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      半潛式鉆井平臺(tái)用三滾筒錨機(jī)研制

      2014-01-04 02:30:42牟新明何進(jìn)前徐小鵬
      船舶 2014年5期
      關(guān)鍵詞:錨機(jī)潛式絞車

      李 鵬 牟新明 何進(jìn)前 徐小鵬

      (1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 寶雞721000;2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)中心 寶雞721000)

      引 言

      三滾筒錨機(jī)主要適用于500~1 200 m作業(yè)水深的半潛式鉆井平臺(tái),采用懸鏈線系泊方式對(duì)平臺(tái)進(jìn)行定位[1],布置在平臺(tái)的4個(gè)角,通過(guò)調(diào)節(jié)鋼絲繩的負(fù)載來(lái)達(dá)到平臺(tái)定位的目的,是半潛式鉆井平臺(tái)在海上定位作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。目前,全世界半潛式鉆井平臺(tái)配套的錨機(jī)基本由國(guó)外少數(shù)公司所壟斷。隨著我國(guó)半潛式鉆井平臺(tái)數(shù)量的日益增多,加大研究和開發(fā)平臺(tái)配套用錨機(jī)就顯得尤為必要,三滾筒錨機(jī)可提供更大的拉力和更多的容繩量,適應(yīng)更深的作業(yè)水域。該項(xiàng)目的研究對(duì)我國(guó)今后半潛式平臺(tái)的配套工作及形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品具有非常重要的意義。

      1 技術(shù)分析

      1.1 總體方案及工作原理

      該錨機(jī)采用雙配置結(jié)構(gòu),即1套動(dòng)力裝置和傳動(dòng)裝置,驅(qū)動(dòng)2套滾筒執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作進(jìn)行錨泊定位,達(dá)到一機(jī)兩用的效果。相比2臺(tái)錨機(jī)來(lái)說(shuō),該錨機(jī)安裝空間小,經(jīng)濟(jì)性能更加優(yōu)越。如圖1所示,1套執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由3個(gè)滾筒構(gòu)成,錨纜在前2個(gè)摩擦滾筒上纏繞,滾筒和錨纜之間的摩擦力可以吸收掉大部分錨纜張力,錨纜纏繞到第3個(gè)滾筒上進(jìn)行儲(chǔ)存,其上的張力值保持在穩(wěn)定的范圍。

      圖1 三滾筒錨機(jī)總體結(jié)構(gòu)

      2個(gè)摩擦滾筒負(fù)責(zé)錨纜的拉力張緊控制,從而使整臺(tái)錨機(jī)可在容繩量最大的情況下,使錨機(jī)拉力盡可能大。

      整臺(tái)錨機(jī)主要分為兩大部分:雙滾筒摩擦絞車和儲(chǔ)存絞車。

      1.1.1 雙滾筒摩擦絞車工作原理

      雙滾筒摩擦絞車的工作原理圖如圖2所示,具體結(jié)構(gòu)采用“單電機(jī)+單減速箱+雙離合器+雙齒輪副+雙滾筒”傳動(dòng)形式。變頻電機(jī)將動(dòng)力通過(guò)鼓形齒聯(lián)軸器傳至減速箱輸入端,經(jīng)減速箱減速增扭后輸出,經(jīng)牙嵌離合器掛合(左、右兩端牙嵌離合器互鎖控制,左邊掛合時(shí),右邊脫開或右邊掛合時(shí),左邊脫開)后輸送給開式齒輪副帶動(dòng)前、后滾筒實(shí)現(xiàn)鋼絲繩和錨的收、放作業(yè)。

      圖2 三滾筒錨機(jī)原理圖

      1.1.2 儲(chǔ)存絞車工作原理

      變頻電機(jī)經(jīng)過(guò)CR斜齒減速箱減速增扭后,通過(guò)鏈條將動(dòng)力傳遞到滾筒上,滾筒前端安裝有強(qiáng)制排繩裝置,儲(chǔ)存絞車與前面的雙滾筒摩擦絞車相配合,用于存儲(chǔ)錨纜。

      1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

      本文以巴西ENSCO 6000半潛式鉆井平臺(tái)配套的錨機(jī)為例,主要技術(shù)參數(shù)如下:

      高速檔:

      鋼絲繩拉力810 kN,鋼絲繩速度30 m/min;

      低速檔:

      鋼絲繩拉力1 700 kN,鋼絲繩速度15 m/min,剎車力2×2 750 kN。

      滾筒容量:3 500 m;

      拉力(第一層):25 kN;

