本發(fā)明涉及一種應用大行程磁流變阻尼器的頂部立管張緊器及其控制系統(tǒng)，一種用于從海床井口或海底結構延伸到海上平臺或船舶(如移動式海洋鉆井裝置、Spar平臺，張力腿(TLP)平臺，半潛式平臺或其它干式平臺)的張緊垂直深水立管的應用磁流變阻尼器的新型頂部立管張緊器。

背景技術：

在用海洋平臺開采海底油氣儲層時，通常從一個或多個海底井口或海底結構到平臺連接有鉆井和生產立管。應用深水作業(yè)的浮式平臺，包括SPAR平臺、張力腿(TLP)平臺、半潛式平臺和其他移動作業(yè)船，作業(yè)時都會受到風浪流的海洋環(huán)境載荷作用產生運動。

張緊器通常安裝在平臺上用以支撐立管頂部，并能隨著平臺控制立管的運動。此外，立管張力必須為正，這樣才能保證立管在自身重量和平臺運動和環(huán)境載荷的動態(tài)響應作用下不會產生彎曲。因此，張緊器必須在一定的范圍內對立管施加持續(xù)性的張力以補償立管和平臺之間的相對運動。這種在頂部通過張緊器施加張力的垂直立管稱為頂部張緊立管(TTR)。這種立管基本上是垂直從水面浮式平臺甲板連接到平臺下面海床上的井口設備上的，立管靠張緊系統(tǒng)(即張緊器)支撐。張緊器通過與立管頂部部件連接的導管接箍(或張緊環(huán))給立管施加向上的張緊力。

用于浮動平臺中的垂直頂部張緊立管的張緊器系統(tǒng)通常包括安裝到平臺甲板上的液壓氣動張緊器組件及立管支撐導管管箍(或張緊環(huán))，通過支撐導管管箍(或張緊環(huán))將張力從張緊器組件傳送到立管。液壓氣動張緊器通常包括連接在平臺和立管之間的主動液壓缸和氣動蓄能器以補償平臺的俯仰，升沉和偏航運動。平臺在環(huán)境條件作用下會產生升沉和偏移運動，導致平臺吃水變化和立管相對于平臺長度的變化，從而使張緊液壓缸產生往復運動。在液缸和蓄能器中介質的壓縮和膨脹的彈簧效應下，立管的升沉運動能夠部分抵消立管的小升沉運動，從而使立管保持恒定的張力。然而，當平臺產生明顯的偏移時，氣缸中的介質的壓縮會導致氣缸壓力增加從而使立管張力增加。增加的立管張力是由立管的升沉運動、立管的剛度和張緊系統(tǒng)合成的非線性函數(shù)。另一方面，當平臺在豎直方向下沉時，液缸工作介質膨脹且壓力減小。張緊器可能因立管頂端下部明顯的向上的沖程變化或平臺的突然下降而導致張力損失，從而使立管出現(xiàn)彎曲。

主要有兩種類型的液壓氣動張緊器系統(tǒng)：“壓縮式”-受壓式液壓張緊系統(tǒng)、“拉伸式”-受拉式液壓張緊系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)都采用活塞式液缸，活塞桿通過張緊環(huán)裝置與立管連接。受壓式液缸的安裝方式是活塞桿朝上，壓力作用到液缸的活塞側從而提供立管所需的張緊力?；钊麠U處于壓縮狀態(tài)且提供立管所需的張力，有效地向上推動立管。相反，受拉式液缸的安裝方式是活塞桿朝下。壓力作用在液缸的活塞桿一側，從而向上拉動立管產生立管張力。受壓式張緊器近年來采用較多，且已經用于深水TTR立管(頂部張緊立管)和鉆井立管中。

