海上无人平台新型登离方式分析

引言

海上无人平台与传统有人平台相比,具有成本低、环境影响小、生产效率高等优势。然而,无人平台的推广应用还面临着一些挑战,其中之一就是如何解决维保人员对无人平台的定期巡检和设备维护问题。

1当前登离平台现状

当前,海上有人平台的登离以直升机登船、平台吊机/吊笼以及登船软梯三种方式最为常见[1]。然而,这些方式在应用于无人平台时都存在一定的局限性。由于无人平台上无人操作吊机,使用平台吊机和吊笼转运人员已经变得不可行。采用直升机运送维保人员虽然快捷,但成本较高,维保人员离开平台的时间难以与直升机计划飞行时间无缝对接,同时无人平台的特点是小而多、成群分部,直升机无法满足多人次多点起落,且部分无人平台甚至未安装直升机坪。通过平台软梯登平台的方式成本最低,但维保人员会存在一定的安全风险,特别是在海上风浪较大的情况下不利于维保人员携带大量工具。

目前,国内外在海洋钻井平台、海上风电、船舶等领域都对登离装置做了一定的研究,其中也包含带有深沉补偿装置的登离装置[2—3],但其大多是安装在支持船上,通过收集船舶运动数据,将其转换成电信号传输至登离装置上,利用大型液压缸做相反方向的运动,从而实现登离装置本体的水平稳定。其特点是稳定性能好,反馈精度高,但该装置一般是固定在船体上,将大面积占用船体甲板,无法再利用船舶进行其他作业,只能专船专用。

2新型登离方式研究思路

研究海上无人平台登离方式,可以提高操作效率和安全性。海上无人平台作为一种高度自动化设备,其登离方式的优化将直接影响到运行效率和操作风险的控制。因此,本研究的成果对于提高海上无人平台的运行效率和降低操作风险具有重要意义。

目前,海上无人平台的升降方式主要包括钢索吊杆式、液压升降式和气动升降式三种。

钢索吊杆式是一种传统且常见的方式。它在平台和登陆设施之间设置钢索吊杆,通过升降机或绞盘等设备实现平台的登离操作。这种方式具有结构简单、稳定可靠的特点。然而,由于使用钢索吊杆,平台的升降速度较慢,且在强风或恶劣海况下容易受到外力干扰,影响登离操作的安全性。

液压升降式悬挂升降方式是一种较为先进的方式。它通过液压系统控制平台的升降,具有升降速度快、操作方便的优点。与钢索吊杆式相比,液压升降式能更好地适应海况变化,提高登离操作的灵活性和安全性。

气动升降式悬挂升降方式是一种新型的方式。它通过气囊或气压装置控制平台的升降,具有结构简单、重量轻、升降速度快的特点。与液压升降式相比,气动升降式更加节能环保,且维护成本较低。然而,由于气动装置对环境要求较高,需要保持一定的气压稳定,对气囊或气压装置的材质和耐久性要求较高,因此设计和制造难度也较大。

针对海洋平台的结构特点,为取代传统的钢索吊杆登离方式'笔者将采用更为先进的液压或气动方式实现响应速度更快的登离平台。由于海洋平台气源主要来自空压机,其容量只能满足生产工艺需要,如要驱动登离装置,需要保障连续且大量的气源,海洋平台是无法具备此条件的。所以,未来新型的登离平台方式,必然是采用液压系统。

3新型登离方式技术难点

稳定性风险管理是海上无人平台登离方式中至关重要的一项技术。稳定性是指无人平台在海上运行时能够保持平稳的状态'不会因外部环境的变化而发生倾覆或失稳的情况。稳定性风险管理的目标是通过合理的设计和控制措施,确保无人平台在各种环境条件下都能保持稳定。

稳定性风险管理需要对无人平台登离装置的结构进行合理设计。其结构应具备足够的刚度和强度,能够承受外部环境的影响;还需要考虑设备的重心位置和重量分布,使其在运行过程中保持稳定。为了确保设计的准确性,可以借助计算机辅助设计软件进行模拟分析,评估其稳定性。

稳定性风险管理还需要考虑海上环境的变化。海上环境的变化包括海浪、风力等因素的变化'这些因素都会对登离稳定性产生影响。因此'需要在设计中考虑这些因素'并采取相应的措施来应对。例如'可以在装置底部设置液压缓冲器,以减轻波浪对平台的影响。

综上所述,稳定性风险管理是海上无人平台登离装置设计中不可忽视的一部分。通过合理的设计和控制措施,可以提高装置的稳定性,确保其在各种环境条件下都能正常运行。稳定性风险管理需要考虑结构设计、控制措施、环境变化等因素,并进行全面的风险评估和管理。只有做好稳定性风险管理,才能保证海上无人平台登离装置的安全运行。

4新型登离方式技术研究

为满足海上平台登离的环境特点,本文研究的登离装置由液压缸、转动轴、吊篮以及缓震器组成,其中液压缸主要实现装置的伸缩功能,让登离装置离开平台的水平距离尽可能地大,使得拖轮与平台导管架保持一定的安全距离;转动轴主要实现装置

水平方向的旋转以及伸缩臂在垂直方向上的旋转,使得装置可以将吊篮降低至接近拖轮的水平面,同时也可以针对不同的海况调整安全位置,以适应拖轮的运行方向;吊篮主要承载人员以及必要的货物,满足一定的承载重量;缓震器安装在吊篮底部,用以抵消拖轮受波浪起伏造成的震动。