      剎車力:100 kN。

      1.3 技術(shù)特點(diǎn)

      摩擦絞車采用雙滾筒結(jié)構(gòu),鋼絲繩前出繩與錨相連,產(chǎn)生很大的拉力,鋼絲繩經(jīng)過(guò)在兩滾筒之間進(jìn)行纏繞,鋼絲繩的拉力迅速下降后,傳遞到后面的儲(chǔ)存絞車上,進(jìn)行存儲(chǔ)。這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)很好地避開了普通滾筒式錨機(jī)既要儲(chǔ)存大量鋼絲繩又要產(chǎn)生很大拉力的弊端,后面儲(chǔ)存絞車只起到存儲(chǔ)鋼絲繩的作用,不承受很大的載荷,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。

      2 主參數(shù)及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

      2.1 主參數(shù)計(jì)算

      錨機(jī)功率計(jì)算

      (1)錨機(jī)有效功率Pe

      (2)傳動(dòng)效率

      根據(jù)傳動(dòng)原理圖和設(shè)計(jì)手冊(cè)及相關(guān)產(chǎn)品樣本計(jì)算總效率:η總= 0.75。

      (3)錨機(jī)配備功率P

      考慮到留有一定余量,配備電機(jī)功率為630 kW,最終選取ABB交流變頻電機(jī)M3BP-450LA,電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n電=994 r/min,額定轉(zhuǎn)矩T電=6 052 N·m。

      (4)確定傳動(dòng)比

      總傳動(dòng)比i總

      高速檔鋼絲繩線速度30 m/min,轉(zhuǎn)換為滾筒速度n滾筒高=5.55 r/min,低速檔鋼絲繩線速度15 m/min,轉(zhuǎn)換為滾筒速度n滾筒低=2.77 r/min。

      (5)根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸初定齒數(shù)z1(17)、z2(80),確定齒輪傳動(dòng)比

      (6)確定減速箱的減速比

      (7)校核拉力扭矩

      高速檔:

      式中:D筒為摩擦滾筒直徑。

      低速檔:

      經(jīng)計(jì)算,拉力滿足使用要求。

      2.2 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

      減速機(jī)構(gòu)是整臺(tái)錨機(jī)中重要環(huán)節(jié),根據(jù)錨機(jī)低速重載、及需要兩種不同的檔位的特點(diǎn),設(shè)計(jì)減速箱為兩檔減速箱,并與大小齒輪配合構(gòu)成整個(gè)減速機(jī)構(gòu),具體傳動(dòng)原理圖如圖2所示。

      2.3 摩擦滾筒設(shè)計(jì)

      雙滾筒摩擦錨機(jī)中,兩摩擦滾筒在整臺(tái)錨機(jī)工作中承受巨大載荷,因此摩擦滾筒設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。鋼絲繩纏繩方式如圖3所示,在兩個(gè)滾筒之間進(jìn)行纏繞后,鋼絲繩拉力迅速衰減,兩端張力F1(繞入端),F(xiàn)2(繞出端)可按歐拉公式進(jìn)行計(jì)算[2-3]:

      圖3 摩擦絞車?yán)p繩方式

      滾筒體是一個(gè)鑄鋼件,在工作中由出繩拉力對(duì)滾筒壁造成的載荷主要有彎矩、扭矩和纏緊鋼絲繩對(duì)筒壁的外壓力。而前兩種載荷對(duì)滾筒所產(chǎn)生的應(yīng)力非常小(不及后者的10%),因此在計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)[4],滾筒在鋼絲繩所受支持負(fù)載5 500 kN時(shí),受力最大,由歐拉公式計(jì)算此時(shí)鋼絲繩拉力為:

      B滾筒的第一個(gè)繩槽分別受F1和F2兩個(gè)作用力,考慮設(shè)計(jì)安全性,鋼絲繩按高拉力對(duì)滾筒進(jìn)行壓力計(jì)算:

      依此類推,分別計(jì)算出A滾筒和B滾筒各繩槽所受應(yīng)力,見表1。

      表1 摩擦滾筒各繩槽所受應(yīng)力MPa

      將各繩槽所受壓力施加到滾筒后,經(jīng)有限元分析計(jì)算得摩擦滾筒的應(yīng)力分布圖[5-6](如圖4所示),其中的最大應(yīng)力為155 MPa,再考慮到實(shí)際制造中添加的加強(qiáng)筋,故摩擦滾筒強(qiáng)度滿足要求。

