dC120/180-Y型游车升沉补偿装置液气系统研究

段　武，李　峰，刘远波，杜明贤，郭　冬，王福贵

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡721002）①

dC120/180-Y型游车升沉补偿装置液气系统研究

段武1，2，李峰1，刘远波1，2，杜明贤1，2，郭冬1，2，王福贵1，2

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡721002）①

对国内首次设计的DC120/180-Y型游车升沉补偿装置液气系统的主要特点进行了简要论述，分析总结了其设计过程中应注意的主要问题，并将其理论计算数据输入仿真软件中进行模拟分析。结果表明：补偿效果完全满足系统设计要求，验证了其理论计算方法的正确性。

游动滑车；升沉补偿装置；高压气瓶组；蓄能器；主动补偿缸

钻柱升沉补偿装置是海洋钻井的重要设备，广泛应用于浮式钻井平台或钻井船中。升沉补偿按结构可分为天车升沉补偿、游车升沉补偿等。天车补偿结构复杂、制造成本较高，主要应用于大载荷（≥2 700 k N）的补偿。游车补偿制造成本较低，一般应用于中小载荷（＜2700kN）的补偿。升沉补偿装置按其动力供给方式又可分为被动式、主动式和半主动式［1-6］。被动式补偿装置成本较低，控制简单，补偿精度较差；主动式补偿装置成本高，控制复杂，但补偿精度高；半主动式则是取两者的优点，在相对较合理的成本基础上取得满意的补偿精度。宝鸡石油机械有限责任公司研制的DC120/180-Y型游车升沉补偿装置即为半主动式游车升沉补偿装置。

DC120/180-Y型游车升沉补偿装置主要由机械、液气、电控等3大部分组成。其中，液气系统是升沉补偿装置的核心，其设计的合理与否直接决定着补偿效果的好与差及生产成本的高与低。DC120/180-Y型游车升沉补偿装置液气系统如图1所示，本文就其主要特点及其设计时应着重考虑的因素进行总结。

图1　DC120/180Y型游车升沉补偿装置液气系统

1　主要特点

1） 在被动补偿的基础上增设主动补偿装置，提高补偿精度。

结合了主动补偿系统和被动补偿系统的优点，主要载荷由被动系统承担，降低能耗；而惯性载荷、摩擦载荷以及压力变化附加载荷由主动系统克服，使得该装置具有较好的补偿效果和较强的适应性。

2） 主动补偿采用比例阀+恒压变量泵的控制模式，控制响应快且节能。

液压系统控制通常有泵控和阀控2种方式。阀控执行元件惯性小，响应速度快，控制精度高；但由于存在节流损失和溢流损失，能量损耗高，系统发热量大；大功率时工作液容易发热，需要配备大功率冷却系统。泵控能量损失少，系统发热少；但由于执行元件惯性较大，致使系统响应较慢，控制效果较差。综合考虑泵控和阀控的优缺点，采用比例阀＋恒压变量泵的控制方式，将二者优点结合起来，发挥其各自的长处。

3） 系统关键部件工作状态实时反馈。

系统中主要闸阀、被动补偿缸、主动缸和锁紧缸等关键构件均设置了传感器或开关。监测系统可实时检测各闸阀和关键运动部件的位置，控制单元根据检测到的信号发出合理的控制指令，以保证任何一个操作安全、准确。

4） 主动/被动补偿方式切换便捷。

当系统只需要被动补偿时，只需关闭主动泵站，同时将比例阀组各阀件切换至特定位置即可。当主、被动补偿同时使用时，主动泵启动，比例阀组各阀件处于工作状态即可。

5） 系统设置防爆阀、隔离阀，确保系统工作安全。

被动补偿缸进油口管路安装有防爆阀，以便在发生钻柱掉落、爆管、链条断裂等事故时，防爆阀通过流量变化快速关闭；由于补偿缸属于活动部件，存在胶管非正常损坏的危险，此时液压油流量大，压力高，容易对人体其他部件造成伤害，所以在软管连接的另一端设置固定隔离阀，当软管损坏时，隔离阀得到信号自动关闭主管道，避免造成二次伤害；同时，隔离阀通过压差变化自动关闭，避免安全事故的发生及液压油外泄造成环境污染。

2　设计时应注意的问题

2.1 被动补偿系统液压介质的选择

被动补偿装置液压介质的选择主要考虑其抗燃性。目前的抗燃液主要分为含水型与合成型2种，其应用较广范的液压液有水乙二醇和脂肪酸脂［7］。水-乙二醇的介质特性决定其工作压力最大仅能达到21 MPa，且性能不稳定，但其成本低廉。脂肪酸脂等合成型液压液的工作压力最大可达到35 MPa，但其价格高。本补偿装置液压介质为水-乙二醇。

