摘" " 要：錨機主要用于鉆井平臺拖航和就位，“中油海17”鉆井平臺配備4臺型號為AT40.000/E的錨機，錨機使用期間出現(xiàn)拉力傳感器故障導致設備報警而無法運行，通過實施錨機拉力傳感器的國產化替換，提高了設備可靠性，減少了設備維護周期。首先介紹了錨機的功能，而后通過現(xiàn)場故障實例分析引起拉力傳感器故障的原因，給出了錨機拉力傳感器電氣安裝和機械安裝方面的注意事項，最后詳細論述錨機拉力傳感器的零噸位標定和載荷校準操作方法，可為錨機現(xiàn)場設備維護人員快速排除拉力傳感器故障提供借鑒。

關鍵詞：錨機；標定；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

錨機是海洋石油鉆井平臺錨裝置中最重要的組成部分，是在鉆井平臺就位鉆井導管架平臺時起錨、拋錨的系泊設備，具有結構簡單、管理及維修方便、自動化操作程度高等優(yōu)點[1]。

1" " 錨機功能簡介

“中油海17”鉆井平臺配備了4臺型號為AT40.000/E的錨機，錨機安裝在鉆井平臺主甲板的四個角，初始使用時間為2016年5月，其整體外觀如圖1所示。

錨機的主電機功率為90 kW，油泵電機的功率為4 kW；錨機主電機上和滾筒上配有編碼器，分別用來計算電機的轉速及滾筒上繩子的長度，并且配有制動電阻；錨機主電機采用施耐德變頻器控制實現(xiàn)無極調速；錨機配備有拉力傳感器，通過拉力傳感器在錨機操控臺觸摸屏上可實時顯示錨纜繩的拉力值，當錨纜繩拉力值超過設定值時錨機將報警并停止動作。

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

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

2018年6月，即“中油海17”鉆井平臺錨機運行2年后，使用過程中工作人員發(fā)現(xiàn)錨機手柄操作時無法動作，并且在錨機的操作屏顯示“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錨機拉力傳感器輸入、輸出電阻進行測量，與出廠檢驗值進行比對發(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拉力傳感器橋路破壞[3]：傳感器內部電器連線開路或短路；傳感器器件燒損；傳感器電子元氣件受潮或受到化學腐蝕，傳感器內部線路、彈性體、屏蔽間出現(xiàn)短路，其阻值降低，往往低于100 Ω；傳感器內部電器連接上出現(xiàn)虛焊；傳感器內部的應變計或其他粘貼件的膠層遭受破壞。

將“中油海17”鉆井平臺出現(xiàn)故障的拉力傳感器從錨機拆下后，使用萬用表分別測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)過測量得出的數(shù)據(jù)表明錨機拉力傳感器內部電器連線開路，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)故障的錨機拉力傳感器廠家為意大利ADOS公司，該公司專注于工業(yè)領域測力和稱重產品的開發(fā)、制造和應用，并已成為該領域的國際知名品牌。但是該進口傳感器的故障率高，且進口設備采購周期長，經(jīng)咨詢國內錨機拉力傳感器制造廠家，對比進口與國產傳感器的尺寸和參數(shù)，最終決定采用國產化傳感器替代進口傳感器。

拉力傳感器實際上是一種將質量信號轉變?yōu)榭蓽y量的電信號并輸出的裝置。錨機拉力傳感器國產化至關重要的一點是要考慮傳感器所處的實際工作環(huán)境，它關系到傳感器能否正常工作以及使用安全和壽命，乃至整個錨機的可靠性和安全性[4]。

3" " 錨機拉力傳感器拆裝注意事項和步驟

3.1" " 電氣方面注意事項

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

2）錨機傳感器信號線電纜接頭應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接對錫焊端頭，則應對接線的密封防潮予以特別注意。

3）如果錨機傳感器信號電纜線敷設的距離超過100 m，為保證測量精度，可以考慮采用帶有中繼放大器的電纜補償電路。

4）所有錨機傳感器到載荷變送模塊的信號電纜和變送模塊到顯示屏幕的電纜，均應采用屏蔽電纜。屏蔽線的連接及接地點應符合相關標準要求。

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

3.2" " "機械方面注意事項

1）錨機拉力傳感器移動過程中應輕拿輕放，對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，對其計量性能均可能造成極大損害。對于大容量的電阻應變式重量傳感器，通常情況下其自重較大，進而要求在搬運、安裝時應使用適當?shù)氖掷J、電動葫蘆等起吊設備[5]。

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

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

4）要注意的是，即使是短時間的超載也可能會造成傳感器永久損壞，因此在拉力傳感器系統(tǒng)安裝過程中應防止傳感器超載。為防止超載，可先用一個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" " "錨機國產拉力傳感器安裝步驟

