鉆井平臺(tái)圓柱形樁腿維護(hù)裝置設(shè)計(jì)

曹士峰（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）

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鉆井平臺(tái)圓柱形樁腿維護(hù)裝置設(shè)計(jì)

曹士峰
（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）

摘要：樁腿是海洋石油鉆井平臺(tái)重要組成部件，它承擔(dān)著平臺(tái)所有的載荷，每條樁腿通常承載幾千噸的重量。同時(shí)，鉆井平臺(tái)的升降需要通過焊接在樁腿的齒條傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。海洋石油鉆井平臺(tái)長期作業(yè)在海洋環(huán)境氣候中，而且受頻繁拖航以及身處海水飛濺區(qū)的影響，加劇了樁腿腐蝕，影響平臺(tái)使用壽命。為鉆井平臺(tái)升降平臺(tái)便利，以及更便利地維護(hù)保養(yǎng)樁腿，本文重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)一套樁腿維護(hù)裝置，來滿足平臺(tái)使用要求。

關(guān)鍵詞：樁腿維護(hù)裝置起升機(jī)構(gòu)檢修平臺(tái) 支撐機(jī)構(gòu)

0　引言

海洋鉆井平臺(tái)樁腿有桁架和圓柱形兩種結(jié)構(gòu)形式， 本文研究設(shè)計(jì)圓柱形樁腿維護(hù)裝置既可以方便平臺(tái)噴沖管線的連接，也可以通過操作維護(hù)裝置自由升降及對(duì)樁腿進(jìn)行除銹刷漆工作。而且便于對(duì)樁腿頂部的設(shè)施進(jìn)行維修。

本文選取直徑3.5米、樁腿長度73米的圓柱形樁腿為例，重點(diǎn)介紹樁腿維護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。維護(hù)裝置基本設(shè)計(jì)參數(shù)及總體示意圖如下。

2　起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 確定傳動(dòng)方案，選擇滑輪組

按照構(gòu)造宜緊湊的原則,決定采用多層纏繞卷筒。按起重量Q=0.5t，維護(hù)平臺(tái)重量G0=1.5t，兩臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)提升機(jī)構(gòu)，滑輪組倍率ih=1，因而承載繩分支數(shù)為 Z=2ih=2。

2.2 選擇鋼絲繩

滑輪組采用滾動(dòng)軸承，ih=2,得滑輪組效率η=0.99。

鋼絲繩所受最大拉力:

根據(jù)要求卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩安全系數(shù)n=9，鋼絲繩計(jì)算破斷拉力Sb：Sb=n×Smax=9×9.91=89.19 kN

建議選用光面鋼絲，直徑15 mm，鋼絲繩最小破斷拉力[Sb]=225 kN滿足要求。

圖1　總體示意圖

2.3 確定卷筒尺寸,轉(zhuǎn)速及滑輪直徑

卷筒和滑輪的最小卷繞直徑D0：D0min≥h×d式中，h—表示與機(jī)構(gòu)工作級(jí)別和鋼絲繩結(jié)構(gòu)的有關(guān)系數(shù)（查得：卷筒h1=20;滑輪h2=24）；

卷筒最小卷繞直徑:

滑輪最小卷繞直徑:

考慮起升機(jī)構(gòu)布置卷筒總長度不宜太長，定滑輪直徑取400 mm,卷筒直徑取D=400mm。卷筒長度：

取L=770 mm。

式中，H—起升高度;d —鋼絲繩直徑;D —卷筒直徑;n —鋼絲繩纏繞層數(shù) 。

2.4 計(jì)算起升靜功率

式中，Pj—靜功率；η—起升時(shí)總機(jī)械效率（η取值0.85）；Q—設(shè)計(jì)額定載荷重量；

G0—檢修平臺(tái)總重量；g—重力加速度；vn—檢修平臺(tái)起升速度。

2.5 初選電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)計(jì)算功率

式中 ，PJC—JC值時(shí)的功率（JC指通電持續(xù)率）；G—穩(wěn)態(tài)負(fù)載平均系數(shù)，根據(jù)工作級(jí)別G取值1。

選用電動(dòng)機(jī)型號(hào)為PDYZP132S-A，PJC=3 kW，nJC=960 r/min，電機(jī)質(zhì)量80 kg，飛輪轉(zhuǎn)矩GD2=0.0525 kg.m2。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：

式中，nd—在起升載荷滿載作用下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；n0—電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速；PJC,nJC—電動(dòng)機(jī)在JC值時(shí)額定功率和額定轉(zhuǎn)速。

卷筒轉(zhuǎn)速：

卷筒軸輸出扭矩：

起升機(jī)構(gòu)減速器按靜功率Pj選取，根據(jù)Pj=1.924 kW，nd=974 r/min，i =253.85，工作級(jí)別為M5，選定減速器為LTK4F5-250。減速器許用功率額定輸出扭矩11000 Nm。

具體包含獸藥、植物調(diào)節(jié)劑等農(nóng)業(yè)投入品污染，獸藥與農(nóng)產(chǎn)品殘留為主要污染。尤其是劇毒農(nóng)藥的利用，不但讓植物性農(nóng)產(chǎn)品直接損害人體健康，還會(huì)被當(dāng)作飼料在動(dòng)物體內(nèi)同其他獸藥一同堆積，對(duì)社會(huì)公眾健康影響極大。

2.7 結(jié)論

綜上所述卷揚(yáng)機(jī)選用的鋼絲繩直徑為：φ15 mm；電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：PDYZP132S-A，PJC=3 kW，nJC=960 r/min；減速器型號(hào)為：LTK4F5-250；卷筒直徑為φ400 mm；換向滑輪直徑φ400 mm。

