在役石油井架安全预警系统研制及实验.pdf

2 8 誊 ★ 石 油 化 工 安 全 环保 技 术★ P E T R O C H E MI C A L S A F E T Y A N D E N V I R O N ME N T A L P R O T E C T I O N T E C H N O L O G Y 2 0 1 5年 第 3 l卷第 5期 在役石油井架安全预警系统研制及实验 孙 伟，张 浩，刘 甲方 ，柳登瀚，陈 科 中国石油化工股份有限公司胜利油田分公 司，山东 东营 2 5 7 0 6 1 摘 要 为了实时监测钻井井架在钻 井作业各个环节的应力 ，研制 了在役石油 井架安全 预警系统，设计了长期监测应 变传感器和数据采集模块 ，并进行 了稳定性试验和线性度测定 ； 编制了控制 系统软件，各硬件和软件 的稳定性均能满足监测 系统设计 需要。该预警 系统在钻 井井架进行 了安装对比试验 ，与传统应变片检测的应力值相差在 5 ％以内，实时监测数据满足 工程测 试 的设 计要 求 。 关键词 井架安全预警监测传感器 在长期使用 过 程 中，石油 钻井 井架 由于拆 装、运输、风载和腐蚀等各种 因素的影响，杆 件 、杆件问连接及整体都会 出现不 同程度 的损伤 缺陷 ，可能引起结构尺寸 、材料性能及振动特征 的变化 ，使井架 的力学性 能与原设计差别较 大 ， 承载能力降低 ，不能满足工作要求 ，从 而导致安 全载荷的未知 ，造成生产安全隐患 ，甚至倒塌事 故 的发生。 目前国内通常是按照石油行业标准 ，用 电测 法定期对井架承载能力进行检测 。通过对井架 施加较大载荷 ，测量其在一定载荷下的应力 、位 移等特性 ，来推算其安全承载能力 ，检测周期 为 3年左右 。该方法主要存 在两方 面不足 一 是 在现场检测过程 中，受现场条件所限 ，有许多受 力较大的部位不能一一布点测试 ；二是测试周期 长 ，期问井架 因为安装 不当 、受伤，导致井架 承 载能力发生改变 ，钻机使用单位无法及时得知。 因此开发一套在线井架受力监测系统 ，可以 按照用户需 求和井 架结 构在受 力较大 的位置 布 点 ，在各种工况下 ，提供井架实时受力数据，在 井架超 载时及 时报警 ，以防止重 大安全 事故 发 生 ，对深井探井作业具有重大的意义。 1 监测 系统设计方案 如图 1 所示，监测系统设计方案由应力传感 器 、无线数据发射模块 、无线数据接收 网关 、现 场监控计算机、监测控制软件 、信号分析软件组 成 。现场通过基于 2 ． 4 G无线 网络 8 0 2 ． 1 5 ． 4无线 协议的各无线传感器节点对井架立柱受力产生的 变形进行测量 ，通过无线 网关汇集 到现场监控计 算机上进行统计 、显示 、存储及分析 ，并可在井 架变形过大的时候及时报警 。 一 誓 GP RS 网关 图 1 井架受力监测 系统设计方案 2 监测应变传感器的稳定性试验 对长期应用的传感器及应变片进行稳定性测 试 ，以测定其在一定环境温度范 围内的稳定 可靠 性 ，以得 到其 自身的零 点漂移 、温 度补偿 能力 、 输出稳定能力等特性。 收稿日期2 0 1 41 2 2 4 。 作者简介孙伟，男，1 9 9 9年毕业于青岛大学机械 电子工程专业，2 0 0 6年获得浙江大学机械设计工程 硕士学位，现在技术检测 中心从事石油设备检测评 估工作，高级工程师。E - ma i l s h a r k s u n 1 2 6 ．c om 2 0 1 5年第 3 1 卷 第 5期 ★ 孙伟等．在役 石油 井架安全预警 系统研 制及 实验 ★ 2 ． 1 试验方法 1 将位移传感器 以下称为 s 、钢结构传感 器 以下称为 G 、应变片与石英玻璃板粘接在一 起 ，s与 G使用 A B胶粘接 ，应变 片使用 5 0 2胶 粘接 ； 2 应变 片采 用二 线制 1 ／ 4桥测 量 形式 ，与 S G 4 0 4连接 ；S与 G采 用全 桥，与 S G 4 0 4连接。 