水下摩擦疊焊作業(yè)過(guò)程仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊帆，李彥勝，黃江中，宋國(guó)祥，馬麗

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

水下摩擦疊焊作業(yè)過(guò)程仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊帆，李彥勝，黃江中，宋國(guó)祥，馬麗

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

為了縮短水下摩擦疊焊技術(shù)設(shè)備研制周期、節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用、降低裝置在海上試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了水下摩擦疊焊作業(yè)仿真系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，包含其主要工作內(nèi)容和軟硬件體系結(jié)構(gòu)。開發(fā)了滿足功能要求的仿真軟件，介紹了軟件的開發(fā)環(huán)境、功能和界面。通過(guò)一系列仿真實(shí)驗(yàn)以及纜索的受力及姿態(tài)分析，證明了系統(tǒng)的可行性。

摩擦疊焊；體系結(jié)構(gòu)；纜索姿態(tài)；仿真系統(tǒng)

為確保我國(guó)能源安全，國(guó)家啟動(dòng)了“大型油氣田與煤層氣開發(fā)”科技重大專項(xiàng)。我國(guó)南海油氣資源豐富，其中約70%蘊(yùn)藏于深水區(qū)。深水海洋工程技術(shù)面臨復(fù)雜的油氣藏特性以及惡劣的海洋環(huán)境條件，而我國(guó)深水勘探開發(fā)能力遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平，其原因除了技術(shù)與裝備不足外，科研成果的產(chǎn)業(yè)化能力是一個(gè)更加嚴(yán)重的制約因素，因此，必須大力加強(qiáng)深水海洋工程技術(shù)與裝備的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)。作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，水下油氣開發(fā)工藝裝備已成為業(yè)界研究熱點(diǎn)，市場(chǎng)需求也增長(zhǎng)迅速［1］。在這樣的背景下，國(guó)家大力投資于包括水下摩擦疊焊在內(nèi)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝作業(yè)裝備，對(duì)于推動(dòng)深水油氣開發(fā)裝備的產(chǎn)業(yè)化有著重要的意義［2］。

為了研制水下摩擦疊焊技術(shù)設(shè)備，在研究過(guò)程中利用仿真和水池試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證整個(gè)裝置的可行性和可靠性，可以大大縮短海上試驗(yàn)的周期從而節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用，同時(shí)也降低了裝置在海上試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中的風(fēng)險(xiǎn)［3］。在仿真試驗(yàn)中模擬吊裝及作業(yè)的全過(guò)程，觀察分析裝置可能遇到和發(fā)生的各種情況，可以減少研發(fā)初期由于設(shè)計(jì)缺陷造成的設(shè)備損壞，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、技術(shù)和工藝上存在問(wèn)題，避免不必要的損失，優(yōu)化完善系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)［4］。同時(shí)，一套完善的仿真系統(tǒng)可以起到對(duì)作業(yè)過(guò)程中的操作人員進(jìn)行培訓(xùn)和模擬訓(xùn)練的作用，使吊裝作業(yè)人員和潛水員熟悉作業(yè)過(guò)程。因此，在水下摩擦疊焊技術(shù)研究過(guò)程中，建立合理的水動(dòng)力模型并通過(guò)仿真手段進(jìn)行初步的研究開發(fā)顯得尤為重要。

1 仿真系統(tǒng)總體方案

1.1 仿真系統(tǒng)開發(fā)的總體技術(shù)路線

水下摩擦疊焊作業(yè)的配套技術(shù)研究，包括環(huán)向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的扶持、與管道待修區(qū)域的接近、在海底管道校準(zhǔn)框架上面的準(zhǔn)確就位等技術(shù)問(wèn)題，以及管道摩擦疊焊維修宏觀場(chǎng)景監(jiān)視技術(shù)等。摩擦主軸頭與管道待修區(qū)域的合理初始相對(duì)位置，是高質(zhì)量完成摩擦過(guò)程的基礎(chǔ)條件，要求摩擦疊焊裝置輔助夾鉗就位精度必須滿足焊接要求［5］。水下摩擦疊焊裝置的水動(dòng)力性能是保證就位精度、仿真過(guò)程準(zhǔn)確程度和模擬訓(xùn)練效果的關(guān)鍵。因此實(shí)施過(guò)程中需要首先利用數(shù)值計(jì)算初步確定摩擦疊焊裝置的水動(dòng)力系數(shù)，再通過(guò)模型試驗(yàn)修正、補(bǔ)充和驗(yàn)證水動(dòng)力系數(shù)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水下焊接作業(yè)過(guò)程、摩擦疊焊修復(fù)過(guò)程的仿真和視景顯示，風(fēng)、浪、流海洋環(huán)境作用下作業(yè)裝置系統(tǒng)的作業(yè)過(guò)程模擬仿真，同時(shí)完成水下摩擦疊焊監(jiān)視系統(tǒng)。建立逼真的水面及水下視景和良好的人機(jī)交互環(huán)境，完成對(duì)吊裝操作人員和潛水員的模擬訓(xùn)練。最后利用水池試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證無(wú)流和有流情況下吊裝和焊接作業(yè)過(guò)程的可行性，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)以保證海上實(shí)驗(yàn)的順利實(shí)施，上述總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 水下摩擦疊焊作業(yè)仿真與監(jiān)控技術(shù)路線示意圖

