0 引言

随着我国大洋勘探及天然气水合物试采进程的加快，对海底取样作业的连续性和稳定性要求也越来越高。现今的深水取样作业通常采取在钻杆中下放和回收取样器进行取样，部分取样过程要求钻杆对地层产生一定的下压力，从而将取样器压入地层进行取样。由于钻柱升沉补偿装置并不能完全抵消船体升沉运动对取样过程的影响，取样器与井底容易发生脱离使钻杆下压力施加不稳定，进而导致取上来的样品连续性和保存率达不到指标。海底基盘因其自带夹持钻杆功能解决了取样过程中下压力施加不稳定的问题。海底基盘通常由基盘架体、海底动力单元、通信单元、监控单元及配重等组成^[1-2]，由于自身的重力和附属配置，海底基盘在固定井口、夹持钻杆、监控和定位井口方面有着不可替代的作用。

在海底基盘的研究领域，国外公司和学者进行了大量研究，其中荷兰FUGRO公司和美国CAMERON公司的产品均较为成熟^[3]。在国内，贾俊梁^[4]、杨红刚^[5]及赵尔信^[6]等依托国家科技重大专项“深水工程勘察船及配套技术”完成了国内首台套3 000 m水深海底基盘的设计和实船应用，取得了良好的使用效果。

海底基盘夹持钻杆主要通过海底钳来实施，海底钳由钳体和夹持液缸组成，海底动力单元负责为海底钳和附属设备提供动力，通常采用海底液压系统来传递能量。由于外界海水的压力，为液压系统和控制系统设计厚重的密封舱在经济性和质量方面均不可行，设计人员往往采用压力补偿器来抵消外界海水的压力。对于压力补偿器的研究，李延民^[7]提出了用于海底液压回路的压力补偿单元的性能要求；王峰等^[8-10]搭建了压力补偿器的数学模型，分析了补偿压力对液压伺服控制系统精度的影响，为压力补偿器的建模提供了理论依据。

笔者在广泛调研和充分吸收相关研究的基础上，进行了海底基盘液压系统的设计研究，利用AMESim软件分析压力补偿器设计及选型的关键影响因素，并搭建了海底基盘电-液联合仿真模型，在海底相应温度和水压下研究海底基盘的运行情况，同时进行能耗分析，提出了能耗改进措施，所得结果可为后续产品的计算和设计优化提供依据。

1 技术分析

海底钳的夹持和松开是保障海底基盘基本功能的前提，海底基盘液压系统原理如图 1所示。当海底基盘在水下正常工作时，由动力舱内部的蓄电池组为系统提供动力。阀板舱集成了控制阀和溢流阀，可实现液压泵顺利启动、海底钳夹持和松开、防止系统超压的功能。高压蓄能器主要为海底钳保压，确保海底钳的夹持力维持在一定范围，以便于进行稳定的取样以及通过钻杆提升下放海底基盘。压力补偿器为海底基盘液压系统的关键元器件，主要功能是维持液压油箱和动力舱内部压力高于外界海水压力，避免海水进入舱室内影响设备使用。由于压力补偿器的引入，舱室不需要做完全密封结构，降低了生产制造难度。

在海底取样作业时，要求海底钳保持夹紧状态，取样完成之后松开海底钳，海底基盘的海底工作时间由取样时间来决定。海底基盘由锂电池组供电，如果出现电量不足的情况，将无法进行夹持松开操作和监控功能。提升海底基盘往往需要拆卸钻杆，作业量较大，这样将严重影响海上作业进程。因此，单次充满电之后要求可确保的海底取样次数不低于200次。

作业水深对海底基盘设计的影响主要体现在海水压力和温度两个方面。其中，海水压力直接影响压力补偿器和蓄能器的设计。海水温度影响海底动力电池组、直流电机以及高压蓄能器的设计。

2 压力补偿器设计研究 2.1 压力补偿器模型

压力补偿器结构如图 2所示。依据图 2所示的压力补偿器结构建立相应的数学模型，如图 3所示。

活塞具有一定质量，压力补偿器放置的方位不同时，活塞组件的质量对活塞受力也有所不同。为便于分析，将压力补偿器竖直放置。

活塞达到稳定状态时的平衡方程为：

(1)