隨著我國向深海進軍，海上資源開采作業(yè)將會遇到深水高溫高壓作業(yè)的危險，也將給立管系統(tǒng)帶來極大挑戰(zhàn)，包括：

(1)超深水達到1萬米以上時，對立管的壓潰承載能力提出了新的要求，極大地增加了立管重量和頂部張力支撐要求；

(2)油藏壓力超過20,000psi，迫使立管的材質和管厚推到了極限，也更進一步增加立管重量和張力支撐要求；

(3)超深海環(huán)境非線性載荷和平臺運動增大，對立管特別是頂部造成極限動力載荷。

而液壓氣動張緊器存在著液壓缸要求速度高，需要多根大直徑管線進液才能保證液壓缸速度；體積大，加工制造困難；安裝位置位于平臺底部，安裝和維護比較困難等缺點。

磁流變液(MR)是一種能夠改變流變行為的可控流體。它是將微米尺寸的順磁極化鐵顆粒分散于非磁性液體(水、乙二醇、合成油或礦物油等)中形成的懸浮液。磁流變阻尼器的缸體內部和活塞周圍都充滿磁流變流體，當系統(tǒng)通入電流時，沿著活塞液壓缸會產生磁場。磁性顆粒在磁場作用下排成磁鏈，并能夠改變可控流體的流變行為，即通過改變磁場強度的大小改變流體的粘度。通過改變施加到阻尼器的電流大小，就能夠相應地改變磁場強度，從而改變流體的粘度。磁流變阻尼器的最大的阻尼力主要由磁流變液的性能，磁流變液在阻尼器內的流動模式及阻尼器的尺寸共同決定。目前磁流變阻尼器的主流形式為剪切閥式磁流變液阻尼器結構，活塞缸式結構，活塞與缸體內壁間存在環(huán)形間隙。

控制系統(tǒng)裝置主要有三種類型：被動、主動和半主動。被動控制裝置不需要電源操作，直接抑制振動或位移。主動控制裝置需要依靠強大的功率電源對系統(tǒng)直接施加動力來抑制系統(tǒng)的振動。而半主動控制裝置只需要微小的功率，并且通過施加改變系統(tǒng)的物理性質的載荷來抑制系統(tǒng)的振動。磁流變(MR)阻尼器就是一種由磁流變流體制成的新的半主動裝置，是一種最有前途的用于結構減振的新型阻尼裝置。當有磁場作用時，可控制磁流變(MR)流體在毫秒內改變其屈服強度。

磁流變阻尼器具有機械構造簡單、動力范圍寬廣、能量需求低、輸出載荷大和大魯棒性等特點，這類裝置已經被證明能很好的運用于土木工程結構來抵抗強震和強風。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種應用大行程磁流變阻尼器的頂部立管張緊器及其控制系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種應用大行程磁流變阻尼器的頂部立管張緊器，包括張緊器頂部框架、張緊器下框架、設置在張緊器頂部框架與張緊器下框架間的立管、均勻設置在立管周圍的大行程磁流變阻尼器，張緊器頂部框架上設置有張緊環(huán)，張緊器下框架的中間通孔內設置有托輥架，托輥架內設置有輥承支臂，輥承支臂的端部設置有與立管外表面接觸的托輥，每個大行程磁流變阻尼器包括與托輥架鉸接的缸體、設置在缸體內的活塞、與活塞連接的活塞桿，活塞桿的上端與張緊環(huán)的下端連接，活塞上設置有勵磁線圈，所述缸體內還設置有磁流變液，張緊器下框架設置在平臺下甲板上。

本發(fā)明還包括這樣一些結構特征：

1.所述大行程磁流變阻尼器的個數(shù)是4-6個。

2.一種大行程磁流變阻尼器的頂部立管張緊器的控制系統(tǒng)，包括系統(tǒng)控制器、阻尼器控制器、驅動器，在活塞桿上設置有力傳感器，平臺下甲板上設置有監(jiān)測平臺的升沉和偏移運動的傳感器；

所述系統(tǒng)控制器根據(jù)大行程磁流變阻尼器的結構參數(shù)和磁流變液的性能并基于Bingham模型計算立管張緊力，測量磁流變阻尼器阻尼減振的噪聲；

所述阻尼器控制器用于產生阻尼力的控制電壓，其包括輸入輸出接口單元、電荷放大器、RMS電路、A/D轉換器、D/A轉換器和PI控制器，阻尼器控制器將控制參考信號與力傳感器的反饋信號比較，輸出阻尼力控制電壓，并通過驅動器輸出控制電流，控制相對應的大行程磁流變阻尼器，改變大行程磁流變阻尼器的阻尼特性；

所述驅動器用于產生大行程磁流變阻尼器的勵磁線圈磁場的電流，其包括脈寬調制發(fā)生器、功率放大器和場效應管。

3.控制步驟為：

步驟1：平臺做升沉或偏移運動時，設置在平臺下甲板上的傳感器監(jiān)測到平臺的運動變化，而大行程磁流變阻尼器接收到傳感器發(fā)出的信號，并釋放勵磁線圈的電流和磁場，活塞桿沿著缸體軸向自由滑動；

步驟2：同時，傳感器將監(jiān)測到的平臺運動的信號傳遞給系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器基于Bingham模型計算立管所需張緊力，而且系統(tǒng)控制器可測量大行程磁流變阻尼器的阻尼減振的噪聲，驗證大行程磁流變阻尼器的減振降噪的科學性；

