一种大型结构物连续顶升与重量转移工艺

李　林， 张锦宝， 吴　航， 戴世超

(海洋石油工程(青岛)有限公司， 山东 青岛 266520)



一种大型结构物连续顶升与重量转移工艺

李林， 张锦宝， 吴航， 戴世超

(海洋石油工程(青岛)有限公司， 山东 青岛 266520)

摘要：介绍了一种大型结构物原位连续顶升与重量转移的工艺，并研制了一套试验样机，全程模拟连续顶升下降与重量转移的工艺。对大位移连续顶升系统的组成(控制系统、液压系统、传感器及支撑结构)进行了详细的分析介绍，对顶升系统内的闭环控制多点同步技术、安全控制技术及误差控制技术进行了研究。填补了国内大型结构物连续顶升与重量转移工艺的空白，使大型海洋平台采用低位建造方案成为可能，有重要的理论、应用价值和普遍的工程推广意义。

关键词：连续顶升；重量转移；试验样机；闭环控制；低位建造

0引言

海洋石油的开采逐步延伸到深水、超深水海域，海洋平台组块的建造规模越来越大，而高位建造方法虽满足装船与海上浮托的需求，但占用大量大型履带吊机，降低了建造的经济性，增加了建造难度。低位建造显然更经济，但建造完成后如何顶升至驳船支撑结构(DSF)的安装高度成为一个重要课题，大型结构物连续顶升重量转移技术可以解决低位建造后的大位移顶升难题。

目前，万吨级大型结构物的整体顶升技术在国内尚未有研究成果。国外已有成熟的数万吨整体顶升技术与提升技术，并在工程应用中有很多案例，开发具有自主知识产权的大吨位大位移顶升技术，在国内具有极大的工程和经济意义。

1连续顶升与重量转移技术

大位移连续顶升技术采用支撑结构、液压缸集群，将大型结构物整体顶升至预定高度(几米至几十米)，最终转移至其底部结构物。主液压缸受顶升行程限制，需要多次顶升，并逐次添加垫块，大型结构物的重量不断在垫块、支撑结构与主液压缸之间转移，最终顶升至预定高度。

该文提出模块化顶升方案，数个液压缸组成一个独立的顶升单元(即一个顶升点)，单元内部集成了顶升系统的所有元素或部件，有统一的控制形式，形成模块。四个顶升单元即可构成一套顶升系统，模块之间通过标准化接口进行信息沟通。考虑到顶升的稳定性，顶升单元的数量及位置最终由大型结构物的重量及形状决定。顶升过程中，实时监控各种参数，控制上升速度和载荷分配，使顶升安装过程简单快捷，安全可靠。

2连续顶升重量转移试验样机

图1　大位移顶升示意图

研制一套试验样机满足80 t结构物的原位连续顶升与重量转移工艺，该样机集机、电、液一体化，主液压缸作为液压系统的执行器驱动机械部件，实现结构物的抬高，重量转移和降低。连续顶升示意图如图1所示，顶升最大高度3.2 m(400 mm×8)，标准化垫块高度400 mm，油缸行程450 mm。样机主要包含控制系统、液压系统、称重传感器和位移传感器、承重和喂料装置、垫块、夹持装置。

将目标的输出参数与预期值的差值反馈至控制系统，有效消除或抑制内外界对输出参数的干扰。控制过程为：当负载不变时，每条支路的输入流量越接近，同步精度越高。当某支路的负载增大时，液压缸输出位移将减少，位移传感器将位移差值反馈到控制器，控制器将改变液压阀的开度，改变液压缸的运动位移，保证液压缸输出位移恢复至设定值内，系统的物理模型如图2所示。

图2　系统的物理模型

PLC作为新型通用的自动控制装置，具有通用性好、编程方便等优点，有控制和监控两大功能。软件驱动硬件工作，硬件系统的动作信息经采集反馈到控制软件中。工业控制组态软件WinCC作为监控软件，不仅能驱动PLC，还可直接调用STEP7中定义的变量，保证监控系统高效率工作，将采集到的重要设备的现场信息实时显示。

