海洋废弃井口等离子切割可视化系统开发

2020-09-26纪仁杰刘永红卢晓鹏李小朋蔡宝平崔晓风

实验技术与管理 2020年4期

纪仁杰，刘永红，卢晓鹏，李小朋，蔡宝平，崔晓风

（中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛 266580）

大量的海洋石油平台随着海洋石油的开采而兴建，从20世纪60年代到21世纪初，全世界共建造了7 000多座海洋石油平台[1-3]。按照相关法律，海洋石油平台达到使用年限（一般为20年）之后，如无其他用处必须对其进行废弃处理。在未来十年，大量超过服役年限的平台将会退役并需要对其进行废弃处理。海洋平台中废弃井口的切割回收是海洋平台废弃处理的重要组成部分，常用的切割技术主要有机械切割[4]、聚能爆炸切割[5]、化学切割[6]、磨料水射流切割[7]、等离子切割[8-9]等，但上述切割过程均在海底泥线以下进行，无法直接观测切割工具的运动与切割过程，因此学生在学习过程中对切割流程的认识和理解较为困难。

可视化技术能够对现实物体在虚拟环境下进行再现，帮助人们认知和理解，用于教学上有利于学生对复杂知识的理解和认识，提高教学效果[10-13]。因此，本文开发了海洋废弃井口等离子切割可视化系统，采用3D Max软件对等离子切割装置的所有零部件进行建模，利用动画来展示完整的废弃井口水下切割过程，可以让学生直观认识海洋废弃井口等离子切割原理与作业流程，方便学生对等离子切割技术的理解，提高了教学效果，为学生今后走上石油石化工作岗位奠定了较好的基础。

1 废弃井口等离子切割装置

废弃井口等离子切割装置主要包括扶正机构、旋转机构和切割机构等，如图1所示。切割之前首先利用水面上电机驱动切割装置下放，利用扶正机构保证下放过程顺利进行。当切割机构到达指定位置后，利用螺杆与螺母的配合使扶正机构伸出，保证切割装置位于废弃井口套管的中心位置。随后供给电机开始工作，将旋转运动转变为电极的送进运动，使电极伸出到指定位置，然后通过控制系统进行引弧操作，产生的等离子弧对废弃井口套管进行切割，同时，旋转机构开始工作，使旋转机构和切割机构开始旋转，实时监测并调整各项切割参数保证切割稳定进行。套管切断后，电极回退，扶正机构回收，水面上电机带动整个切割装置上升，切割结束。

图1 废弃井口等离子切割装置

2 废弃井口等离子切割装置建模

采用3D Max软件对切割装置进行建模，并根据实际切割流程进行动画还原，如图2所示。将整体装置分解为扶正机构、旋转机构和切割机构，分析每部分的连接与运动原理，掌握整体运动过程中每个部件的运动状态和位置。针对每部分不同的运动特性进行位置关系的配合，确保每部分和整体运动的连续和准确，并通过设计零部件的位置和状态进行动画还原，实时显示整个工作流程。对扶正机构、旋转结构和切割机构建模如图3—图 5所示。各部分建模完成后进行总体装配，如图6所示。

图2 切割装置建模和动画还原

图3 下扶正机构模型图

图4 旋转机构模型图

图5 进给机构模型图

图6 切割装置的模型整体图和透视图

3 等离子切割装置工作流程动画还原

等离子切割装置工作过程的动画设计流程如图 7所示。整个切割过程设计总时间为300帧，其中整体结构的下放和上升分别为50帧，扶正机构的伸出和收回也分别为50帧，电极的送进和旋转切割为100帧。整体动画设计采取从小到大的设计思路，即将每一部分的运动制作完成之后，再设计复杂结构的运动。在3D Max中通过关键帧来表示关键动作，得到了切割装置的下放扶正过程、切割过程以及收回过程等，如图8—图10所示。