海上平台起重机液压系统监测技术研究

2022-08-19王宁

中国设备工程 2022年14期

关键词：吊机液压流量

王宁

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452）

1 前言

海洋油气资源的开采过程中，海上平台和浮式生产储油装置（FPSO）是必不可少的重要设施，而在设施上作业的人员以及生产所需的物资，均通过海上平台起重机（以下简称吊机）来实现，它为海上平台的正常生产作业提供重要保障。

海上吊机均使用液压传动的形式，其原动机为柴油机或电动机，带动着液压泵，产生的有压油液通过液压阀的控制后到达液压马达或液压缸，进而完成卷扬动作或伸缩动作。

液压系统逻辑复杂、元件构造精密，受温度及油液清洁度的影响也很大。当液压系统出现故障时，原因排查困难，尤其是偶发故障，更是很难掌握规律，一度给维修工作造成较大困扰。由于油液的流动特点，液压系统具有非常明显的污染性，即某一元件损坏时，会将铁屑杂质充满整个液压系统，能迅速损坏其它元件。

鉴于以上问题，急需一套监测系统，来实现对吊机液压系统进行实时监测，出现异常时能够发出预警，防止发生更严重的损坏。同时其存储的数据能够对故障判断提供重要支持，缩短检修周期、提高维修质量，进而降低运维的综合成本。

本文以中船华南生产的海上平台吊机为例，从监测系统总体方案、参数确定、硬件及软件的实现等方面进行阐述，详细说明了液压系统监测技术在海上平台吊机上的应用方法，为其它类似项目提供重要的借鉴和指导。

2 系统总体方案

2．1 海上吊机工作原理

海上平台吊机是通过一个圆柱形基座固定在海上平台或FPSO的甲板上，基座与上部转台通过回转支承连接。桁架式吊臂和A型架安装在上部转台上，一般使用销轴连接，吊臂头部和A型架顶部通过钢丝绳相连，外观整体结构如图1所示。

图1 海上平台吊机

海上吊机包含起升机构、变幅机构和回转机构，还包括动力控制系统和安全防护系统。起升机构是通过卷绕在起升绞车上的钢丝绳拉拽吊钩，进而实现重物的提升和下放。变幅机构是通过卷绕在变幅绞车上的钢丝绳拉拽吊臂头部，实现吊臂的俯仰角度变化，最终实现变幅动作。而回转机构是液压马达通过减速器的动力传递，将扭矩传递到驱动小齿轮上，实现回转动作。

综上，整个设备的动力传递、动作控制等，均由液压系统来实现。从原动机的联轴器和钟形罩开始，到液压泵、液压阀和液压马达，均划分为液压系统的范畴。

2．2 液压系统特点

绞车基本组成介绍有个总图。

海上吊机液压系统一般采用负载传感型控制方式，其系统能自动的将负载所需压力或流量的信号，传递到泵变量控制机构，使其压力参量发生变化，从而调整供油单元的运行状态，使其几乎仅向系统提供负载所需的液压功率（压力与流量的乘积），最大限度地减少压力与流量影响，使系统实现实时的负载适应。

一般包含1套变量泵组、1个多路换向阀、1套控制系统、多个液压马达，以及一些其它的辅助元件。它们的连接方式如图2所示。

图2 海上吊机液压系统示意图

2．3 总体方案设计

目前，海上吊机只能显示载重量、工作半径、吊臂角度这些基本的参数，如果设备出现异常或故障后，没有足够数量的数据进行分析，只能通过现象结果和以往经验来对故障进行判断。

本监测方案是利用现场加装的各类传感器，采集海上平台吊机重要的液压系统参数，通过在PLC中编写的状态监测程序，构建数据处理系统，对参数进行实时分析处理，并直观的显示出来，让设备的操作者和管理者对设备状态有非常清晰的掌握。

通过本液压系统监测技术的应用，能够监测累加载荷重量记录、累加吊装次数记录以及累加运行时间记录，并能够实时显示液压油的温度、压力、流量等数据，为海上吊机故障诊断提供分析数据，从而达到缩短排查故障时间的目标。同时，通过数据信息的积累，获得吊机的利用等级和载荷状态信息，为吊机完整性及后期寿命评估提供可靠。详细的数据依据。

