一種基于BHCP 400自升式鉆井平臺(tái)的鎖緊系統(tǒng)研究

陸 洋，楊立東，徐曉波，喬 環(huán)

（1. 渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124000；2. 盤錦凱瑞能源有限公司，遼寧 盤錦 124000）

一種基于BHCP 400自升式鉆井平臺(tái)的鎖緊系統(tǒng)研究

陸 洋1，楊立東2，徐曉波1，喬 環(huán)1

（1. 渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦 124000；2. 盤錦凱瑞能源有限公司，遼寧 盤錦 124000）

鎖緊裝置是自升式鉆井平臺(tái)高度定位以及負(fù)載轉(zhuǎn)移過程中的核心部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)于平臺(tái)的作業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。根據(jù)中國船級(jí)社（China Classification Society，CCS）的設(shè)計(jì)規(guī)范，建立鉆井平臺(tái)鎖緊裝置結(jié)構(gòu)模型并對(duì)其進(jìn)行合理的簡化處理。以有限元軟件Abaqus作為分析平臺(tái)，對(duì)鎖緊裝置在極端載荷工況下進(jìn)行強(qiáng)度分析，得到鎖緊裝置各關(guān)鍵部件的應(yīng)力及變形云圖，分析結(jié)果可為鎖緊裝置的進(jìn)一步優(yōu)化提供可靠的參考依據(jù)。

鉆井平臺(tái)；鎖緊裝置；有限元軟件

0 引 言

目前全球船廠有187座鉆井平臺(tái)正在建造，包括117座自升式鉆井平臺(tái)、40艘鉆井船、21座半潛式鉆井平臺(tái)和9座輔助鉆井平臺(tái)，其中共有65座自升式鉆井平臺(tái)由中國船廠建造，這些平臺(tái)的固樁方式均采用齒條鎖緊裝置。鎖緊裝置的采購市場(chǎng)幾乎被國外廠家壟斷，不但價(jià)格昂貴且售后服務(wù)不便，因此鎖緊裝置的國產(chǎn)化勢(shì)在必行。隨著近年來國內(nèi)海洋工程業(yè)的發(fā)展，加之國家對(duì)能源安全的重視，促使國內(nèi)一些企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)投入資金和人力研發(fā)該類產(chǎn)品［1-2］。自主設(shè)計(jì)研發(fā)自升式鉆井平臺(tái)鎖緊裝置，對(duì)于突破鉆井平臺(tái)核心裝置領(lǐng)域的瓶頸，打破國外企業(yè)的行業(yè)壟斷具有重要意義。該套鎖緊裝置是基于渤海裝備遼河重工BHCP 400自升式鉆井平臺(tái)研發(fā)設(shè)計(jì)的，平臺(tái)的鎖緊系統(tǒng)共由9套鎖緊單元組成，其中平臺(tái)3個(gè)樁腿的每個(gè)弦管各有一套鎖緊單元，每個(gè)樁腿配備一個(gè)液壓站與獨(dú)立的電氣控制系統(tǒng)。該套鎖緊裝置鎖緊齒條與樁腿齒條對(duì)接咬合過程中，將液壓驅(qū)動(dòng)鎖緊齒條的推進(jìn)方式改為機(jī)械方式，從而減少電控元件在鎖緊和解鎖中的報(bào)警故障率，提升了鎖緊裝置的安全系數(shù)。

圖1 鎖緊裝置簡化示意

1 鎖緊裝置組成與工作原理

1.1 鎖緊裝置組成

鎖緊裝置是在自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)及拖航過程中將平臺(tái)主體與樁腿進(jìn)行相對(duì)位置固定的裝置。隨著對(duì)海洋工程及鉆井工程安全性的要求逐步提升，鎖緊裝置已被多數(shù)自升式鉆井平臺(tái)采納，成為平臺(tái)不可缺少的配套部件。鎖緊裝置的作用在于當(dāng)平臺(tái)主體在升降系統(tǒng)的提升過程中達(dá)到鉆井作業(yè)高度時(shí)，通過連接在鎖緊齒條上的液壓支杠將鎖緊齒條逐步推進(jìn)嵌入到樁腿齒條中并與之完全嚙合，隨后借助螺桿等有自鎖特性的機(jī)構(gòu)對(duì)鎖緊齒條進(jìn)行機(jī)械式自鎖固定，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)主體在樁腿上的固定。在鎖緊與解鎖過程中，通常采用與升降系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，也有通過裝置自身加裝的超高壓液壓缸進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移達(dá)到鎖緊與解鎖的目的。