式中：p_hyd为压力补偿器内部压力，A_p为活塞有效面积，m_p为活塞组件总质量，p_sea为海水压力，K_s为弹簧刚度，x₀为弹簧预压缩量，x为弹簧实际压缩量，H为补偿活塞总行程。

从式(1)可以看出，由于弹簧的预压缩，压力补偿器的补偿压力始终高于外界海水压力。补偿压力由弹簧刚度、活塞面积、海水压力和预压缩量共同决定，水深一定的前提下，补偿压力保持恒定。但是，补偿器在实际使用过程中，往往与油箱或设备舱室等耐压舱相连，相应补偿容积的加大会对弹簧的相对伸长量产生影响，进而导致补偿压力发生变化。

2.2 压力补偿器仿真分析

利用AMESim软件建立压力补偿器模型^[11-13]，分析压力补偿器设计选型影响因子。压力补偿器仿真模型如图 4所示。

补偿器上腔连接压力源p₁模拟海水压力，下腔与容积腔连接模拟海底基盘的耐压舱，通过恒流源模拟预充过程。p₀为预充压力，该压力可使补偿器弹簧处于完全压缩状态。弹簧刚度为K_s，容积腔体积为V₀。相应的参数为：内外压差Δp_max=0.1 MPa，活塞直径d=200 mm，活塞质量m_p=0.2 kg，节流口通径为10 mm。

在满足要求的内外压差前提下，分析不同弹簧刚度对最大内外压差的影响，以压力补偿器弹簧完全压缩状态为最大内外压差，刚度计算公式遵循式(1)。其中，p_hyd取0.1 MPa，p_sea取0.0 MPa，设定补偿器容积为活塞达到预压缩量x₀时充入补偿器油液的体积，得到不同的补偿器容积和弹簧刚度的对应关系，如图 5所示。

设定容积腔V₀的体积为100 L，充油流量为20 L/min，充油溢流阀调定压力0.2 MPa，充油时间80 s，80 s之后p₁从0 MPa在40 s之内加载至30 MPa。以6、8、10、12及15 L共5个补偿器容积带入批处理运行程序，补偿器容积在加压过程中内外压差的关系如图 6所示。

由图 6可知：曲线前半段为充油过程，补偿器容积对于充油时间有一定影响，由于溢流阀的溢流，补偿器充满油之后压力升高至0.2 MPa，故在设计油箱或设备舱室时，最大耐压能力需提高至0.2 MPa；曲线后半段为海水加压过程，由于容积腔分担了大部分油液体积，补偿器容积对于液体压缩引起的压差变化影响较小。

以10 L的补偿器为原型，分析不同耐压舱容积在加压过程中内外压差和活塞位移的关系。以20、50、80、100及150 L共5个值带入批处理运行程序，得到的结果如图 7所示。

由图 7数据可知：耐压舱容积对于充油时补偿器最大内外压差影响较小；当下放至海水中时，随着海水压力的升高，压差逐渐减小，且容积腔越大，压差减小得越快。

3 实例分析及应用 3.1 模型搭建

以某勘察船海底基盘为研究依托，在AMESim平台上搭建其基盘液压、电池组及驱动模型，如图 8所示。海水压力通过压力补偿器作用在动力舱、油箱、阀板舱和液缸活塞杆，利用电气模块搭建蓄电池和直流电机驱动模型，蓄电池采用锂电池组。通过连续地夹持和松开模拟海底基盘的运动过程以及能耗情况。以一次夹持和松开为一个工作循环。其中，海底钳夹持流程为：夹持信号→电源供电→液缸伸出→蓄能器充压至相对压力27 MPa→切断电源；海底钳松开流程为：松开信号→蓄能器泄压→液缸缩回。

模型部分参数：液缸内径为140 mm，活塞直径为100 mm，活塞行程为1 500 mm，油箱容积为50 L，阀板舱容积为15 L，动力舱容积为125 L，高压蓄能器2只，单只容积为10 L，电机功率为5.5 kW，蓄电池规格为100.0×14.0×2.3 A·h，压力补偿器2只，单只容积为10 L。

3.2 海底钳运行仿真

设定液压系统充油时间为80 s，然后加载海水压力30 MPa，100 s时发出海底钳夹持指令，200 s时发出海底钳松开指令，300 s时再次夹紧，400 s时松开，运行两个循环。仿真总时间400 s，步长为1 s，得到的仿真运行结果如图 9、图 10和图 11所示。