錨機國產拉力傳感器安裝步驟：首先用平臺吊機的鋼絲繩吊住錨，接著使用吊機將錨提起，此時錨纜繩不受力，錨機的實際載荷為0；斷開錨機電源，拆掉傳感器的接線。平臺現(xiàn)場制作工裝如圖3所示，用兩臺千斤頂將舊傳感器拔出；最后清理傳感器的孔洞，新傳感器抹上潤滑脂，將其定位安裝，連接好傳感器接線。

4" " 錨機國產拉力傳感器標定方法

傳感器工廠制作完成后信號就已經(jīng)基本固定，但在存儲、運輸和組裝過程中受冷、熱、震動、濕度等影響，其響應及讀數(shù)可能與實際值有偏差，為保證實際值準確地傳遞給控制系統(tǒng)，需要對傳感器進行標定[6]。

拉力傳感器的標定方法有多種，應根據(jù)傳感器的類型和應用領域確定，選擇正確的標定方法可有效修正測量值，保持其準確性。標定是對傳感器進行的一次或一組調整，“中油海17”鉆井平臺新裝錨機拉力傳感器標定選用零噸位標定方法和載荷校準方法。

4.1" " 錨機拉力傳感器零噸位標定方法

拉力傳感器零噸位標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，標定步驟主要包括以下幾個方面。

1）吊機將錨提起，錨纜繩不受力。保證錨機拉力傳感器無負載，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定，出現(xiàn)如圖8所示的界面。

4.2" " 錨機國產拉力傳感器載荷校準方法

使用標準物體或已知物理量進行校準，例如使用已知重量的物體對稱衡量壓力傳感器的輸出。對于模擬量傳感器，其設有零點和量程調整電位計。當傳感器輸入0%時，調整零點將輸出電流精確地調整到4 mA；而當傳感器輸入為100%時，調整零點將輸出電流精確地調整到20 mA。

錨機拉力傳感器的載荷校準主要包括以下幾個步驟。

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

2）以負載實際重量為準，對load sell進行校準。

如果此時load sell 的讀數(shù)比實際拉力值偏大，讀取拉力傳感器的讀數(shù)，假設為7.5 t；讀取操作臺屏幕上的拉力讀數(shù)，假設為24.28 t。用大數(shù)值÷小數(shù)值，即：24.28÷7.5≈3.24，然后經(jīng)進一步計算可得：5 000×3.24≈16 200。

順時針調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入錯誤菜單，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，會出現(xiàn)一串數(shù)字和字母的交替閃爍畫面；長按“INC”鍵，數(shù)字會一直增加，同時數(shù)字和字母仍然會交替閃爍；增加到5 000后，數(shù)字會變到0后重新增加，這時需要按“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至最小，數(shù)碼管顯示的就是實際數(shù)值。對比操作臺屏幕顯示的拉力數(shù)值與拉力計的數(shù)值，若有 5 t以內的偏差，可以通過調整屏幕拉力最大值進行修正；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，至此完成了負荷傳感器的校準工作。

錨機拉力傳感器是一個模擬量的傳感器，模擬量傳感器的零位和量程調整是相關聯(lián)的，調整一個值會改變另一個值。因此標定是一個設置零點和調整量程的迭代過程，通常需要反復設置2～3次，直到標定值在允許公差范圍內[7]。

5" " 結束語

傳感器是錨機自動化控制系統(tǒng)必不可缺的組成部分，通過“中油海17”鉆井平臺新裝國產錨機拉力傳感器，總結了傳感器電氣和機械安裝方面的注意事項，分析了傳感器故障原因；對國產傳感器進行零噸位標定和載荷校準操作，使傳感器達到精度要求，實現(xiàn)對進口錨機拉力傳感器的國產化替代，減少了錨機拉力傳感器采購周期和成本。事實證明，國產傳感器能夠適應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)場使用要求。

參考文獻

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[3]" 高智超，史衛(wèi)波，安浩，等.錨泊系統(tǒng)在自升式鉆井平臺的應用及分析[J].機械工程師，2018（9）：137-139.

[4]" 鄭麗華，于方濤，馮競，等.海上平臺錨機監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].自動化與儀表2009，24（9）：33-35.

[5]" 麻楚霞.工業(yè)電阻應變式稱重變送器的研究與設計[D].昆明：昆明理工大學，2006.

[6]" 王國，戴亮，趙鑫磊，等.簡述海洋石油鉆井平臺電動錨機安裝工藝[J].中國海洋平臺，2012（S1）：6-9.

[7]" 趙晶瑞，馮瑋，杜慶貴.半潛式鉆井平臺錨泊系統(tǒng)設計與試驗驗證[J].艦船科學技術，2016，38（8）：62-66.

作者簡介：

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

編輯：楊秀蘭