該鎖緊裝置在結(jié)構(gòu)形式上去除了與鎖緊齒條相連接的液壓支杠，減少液控原件，改為機(jī)械滑道式的結(jié)構(gòu)，通過上下傳動(dòng)桿的提升，在楔塊斜面的導(dǎo)向槽產(chǎn)生水平分力，將鎖緊齒條推進(jìn)嵌入到樁腿齒條中，在承載力和安全性方面都有較大的提升和改進(jìn)。鎖緊裝置的整體鋼架采用拼接式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部零件采取鍛、鑄結(jié)合的工藝方式［3］。該鎖緊裝置達(dá)到了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，并通過船級(jí)社的相關(guān)認(rèn)證，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的；同時(shí)，為相關(guān)零部件的研發(fā)設(shè)計(jì)提供了真實(shí)可信的參考數(shù)據(jù)。圖1為鎖緊裝置的簡化示意圖。

1.2 鎖緊裝置工作原理

鎖緊系統(tǒng)的主要職能就是在鎖緊、解鎖過程中通過與升降系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)移，最終將平臺(tái)的質(zhì)量從升降系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)移到鎖緊系統(tǒng)。

在鎖緊過程中，先通過液壓站驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)傳動(dòng)桿，由傳動(dòng)桿將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為垂直方向直線運(yùn)動(dòng)，分別推動(dòng)楔塊通過楔塊斜面擠壓鎖緊齒條，使得鎖緊齒條沿楔塊斜面的滑動(dòng)中產(chǎn)生水平方向移動(dòng)，當(dāng)鎖緊齒條齒頂與樁腿齒條板接觸時(shí)，通過液壓系統(tǒng)邏輯控制判斷運(yùn)動(dòng)方向，通過控制系統(tǒng)使驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)桿的液壓馬達(dá)產(chǎn)生差速運(yùn)動(dòng)，使鎖緊齒條沿樁腿齒條板齒槽方向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)相互嚙合。在鎖緊齒條與樁腿齒條板嚙合后，升降系統(tǒng)的提升齒輪逐步釋放扭矩實(shí)現(xiàn)負(fù)載轉(zhuǎn)移，最終完成鎖緊過程。

在解鎖過程中，先通過升降系統(tǒng)提升齒輪向上提升，使提升齒輪逐步承擔(dān)扭矩，直到將平臺(tái)整體重量全部轉(zhuǎn)移到升降系統(tǒng)后，由液壓站驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)上傳動(dòng)桿和下傳動(dòng)桿通過楔塊在垂直方向拉動(dòng)鎖緊齒條，使鎖緊齒條沿楔塊斜面滑動(dòng)至水平方向上與樁腿齒條板完全脫開，最終完成解鎖過程。

2 鎖緊裝置有限元分析

傳統(tǒng)的強(qiáng)度計(jì)算已不能滿足當(dāng)前零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，因而在科技的發(fā)展過程中衍生出許多新方法和新手段。以有限元軟件來構(gòu)建所需的結(jié)構(gòu)模型，以軟件作為分析平臺(tái)，完成分析過程中剛度矩陣及相關(guān)運(yùn)算，此舉速度快，且準(zhǔn)確性高［4］。分析步驟可歸納如下：

2.1 結(jié)構(gòu)離散化

整體在外部載荷的作用下，內(nèi)部任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可由6個(gè)應(yīng)力分量，，，，及表示，微觀模型見圖2。

圖2 微六面體單元的力學(xué)模型

2.2 單元分析

單元內(nèi)某點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移間的關(guān)系如下。

1） 位移和應(yīng)變間的關(guān)系

2） 應(yīng)變和應(yīng)力間的關(guān)系

3） 單元?jiǎng)偠确匠?/p>

根據(jù)虛功原理建立單元?jiǎng)偠确匠蹋瑔卧?jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移間的關(guān)系即可在方程中顯現(xiàn)出來。

2.3 整體分析

通過集成得到整體剛度方程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析。集成的原則是相鄰單元間在共用節(jié)點(diǎn)處的位移也相同。

2.4 求解節(jié)點(diǎn)位移及單元的應(yīng)變與應(yīng)力

求解式（4），根據(jù)得出的節(jié)點(diǎn)位移，代入式（1）、式（2）并計(jì)算，即可得到相應(yīng)單元節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力。

