國(guó)產(chǎn)拉力傳感器在AT40.000/E錨機(jī)上的應(yīng)用

摘" " 要：錨機(jī)主要用于鉆井平臺(tái)拖航和就位，“中油海17”鉆井平臺(tái)配備4臺(tái)型號(hào)為AT40.000/E的錨機(jī)，錨機(jī)使用期間出現(xiàn)拉力傳感器故障導(dǎo)致設(shè)備報(bào)警而無法運(yùn)行，通過實(shí)施錨機(jī)拉力傳感器的國(guó)產(chǎn)化替換，提高了設(shè)備可靠性，減少了設(shè)備維護(hù)周期。首先介紹了錨機(jī)的功能，而后通過現(xiàn)場(chǎng)故障實(shí)例分析引起拉力傳感器故障的原因，給出了錨機(jī)拉力傳感器電氣安裝和機(jī)械安裝方面的注意事項(xiàng)，最后詳細(xì)論述錨機(jī)拉力傳感器的零噸位標(biāo)定和載荷校準(zhǔn)操作方法，可為錨機(jī)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)人員快速排除拉力傳感器故障提供借鑒。

關(guān)鍵詞：錨機(jī)；標(biāo)定；拉力傳感器；載荷變送器模塊

Applications of domestic tension sensor in the AT40.000/E anchor winch

WANG Donghua， FENG Chunfei， WANG Zhihui， ZHU Weihua

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：Anchor winch is mainly used for drilling platform towing and positioning. “CPOE 17” drilling platform was equipped with 4 AT40.000/E anchor winch. In operation， tension sensor failure resulted in an alarm， disturbing operation. After replacing the tension sensor with a domestic one， equipment reliability was improved and the equipment maintenance period was reduced. This paper introduced the functions of the anchor winch， analyzed reasons that caused tension sensor failure， and listed cautions in the electrical and mechanical installation of the anchor winch′s tension sensor. Finally， operation methods of zero tonnage calibration and load calibration of the anchor sensor were introduced in detail. This paper can provide a reference for quick resolution of on-site maintenance.

Keywords：anchor winch; calibration; tension sensor; load transmitter module

錨機(jī)是海洋石油鉆井平臺(tái)錨裝置中最重要的組成部分，是在鉆井平臺(tái)就位鉆井導(dǎo)管架平臺(tái)時(shí)起錨、拋錨的系泊設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、管理及維修方便、自動(dòng)化操作程度高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1" " 錨機(jī)功能簡(jiǎn)介

“中油海17”鉆井平臺(tái)配備了4臺(tái)型號(hào)為AT40.000/E的錨機(jī)，錨機(jī)安裝在鉆井平臺(tái)主甲板的四個(gè)角，初始使用時(shí)間為2016年5月，其整體外觀如圖1所示。

錨機(jī)的主電機(jī)功率為90 kW，油泵電機(jī)的功率為4 kW；錨機(jī)主電機(jī)上和滾筒上配有編碼器，分別用來計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速及滾筒上繩子的長(zhǎng)度，并且配有制動(dòng)電阻；錨機(jī)主電機(jī)采用施耐德變頻器控制實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速；錨機(jī)配備有拉力傳感器，通過拉力傳感器在錨機(jī)操控臺(tái)觸摸屏上可實(shí)時(shí)顯示錨纜繩的拉力值，當(dāng)錨纜繩拉力值超過設(shè)定值時(shí)錨機(jī)將報(bào)警并停止動(dòng)作。

2" " 拉力傳感器故障分析及解決方案

2.1" " 橋路破壞的因素分析

錨機(jī)纜繩的拉力值通過拉力傳感器傳至錨機(jī)操控臺(tái)觸摸屏，其工作原理如下：當(dāng)纜繩拉力使傳感器彈性體產(chǎn)生變形后，貼附于彈性體上的應(yīng)變計(jì)橋路失去平衡，輸出與拉力數(shù)值成正比例的電信號(hào)，傳感器將纜繩的拉力值轉(zhuǎn)換成不易受干擾的4～20 mA電信號(hào)，然后再將這種電信號(hào)傳輸至載荷變送模塊，最終將拉力值顯示到錨機(jī)操控臺(tái)觸摸屏[2]。

2018年6月，即“中油海17”鉆井平臺(tái)錨機(jī)運(yùn)行2年后，使用過程中工作人員發(fā)現(xiàn)錨機(jī)手柄操作時(shí)無法動(dòng)作，并且在錨機(jī)的操作屏顯示“LOAD Cell Fault”故障，故障顯示畫面如圖2所示。