1.2 仿真系統(tǒng)開發(fā)工作

為了實(shí)現(xiàn)深水摩擦疊焊系統(tǒng)作業(yè)過(guò)程的仿真和模擬訓(xùn)練需要開展如下的工作：

1）利用基于CFD的理論計(jì)算及水池實(shí)驗(yàn)等手段，確定水下摩擦疊焊系統(tǒng)中的工作支持母船、焊接設(shè)備及臍帶纜／吊裝纜的水動(dòng)力參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上建立海洋環(huán)境下各子系統(tǒng)合理的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，同時(shí)對(duì)臍帶纜、吊裝纜與連接設(shè)備的作用力干擾進(jìn)行建模。

2）以建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為基礎(chǔ)，完成深水摩擦疊焊作業(yè)裝置和水下焊接對(duì)象（油管）布放過(guò)程的仿真試驗(yàn)，對(duì)設(shè)備實(shí)際作業(yè)效果進(jìn)行模擬。

3）完成深水摩擦疊焊作業(yè)裝置系統(tǒng)作業(yè)過(guò)程的視景仿真，對(duì)臍帶纜／吊裝纜、摩擦疊焊作業(yè)裝置受力以及分系統(tǒng)之間的相互作用力進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，從而完成運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的解算，完成整個(gè)焊接作業(yè)過(guò)程的仿真模擬。

4）完成風(fēng)、浪、流海洋環(huán)境作用下作業(yè)母船作業(yè)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)仿真，完成船—纜—作業(yè)裝置系統(tǒng)的作業(yè)過(guò)程動(dòng)態(tài)顯示。

5）開展分布式仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究，建立深水摩擦疊焊系統(tǒng)的完整仿真環(huán)境，將前述工作納入統(tǒng)一的仿真框架之內(nèi)，完成仿真系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)、信息的高效傳輸和模擬真實(shí)海洋環(huán)境下的視景仿真。

2 仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.1仿真系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)由三通道投影視景顯示系統(tǒng)、水動(dòng)力計(jì)算模塊和實(shí)時(shí)操控模塊組成。其中三通道投影視景顯示系統(tǒng)是通過(guò)3臺(tái)投影機(jī)形成母船及焊接裝置視景效果的正投無(wú)縫拼接。仿真系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包含以下設(shè)備。

投影幕：根據(jù)空間情況采用一個(gè)無(wú)縫的寬幅平面高對(duì)比度硬質(zhì)正投金屬屏幕，弧長(zhǎng)8.5m，高2.8m。

投影機(jī)：采用松下PT-FD605 6500流明，雙燈源光學(xué)系統(tǒng)，DLP投影機(jī)。該機(jī)器應(yīng)用于融合系統(tǒng)中最大優(yōu)點(diǎn)是：高亮度、高畫質(zhì)、高穩(wěn)定性、色彩匹配自動(dòng)調(diào)節(jié)、液體冷卻系統(tǒng)、自動(dòng)清潔過(guò)濾器等。

USTECH邊緣融合機(jī)：對(duì)輸入到投影機(jī)的圖像進(jìn)行邊緣融合、幾何校正、畫面分布勢(shì)／布局、畫面組合、圖文顯示等。

圖形工作站：采用3臺(tái)HP Z800圖形工作站，負(fù)責(zé)完成仿真計(jì)算和仿真圖形生成。

圖2 三通道投影視景顯示系統(tǒng)

2.2 仿真系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)需要完成母船的水動(dòng)力計(jì)算、纜索的水動(dòng)力計(jì)算、焊接裝置的水動(dòng)力計(jì)算和仿真海洋環(huán)境及視景的生成。仿真軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)的主要功能模塊有母船仿真、纜索仿真、焊接裝置仿真、視景仿真、海洋環(huán)境仿真等。這些仿真模塊在運(yùn)行過(guò)程中由平臺(tái)信息管理中間件協(xié)調(diào)管理。信息管理中間件為這些模塊提供仿真管理服務(wù)、信息管理服務(wù)和仿真運(yùn)行服務(wù)。由中間件統(tǒng)一接受仿真控制指令和任務(wù)計(jì)劃，根據(jù)信息管理服務(wù)提供的信息傳遞序列發(fā)送給各仿真模塊，各仿真模塊在仿真運(yùn)行服務(wù)的協(xié)調(diào)和調(diào)用下實(shí)現(xiàn)一次仿真任務(wù)，計(jì)算結(jié)果由信息管理服務(wù)根據(jù)需要保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中作為歷史數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)初始化階段由仿真管理服務(wù)根據(jù)仿真實(shí)體數(shù)據(jù)庫(kù)中的初始化信息對(duì)各仿真模塊進(jìn)行初始化。