3 鎖緊裝置有限元模型建立

在分析計(jì)算規(guī)則的允許范圍內(nèi)以及確保計(jì)算精度的前提下，將模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化處理，以縮短分析運(yùn)算時(shí)間［5］。分析過程中對(duì)鎖緊系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)鍵零部件（如齒條等核心結(jié)構(gòu)件）進(jìn)行合理建模，樁腿齒條施加對(duì)稱的固定約束方式，鎖緊系統(tǒng)內(nèi)部各零部件根據(jù)實(shí)際的接觸情況建立各自的接觸對(duì)，有限元模型見圖3。

對(duì)400英尺自升式鉆井平臺(tái)鎖緊裝置核心部件進(jìn)行強(qiáng)度分析，根據(jù)平臺(tái)自生存風(fēng)暴載荷工況，鎖緊裝置所受極端載荷為7.2×104kN。鎖緊齒條和楔塊的材質(zhì)選為40CrNiMo，樁腿齒條采用A517Q，導(dǎo)軌架材料選為E550，有限元分析的單位是mm-N-MPa［6］，其屬性見表1。

圖3 鎖緊系統(tǒng)有限元模型

表1 試驗(yàn)臺(tái)材料基本屬性

4 鎖緊裝置強(qiáng)度分析

根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》，取材料的局部安全系數(shù) γm= 1.1。有限元分析結(jié)果見圖4和圖5。

圖4 鎖緊齒條應(yīng)力云圖

圖5 楔塊應(yīng)力云圖

由圖4可知，鎖緊齒條與各部件接觸的棱角區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中，此區(qū)域并非接觸過程中的重要承載區(qū)域，對(duì)零件的使用失效無直接影響，鎖緊齒條最大應(yīng)力值可取為 720MPa，材料許用應(yīng)力為 800MPa，安全系數(shù)為1.11。

由圖5可知，集中加載造成了MPC捆綁點(diǎn)附近區(qū)域的應(yīng)力集中，此情況根據(jù)規(guī)范要求可做適當(dāng)簡化處理，楔塊應(yīng)力值可取為720MPa，材料許用應(yīng)力為800MPa，安全系數(shù)為1.11。

5 結(jié) 語

以400英尺自升式鉆井平臺(tái)鎖緊裝置作為參考基礎(chǔ)，以此建立鎖緊裝置有限元分析模型，對(duì)核心部件進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算。該套鎖緊裝置將鎖緊齒條推進(jìn)方式改為機(jī)械滑道式結(jié)構(gòu)，通過上下傳動(dòng)桿的提升在楔塊斜面的導(dǎo)向槽產(chǎn)生水平分力，將鎖緊齒條嵌入到樁腿齒條中，此結(jié)構(gòu)增加了鎖緊裝置的安全可靠性。

1） 在施加極限載荷狀態(tài)下，鎖緊裝置核心部件可以滿足承載需求，達(dá)到了鎖緊裝置最初的使用要求；

2） 通過有限元軟件對(duì)鎖緊裝置各核心部件的校核驗(yàn)算，得到了鎖緊齒條與楔塊的受力分析云圖，并直觀地顯示出應(yīng)力值，為設(shè)計(jì)人員對(duì)鎖緊裝置的認(rèn)識(shí)和優(yōu)化提供了可靠依據(jù)。

［1］ 劉茜，南傳立，萬淑敏. 基于有限元分析的壓實(shí)機(jī)壓實(shí)效果研究［J］. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2004， 37 （6）： 501-504.

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［6］ 馬愛軍，周傳月，王旭. Patran和Nastran有限元分析專業(yè)教程［M］. 北京：清華大學(xué)出版社，2005.

Research on the Locking System Based on BHCP 400 Jack-up Drilling Platform

LU Yang1，YANG Li-dong2，XU Xiao-bo1，QIAO Huan1

（1. China Petroleum Liaohe Equipment Company， Panjin 124010， China；2. Panjin KaiRui Energy Co. Ltd.， Panjin 124010， China）

Locking device is the core component for the height determination and load transfer of a jack-up drilling platform. Therefore its structural strength is very important for the operation of the platform. The structure model of the locking device is established and reasonable simplified according to the design rules of China Classification Society （CCS）， where the stress and deformation of the key parts of the locking device are analyzed with the finite element software Abaqus used as the analysis platform. The results provide a reliable reference for the further optimization of the locking device.

drilling platform； locking device； finite element software

TE953

A

2095-4069 （2016） 04-0019-04

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.005

2015-08-12

中國石油天然氣集團(tuán)公司科技研發(fā)項(xiàng)目（Y-14M000502）

陸洋，男，工程師，碩士，1984年生。2013年畢業(yè)于東北石油大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事陸地鉆機(jī)及海洋鉆機(jī)部件的研究工作。