自升式鉆井船樁腿鎖緊裝置的研發(fā)與應用

宋春旺

(中國海洋石油油田服務股份有限公司,北京 101149)

自升式鉆井船樁腿鎖緊裝置的研發(fā)與應用

宋春旺

(中國海洋石油油田服務股份有限公司,北京 101149)

介紹了新研發(fā)的自升式鉆井船樁腿鎖緊裝置,主要技術參數(shù)、工作原理以及結構特點;并介紹了新研發(fā)鎖緊裝置樣機的試驗方法、內容及結果。

自升式鉆井船;樁腿鎖緊裝置;動態(tài)負荷轉移;研發(fā)及應用

Abstract:The main parameters,working principle,and structural characteristics of the new developed leg fixation device for self-elevated drilling ship is introduced in this paper.And the test method,test items and results of the new developed leg fixation device is also introduced.

Key words:self-elevated drilling ship;leg fixation system;dynamic load transfer;study and application

0 引言

早期設計建造的自升式鉆井船上沒有安裝樁腿鎖緊裝置,隨著對海洋工程安全性要求的逐步提高,樁腿鎖緊裝置目前已經(jīng)被多數(shù)自升式鉆井船設計所采納。

樁腿鎖緊裝置主要作用是在自升式鉆井船升起后,使用傳動機構使鎖緊齒條與樁腿齒條嚙合,隨后將作用在升降系統(tǒng)上的平臺重量及環(huán)境、作業(yè)載荷轉移到鎖緊裝置上,從而達到在惡劣海況及鉆井作業(yè)等工況下提高作業(yè)安全、作業(yè)能力和保護升降系統(tǒng)的目的。

通過對L780 MODⅡ船型主要性能參數(shù)、作業(yè)海域氣象條件以及最新的行業(yè)規(guī)范要求的研究,中海油服與佛山精銦機械制造有限公司共同研發(fā)了新型自升式鉆井平臺鎖緊裝置。與原基本設計公司生產(chǎn)的鎖緊裝置相比,其區(qū)別如表1所示。

表1 基本設計公司鎖緊裝置與中海油服和佛山精銦公司開發(fā)研制鎖緊裝置對比表

防卡死能力 利用升降裝置消除卡死現(xiàn)象。 設備自帶動態(tài)負荷轉移能力,在解鎖時,該裝置能輕易消除卡死現(xiàn)象。液壓系統(tǒng) 單回路中壓系統(tǒng),結構簡單。除液壓馬達,液壓缸的驅動使用中壓系統(tǒng)外,還配有一套采用二次增壓原理的高壓系統(tǒng),用于驅動負荷轉移裝置。系統(tǒng)優(yōu)點 上下部螺桿傳動機構結構簡單。 兩組螺桿動作,操作迅速,可有效防止齒條卡死,作業(yè)效率更高;產(chǎn)品重量較小。系統(tǒng)缺點因螺桿副數(shù)量多,產(chǎn)品重量較大。同時因為要通過4根螺桿的運動才能完成鎖緊、解鎖操作,操作時間較長。上下楔形塊產(chǎn)生的水平分力需要通過底座傳遞到船體結構側壁,原船體相關結構需進行修改和加強。

由表1對比可以看出,中海油服與佛山精銦機械制造有限公司共同研發(fā)的應用于L780 MODⅡ船型的鎖緊裝置在防止齒條卡死、作業(yè)效率、系統(tǒng)重量方面具有優(yōu)勢。

圖1 鎖緊裝置示意圖

1 新研發(fā)鎖緊裝置主要技術參數(shù)

向上載荷保持力 ≥3 200 t/套

向下載荷保持力 ≥2 000 t/套

動態(tài)負荷轉移能力 ≥800 t/套

全船鎖緊裝置數(shù)量 9套

裝置全重 52 t/套

新研發(fā)鎖緊裝置工作原理:

自升式鉆井船每個樁腿的三個主弦管,各安裝一套鎖緊裝置(見圖1)。每個樁腿上的三套鎖緊裝置共用一套液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

樁腿鎖緊操作過程及原理:

1.鎖緊操作前,平臺升降到作業(yè)氣隙,然后開始鎖緊操作。

2.操作下部螺桿總成調整鎖緊齒的高度,利用側推油缸將鎖緊齒條推進樁腿齒條并嚙合良好,操作頂部油缸推動上楔塊下行,壓住鎖緊齒條;再操作上部螺桿總成,使上螺桿下行抵住上楔塊;操作下部螺桿總成使其與鎖緊齒條分離。至此,單弦管一側的預鎖緊操作完成。