3　維修平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算說明

改設(shè)計(jì)為載重500Kg維修平臺(tái)，計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)為：《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范-- GB/T3811-2008》和《起重機(jī)械安全規(guī)程--GB6067.1-2010》。維修平臺(tái)主要鋼結(jié)構(gòu)件采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235和型鋼制造，根據(jù)GB/T3811-2008標(biāo)準(zhǔn)，碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235在各載荷組合A1情況下靜強(qiáng)度計(jì)算的許用應(yīng)力為下表。

表1　維護(hù)裝置基本設(shè)計(jì)參數(shù)

表2　計(jì)算的許用應(yīng)力

表3　碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235的物理性能

本計(jì)算采用的主要工具為ANSYS Workbench14.5版有限元分析程序，采用的單元類型為ANSYS中的shell63板單元、MASS21質(zhì)量單元等。

3.2 有限元模型圖

3.3 載荷及計(jì)算工況

3.3.1 載荷

工作級(jí)別：A4；平臺(tái)總重：1500 kg；額定起重量：500 kg；載荷重力加速度：9.8066 m/s2。

3.3.2 計(jì)算工況

根據(jù)GB6067.1-2010，起重機(jī)械安全規(guī)程 第一部分：總則3.6.4b）的要求，維修平臺(tái)需承受4500 N/m2的均布載荷。

3.3.3 載荷和約束

約束：在四個(gè)吊耳位置加載固定約束；均布載荷：在花紋板上表面施加4500 N/m2均布載荷；自重載荷：在整個(gè)模型結(jié)構(gòu)中加載自重載荷。

3.3.4 載荷和約束圖

圖2　有限元模型圖

3.4 靜強(qiáng)度計(jì)算

整體Von Mises等效應(yīng)力云圖如下：

應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在維護(hù)平臺(tái)底架與立柱連接處，σmax=112.7Mpa ＜ 175 Mpa，在此工況下維護(hù)平臺(tái)靜強(qiáng)度滿足GB6067.1-2010，起重機(jī)械安全規(guī)程 第一部分：總則3.6.4b）的要求。

3.5 靜鋼度計(jì)算

整體Total Deformention位移云圖如下：

在花紋板空當(dāng)最大處出現(xiàn)最大變形量，fmax=2.3628 mm＜3mm，在此工況下維護(hù)平臺(tái)靜剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3　載荷和約束圖

圖4　整體 Total Deformention位移云圖

4　支撐機(jī)構(gòu)計(jì)算

4.1 計(jì)算說明

本計(jì)算書載重量為500 kg維護(hù)平臺(tái)金屬結(jié)構(gòu)計(jì)算說明書。計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)為：1.GB/T3811-2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范2.GB6067.1-2010，起重機(jī)械安全規(guī)程。強(qiáng)度計(jì)算的許用值和碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235的物理性能參考本文3.1項(xiàng)。本計(jì)算采用的主要工具為ANSYS Workbench14.5版有限元分析程序，采用的單元類型為ANSYS中的shell63板單元、MASS21質(zhì)量單元等。

圖5　簡化后的力學(xué)模型

4.2 有限元模型圖

為方便計(jì)算將模型進(jìn)行簡化處理，將模型中的梯子，螺栓組及緩沖輪胎等進(jìn)行消隱。簡化后的力學(xué)模型如圖5。

4.3 載荷及計(jì)算工況

工作級(jí)別：A4；平臺(tái)總重：1500 kg；額定起重量：500 kg；載荷重力加速度：9.8066 m/s2。

存放支架要承載自身的自重載荷、額定起重量載荷和維修平臺(tái)自重載荷的作用力。考慮到載荷的不均勻分布，設(shè)定載荷不均勻分布系數(shù)為2.1。

4.3.3 載荷和約束

約束：在六個(gè)支腿地腳位置加載固定約束；均布載荷：在支架平面上表面施加20601N載荷；自重載荷：在整個(gè)模型結(jié)構(gòu)中加載自重載荷。

5　結(jié)束語

本文對(duì)圓柱形結(jié)構(gòu)鉆井平臺(tái)樁腿維護(hù)裝置的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)說明，此設(shè)計(jì)產(chǎn)品對(duì)未采取外加電流、犧牲陰極的海洋鉆井平臺(tái)有很重要的借鑒意義。樁腿維護(hù)裝置既方便平臺(tái)拖航拔樁時(shí)噴沖管線的快速連接，又方便樁腿頂部設(shè)施的日常修理，同時(shí)還有利于樁腿防腐工作的開展。

圖6　載荷和約束圖

參考文件：

[1] 梁曉玲.海上自升式鉆井平臺(tái)升降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究.2010.

[2] 《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范- GB/T3811-2008》.

[3] 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》.北京機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[4] 《起重機(jī)械安全規(guī)程-GB6067.1-2010》.

Design of Maintenance Device for Unit Cylindrical Legs of Drilling Platform

Cao Shifeng
（Energy Development Co.,Ltd.CNOOC,Tianjin 300452,China）

Abstract:Legs are important offshore oil drilling platform components,which bear all the load of the platform.Each leg usually carries thousands of tons of weight,lifting the drilling platform by rack gears welded in the legs.Offshore oil rigs are operated in the marine environment of long-term climate,and subject to frequent towage and Language seawater splash zone,exacerbating the leg corrosion,affecting the life of the platform.In order to lift platform and to maintenance leg more conveniently,this paper focuses on the design of a leg maintain means to meet the platform requirements.

Keywords:leg maintenance device;access platform;support mechanism

作者簡介：曹士峰（1982-）,男，工程師。研究方向:設(shè)備管理。

收稿日期：2015-09-09

中圖分類號(hào)：TE242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）01-0013-05