钻井平台升降系统变频器故障排查方式的探讨

胡闻嘉 孟旭

摘要：随着变频升降系统在钻井平台上得到广泛运用，其稳定性成为重中之重。由于海工装备的特殊性，在远海一旦发生变频器故障，能否在短时间内排除故障，使系统恢复正常运行就尤为重要了。本文将根据作者从业10年的工作经验，对于最常见变频器故障排查方案进行分析探讨。

关键词：钻井平台;变频升降系统;变频器故障

一、引言

由上海振华重工自主研发的齿轮齿条式电控升降系统，已普遍应用在30余台JU2000E型钻井平台上，这些平台遍布国内外各大海域。通常，各家钻井公司会根据自身情况，要求设计方派遣专业工程师抵达作业现场进行技术支持。然而，随着近两年新冠疫情在全球蔓延，迫使工程师无法及时前往各个现场。在双方寻求新的合作模式过程中，远程技术服务正在逐渐替代常规的模式，成为主流。这无论对于用户还是工程师都是双重考验。作为用户，必须摈弃以往对于供应商的技术依赖，需要对升降系统有较为深刻的认识。而作为工程师，必须根据现场反馈的有限信息，提出既快速又准确的解决方案。

二、升降系统简介

JU2000E型钻井平台有3根桩腿，每根桩腿呈三角形，各个三角形的一角称为一个弦（chord）。每根弦上各自布置了6套升降装置，整船总计54套。

每台升降装置由一台变频电机、一套減速箱和一台制动器组成。通过对电机的控制，由减速箱作为传动链，将电机在高速侧的力矩转化到减速箱小齿轮的低速侧，带动桩腿齿条的上下运动。当升降系统停止运行时，由制动器在高速侧刹住电机，使得平台停止运行。

每根桩腿的18套升降装置，由一套NXI15006型变频器驱动。因此，作为升降系统的动力源，一旦变频器发生故障后，整个升降装置将处于“停滞”状态，需要第一时间排除掉故障。

三、故障排查风险

（一）故障的分类

升降系统的故障大致分为如下几类

1. I/O类故障

此类故障主要包括电气元器件的状态反馈与既定不符。比如：马达启动器跳闸、制动器接触器误动作、限位开关无正常反馈等。通常这些故障可以借助电气原理图、故障列表、PLC程序等迅速准确锁定故障源，通过远程指导，第一时间帮助用户解决问题，让系统恢复正常。

2.通讯类故障

此类故障主要由于某个通讯站如：CPU、I/O从站、变频器、绝对值编码器等通讯状态丢失导致。通常这些故障可以通过人机界面显示的实时通讯状态图锁定具体某个部件，再通过对其针对性的检查进行排除，亦可通过远程协助的方式帮助用户解决。

3.逻辑类故障

此类故障主要对读取的外部数据进行逻辑处理，以达到保护升降机械、电控装置的目的。比如：当一条弦内6台升降装置的力矩不平衡时，会有提示警告。又或者对操作人员不规范操作有可能引起系统损坏的行为进行程序上的约束。这些故障可以通过针对性的讲解，或者对于操作手册规范性的学习后，一一排除。

4.变频器故障

变频器作为整套升降电控系统的集成部件，其内部有着十分繁琐的硬件和软件构成。根据专用变频器手册，常见的故障有三十多种，得根据面板上的故障代码和变频器的具体现象逐步判断。一旦发生此类故障，如果用户对于变频器没有一定的知识储备，很难第一时间将最准确的信息反馈给工程师。即使工程师获取了准确的信息，对于每种故障的解决方案也大有不同。其复杂程度非前三类故障所能比拟。因此，如何简单有效的通过远程指导的方式帮助用户解决复杂的变频器故障成了服务工程师的一大课题。

（二）海上排查故障的风险

海工设备排查故障比起其他行业存在特殊性，尤其对于升降系统而言，一旦钻井平台处于非安全位置，而系统因为某个硬件损坏导致停机，并且不能在短时间内尽快解决的话，会带来重大损失，有时甚至危及人员及设备安全。主要包括以下四点：

1.作业待机损失

根据某石油公司统计，拖航期间停滞一天所产生的费用包括：3艘拖航用船、整船的生活用电、各个第三方公司人员派遣费用等，合计不低于40万美金。

2.海浪冲击船体的风险

当钻井平台长期处于漂浮状态时，会受到海浪冲击的影响。在极端恶劣天气下，整个平台会剧烈晃动，对于平台工作人员和设备带来影响甚至安全隐患。

3.插桩穿刺风险

钻井平台在插桩过程中发生穿刺并不罕见，此时需要通过升降桩腿，将平台调平。此时如果不幸发生变频器故障，如果在最短时间内不能将故障解除，很可能将造成平台倾覆的悲剧。

4.平台漫水风险

当操作人员选择低潮位拔桩的时候，若发生短时间内无法解决的变频器故障时，随着涨潮，在高潮位的潮水很可能没过甲板面，导致设备严重损坏，危及船员生命。

四、通用解决方案

如图2所示，一套变频器由4台NFE、2台INU和1台BCU组成。针对每个不同部件，在交机前由专员给用户理论培训和实际拆装讲解。根据近5年从各个平台现场的反馈汇总，其中测量板故障12起，风扇板故障4起，ASIC板故障3起，充电电阻故障1起，其他各类故障累积5起。由此可见，测量板故障在所有变频器故障中所占比例较高，需要引起重视。