使用萬用表的電阻檔對(duì)錨機(jī)拉力傳感器輸入、輸出電阻進(jìn)行測(cè)量，與出廠檢驗(yàn)值進(jìn)行比對(duì)發(fā)現(xiàn)存在明顯的改變，判斷該傳感器存在故障。

以下原因都可能引起錨機(jī)拉力傳感器橋路破壞[3]：傳感器內(nèi)部電器連線開路或短路；傳感器器件燒損；傳感器電子元?dú)饧艹被蚴艿交瘜W(xué)腐蝕，傳感器內(nèi)部線路、彈性體、屏蔽間出現(xiàn)短路，其阻值降低，往往低于100 Ω；傳感器內(nèi)部電器連接上出現(xiàn)虛焊；傳感器內(nèi)部的應(yīng)變計(jì)或其他粘貼件的膠層遭受破壞。

將“中油海17”鉆井平臺(tái)出現(xiàn)故障的拉力傳感器從錨機(jī)拆下后，使用萬用表分別測(cè)量傳感器四根電纜線中的兩組電纜線的阻值，發(fā)現(xiàn)紅線和黑線阻值為無窮大，綠線和白線阻值為無窮大，經(jīng)過測(cè)量得出的數(shù)據(jù)表明錨機(jī)拉力傳感器內(nèi)部電器連線開路，傳感器元器件已經(jīng)故障損壞。

2.2" " 橋路破壞的解決方案

出現(xiàn)故障的錨機(jī)拉力傳感器廠家為意大利ADOS公司，該公司專注于工業(yè)領(lǐng)域測(cè)力和稱重產(chǎn)品的開發(fā)、制造和應(yīng)用，并已成為該領(lǐng)域的國(guó)際知名品牌。但是該進(jìn)口傳感器的故障率高，且進(jìn)口設(shè)備采購(gòu)周期長(zhǎng)，經(jīng)咨詢國(guó)內(nèi)錨機(jī)拉力傳感器制造廠家，對(duì)比進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)傳感器的尺寸和參數(shù)，最終決定采用國(guó)產(chǎn)化傳感器替代進(jìn)口傳感器。

拉力傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)并輸出的裝置。錨機(jī)拉力傳感器國(guó)產(chǎn)化至關(guān)重要的一點(diǎn)是要考慮傳感器所處的實(shí)際工作環(huán)境，它關(guān)系到傳感器能否正常工作以及使用安全和壽命，乃至整個(gè)錨機(jī)的可靠性和安全性[4]。

3" " 錨機(jī)拉力傳感器拆裝注意事項(xiàng)和步驟

3.1" " 電氣方面注意事項(xiàng)

1）錨機(jī)拉力傳感器的信號(hào)電纜不能與其他強(qiáng)電電源線或控制線并行布置（例如不要把傳感器信號(hào)線和強(qiáng)電電源線及控制線置于同一條管道內(nèi)）；如果必須并行布置，則二者之間的距離應(yīng)保持在50 cm以上，并且要用金屬管套保護(hù)信號(hào)線[5]。

2）錨機(jī)傳感器信號(hào)線電纜接頭應(yīng)采用特制的密封防水電纜接線盒；若不采用接線盒而采用直接對(duì)接對(duì)錫焊端頭，則應(yīng)對(duì)接線的密封防潮予以特別注意。

3）如果錨機(jī)傳感器信號(hào)電纜線敷設(shè)的距離超過100 m，為保證測(cè)量精度，可以考慮采用帶有中繼放大器的電纜補(bǔ)償電路。

4）所有錨機(jī)傳感器到載荷變送模塊的信號(hào)電纜和變送模塊到顯示屏幕的電纜，均應(yīng)采用屏蔽電纜。屏蔽線的連接及接地點(diǎn)應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5）用以測(cè)量重量傳感器輸出信號(hào)的電子線路應(yīng)盡可能配置獨(dú)立的供電變壓器，不要和接觸器等設(shè)備共用同一主電源。

3.2" " "機(jī)械方面注意事項(xiàng)

1）錨機(jī)拉力傳感器移動(dòng)過程中應(yīng)輕拿輕放，對(duì)于小容量的采用合金鋁制作彈性體的傳感器，任何沖擊、跌落，對(duì)其計(jì)量性能均可能造成極大損害。對(duì)于大容量的電阻應(yīng)變式重量傳感器，通常情況下其自重較大，進(jìn)而要求在搬運(yùn)、安裝時(shí)應(yīng)使用適當(dāng)?shù)氖掷J、電動(dòng)葫蘆等起吊設(shè)備[5]。