在大位移连续顶升过程中，控制系统由工控机、PLC控制模块、通讯单元构成控制网络。PLC控制液压顶升单元内的各种电磁阀，并通过各个液压顶升单元的网络化划分，建立控制网络，实现连续顶升的顺序控制和多点同步控制。单个液压顶升单元的PLC控制如图3所示，对于“一泵多单元”的系统，可在此基础上，扩张成PLC控制网络。

图3　单个液压顶升单元PLC控制

为了控制各顶升点液压缸的受力及输出位移值，保证结构物平稳提升，在监控系统中，设有控制参数输入窗口如图4所示。

图4　监控系统的参数输入窗口

2.2液压系统

液压系统主要由液压泵、通断阀、液压顶升单元构成。模块化的连续顶升系统采用“一泵多单元”的形式，顶升单元作为一个独立的顶升点来运作，“一泵四单元”的液压顶升系统布局示意图如图5所示。

图5　“一泵四单元”液压顶升系统布局

液压顶升单元由三部分组成：顶升控制部分、夹紧控制部分和垫块传送控制部分。三部分相互独立、互不影响，各自分别由一个电磁阀控制。液压顶升单元原理如图6所示，比例方向阀是具有方向控制功能和流量控制功能的两参数复合阀，不仅控制各顶升液压缸的通断，更控制进入顶升部分的流量，进而控制液压缸的速度，实现各个顶升单元间的同步。夹持装置内的夹持板由油缸驱动加紧，并由双向锁确保夹持的可靠性。

《上海护理》是上海市卫生局主管、上海市护理学会主办的面向国内外公开发行的综合性护理技术类期刊。是中国科技论文统计源期刊(中国科技核心期刊)、中国期刊全文数据库收录期刊、中国学术期刊综合评价数据库来源期刊、中国学术期刊(光盘版)全文收录期刊、万方数据库全文收录期刊和中文科技期刊数据库全文收录期刊;首届《CAJ-CD规范》执行优秀期刊。

图6　液压顶升单元原理图

2.3样机的结构组成

连续顶升重量转移试验样机的结构主要包括：承重和喂料装置、夹持装置、垫块、承重架及配载。

(1) 承重和喂料装置

由4个承重支架和2个喂料台(滑道梁)组成。单个承重支架内安装4个顶升千斤顶，垫块在喂料台之上被传送供顶升。为节约资源，对模型样机进行了简化处理，使两个液压顶升单元共用一个喂料台，即1个喂料台贯穿两个承重支架。承重支架如图7～图9所示。

图7　承重支架等轴视图　　　　　　　　　　　　　　图8 承重支架侧视图-喂料台贯穿

图9　承重和喂料装置(1个喂料台贯穿2个承重支架)

(2) 夹持装置

夹持装置的两块夹持板从左右两侧推进至垫块的凹槽内，自身承受顶升千斤顶的作用，带动垫块完成一次顶升。主要包括夹持支架、夹持支撑板、夹持板、夹持压板、夹持侧垫块，彼此之间采用螺栓联接，如图10、图11所示。

图10　夹持装置俯视图(垫块位于中心)　　　　　　　　　　图11　夹持装置立面图

(3) 垫块

垫块选取圆柱型结构，能够最大限度的发挥材料的作用。侧壁有4个支撑槽以供夹持板插入，垫块在夹持状态下，夹持装置受顶升液压缸的顶托作用，带动垫块，由垫块支撑带动大型结构物上升，垫块顶部和底端分别设有供垫块之间连接的止口结构，如图12、图13所示。垫块有两种工况：顶升状态和支撑状态，这两种工况下的负载相同。垫块结构尺寸由强度分析、有限元分析并考虑实际工作空间来确定。

图12　垫块立面图和等轴视图　　　　　　　　　　　　　图13　垫块被夹持

2.4关键技术

(1) 闭环控制多点同步技术

每个顶升单元由四个液压缸组成，四个液压缸同步输出的位移作为顶升单元输出位移。单元内液压缸采用分流集流阀和机械式同步方式实现同步运动，将四个液压缸的活塞杆采用机械方式固结在一起，然后实时监控各顶升点的输出位移，利用闭环反馈控制，实现顶升单元间的同步控制，最终实现整个连续顶升系统的同步控制。