深沉补偿装置按照工作原理可以分为主动式、被动式以及混合式。

主动式深沉补偿装置为闭环式控制系统,其采用多方位和多角度的高精传感器对船舶的运动姿态数据进行实时采集,通过转化为数字信号,由计算控制系统计算深沉补偿装置的运动参数,通过液压、电力等方式驱动装置以相同的幅度以及相反的方向运动,从而实现深沉补偿的功能。主动式深沉补偿装置的核心技术是高精度传感器以及控制系统,并且装置设计上也要满足大惯性状态下登离装置的稳定、快速及实时有效性。其优点是精度高、补偿能力强,但是系统相对复杂、功率大,在海洋平台上不适用。

被动式深沉补偿装置和主动式相比,属于开环式系统,简化模型后即一套减振装置,利用弹簧式阻尼系统搭建,针对装置载重、运动范围选择不同的阻尼结构或液压油缸。载人吊篮接近拖轮处后,当拖轮在海浪的作用下上升时,吊篮本身由于自身的重力以及惯性有保持稳定不动的运动趋势,此时弹簧阻尼结构或液压油缸被压缩,使得吊篮的运动范围大大缩小,减少了人员的不适感;反之,当拖轮处于海浪波谷中时,弹簧阻尼会被释放恢复到初始位置,或液压缸中的油体会回到缓冲蓄能器中。被动式深沉补偿装置由于结构简单、承载能力强,适用于海上平台。本装置采用结构更加简单的弹簧阻尼结构实现深沉补偿功能。

混合式深沉补偿装置集合了主动式和被动式的优点,能实现相对高精度的补偿功能,但从另一方面来说,由于集合了两种不同系统,其复杂程度远高于其中一种,相对而言故障率也会更高,所以该项技术在未获得充分验证的前提下暂不考虑。

5新型登离装置总体布置设计

固定式海洋平台本体分为四大部分,包含导管架、上部组块、生活楼以及模块钻机;而无人平台只有导管架和上部组块部分。上部组块一般分为上层甲板、中层甲板以及下层甲板,各甲板主要布置生产工艺处理设施。以常规平台为例,下层甲板一般距离海平面18~22 m,如登离装置设计在下层甲板(图1),按照水平伸出距离10 m计算,装置的总长度达到20 m以上,大大增加了装置的材料成本,也增加了平台导管架结构的负载。除此位置外,在下层甲板以下还设有一层工作甲板,一般距离海平面7~8 m,同样按照10 m的水平伸出距离计算,装置的长度只需12 m即可达到要求,且工作甲板也常用于平台登离,各项设计也利于人员高效登离平台。

6新型登离装置设计

实际工作过程中,本登离装置用于作业人员由拖轮登离海洋平台。如图2所示,本登离装置初始位置为各伸缩臂全部收缩至最短状态时,旋转底座(23)旋转至海洋平台甲板侧,使得吊篮(20)底部与海洋平台甲板面接触;当人员需要由拖轮登平台时,旋转底座带动旋转主臂(19)和支臂(16/17)至合适位置,通过液压缸(1/2/3/4/5)将伸缩臂(6/7/8/18)展开,直至吊篮底部靠近拖轮甲板,然后放下吊篮的前挡板(27),使得前挡板能够放置在拖轮甲板上,解锁护栏后人员即可通过前挡板登上吊篮,当人员站立在吊篮中以后,升起前挡板并锁好护栏,然后液压缸将伸缩臂收缩,直至吊篮底部与海洋平台甲板面接触,旋转底座再带动整个装置旋转至初始位置,人员即可登上海洋平台。

7无线控制装置设计

控制系统由发射器和接收器两大部分组成(图3)。其中,发射器采用多路控制模式,首先应具有无线操控功能,满足人员方便携带的要求;其次需要特别考虑可靠性、灵活性、安全性和可操作性。

在可靠性上,本控制装置采用无线工业遥控器,利用双CPU控制、433 MHz与2.4 GHz双频段无线通信和冗余设计,并通过检错纠错编码方式实现对设备的远距离、高可靠性控制,确保安全运行。在灵活性上,同时兼容CAN总线作为线缆控制,扩大使用范围。在安全性上,遥控器外壳应具备防水、防撞击、防腐蚀、防电磁干扰等性能。在操作性上,应满足装置各方向运动的功能,其加速度和移动速度能满足人员安全、高效地登离平台,在登平台过程中可实现一键式回收操作。

接收器安装在登离装置上,接收由登平台人员手持的远程控制装置的信号,并监测装置的运行。发射器以微型控制器为主要核心,其中包括稳定可靠的数据采集以及交互控制程序、双频收发程序、数据编码译码程序以及各个模块的控制驱动程序。接收器通过对各子程序的调用和中断程序的执行,实现发射器与接收器之间的稳定通信,实现其对登离平台装置的无线控制功能。

发射器也就是遥控器,其主要包含液晶显示仪、遥控杆、急停开关以及各类备用开关,其中急停开关作为安全保障设置在最便于人员操作处,采用红色按钮帽结构。遥控杆分布在左右两侧,主要用于控制装置上下、左右、旋转方向的运动。

8结束语

海洋平台在我国的油气田开发上发挥着不可或缺的重要作用,未来随着科技的进步,我国的油气田将走向深海,同时也会有越来越多的边际油田得到开发,可以预见的是,将有各个油田群建立起来,无人平台也将是一个重大发展趋势。而本文所研究的无人平台登离装置只是初步的概念设计,在投入应用前仍然需要大量的分析和研究,包括装置的稳定性、安全性和可靠性;同时该装置也有着一定的优化空间,包括材料的选用、远程控制逻辑以及传动系统的设计等等。但无人登离装置是无人平台发展的一个必然趋势,具有重大的实践意义。