2）錨機(jī)拉力傳感器底座的安裝平面應(yīng)平整、清潔，無任何油膜、膠膜等存在，并且應(yīng)具有高于傳感器本身的強(qiáng)度和剛度。

3）不同的拉力傳感器的加載方向都是確定的，使用時(shí)需在此方向上加載負(fù)荷。應(yīng)盡量避免橫向力、附加的彎矩、扭矩力。錨機(jī)重量傳感器周圍應(yīng)設(shè)置一些擋板，防止環(huán)境中的雜物污染傳感器[2]。

4）要注意的是，即使是短時(shí)間的超載也可能會(huì)造成傳感器永久損壞，因此在拉力傳感器系統(tǒng)安裝過程中應(yīng)防止傳感器超載。為防止超載，可先用一個(gè)和傳感器等尺寸的的鋼柱先代替?zhèn)鞲衅?，最后再把傳感器換上。

5）使用螺桿固定錨機(jī)拉力傳感器，要求螺桿有一定的緊固力矩，并有一定的旋入螺紋深度。

3.3" " "錨機(jī)國(guó)產(chǎn)拉力傳感器安裝步驟

錨機(jī)國(guó)產(chǎn)拉力傳感器安裝步驟：首先用平臺(tái)吊機(jī)的鋼絲繩吊住錨，接著使用吊機(jī)將錨提起，此時(shí)錨纜繩不受力，錨機(jī)的實(shí)際載荷為0；斷開錨機(jī)電源，拆掉傳感器的接線。平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)制作工裝如圖3所示，用兩臺(tái)千斤頂將舊傳感器拔出；最后清理傳感器的孔洞，新傳感器抹上潤(rùn)滑脂，將其定位安裝，連接好傳感器接線。

4" " 錨機(jī)國(guó)產(chǎn)拉力傳感器標(biāo)定方法

傳感器工廠制作完成后信號(hào)就已經(jīng)基本固定，但在存儲(chǔ)、運(yùn)輸和組裝過程中受冷、熱、震動(dòng)、濕度等影響，其響應(yīng)及讀數(shù)可能與實(shí)際值有偏差，為保證實(shí)際值準(zhǔn)確地傳遞給控制系統(tǒng)，需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定[6]。

拉力傳感器的標(biāo)定方法有多種，應(yīng)根據(jù)傳感器的類型和應(yīng)用領(lǐng)域確定，選擇正確的標(biāo)定方法可有效修正測(cè)量值，保持其準(zhǔn)確性。標(biāo)定是對(duì)傳感器進(jìn)行的一次或一組調(diào)整，“中油海17”鉆井平臺(tái)新裝錨機(jī)拉力傳感器標(biāo)定選用零噸位標(biāo)定方法和載荷校準(zhǔn)方法。

4.1" " 錨機(jī)拉力傳感器零噸位標(biāo)定方法

拉力傳感器零噸位標(biāo)定方法就是將傳感器暴露在零輸入或不受任何外部影響的條件下，記錄其輸出值，可以消除傳感器的零位誤差或零漂移，標(biāo)定步驟主要包括以下幾個(gè)方面。

1）吊機(jī)將錨提起，錨纜繩不受力。保證錨機(jī)拉力傳感器無負(fù)載，且所有模塊處于正常接線狀態(tài)。載荷變送器模塊參數(shù)和外觀如圖4所示。

2）按菜單上的“ENT”鍵出現(xiàn)“ConF”界面，如圖5所示。

3）按“INC”鍵直到出現(xiàn)“CAL”界面，如圖6所示。

4）按菜單上的“ENT”鍵出現(xiàn)“ZEro”界面，如圖7所示。

5）按菜單上的“ENT”鍵直到完成零噸位標(biāo)定，出現(xiàn)如圖8所示的界面。

4.2" " 錨機(jī)國(guó)產(chǎn)拉力傳感器載荷校準(zhǔn)方法

使用標(biāo)準(zhǔn)物體或已知物理量進(jìn)行校準(zhǔn)，例如使用已知重量的物體對(duì)稱衡量壓力傳感器的輸出。對(duì)于模擬量傳感器，其設(shè)有零點(diǎn)和量程調(diào)整電位計(jì)。當(dāng)傳感器輸入0%時(shí)，調(diào)整零點(diǎn)將輸出電流精確地調(diào)整到4 mA；而當(dāng)傳感器輸入為100%時(shí)，調(diào)整零點(diǎn)將輸出電流精確地調(diào)整到20 mA。