S G 4 0 4 、T C 4 0 2与 P WR 1 0 1连接 ，以确保长期工作 ； 3 石英玻 璃块 与无线 传感器 置于 高低 温箱 内，并将一组 2个 s ，2个 G 悬空传感器一同放 入高低温箱内； 4 高低 温箱 处 于两 个 状 态 3 0 c lC及 室 温 1 8℃ ，全程使 用 T C 4 0 2 接 P T 1 0 0 进行温 度 监控 ； 5 每个温度状态保持不小于 8小时 ，以确保 温度平衡 ，进行 不少于 2组 1次 3 0℃ ，1次室 温为 1组 温度循环。 2 ． 2 数据分析 1 数据说明 图1 为固定在石英玻璃板上的钢结构传感器 G ； 图2 为固定在石英玻璃板上的位移传感器 s ； 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 00 5 0 0 0 0 l 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 图 1 固定在石英玻璃板上的钢结构传感器 G 的位移传感器 图3 悬置在高低温箱内的钢结构传感器 ∞ ∞ ∞ 加 O ∞ 如 加 0 m 加 3 0 ★ 石油化工安全环保技 术 ★ 2 0 1 5年第 3 1 卷 第 5期 0 l 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 00 0 5 0 0 0 图4 悬置在高低温箱内的位移传感器 图3 为悬置在高低温箱内的钢结构传感器 G ； 图4 为悬置在高低温箱内的位移传感器 S 。 2 数据图示 横坐标单位为分钟，纵坐标单 位 为微应变 和摄 氏度 ，黑 色 曲线 为传 感器 输 出 微应变 ，红色曲线为温度输出通道 摄氏度 3 固定在石英板上的传感器分析 a ． 从固定的两组传感器上看，钢结构传感器 对温度曲线表现 出比较好 的重合性 ，且温度输 出 的变化值较小 ，固定在石英板上 的温度稳定性 比 较好 ，在温度稳定状态下输 出平衡 速度 比较快 。 B曲线有一定向上漂移趋势 。A曲线变化 4 0个微 应变 ，B曲线变化 9 0个微应变 ； b ． 两个位移传感器的曲线比较一致，与钢结 构相比热输出比较大，稳定过程较长 ，且在室温 状态下稳定趋势陡峭，且一 直未达到平衡 ，在最 后一次 室温状态 下 时，曲线 一直在 缓慢 向下 变 化。两条 曲线变化在 1 7 5微应变左右。 4 悬挂的传感器分析 a ．钢结构传 感器 表现 出很 小 的温度 输 出特 性 ，且重复性好 ，变化在 5个微应变左右 ，且与 温度的契合性好 ； b ．位移传感器 I 号与 2号的温度感应性一致 ， 但是二号的表现曲线变化激烈却输 出小 ，为 7 0个 微应变，且出现室温状态下的单向温度漂移，1 号 的图形规整 ，且温度感应快，输 出 2 7 5个微应变 ， 变化较大，但温度稳定时其状态也很稳定。 5 总结 钢结构传感器的温度稳定性较好 ，且 随温度 的变化小 ，4个样本 的一致性较好 ，出现一个样 本有温度漂移 ；应变片传感器从 3个样本 的反应 上看 ，其随温度 的变化较大 ，且在稳定状态下 的 稳定时问长，在室温状 态下 出现漂移，仅有一个 表现出较好的曲线。钢结构传感器温度补偿电路 整体表现优于应变片传感器。 3 数据采集模块的稳定性试验 3 ． 1 线性度测定 在稳定 的温度条件下 ，温度稳定 3 0分钟 ，进 行 5分钟零位采集 ，之 后将标准应变输 出 8 0 0 0 微应变，对应无线应变仪每通道变化 1 2 8 1 3 微应 变左右 参考等臂全桥桥路系数 0 ． 6 2 4 3 6 ，连续 采集 1 小时后将标准应变仪置零 ，改变温度后重 复以上操作 ，直至完成全部温度循环。 表 1 线性度测定数据 标准应变仪 标准应变仪 含桥路 系数 通道 温度／ ℃ 0输 出 8 K输 出 去零点 8 71 9 1 1 7 3 1 2 5 7 6 7 9 6 0 8 71 9 _ 2 1 49 l 2 9 O 3 7 9 6 3 2 0 8 7l 9- 3 3 7 7 1 3 1 2 5 7 9 5 9 8 71 9 - 4 一l 1 4 l 2 6 3 9 7 9 6 2 8 71 9一 l l 7 2 l 2 5 9 6 7 9 7 5 8 71 9 - 2 1 5 0 l 2 9 2 3 7 9 7 l 一 2 O 8 71 9- 3 3 7 9 l 3 1 4 6 7 9 7 4 8 7l 94 一l 1 2 l 2 6 6 O 7 9 7 4 8 7l 9． 