3 系统硬件实现

3．1 压力监测

压力是液压系统的最基本重要参数，其是否正常直接决定了液压系统工作性能的优劣程度。工作系统压力的大小取决于外部载荷的大小，若工作压力出现不正常，会出现系统压力不足或无法建立压力，或者会出现憋压等情况。因此，对系统压力的监测有十分重要的意义。

压力的感知采用的是一种数字压力传感器，其最为主要的特点是非常容易现场安装及日常使用。压力传感器上带有数字显示器，顶部有工作指示灯，可以在任何角度方便的查看传感器的工作状态。通过内部的程序设置，可以将显示器上的数字进行垂直翻转180°，方便任何角度查看，所以在安装时不必过多考虑安装角度问题。

传感器的感应膜片采用齐平设计，即感应膜片几乎与安装表面相平，没有凹陷结构，不会产生液阻、堵塞等次生隐患。传感器的安装采用的是一种专用耦合器，在将传感器安装锁定后，能够将显示器部分360°旋转，非常利于安装。

3．2 流量监测

流量的稳定性直接影响液压系统的速度性能，执行机构的运动速度要符合载荷所要求的速度范围，即低速时不能有爬行现象，高速时不能有冲击情况，在各动作速度控制时，调速要呈现线性的规律变化。如果液压系统的流量参数不正常，有可能不满足上述各类要求，也就意味着液压系统出现了问题。

本系统采用的流量传感器为夹钳式流量传感器，其最大的优点是不用对原液压系统管路进行改动，进而不会产生液阻，也可以非常方便安装和使用。该流量传感器带有液晶显示屏，具有四种类型的时间轴图表显示功能，能够便捷的确认历史变化。液晶显示器可以设置为闪烁显示，即使距离较远，仍可掌握正在运行的传感器主机。

该传感器的原理是，测量将超声波信号从传感器上的一点传输到另一点所经过的时间。当流速增加时，信号传输的时间将会缩短，通过流量时间长短和流速的关系，便可以对液压油进行实时的监控。超声波信号的稳定传输，是监控系统稳定运行的必要条件，可以通过自动调节信号来补偿管线内外的杂质堆积或生锈，实现更长的稳定运行时间。

3．3 温度监测

温度的控制对液压系统的正常运行有很大影响，当温度过高时，液压油的黏度就会显著下降，泄漏量也会加剧，液压系统的整个效率就会降低。而年度的下降，也会使液压元件滑动部位的油膜遭到破坏，摩擦阻力增加，继而再次引起发热。低粘度液压油流过节流孔时，由于特性的变化，更会造成压力、速度调节的不稳定。因此，温度的控制对液压系统至关重要。

为了不对原吊机液压系统造成影响，采用了非接触式的红外温度传感器，该传感器通过高效的定位热电偶，快速精确的检测吸收的热量，实现了15ms的高响应速度。

检测元件在内的圆柱形外壳悬挂在传感器头内部，这为传感器和周围空气提供了热空气隔离，使传感器的体积得以小型化，便于安装。

4 系统软件设计（图3）

图3 海上吊机液压监测系统

海上吊机液压系统监测系统具有数据采集、数据实时分析、故障预警、历史数据调阅等功能，是将各个点位的传感器数据集中进行处理的方式来完成。

对液压系统的温度、流量、压力等重要参数进行监测，对电气系统的电压、电流等参数进行监测。实时监测的数据可用来实现故障预警，累积的存储数据可用来指导下一步维护和寿命评估等工作，提升吊机完整性管理的手段。

故障预警系统采用统一的数据采集设备，在各功能系统中布置传感器，上位机软件和数据采集系统为一个整体，针对不同类型传感器，配置相应传感器物理参数及数据传输协议标准。平台系统支持新增功能模块的状态监控及管理，便于不同监控系统的兼容，具体包括开发数据采集端的驱动和接口程序，实现本地传感器配置、数据显示、图表输出、本地数据备份等功能的桌面应用，系统再结合智能算法技术，将对故障模型进行自主学习，通过对数据的分析实现故障预警功能。