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輸油軟管張力補償振蕩現象研究
捷宇石油管道 發布時間：2017-05-13
當前，行進中兩船之間輸油作業主要采用高架索法，通過跨索吊掛輸油管進行輸油作業。某新型輸油裝置的工作方式是在輸油船與受油船中間，通過一根自身承受張力的輸油軟管完成輸油作業。該在行進中開展輸油作業，輸油軟管由于自身承重，會在兩船之間產生 的下垂高度H。由于兩船間距的不斷變化以及風浪等因素的影響，可能導致以下情況：
1）下垂高度過大，張力太小軟管落入水中；
2）下垂高度過小，軟管所承受的張力太大。這兩種情況都會影響輸油裝置的使用 。
如果 依靠人工操作來保持適當的下垂高度會產生以下問題：
1）行進中輸油作業一般持續時間較長，僅憑人工控制下垂高度，操作人員體力上很難勝任；
2）人工操作只能憑感官判斷，控制精度不高；
3）反應不夠及時。
針對上述問題，該輸油裝置在設計中采用基于PLC、扭矩傳感器、液壓伺服器件的自動補償控制系統，控制軟管絞車自動調節輸油軟管的下垂高度，使其在輸油作業中始終處于正常工作范圍內。由于軟管下垂高度H與其所承受的張力N之間呈近似的線性關系，可以用軟管張力補償來實現下垂高度的自動補償。
一、自動補償原理
該輸油裝置主要包括軟管絞車、液壓驅動單元、軟管組件、控制系統四部分。輸油軟管張力自動補償工作原理是：用扭矩傳感器檢測出軟管絞車驅動軸承受的扭矩，間接計算出軟管承受的張力；用光電開關組測出軟管絞車轉動的方向和圈數，間接計算出絞車收放軟管的長度。PLC根據預設的數據表判斷當軟管長度為L時，承受的張力是否超過上下限值，張力過小時，控制絞車自動放出軟管，張力過大時控制絞車自動收管，使軟管始終保持合適的下垂高度。
二、共振產生原因及解決方案
1.共振產生原因分析
該輸油裝置張力補償試驗中發現，軟管產生共振是一個需要解決的主要問題：軟管本身具有 的彈性，其自身承受了張力，加上補償動作、慣性、海風、船身起伏的影響，在輸油作業中將不可避免的始終處于上下振蕩狀態中，當振蕩幅度增大到 程度時，將嚴重影響輸油作業。導致軟管產生振蕩的原因主要分為以下三類：
1）共振問題：自動補償收管和放管動作產生的振蕩會相互干擾，可能發生共振問題，導致振幅越來越大，這是對自動補償影響 大的問題；
2）慣性影響：絞車開始轉動和停止轉動瞬間，絞車驅動軸上的扭矩出現階躍跳變；收放管動作停止時，軟管由于慣性繼續向上／下運動帶來振蕩。兩種情況會導致收放高度與實際需要的補償量之間出現偏差；
3）海況影響：船身上下起伏、左右擺動、兩船間距變化、海風海浪對軟管的作用都會造成軟管的振蕩。
2.補償系統振蕩分析
穩定是控制系統能夠運行的 要條件，解決軟管振蕩對補償的影響問題，實質是自動控制系統在輸入信號和擾動作用下的穩態誤差。分析軟管產生振蕩的三類原因可知，自動補償控制面對的 主要，也是對補償性能影響 大的擾動信號屬于瞬時變化的階躍函數，補償系統輸入信號為斜坡函數。將自動補償控制系統控制結構：R(s)為輸入信號，M(s)為比例放大器控制的輸出，N(s)為擾動信號，K1為前向通道增益。
3.振蕩解決途徑
振蕩是大多數自動補償系統固有的問題，振蕩并不是要使軟管 沒有振蕩，而是盡量減小振蕩的幅度，使振蕩處于自動補償工作可以接受的范圍內，對補償和輸油作業不會產生大的影響。事實上該輸油裝置中軟管的振蕩是不可能 的。根據前述理論方法，采取擾動措施如下：
1）對扭矩傳感器檢測出的扭矩值進行積分處理后再作為控制系統輸入信號使用，其實質是軟件濾波。
2）將補償中收管和放管動作由連續改為步進方式。設定絞車以恒定節奏收、放管，每個收、放管動作持續較短時間T，收放管長度為相同定值L；T結束時判斷軟管張力是否滿足要求，仍超過限定值則繼續收放管動作直到滿足張力要求，實質也是加入積分環節進行濾波（用一階函數近似代替積分），避免軟管在張力上下限臨界點處發生振蕩。
3）實際使用中，要求收管速度相對較快（軟管下垂高度過大會落入水中），采取收管和放管動作不同速度（V1、V2），不同持續時間（T1、T2）的方法減小振蕩，根據實驗結果，V1：V2＝1．5：1，T1：T2＝1：1．5時具有較好的減振效果，實質是利用收管放管動作的不同頻率來防止共振的發生。自動控制系統中加入積分環節在擾動作用影響的同時也會降低系統的動態性能和穩定性。因此需要權衡考慮系統穩定性、抗擾動誤差和動態性能之間的關系，在實際中，要通過大量實驗找到 佳的平衡點。
實踐結果表明，采用前述振蕩措施的控制系統能夠自動補償輸油軟管的下垂高度，具有較高的靈敏度和反應速度，較好的了各種擾動帶來的振蕩，提高了輸油裝置使用 性，其解決思路也為面對類似振蕩問題的自動控制系統提供了 的參考。