1 1 71 1 2 5 6 7 7 9 5 3 8 7l 9_ 2 l 5 0 l 2 8 9 4 7 9 5 7 5 0 8 7 1 9I 3 3 7 8 l 3 l 1 6 7 9 5 3 8 7 1 9_ 4 一l l 3 1 2 6 3 0 7 9 5 6 由表 1可见 在传感器输 出 0的情况 下，无 线应变节点 的零位基本是无变化 的，线形度偏移 在 0 ． 1 2 5 ％ 高温变小 ，低温变大 ，从变 化程 度上看 ，属于读数偏差 ，随温度变化无 明显零位 变化。 O 0 0 0 O 0 O O 如 加 In 2 0 1 5年 第 3 1卷第 5期 ★ 孙伟等．在役石油 井架安全预警 系统研 制及实验 ★ 3 ． 2长期连续采集试验 采用不问断采集 的方式 ，考验节点 的零位保 持，在连续工作状态下 以及温度 变化条件下 ，零 位不漂移 ，则可证 明节点在长期工作条件下 ，并 未因为无线应变节点 自身引入过多的数字变化 ，所 采集到的信号均为前端传感器的实际输出信号。 表 2 连续 采集数 据 日期 温度 8 7 l 9 。 1 8 7 1 9 ． 2 8 7 1 9 - 3 8 7 l 9 4 4月 2 7日 2 O℃ 0输出 一l 7 3 1 4 9 3 7 7 1 1 4 4月 2 7日 2 O℃ 8 k输 出 1 2 5 7 6 1 2 9 0 3 1 3 1 2 5 1 2 6 3 9 4月 2 7日 5 O℃ 0输 出 一1 7 2 l 5 0 3 7 8 一l l 3 4月 2 8日 一2 O℃ 8 k输出 1 2 5 9 6 1 2 9 2 3 1 3 1 4 5 1 2 6 6 0 5月 1日 2 4 ． 9℃ 8 k输 出 1 2 5 7 5 l 2 9 0 3 l 3 1 2 5 l 2 6 3 9 5月 2日 2 4 ． 3℃ 8 k输出 1 2 5 7 5 l 2 9 0 3 1 3 l 2 5 1 2 6 3 9 5月 2日 5 O℃ 0输出 一1 7 1 1 5 l 3 7 9 一l 】 3 5月 2日 5 0℃ 8 k输出 1 2 5 6 7 1 2 8 9 4 1 3 1 l 5 1 2 6 3 0 5月 2日 一 2 0 q C 0输出 一1 7 2 l 5 1 3 7 9 一l l 2 5月 2日 一 2 0℃ 8 k输出 1 2 5 9 5 1 2 9 2 3 l 3 1 4 6 1 2 6 6 0 5 月 2日 2 6 ． 6℃0输出 一 1 7 3 1 5 0 3 7 8 一 l 1 4 5月 3日 2 6 ． 4℃ 0输出 一1 7 3 1 5 0 3 7 8 1 1 4 由此可见 ，当外接标 准源处 于稳 定状态 时， 无线应 变节 点基本 无输 出漂 移 ，除线性 度变 化 外 ，实际标准零位 未发 生超过 2微应变 的偏 移 ， 且和温度具有相关性 ，会在相 同温度点 回归 ，保 持原有零位。 4 软件控制系统 监测控制软件 系统 由主接 口子系统、数据源 子系统 、数 据记 录子 系统 、数据 显示 子 系统组 成 。主接 口子系统是 B e e D a t a 软件单机版的核心 ， 它包括管理 、控制 、查看 、设 置 、记 录和显示 6 功能模块。管理功能模块实现 了对整个测量工程 的管理功能；控制功能模块实现 了对测量节点 的 启动 、停止 ，以及休 眠、唤醒等功能 ；查看功能 模块实现了对电池电量、通道设置、采样特性、 网络特性等的预览功能；设置功能模块实现了对 3 1 通讯端口、采样控制、采样信道、记录格式、网 络参数、信道校正、用户密码等的设置功能；记 录功能模块完成对记 录时间的设置及记录文件存 储路径的选 择 ，并把 消息传递给数据记 录模 块； 显示功能模 块完 成 了显 示信道 及显示 窗体 的选 择，并把消息传递给数据显示模块。数据源子系 统负责数据的收发及缓存。主要功能模块包括通 讯端口收发。配置文件读写，状态提示，文件记 录缓冲和信道记录缓冲等。数据记录子系统负责 把数据源子系统中的文件记 录缓冲模块 内部 的数 据转化成标准文件 。 