圖3 仿真系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

3 水下摩擦疊焊仿真實(shí)驗(yàn)

在Windows XP操作系統(tǒng)上，在VC6.0開發(fā)平臺(tái)上，利用Multigen Vega 3.7作為仿真視景構(gòu)建工具，Multigen Creator 2.6作為仿真視景模型的建模工具，開發(fā)了水下摩擦疊焊仿真軟件，進(jìn)行仿真試驗(yàn)和操作模擬訓(xùn)練。

在仿真軟件中可以設(shè)置流速和流向，有義浪高和波浪方向等作業(yè)環(huán)境，能夠觀察裝置吊裝和就位過(guò)程中裝置的姿態(tài)，軟件的人機(jī)交互界面如圖4所示。

圖4 仿真系統(tǒng)人機(jī)交互界面

另外，軟件還能夠?qū)崟r(shí)記錄下摩擦疊焊裝置和纜索的各個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍的位姿。據(jù)此可以再現(xiàn)出纜索形態(tài)的數(shù)據(jù)。設(shè)定纜索計(jì)算模型為鋼架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度L隨下潛時(shí)間變化而變化，要求最終下潛60 m（水上10 m，水下50 m，設(shè)計(jì)半徑為50 mm，材料系數(shù)采用Q235鋼，底部作用集中載荷發(fā)生變化，重量從1.5 t增至2.5 t，每隔0.2 t增長(zhǎng)計(jì)算一次，共6組數(shù)據(jù)。水上部分不受側(cè)向力，水下部分側(cè)向有水流壓力，壓力值與鉛垂重量相關(guān)，變化范圍為0.05 N／mm（50 N／m）變化至0.1 N／mm（100 N／m），每組數(shù)據(jù)增長(zhǎng)步長(zhǎng)為0.01 N／mm。其橫截面半徑由0.01 m增長(zhǎng)至0.06 m，增長(zhǎng)步長(zhǎng)為0.01 m。

第1組：鉛垂重量2.1 t，橫截面半徑0.04 m，水流速度0.08 N／mm，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 第1組纜索姿態(tài)數(shù)據(jù)

第2組：鉛垂重量2.3 t，橫截面半徑0.05 m，水流速度0.09 N／mm，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 第2組纜索姿態(tài)數(shù)據(jù)

第3組：鉛垂重量2.5 t，橫截面半徑0.06 m，水流速度0.1 N／mm，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 第3組纜索姿態(tài)數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)各工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，鉛垂質(zhì)量在2.3～2.5 t和繩子半徑在0.05～0.06 m時(shí)，重錘著地點(diǎn)偏差不會(huì)很大，能夠滿足焊接要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

水下摩擦疊焊作業(yè)仿真系統(tǒng)是水下摩擦疊焊技術(shù)設(shè)備研究過(guò)程的主要組成部分。本文提出了這個(gè)專用仿真系統(tǒng)的開發(fā)方案和軟硬件體系結(jié)構(gòu)。以建立的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為基礎(chǔ)，完成深水摩擦疊焊作業(yè)裝置布放過(guò)程的仿真試驗(yàn)，對(duì)設(shè)備實(shí)際作業(yè)效果進(jìn)行模擬。完成深水摩擦疊焊作業(yè)裝置系統(tǒng)作業(yè)過(guò)程的視景仿真，對(duì)臍帶纜／吊裝纜、摩擦疊焊作業(yè)裝置受力以及分系統(tǒng)之間的相互作用力進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算從而完成運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的解算，完成整個(gè)焊接作業(yè)過(guò)程的仿真模擬。完成風(fēng)、浪、流海洋環(huán)境作用下作業(yè)母船作業(yè)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)仿真，完成船—纜—作業(yè)裝置系統(tǒng)的作業(yè)過(guò)程動(dòng)態(tài)顯示。

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Design of underwater friction stitch welding process simulation system

YANG Fan，LIYansheng，HUANG Jiangzhong，SONG Guoxiang，MA Li
Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

An underwater friction stitch welding operation simulation system is designed to shorten the development cycle and save test cost in the research process of the underwater friction stitch welding technology and equipment.The simulation system also can reduce the risk of device in the sea test and practical application.This paper pres-ents the whole design scheme of the simulation system，themain content of the developmentwork，and the software and hardware architecture.The simulation softwaremeeting the functional requirements is developed.The develop-ment environment，functions of the software and human-computer interface are proposed in this paper.The feasibili-ty of the system is proved by a series of simulation experiments and the analysis of the cable force and attitude.

friction stitch welding；software architecture；cable attitude；simulation system

TP23

：A

：1009-671X（2015）01-053-04

10.3969／j.issn.1009-671X.201312017

http：//www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.U.20150112.1530.007.htm l

2013-12-31.

日期：2015-01-12.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61100006，51209050）.

楊帆（1982-），男，工程師.

楊帆，E-mail：yangfan1＠m(xù)ail.cooec.com.cn.