塞杆进行上冲程动作；当隔水管悬挂动载处于目标载荷上下极限值之间时，液压缸活塞杆处于非控制锁死状态。3 实验测试 本研究完成了六自由度平台、隔水管缩尺模型、悬挂系统和测控系统的设计与加工，搭建了实验平台，如图7所示。本文依次完成六自由度激励平台运动、悬挂系统液压调控、隔水管缩尺模型力学特性、测控系统的数据采集与控制等基本功能的测试。测试结果表明：实验平台的运动、控制、数据采集与处理功能均满足设计要求，可为学生直观展示隔水管悬挂动力172 实 验 技 术 与 管 理 学控制实验原理与过程，学生可通过测控系统操作控制整个实验平台的运行。图 7 海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台 在此基础上，开展了3种工况下海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验。工况1的平台升沉运动幅值为 0.20 m、周期为8 s；工况2的平台升沉运动幅值为0.20 m、周期为10 s；工况3的平台升沉运动幅值为0.15 m、周期为8 s。将施加控制作用与不施加控制作用下的工况进行对比，海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验结果如图8所示。由图可知，平台升沉运动幅值越大、周期越小，隔水管悬挂动载响应越大。平台升沉运动在幅值越大、周期越小的状态下，引起的加速度会越大，进而隔水管悬挂动态加速度引起的惯性力越大，导致隔水管悬挂动载越大。施加控制作用后，可以实现不同工况下的海洋钻井隔水管悬挂动态载荷控制，隔水管悬挂载荷峰值区和谷值区分别出现了明显的削减和提高的现象，即隔水管悬挂载荷最大值减小、最小值增大。该变化可有效防止隔水管悬挂断裂和动态压缩事故的发生，说明实验平台具有较好的可行性和适应性。图 8 海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验结果 此外，依托此实验平台，学生可创新隔水管悬挂动力学控制算法，并进一步改善控制系统的性能，也可以开展不同工况下的隔水管悬挂动力学控制实验研究。该海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台的开发利于学生学习和创新相关理论、技术和装置。4 结语 本文介绍了一种海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台，平台可以模拟不同海洋浮式钻井平台的运动，测试海洋钻井隔水管悬挂动力学控制性能。该平台具有控制算法嵌入以及监测数据实时处理、显示和存储等功能。实验测试的结果表明：开发的海洋钻井隔水管悬挂动力学控制实验平台及控制算法能有效控制隔水管悬挂动态载荷，实现了对隔水管悬挂动载的控制。该平台能够直观展现隔水管悬挂动力学控制过程，有助于学生加深对隔水管悬挂动力学控制理论、技术及装置的理解。同时，依托此实验平台，学生还可以进行隔水管悬挂动力学控制创新性实验研究，培养学生的创新意识，提高学生解决工程复杂问题的能力。参考文献(References)1 盛磊祥，许亮斌，刘健，等.新型深水钻井隔水管悬挂系统设计J.海洋工程，2019,37(5):99106.2 王志坤，张彦廷，许亮斌，等.钻井隔水管柔性悬挂系统试验装置设计及仿真研究J.中国海上油气，2021,33(1):151157.3 LIU X Q,SUN H X,YU M R,et al.Mechanical analysis of deepwater drilling riser system based on multibody system dynamicsJ.Petroleum Science,2021,18(2):603617.4 WANG Y B,GAO D L,FANG J.Axial dynamic analysis of marine riser in installationJ.Journal of Natural Gas Science and Engineering,2014,21:112117.5 LIU J P,MA X W,ZHANG X Q,et al.Axial vibration of deep-water drilling risers under lifting conditionsJ.Journal of Petroleum Science and Engineering,2022,209:109903.6 LIU 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