3.以同樣順序操作另一側的鎖緊裝置與另外兩只弦管的鎖緊裝置,使其預鎖緊操作先后完成。

4.操作液壓系統(tǒng)給這條樁腿上三組鎖緊裝置加載,由于三組鎖緊裝置的上油缸是并聯(lián)回路,所以三組裝置中的6只上油缸的壓力相等,所產(chǎn)生的推力也是相等的。這個加載過程,就是動態(tài)負荷轉移過程。

5.當6只上油缸產(chǎn)生的總推力大于這條樁腿承受的平臺重量載荷時,原由升降裝置承受的載荷被轉移到由鎖緊裝置的頂部油缸承受。

6.此時,原來相互抵住的上楔塊和上螺桿之間再次產(chǎn)生微小的間隙,逐一操作6個上部螺桿總成,使上螺桿再次下行消除這一間隙。

7.操作液壓系統(tǒng)給6只上油缸卸載,使其承受的平臺重量載荷轉移到6只上部螺桿總成上,動態(tài)負荷轉移過程完畢后,這條樁腿的載荷全部由鎖緊裝置承接。

8.依次操縱6只下部螺桿總成向上托住鎖緊齒條,這條樁腿鎖緊操作完畢。

樁腿解鎖操作過程及原理:

1.在鎖緊裝置解鎖操作前,先確認每個樁腿的升降裝置剎車處于制動狀態(tài)。

2.依次操作下部螺桿總成,使其與鎖緊齒條分離。

3.操作液壓系統(tǒng)給這條樁腿上三組鎖緊裝置加載。

4.當6只上油缸產(chǎn)生的總推力大于這條樁腿承受的平臺重量載荷時,原由上部螺桿總成承受的載荷被完全轉移到由上油缸承受。

5.此時,原來相互抵住的上楔塊和上螺桿之間再次產(chǎn)生微小的間隙,逐一操作6個上部螺桿總成,使上螺桿再次下行進行分離。

6.操作液壓系統(tǒng),給6只上油缸卸載,原由鎖緊裝置承受的平臺重量載荷被釋放到升降裝置的剎車上。

7.操作側油缸將鎖緊齒條拉離樁腿齒條。

8.依次操作6個上部螺桿總成,上行復位;依次操縱下部螺桿總成,使其與鎖緊齒條接觸。至此解鎖操作完畢。

2 新研發(fā)鎖緊裝置結構特點

(1)動態(tài)負荷轉移功能

在鎖緊操作時,可以讓各樁腿主動將船體重量載荷由升降系統(tǒng)轉移到鎖緊裝置來承擔,而不產(chǎn)生明顯的高度位移,同時保證各套鎖緊裝置均勻承擔載荷。

在解鎖操作時,可以利用這個功能將重量載荷從鎖緊螺桿上卸載,使螺桿的驅動扭矩為最小,解鎖操作簡便快捷。

(2)7齒嚙合鎖緊齒條

該系統(tǒng)中鎖緊齒條采用7齒鎖緊齒條,降低了樁腿齒條的單齒負荷。同時鎖緊塊在材料選擇方面,通過熱處理控制屈服強度小于樁腿齒條的強度,保證在意外超載時的失效順序。

(3)上螺桿總成采用雙球鉸承載方式

鎖緊裝置的主承載機構采用多個球冠承載面承受復雜的載荷分力,該設計能夠消除由于長期的波動載荷而引發(fā)的內部張力,從根本上防止各運動部件之間的卡死現(xiàn)象。同時這一機構還能補償結構制造誤差及自升式鉆井船在長期處于作業(yè)狀態(tài)后形成的結構變形現(xiàn)象,保證各部件運轉平順。

(4)采用上下楔塊夾緊結構

①利用楔塊的支撐背板承受鎖緊時產(chǎn)生的水平分力,在垂直方向鎖緊的同時也完成了水平方向的鎖緊操作,這一設計比基本設計公司的鎖緊裝置設計節(jié)省了一半以上的操作時間;②上下楔塊采用高強度鋼材,熱處理后屈服應力高達790 MPa以上,保證性能的同時還降低了系統(tǒng)的重量;③驅動機構是由渦輪渦桿機構和鎖緊支撐螺母一體設計而成,相比行星輪減速機構具有重量輕、扭矩大、結構簡單易于維護的特點。