B e e D a t a软件安装 到计算机上后 ，通过 “ 主 接 口”、“ 数据源” 、“ 数据记 录” 和 “ 数据显示 ” 4个子系统的协同工作，实现对无线传感器节点 的管理和控制 ，如图2所示。 主界面 数据记录 数据 显示 图 2 软件工作原理 5 现场安装试验 在某钻井公司 K型井架进行现场安装 ，并和 传统 的应 变片 测试应 力进 行加 载实 验对 比，见 表3 。使用应变片和监测传感器采集井架立柱同 一 部位的应变，相差最大为 4 ． 6 ％，应力值能够 满足工程测试需要。 表 3 传统应变片与监测传感器应力测试数据对比 5 0 0 K N实测／ ￡ 6 8 0 k N实测／ ￡ 8 8 0 k N实测／ L L 8 测点 应变片 传感器 误差． ％ 应变片 传感器 误差， ％ 应变片 传感器 误差， ％ 左 立柱 一4 9 ． 0 4 7 ． 1 3 ． 9 6 6 ． 5 6 3 ． 3 3 ． 3 8 6 ． O 一8 3 ． 2 3 ． 3 右立柱 一 5 4 ． 1 5 1 ． 8 4 ． 2 7 6 ． 3 7 2 ． 9 4 ． 6 9 5 ． 3 9 2 ． 5 3 ． 5 ★石油化工安全环保技术★ 2 0 1 5年第3 l 卷第5期 参考文献 [ 1 ] 王紫阳，杨本灵 ，胡建启 ，等．井架和底 座 承 载 能 力 测 试 及 安 全 性 评 估 方 法 研 究 [ J ] ．石油矿场机械 ，2 0 1 2 ，4 1 6 8 8 - 9 0 ． [ 2 ] S Y 6 3 2 6 --2 0 1 2石油钻机和修 井机 井架底 座承 载 能 力检 测 评 定 方 法及 分 级 规 范 [ S ] ． 上接第 1 6页 安全保护措施是否有效，是否需要增加新的保护 措施 ，并确定安全措施的风险降低 目标。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 张占奎．油气管道腐蚀失效预测及安全 可 靠 性 评 估 研 究 [ D] ． 天 津 天 津 大 学，2 0 0 6 ． 崔英 ，杨剑锋 ，刘文彬．基 于 HA Z O P和 L O P A半定量 风 险评 估 方 法 的 研 究 与应 用 [ J ] ．安 全 与 环 境 工 程，2 0 1 4 ，2 1 3 98 ． 1 0 2． 中国石油化工股份有限公 司青岛安全工程 研究 院． 石 油装 置 定 量 风 险 评 估 指 南 [ M] ．北京 中国石化出版社 ，2 0 0 7 4 2 ． G e u n Wo o n g Y u n， W i l l i a m J ． R o g e r s ， M． S a m Ma n na ． Ri s k a s s e s s me ri t o f I fNG i m一 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] p o ta t i o n t e r mi na l s u s i n g t h e Ba y e s i a n ’ L OPA me t h o d o l o g y[ J ] ．J o u rna l o f L o s s P r e v e n t i o n i n t h e P r o c e s s I n d u s t r i e s ，2 0 0 9，2 2 1 91 9 6． 王秀军，陶辉．H A Z O P分析 方 法在石 油 化工生产装置中的应 用 [ J ] ．安全、健康 和环境 ，2 0 0 5，5 2 6 - 9 ． 管杰，廖 海燕．保护层分析 L O P A 在炼 化生产 中的应 用 [ J ] ．安 全、健 康和 环 境 ，2 0 1 0 ，1 8 1 3 6 _ 3 8 ． 周荣义，李石林，刘何清．H A Z O P分析 中L O P A的应用研究 [ J ] ．中国安全科学 学报 ，2 0 1 0，2 0 7 7 6 - 8 1 ． 张 其 立． L O P A、F E I 、 H A Z O P的应 用与 集成研究 [ D] ．北京 清华大学，2 0 1 0 ．