      圖4 B摩擦滾筒應(yīng)力分布

      2.4 帶式剎車設(shè)計(jì)

      帶式制動(dòng)器采用16 mm厚Q690鋼板經(jīng)過(guò)滾壓機(jī)卷壓制成,其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:

      剎車帶材料 :Q690(σs:690 MPa)

      帶厚δ:16 mm

      剎車轂直徑D轂:1 950 mm

      剎帶包角α:1.667 π

      剎帶寬度b:250 mm

      剎車塊摩擦系數(shù)μ:0.35

      e:自然對(duì)數(shù)的底數(shù)

      制動(dòng)扭矩:

      圓周力:

      剎帶死端拉力由歐拉公式計(jì)算:

      剎車帶拉應(yīng)力校核:

      由于δ<690×0.95,即420.5 MPa<655.5 MPa(0.95為計(jì)算系數(shù)),所以,剎車帶強(qiáng)度校核通過(guò)。

      2.5 儲(chǔ)存絞車設(shè)計(jì)

      儲(chǔ)存絞車的主要工作是存儲(chǔ)從摩擦絞車出來(lái)的大量鋼絲繩,相對(duì)于摩擦絞車,儲(chǔ)存絞車?yán)^小而滾筒結(jié)構(gòu)尺寸非常大,因此,摩擦絞車的滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵。

      已知參數(shù):

      鋼絲繩直徑d82.6 mm

      滾筒容繩量 3 500 m

      每層排繩圈數(shù)n33圈

      滾筒底徑:

      式 中:16為鋼絲繩彎曲系數(shù)。

      將式(6)中的D0值圓整(即取D0=1 325 mm),再對(duì)各層繩索按相互正疊考慮,滾筒纏繩各層直徑按公式(7)進(jìn)行計(jì)算:

      第1層D1=D0+d=1 325+82.6 =1 407.6 mm

      第2層D2=D0+3d=1 325+3×82.6 =1 572.8 mm

      第3層D3=D0+5d=1 325+5×82.6 =1 738 mm

      第4層D4=D0+7d=1 325+7×82.6 =1 903.2 mm

      第5層D5=D0+9d=1 325+9×82.6 =2 068.4 mm

      第6層D6=D0+11d=1 325+11×82.6 =2 233.6 mm

      第7層D7=D0+13d=1 325+13×82.6 =2 398.8 mm

      第8層D8=D0+15d=1 325+15×82.6 =2 564 mm

      第9層D9=D0+17d=1 325+17×82.6 =2 729.2 mm

      第10層D10=D0+19d=1 325+19×82.6 =2 894.4 mm

      第11層D11=D0+21d=1 325+21×82.6 =3 059.6 mm

      第12層D12=D0+23d=1 325+23×82.6 =3 224.8 mm

      第13層D13=D0+25d=1 325+25×82.6 =3 390 mm

      第14層D14=D0+27d=1 325+27×82.6 =3 555.2 mm

      容繩量:

      可見,滾筒纏繩14層即可滿足容繩量要求。

      繩槽節(jié)距:

      滾筒開檔:

      3 結(jié) 論

      (1)雙滾筒摩擦絞車和儲(chǔ)存絞車配合使用,最大額定拉力1 700 kN,容繩量3 500 m,通過(guò)關(guān)鍵傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算和關(guān)鍵件的有限元分析計(jì)算,證明整個(gè)錨機(jī)設(shè)計(jì)合理。

      (2)半潛式鉆井平臺(tái)上配套的錨機(jī)基本由國(guó)外少數(shù)公司所壟斷,三滾筒錨機(jī)的研制打破了國(guó)外公司的壟斷,對(duì)我國(guó)今后半潛式平臺(tái)的配套工作及形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品具有非常重要的意義。

      [1] 李志海,徐興平,王慧麗.海洋平臺(tái)系泊系統(tǒng)發(fā)展[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010(5):75-78.

      [2] 喻開安,王曉波,鐘朝廷,等.用于深水海管鋪設(shè)的雙滾筒絞車設(shè)計(jì)研究[J].石油機(jī)械,2011(2):41-44.

      [3] 翟慶光,聶杰,康岳偉.深海取樣絞車牽引卷筒上鋼纜張力分析[J].深海技術(shù),2008(2):28-30.

      [4] 華東石油學(xué)院礦機(jī)教研室.石油鉆采機(jī)械[M].北京:石油出版社,1980:90-91.

      [5] 張朝暉.ANSYS 8.0結(jié)構(gòu)分析及實(shí)例解析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:33-40.

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