錨機(jī)拉力傳感器的載荷校準(zhǔn)主要包括以下幾個(gè)步驟。

1）錨機(jī)操作臺(tái)屏幕上的錨機(jī)額定的最大拉力為40 t。在變送器右數(shù)第四個(gè)端子排上，串聯(lián)一個(gè)500 Ω的電位器，將電位器阻值調(diào)至最小值?？烧{(diào)電阻接線方法如圖9所示。

2）以負(fù)載實(shí)際重量為準(zhǔn)，對(duì)load sell進(jìn)行校準(zhǔn)。

如果此時(shí)load sell 的讀數(shù)比實(shí)際拉力值偏大，讀取拉力傳感器的讀數(shù)，假設(shè)為7.5 t；讀取操作臺(tái)屏幕上的拉力讀數(shù)，假設(shè)為24.28 t。用大數(shù)值÷小數(shù)值，即：24.28÷7.5≈3.24，然后經(jīng)進(jìn)一步計(jì)算可得：5 000×3.24≈16 200。

順時(shí)針調(diào)整電位器上的銅旋鈕，將數(shù)值增加到16 200（注：以下操作過程中如進(jìn)入錯(cuò)誤菜單，則按“ESC”鍵可退回到上一步）。

按菜單上的“ENT”鍵，出現(xiàn)如圖5所示的“ConF”界面。

按菜單上的“INC”鍵，出現(xiàn)圖6所示的“CAL”界面。

按菜單上的“ENT”鍵，出現(xiàn)如圖7所示的“ZEro”界面。

按菜單上的“INC”鍵、“DEC”鍵，直到出現(xiàn)圖10所示的“SPRn”界面。

按“ENT”鍵，會(huì)出現(xiàn)一串?dāng)?shù)字和字母的交替閃爍畫面；長(zhǎng)按“INC”鍵，數(shù)字會(huì)一直增加，同時(shí)數(shù)字和字母仍然會(huì)交替閃爍；增加到5 000后，數(shù)字會(huì)變到0后重新增加，這時(shí)需要按“DEC”鍵，將數(shù)字減小到 0；再按一下“DEC”鍵，數(shù)字增加到 5 000；然后按一下ENT鍵，會(huì)出現(xiàn)如圖11所示的界面。

3）約5 s后，按幾下“ESC”鍵退出到原始數(shù)字界面；然后將電位器阻值調(diào)至最小，數(shù)碼管顯示的就是實(shí)際數(shù)值。對(duì)比操作臺(tái)屏幕顯示的拉力數(shù)值與拉力計(jì)的數(shù)值，若有 5 t以內(nèi)的偏差，可以通過調(diào)整屏幕拉力最大值進(jìn)行修正；如顯示拉力偏小，則需將拉力最大值改大。

將變送器的接線恢復(fù)，至此完成了負(fù)荷傳感器的校準(zhǔn)工作。

錨機(jī)拉力傳感器是一個(gè)模擬量的傳感器，模擬量傳感器的零位和量程調(diào)整是相關(guān)聯(lián)的，調(diào)整一個(gè)值會(huì)改變另一個(gè)值。因此標(biāo)定是一個(gè)設(shè)置零點(diǎn)和調(diào)整量程的迭代過程，通常需要反復(fù)設(shè)置2～3次，直到標(biāo)定值在允許公差范圍內(nèi)[7]。

5" " 結(jié)束語(yǔ)

傳感器是錨機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)必不可缺的組成部分，通過“中油海17”鉆井平臺(tái)新裝國(guó)產(chǎn)錨機(jī)拉力傳感器，總結(jié)了傳感器電氣和機(jī)械安裝方面的注意事項(xiàng)，分析了傳感器故障原因；對(duì)國(guó)產(chǎn)傳感器進(jìn)行零噸位標(biāo)定和載荷校準(zhǔn)操作，使傳感器達(dá)到精度要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)口錨機(jī)拉力傳感器的國(guó)產(chǎn)化替代，減少了錨機(jī)拉力傳感器采購(gòu)周期和成本。事實(shí)證明，國(guó)產(chǎn)傳感器能夠適應(yīng)海上高鹽高濕的工作環(huán)境，性能穩(wěn)定可靠，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

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作者簡(jiǎn)介：

王棟華（1983—），男，河北灤縣人，工程師，2006年畢業(yè)于西南石油大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)主要從事自升式鉆井平臺(tái)電氣方面的管理和維護(hù)工作。Email：13752275330@139.com

編輯：楊秀蘭