由图 9可知，液缸的伸出和缩回行程一致。液缸伸出时为泵供油，缩回时由蓄能器供油，伸出过程速度比缩回过程速度快，可通过调节蓄能器出口节流口开度调节液缸缩回速度。模型中蓄能器的设定条件为：充氮气，预充压力30 MPa，工作在绝热过程，绝热系数取1.4。由图 10可知，在3 000 m水深环境下，蓄能器内部空气绝对压力最高可达57 MPa，这里未考虑温度和压力对绝热系数的影响，在实际设计过程中，蓄能器内部最高压力将作为重点选型依据。由图 11可以看出，在工作时，电机电流最大可至13 A，电压350 V左右，相应的电缆、电气开关元件的选型可以此为依据。

3.3 温度对系统的影响

以我国南海为例，其海平面海水平均温度为25 ℃，水深在3 000 m处温度为2 ℃。海水温度对系统的影响主要体现在蓄电池的放电方面，这里不考虑长期低温下放电对蓄电池寿命的影响。以不同水深对应的20、15、10、5及2 ℃ 5个温度值带入模型程序进行批处理运算，分析一次夹紧工况下蓄电池放电情况。

仿真结果显示，海水温度对蓄电池的放电电压影响较大，对放电电流的影响可以忽略。海水温度对蓄电池放电电压的影响如图 12所示。由图 12可知，海水温度对蓄电池的影响主要体现在高、低负载两种工作区域：当蓄电池处于低负载或无负载时，蓄电池输出电压随着温度的降低而增加；当蓄电池处于高负载时，输出电压随着负载的增加而变小，且温度越低下降得越快。电机转速和电压有着直接关系，如图 13所示。由图 13可知：在低负载时，电机转速随着温度的降低而升高；在高负载时，电机转速随着负载的增加而降低，且温度越低，下降得越快。

3.4 能耗分析

以3.1节中给定的蓄电池配置型式为依据，在3 000 m水深、2 ℃的环境下，忽略蓄电池的容量衰减，海底基盘下放之前充电程度为100%，分析单个和多个工作循环能耗以及电量消耗情况，结果如图 14和图 15所示。

由图 14和图 15数据可以得出：蓄电池能量主要消耗为系统加压过程，海底钳液缸在伸出过程中消耗能量较少，在液缸缩回时蓄能器的能量释放；每次海底钳夹紧时均要完成一次蓄能器的加压过程，蓄能器的加压过程将直接导致能耗的升高。单次运行耗电量在3%左右，运行18次工作循环之后，电池剩余电量从100%下降至94.8%，海底钳在一个工作循环内消耗的电量基本一致，模型中的电池组配置可实现360次的海底钳工作循环。

根据上述分析，为减小能耗，提升海底基盘的海底自持能力，在海底钳伸出和缩回工况上将蓄能器的作用改进，即蓄能器不参与海底钳的伸出和缩回，在蓄能器出口增加一只电磁阀，蓄能器仅起保压作用，海底钳的伸出和缩回仅通过液压系统提供能量。在关闭蓄能器出口电磁阀的执行过程中，需检测液缸的行程和液压系统的压力，液缸行程到达预定位置之后系统压力超过27 MPa，电池组停止供电，同时蓄能器电池阀打开，为海底钳保压，按照此流程进行仿真得到的仿真结果如图 16所示。由图 16可知，改善控制策略后的海底基盘能耗下降明显。

4 结论与建议

(1) 压力补偿器自身特性使工作舱室内部压力高于外界海水压力成为可能。海底基盘设备舱室的最高耐压压力应根据补偿器、管线和充油溢流阀等共同决定，在设计计算时需充分考虑。

(2) 水下液压系统动力单元的蓄电池放电电压和电机转速与蓄电池的工作负载有关，具体表现为：轻载时，温度越低，蓄电池放电电压越高，电机转速越快；蓄电池放电电压和电机转速随着负载的增加而变小，且温度越低，下降得越快。

(3) 海底基盘电池组能量主要消耗在为蓄能器充液上，适当改进海底基盘的工作流程，在保障安全的前提下，可大幅提升其在海底的水下自持能力。

(4) 建议后续开展低温环境下海底基盘电池组全生命周期研究，进行海底环境对高压蓄能器充放气分析，进一步优化海底基盘的设计。