3 樣機試驗方法、內容及結論:

(1)試驗目的:

①驗證動態(tài)負荷轉移能力;②驗證利用動態(tài)負荷轉移能力,改善鎖緊裝置解鎖操作的效果;③驗證鎖緊裝置的承載能力是否能滿足平臺抗風暴載荷的要求;④驗證首次使用的浮動承載機構的效能;⑤驗證在上述極限工況下,機件、管線的承受能力和可靠性;⑥驗證電器裝置和控制程序的設計合理性;⑦利用試驗機裝置的應力應變測量裝置,對鎖緊裝置及模擬齒條的實際應力分布情況進行測量,將測量結果與有限元計算的結果進行比對,從而驗證有限元分析的邊界條件的合理性;⑧測試承載螺母螺桿機構在具備浮動能力之后的帶載荷解鎖能力,為今后的設計研發(fā)工作提供數(shù)據(jù);⑨試驗完成后進行樣機探傷。

(2)試驗方法:在工廠車間按1∶1比例制造原型試驗機及鎖緊裝置樣機(見圖2)各一套,并按照船級社審批的試驗大綱要求進行功能試驗和負荷試驗。

試驗機整套鎖緊裝置中最為重要的零件是鎖緊齒條和主齒條。經(jīng)有限元分析,鎖緊齒條和主齒條達到設計要求時,最大應力位置會出現(xiàn)在鎖緊塊和主齒條的齒根處。為了更直觀地了解在最大載荷(3 200 t)時主齒條的應力情況,采用應變電測法測量主齒條最大應力處的應力。試驗采用缸直徑為?630 mm的主缸加載。

(3)試驗主要內容:

①鎖緊裝置動態(tài)鎖緊能力測試;②負荷轉移能力測試;③解鎖能力測試;④鎖緊裝置靜態(tài)鎖緊能力(抗風暴)測試;⑤在最大鎖緊載荷3 200 t狀態(tài)下,鎖緊塊各個齒的受力情況測試,并與有限元分析結果進行比對。

(4)試驗結論及改進點

①主要承載部件(包括鎖緊齒條、上下油缸、上下螺桿總成、楔塊等)全部達到了設計載荷要求;②結構設計緊湊實用,可維護性高;③第一次采用的浮動承載結構效果好,提高了帶負荷解鎖能力;④整套鎖緊裝置超出技術要求的承載能力達到額定承載能力110%以上;⑤實際應力比有限元分析略小,殘余變形小,鎖緊條滿足強度和剛度的設計和使用要求;⑥鎖緊塊后退時,有向后傾倒的趨勢,試驗后對設計進行了修改,增加了縱向扶正裝置。

圖2 樁腿鎖緊裝置原型試驗機示意圖

4 結論

中海油服與佛山精銦機械制造有限公司共同研發(fā)的自升式鉆井平臺樁腿鎖緊裝置,通過嚴謹?shù)脑O計、試驗、加工制造,成功將這一技術成果應用于中海油服在建的4座L780 MODⅡ自升式鉆井平臺。

該設計具備的動態(tài)負荷轉移能力,解決了自升式鉆井船經(jīng)過長期固定位置作業(yè)時,交變載荷可能造成鎖緊裝置卡死的問題,鎖緊和解鎖操作更為平順。鎖緊、解鎖操作所耗費的時間降低到了國外同類樁腿鎖緊裝置操作時間的一半左右,大大提高了作業(yè)效率。

研發(fā)過程中的設計、計算、試驗大綱等均經(jīng)過船級社審核,原型機試驗完全模擬現(xiàn)場實際工況,并進行了110%超負荷試驗,試驗后的檢驗探傷結果滿足設計要求。

這一研發(fā)成果在為中海油服節(jié)省了設備購置費用的同時,還提高了國內海洋工程裝備的研發(fā)能力,推進了海洋工程裝備的國產(chǎn)化。

Study and Application of New T ype Leg Fixation System for Self-Elevated Drilling Ship

SONG Chun-wang
(China Oilfield Services Limited,Beijing 101149,China)

TE952

B

1001-4500(2010)04-0046-04

2009-11-23; 修改稿收到日期:2010-04-16

宋春旺(1975-),男,工程師,主要從事自升式鉆井船及半潛式鉆井船總體性能及設備配置研究。