在2020年4月，某钻井平台的升降系统出现变频器故障。面板上显示F3接地故障+F41IGBT过温故障。实际检查现场的电缆接地以及实测IGBT温度，均未发现异常。由此推断IGBT内部的测量板发生故障的可能性很大，其检测的数据与实际不符，属于“误动作”。一台INU包含U V W三相，每一相包含2个IGBT模块，每个模块中有1块测量板。而在面板上只能读出故障源在哪个INU里，而并不能明确是哪一相的哪块测量板发生了故障。这样就会存在以下的问题：

1.如果平台上有INU（三相）的整机备件该如何更换？

2.如果平台上有INU（单相）的备件该如何更换？

3.如果平台上只有IGBT的备件该如何更换？

答：

1.如果平台上有三相的整机备件，可以直接更换。整机的拆换最为简单，拆换后只需在新的PCB板卡内刷新程序即可。整机备件的价格超过100w人民币，整机的更换时间约为2个小时，更换过程较为简单，无需复杂的专业知识背景。

2.如果平台上只有单相的备件，必须一相相更换。每更换一相后需要用直流电源带电测试，如果更换相并非故障相，需重新更换。单相备件的价格约30w人民币，更换时间约为2-6个小时。更换过程相较更换整机更为复杂，并且有一定无法保证一次找到对应的故障相，耗费时间。

3.如果平台上只有IGBT的备件，必须一个个逐一更换并上电检测，如果更换的并非故障相，需要重新更换。单个IGBT模块价格约5w人民币，更换时间约为3-8个小时。由于IGBT位于整机深处，拆换需要相当的熟练度，第一次拆会非常费时。

由此可见，第一种方案最为简便，效率也最高。但是备件的价格很高，因一块测量板故障而更换整个三相INU代价太大，用户不会接受。后两种方案虽然不用更换整体，备件的价格相对便宜，但是更换过程对于专业要求较高，而且不能确保一次成功。

而在上文中提到，海上抢险，时间就是生命线。一旦在变频器发生故障的情况下，不巧发生了“穿刺”事件，若无法在短时间内将故障排除，将发生平台漫水，最终导致设备损坏，重则危及人员生命的情况。

五、使用NC-Drive软件解决方案

NC-Drive是一款Danfoss变频器配套使用软件。它具备下载、上传参数，记录抓拍波形，导出故障信息等功能。考虑到测量板本身在系统运行中，起到检测并传输数据的作用，而它的故障往往是因为板卡本身的防腐涂层或者电容个别损坏导致，原本正常的信息经过测量板的计算后，发生真实性的突变。结合NC-Drive的功能，试图通过抓拍这个突变值，准确定位故障相，由此即节省了备件费用，又能迅速地切除故障。

首先，将整个INU单元整体移出柜体平放，将直流电源接至母排的正负极，使用RS232线连接电脑和手操盒，打开NC-Drive软件，设置监控电流波形曲线，最后在控制盒中手动运行一段测试程序。

在测试故障变频器的过程中，可以清晰地看到V相的电流发生了明显突变（2149.4A），远高于正常相U（-40A）和W（0A）。整个测试过程仅仅耗时10分钟，便能高效的定位故障点。有的放矢更换V相的IGBT模块后，故障得以排除。整个筛查工作不到3个小时，对于工程师进过系统训练后，时间可以进一步缩短，同时又为用户节省了备件成本，一举两得。

六、两种方案的对比和总结

通过NC-Drive抓拍比对波形的方式来排查测量板故障，效率远远高于常规的方式。考虑到这种方式在钻井平台维保过程中具有很高的实际价值，它不仅可以帮助用户节省开支，又能准确定位故障点，可以说是筛查测量板故障的最优解。目前，公司已将该方案制作成教学PPT，通过给用户培训，提高他们的专业知识，在应急情况下能够从容地解决问题。

作者单位：胡闻嘉    孟旭    上海振华重工（集团）股份有限公司

胡闻嘉（1987.03-），男，汉族，浙江金华，本科，中级工程，研究方向：电气工程及其自动化。

参  考  文  献

[1]史洪旺. 分析钻井变频器设备管理及故障排除研究[J]. 湖南农机， 2017， 044（011）：71.

[2]王志昊， 杨守生， 刘鑫. 变频器在石油钻井行业中的常见故障及排除方法[J]. 中国石油和化工标准与质量， 2012（6）：1.

[3]罗辰. 简议变频驱动技术在钻井平台升降系统中的应用[J]. 中文科技期刊数据库（引文版）工程技术：00200-00201.

[4]许素蕾，吴富生. 自升式钻井平台升降装置型式技术分析[J]. 船舶工程， 2016（S1）：3.

[5]王凌云. 基于冗余技术的自升式海洋平台升降控制系统研究[D]. 江苏科技大学.

[6]李彦勇， 王郝平， 刘波，等. 变频器在海洋石油平台海水系统中的应用[J]. 电气应用， 2014（19）：3.

[7]齐赋宁， 刘政， 高斌. 基于移相变压器的谐波控制技术在400英尺鉆井平台的应用[J]. 城市建设理论研究（电子版）， 2013（36）.

[8]聂聪， 付鹏， 胡顺争，等. 浅谈自升式钻井平台升降系统的安装难点[C]// ‘2012中国钢结构行业大会论文集. 2012.

[9]田茂芹. 基于人工神经网络的变频器故障诊断系统的研究[D]. 沈阳工业大学， 2003.

[10]吕博. 基于STEP7自升式钻井平台锁紧装置控制系统设计[D]. 大连理工大学.

[11]徐超， 袁海萍. 海洋石油平台海水系统中变频器的应用[J]. 中国新技术新产品， 2015（5）：1.