2.2 被动液压缸的设计

根据机械部分结构，被动液压缸采用单作用液压缸。为防止被动补偿缸补偿作业时由于惯性力活塞碰撞缸底，被动补偿缸设计行程时应考虑一定富裕量。

2.3 高压气瓶组容积的确定

高压气瓶组容积的选择直接决定被动补偿效果的好坏，气瓶组容积越大［8-9］，气瓶内气体压力波动值越小，补偿效果越好，但成本相应增大；反之，气瓶组容积越小，气瓶内气体压力波动值越大，补偿效果越差，但成本较低。因此，必须选择相比较合理的气瓶容积，既可以满足补偿精度要求，又不至于承担过高的成本压力。在进行气瓶组容积计算时还应考虑绝热系数，因为不同的绝热系数对气瓶容积的计算有较大影响。

2.4 主动补偿缸的设计

主动补偿缸所需驱动力计算主要考虑以下4个方面因素：

1） 补偿器机械结构的效率影响。

2） 高压气瓶组空气压力变化导致被动缸推力的波动。

3） 补偿装置产生的附加惯性力。

4） 被动补偿管路压降损失产生的作用力。

主动缸在结构设计上考虑降低主动泵站的总功率，需采用等速缸结构设计。主动补偿缸在设计行程时应考虑预留一定余量，主动缸结构如图2所示。

图2　主动补偿缸等速结构

2.5 蓄能器容积的选择

为保证升沉补偿系统补偿过程的平稳性、安全性，在被动补偿装置空气与液压管线之间设置活塞式蓄能器实现气液隔离。蓄能器的容积应比被动液压缸塞腔容积之和略大一些。

2.6 主动补偿系统比例阀组的设计

比例阀组设计时应考虑主、被动补偿同时工作，被动补偿单独工作时两补偿装置不得相互干涉，不得影响补偿精度，不得损害主动液压缸。

2.7 大流量液压系统的设计

该装置液气系统流量大、压力高，在选择液压元件时必须考虑其可靠性、灵敏度及压降值。系统管路设计时通径应考虑其富裕量，尽量减少弯头和软管的使用，以降低管路压降。主动补偿系统比例阀组应靠近主动液压缸布置，缩短阀组与液压缸之间管线长度，提高响应速度。

3　仿真分析

通过设计确定各参数后，利用SIMULILNK/ADAMS软件进行模拟分析，在不同工况条件下对比补偿效果的差异性。图3为考虑与忽略传动系统效率2种情况下的被动补偿效果曲线。图4为增加主动补偿系统的补偿效果曲线［10］。

通过模拟分析，得出如下结论：

1） 补偿系统传动效率越高，被动补偿效果越好。

2） 不同的高压气瓶组容积决定着补偿效果的好坏。

3） 增加主动补偿系统后的补偿效果明显提高。

4） 仿真分析结果与理论计算数据基本吻合。

图3　被动补偿效果曲线

图4　增加主动补偿效果曲线

4　结语

对半主动式游车升沉补偿装置液气系统的设计提出一些建议，以防止在后期设计过程中发生走弯路、考虑不全面、不到位等情况，从而影响升沉补偿装置的补偿精度。DC120/180-Y型游车升沉补偿装置液气系统为国内首次设计，通过理论计算确定其主要部件技术参数，再反之将数据写入仿真软件中，通过模拟分析得出其仿真补偿效果完全满足系统设计要求，进而验证了理论计算方法的准确性。可为波浪升沉补偿装置液气系统的设计提供参考。

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［5］ Fery D.Heave Compensation［EB/OL］.http：//every-thing2.com/title/Heave%2520 compensation，2002-04-08.

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［10］ 黄锴，刘少军，肖永山.基于ADAMS的深海采矿装置升沉补偿系统仿真研究［J］.计算机仿真，2003，20 （10）：57-59.

Research about Liquid Gas System of d C120/180-Y Travel Block-based Heaven Compensator

DUANWu1，2，LI Feng1，LIUYuanbo1，2，DUMingxian1，2，GUODong1，2，WANG Fugui1，2
（1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.National Oil&Gas Drilling Equipment Engineering Research Center，Baoji 721002，China）

The main characters of liquid gas system about DC120/180-Y travel block-based heave compensator which is designed for the first time on domestic are briefly presented.The primal points that should be taken care in the design procedure of it are analyzed and generalized.The theoretical data are inputted into simulation software to make an analog simulation.The simulate results indicate that the final compensating effects totally satisfied the design requirements，and the correctness of the theoretical computational method is proved also.

traveling block；heave compensator；high-pressure gas cylinder group；accumulator；ac-tive compensating cylinder

TE923

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2015.07.005

1001-3482（2015）07-0021-04

①2015-01-26

国家高技术研究发展计划（863计划）资助（2012AA09A203）

段 武（1984-），男，陕西礼泉人，工程师，主要从事石油钻采设备设计研究，E-mail：duanwu521＠126.com。