步驟3：阻尼器控制器根據(jù)所需的張緊力通過阻尼器控制器上的電荷放大器、RMS電路和A/D轉換器輸出控制參考電壓；同時活塞桿反饋的力傳感器的也通過電荷放大器、RMS電路和A/D轉換為反饋電壓，輸出控制參考電壓與反饋電壓比較，計算出當前阻尼力控制電壓信號u_i；

步驟4：將控制電壓信號u_i傳遞給驅動器上的脈寬調制發(fā)生器，輸出脈寬調制信號，經功率放大器放大后加在場效應管的控制極上，并通過調節(jié)主電路的導通時間輸出控制電流；

步驟5：將輸出的控制電流給勵磁線圈，從而改變磁流變液的磁場強度和阻尼力，使大行程磁流變阻尼器產生阻尼力，活塞桿向上推張緊器頂部框架，完成對立管的拉緊。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明改進了立管張緊器系統(tǒng)，創(chuàng)造性地在張緊器上應用磁流變(MR)阻尼器對頂部張緊立管(TTR)的動態(tài)響應中，即本發(fā)明提出一種應用磁流變阻尼器的新型頂部立管張緊器，旨在解決超深水高溫高壓立管的關鍵問題，滿足設計可靠性和生產安全要求，以及人因工程適應性。本發(fā)明不僅能用于頂部立管張緊器的磁流變阻尼器的控制，還能用于其他各深海作業(yè)緩沖減阻的磁流變阻尼器的控制。本發(fā)明應用將有助于降低海洋油氣勘探作業(yè)風險，尤其是在深水中，降低作業(yè)風險是非常重要的。

應用本發(fā)明能夠：

(1)承載非常大的張力負載，適應高溫高壓環(huán)境下立管的極端張力要求，并能改善立管的渦激振動(VIV)抑制能力；

(2)控制立管張緊器在小行程范圍內，從而適應環(huán)境極限載荷和平臺運動；

(3)有效地避免立管和平臺之間的垂直共振；

(4)顯著減小由于環(huán)境負荷或張緊器故障而引起的立管大位移造成的極端沖擊力。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的應用大行程磁流變阻尼器的新型頂部立管張緊器的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的控制系統(tǒng)的控制原理圖。

圖中：1.張緊環(huán)，2.張緊器頂部框架，3.立管，4.活塞桿，5.立管接頭，6.缸體，7.活塞，8.勵磁線圈，9.磁流變液，10.下甲板，11.張緊器下框架，12.輥承支臂，13.托輥，14.大行程磁流變阻尼器。

具體實施方式

下面結合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種應用大行程磁流變阻尼器的新型頂部立管張緊器，包括張緊環(huán)1、張緊器頂部框架2、多個大行程磁流變阻尼器14、張緊器下框架11、托輥13、輥承支臂12。平臺的下甲板10上垂直安裝具有軸線的維持立管張力的受壓式張緊器。所述的磁流變阻尼器14包括活塞桿4、缸體6、活塞7、勵磁線圈8和磁流變液9。磁流變阻尼器14上下分別連接在張緊器頂部框架2和平臺下甲板10上的張緊器下框架11上，通過遠程同步驅動，多個磁流變阻尼器14能夠在同一平面上的張緊器頂部框架2和張緊器下框架11之間運動。磁流變阻尼器包括活塞桿4、缸體6、活塞7、勵磁線圈8和磁流變液9，磁流變阻尼器14的活塞7軸向支撐在缸體6內，活塞7可在缸體6內滑動嚙合，活塞7連接活塞桿4，活塞桿4向上連接到張緊器頂部框架2上。同時，張緊器頂部框架2支撐一個大直徑導管并通過張緊環(huán)1與立管3連接。活塞桿向上推張緊器頂部框架時，也相應地通過張緊環(huán)向上拉緊立管。張緊器下部框架11上的輥支撐臂12和托輥13能夠抵抗由于平臺或船體偏轉運動引起的立管3力矩。當立管3上下沖擊時，托輥13能夠在立管接頭5施加兩點耦合力矩反作用于立管3上部采油樹設備對立管3產生的動態(tài)彎矩，并能夠抵消磁流變阻尼器14產生的彎矩作用。

如圖2所示，本發(fā)明的一種應用大行程磁流變阻尼器的新型頂部立管張緊器，其阻尼力控制系統(tǒng)包括阻尼器反饋控制系統(tǒng)、驅動器、磁流變阻尼器和力傳感器。所述的阻尼器反饋控制系統(tǒng)包括傳感器、系統(tǒng)控制器和阻尼器控制器。阻尼器控制器將控制參考信號與力傳感器的反饋信號比較，輸出阻尼力控制電壓，并通過驅動器輸出控制電流，控制相對應的磁流變阻尼器，改變其阻尼特性，達到輸出張緊力的目的。