(2) 液压系统安全控制技术

手动控制切换功能、软管连接的安全控制，保证系统发生异常故障时能够进行动作或锁定。此外还设有超压控制功能，利用溢流阀保证系统压力不超过临界值。

(3) 同步误差控制技术

控制输入各个支路的流量相同是控制同步误差的最佳方法。可以提高系统刚性，改善液压油质量，抑制系统内外摩擦力、阻力，抑制偏载的产生，设置压力补偿器抑制压力波动，尽量减少背压阀的数量，选择数个支路共用一个背压阀，从而使液压系统动作既平稳又同步。也可以提高制造精度、提高密封质量、调高装配精度，使同步液压缸的容积效率高且相同，以减少泄漏对同步精度误差的影响。另外，合理的选择反馈放大系数及精度，准确地选择传感器也可以控制同步误差。

2.5样机的连续顶升

样机的顶升结构物为承重架和砂箱配载，合计80 t。样机的地基按照100 t承载力进行地基设计与施工。4个承重支架(已集成顶升油缸及油管)的定位调平及固定后，安装2个喂料控制油缸和2个喂料台。夹持装置和初级垫块安装后，进行上部承重架和砂箱的吊装安装。经过控制系统的调试及预调平，通过自动控制模式，顶升油缸450 mm(拉线式位移传感器监测)，滑道梁移动将垫块送至初级垫块下方(拉线式位移传感器监测)。油缸回落，垫块叠加和重量转移，油缸继续回落并对底层垫块进行夹持。样机俯视图和侧视图如图14、图15所示。

图14　样机俯视图　　　　　　　　　　　　　图15　样机顶升侧视图

3结论

连续顶升和重量转移试验样机的液压顶升单元完全按照模块化设计要求完成，可作为一个整体进行组装、调试、工作，充分利用现有的设备和场地资源及管理优势，提高系统质量、缩短工程周期、节约工程成本。

试验样机成功满足80 t结构物的原位连续顶升的能力及成功完成8节垫块的连续顶升作业。完成了闭环控制多点同步，位移控制设定精度可达0.2 mm；工作设计环境温度：-20℃～+60℃；工作设计环境相对湿度：85%；样机的系统设计符合国际规范ISO19901-5-2003的要求，目前该试验样机已取得中国船级社的样机整体认证，同步性达到0.5%，如果扩展成工程样机，将可实现万吨级组块、TLP、SPAR和半潜式钻井平台的上部组块的整体原位连续同步顶升和重量转移作业。为国内大型结构物大位移连续顶升设备的产业化提供理论依据，并为大位移连续顶升技术提供技术保证。

收稿日期：2016-03-03;修改稿收到日期： 2016-05-24

基金项目：“十二五”国家科技重大专项“南海深水油气开发示范工程”(2011ZX05056)。

作者简介：李林(1983-)，男，工程师。

文章编号：1001-4500(2016)03-0089-06

中图分类号:P75

文献标识码：A

Continuous Lifting and Weight Transfer Technique for Large-scale Structure

LI Lin,ZHANG Jin-bao,WU Hang，DAI Shi-chao

(Offshore Oil Engineering (Qingdao) Co., Ltd, Shandong Qingdao 266520, China)

Abstract：A kind of in situ continuous lifting and weight transfer technology applicable to the large-scale structure was introduced. And a suite of test prototype instrument was promoted to development and global simulate the in situ continuous lifting and weight transfer technology. The system constitution such as control system, hydraulic system, sensors and supporting mechanism were introduced in detail and the closed-cycle multiple-point-synchro control, safety control and error control technique were analyzed. The technology in this paper makes up for internal large-scaled structure in situ continuous lifting and weight transfer technology. And make the low-position construction of large-scaled platform possible. It has important theory and application value as well as widespread project promotion significance.

Keywords：continuous lifting technique; weight transfer; test prototype instrument； closed-cycle control; low-position construction