所述傳感器監(jiān)測平臺的升沉和偏移運動，傳感器可以選用位移傳感器、速度傳感器和加速度傳感器，本控制裝置采用位移傳感器。

所述阻尼器控制器主要用于產生阻尼力的控制電壓，其包括輸入輸出接口單元、電荷放大器、RMS電路、A/D轉換器、D/A轉換器和PI控制器，阻尼器控制器將控制參考信號與力傳感器的反饋信號比較，輸出阻尼力控制電壓，并通過驅動器輸出控制電流，控制相對應的磁流變阻尼器，改變其阻尼特性。

所述系統(tǒng)控制器根據(jù)磁流變阻尼器的結構參數(shù)和磁流變液的性能，基于Bingham模型計算立管張緊力；并測量磁流變阻尼器阻尼減振的噪聲。

所述驅動器主要用于產生磁流變阻尼器線圈磁場的電流，其包括脈寬調制(PWM)發(fā)生器、功率放大器和場效應管，驅動器可以產生磁流變阻尼器線圈磁場的電流。

本發(fā)明的控制系統(tǒng)的控制原理為：當平臺在環(huán)境條件作用下產生升沉或偏移運動時，阻尼器反饋控制系統(tǒng)的傳感器監(jiān)測到平臺的運動，磁流變阻尼器接收到傳感器發(fā)出的信號，磁流變阻尼器釋放電流和磁場，活塞桿沿著缸體軸向自由滑動；同時，傳感器監(jiān)測到平臺運動的信號傳遞給系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器基于Bingham模型計算立管所需張緊力，輸出控制參考信號傳遞給阻尼器控制器，阻尼器控制器根據(jù)所需的張緊力輸出控制電壓給驅動器)，通過活塞上的勵磁線圈使阻尼器產生阻尼力，拉緊立管；同時，磁流變阻尼器上的活塞桿上的力傳感器監(jiān)測到實際產生的反饋阻尼力與立管所需張緊力進行比較，反饋到阻尼器控制器上，阻尼器控制器實時改變控制電壓，調節(jié)阻尼力，從而減少張力變化，避免沖擊損壞，并且阻尼器控制器以PI控制算法為核心，輸出阻尼力控制電壓給驅動器；控制電壓加到驅動器的脈寬調制(PWM)發(fā)生器，經功率放大后加在場效應管的控制極上，通過調節(jié)主電路的導通時間輸出控制電流，從而控制相對應的磁流變阻尼器，改變其阻尼特性，達到輸出張緊力的目的。

將磁流變阻尼器應用在頂部張緊立管的張緊器中，對海洋立管的應力降低和減少海洋立管的磨損有很大的作用。較小的應力和磨損能夠增加使用壽命，并且磁流變阻尼器可以避免張緊器上的沖擊負載，因此減小立管極限張力有助于防止立管和溢油的災難性故障。

本發(fā)明一種應用大行程磁流變阻尼器的新型頂部立管張緊器的阻尼力控制系統(tǒng)的控制步驟為：

步驟1：平臺做升沉或偏移運動時，傳感器監(jiān)測到平臺的運動變化，磁流變阻尼器14接收到傳感器發(fā)出的信號，磁流變阻尼器14釋放勵磁線圈8的電流和磁場，阻尼器活塞桿4沿著缸體6軸向自由滑動；

步驟2：緊接著，傳感器監(jiān)測到平臺運動的信號傳遞給系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器基于Bingham模型計算立管所需張緊力。系統(tǒng)控制器測量磁流變阻尼器14阻尼減振的噪聲，以驗證磁流變阻尼器14的減振降噪的科學性。

步驟3：計算的立管所需張緊力通過阻尼器控制器上的電荷放大器、RMS電路和A/D轉換器，輸出控制參考電壓；同時磁流變阻尼器14上的活塞桿4反饋的力傳感器的也通過電荷放大器、RMS電路和A/D轉換為反饋電壓，輸出控制參考電壓與反饋電壓比較，經過PI控制算法計算出當前阻尼力控制電壓信號u_i。

步驟4：控制電壓信號ui傳遞給驅動器上的脈寬調制(PWN)發(fā)生器，輸出脈寬調制(PWN)信號，經功率放大后加在場效應管的控制極上，并通過調節(jié)主電路的導通時間輸出控制電流。

步驟5：輸出控制電流給阻尼器活塞7上的勵磁線圈8，從而改變磁流變液9的磁場強度和阻尼力，使阻尼器14產生阻尼力，活塞桿4向上推張緊器頂部框架2，也相應地通過張緊環(huán)1向上拉緊立管3。