自升式鉆井平臺(tái)鎖緊裝置的研究分析

王壯榮

（太原重工工程技術(shù)有限公司， 山西 太原 030024）

自升式鉆井平臺(tái)鎖緊裝置的研究分析

王壯榮

（太原重工工程技術(shù)有限公司， 山西 太原 030024）

通過(guò)對(duì)自升式海洋鉆井平臺(tái)鎖緊系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的調(diào)研，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)鎖緊裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致分析，對(duì)鎖緊裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，在鎖緊狀態(tài)下對(duì)齒條進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。力爭(zhēng)通過(guò)本次研發(fā)能夠加快對(duì)自升式鉆井平臺(tái)一些關(guān)鍵設(shè)備的研究。

鉆井平臺(tái) 鎖緊系統(tǒng) 齒條

鎖緊裝置在開始的自升式鉆井平臺(tái)上是沒有的，主要由升降系統(tǒng)來(lái)支撐鉆井平臺(tái)，隨著鉆井平臺(tái)鉆井深度的不斷加深，對(duì)鉆井平臺(tái)的安全可靠性要求不斷提高。為提高平臺(tái)的抗風(fēng)暴能力，在后續(xù)的鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)中，安裝了鎖緊裝置。目前鎖緊裝置的開發(fā)制造主要還是掌握在國(guó)外一些知名設(shè)計(jì)公司手中，比如 F&G，MSC，NOV，KeppelEELS，BakerMarine等公司。國(guó)內(nèi)悉數(shù)也有幾家在研究開發(fā)，但是應(yīng)用還不是很廣泛。因此自主研制和生產(chǎn)工程船舶與平臺(tái)使用的鎖緊系統(tǒng)就顯得尤為重要，突破鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)和控制關(guān)鍵技術(shù)，為推動(dòng)我國(guó)海洋油氣勘探開發(fā)事業(yè)提供技術(shù)支持。

本文將綜合考慮鎖緊裝置的功能可靠性及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性，基于鎖緊機(jī)構(gòu)的功能及工作原理，建立鎖緊系統(tǒng)力學(xué)模型，分析鎖緊齒條在鎖緊狀態(tài)下的軸向載荷分布、齒條變形及齒牙應(yīng)力，研究改善鎖緊狀態(tài)下鎖緊齒條的受力狀況[1]。

1 自升式鉆井平臺(tái)鎖緊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

自升式鉆井平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)由平臺(tái)船體、樁腿、升降鎖緊系統(tǒng)、鉆井裝置、甲板機(jī)械、以及生活樓和直升機(jī)平臺(tái)等組成。平臺(tái)在每條樁腿穿過(guò)主船體的位置處設(shè)置了1個(gè)固樁架。固樁架為升降及鎖緊裝置的支撐結(jié)構(gòu)，由3個(gè)升降基礎(chǔ)和鎖緊基礎(chǔ)之間的橫梁及撐桿組成。該基礎(chǔ)與船體縱橫向艙壁連接，將載荷合理地傳到主船體。詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示[2]。

圖1 平臺(tái)布置圖

圖2 鎖緊安裝結(jié)構(gòu)圖

2 鎖緊系統(tǒng)的詳細(xì)布置

自升式鉆井平臺(tái)全船一共有9組鎖緊裝置。在整個(gè)平臺(tái)、船艏、船艉左、船艉右各分布有一樁腿，每個(gè)樁腿布置有3個(gè)弦管，每個(gè)弦管布置有1套鎖緊裝置。每套完整的鎖緊裝置包含左和右兩部分的鎖緊機(jī)械裝置裝在連接到船體結(jié)構(gòu)的固樁架中。每條樁腿有1套液壓泵站（HPU）和1套樁邊操作箱，1個(gè)平臺(tái)共提供3套HPU和3套樁邊操作箱。鎖緊系統(tǒng)控制系統(tǒng)安裝在中控室，在每個(gè)弦管旁邊有1個(gè)當(dāng)?shù)乜刂婆_(tái)，全船一共9個(gè)。中控室可以轉(zhuǎn)換中央控制和當(dāng)?shù)乜刂?，操作員可以在當(dāng)?shù)夭僮麈i緊和升降系統(tǒng)，通過(guò)控制升降系統(tǒng)使平臺(tái)上升和下降。通過(guò)升降系統(tǒng)的扭矩傳感器來(lái)控制負(fù)荷轉(zhuǎn)移程度，從而完成鎖緊系統(tǒng)和升降系統(tǒng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移。

3 鎖緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說(shuō)明

鎖緊裝置包括2個(gè)上螺桿驅(qū)動(dòng)裝置（左，右）、2個(gè)上楔塊（左，右）、2個(gè)鎖緊齒條（左，右）、2個(gè)油缸（左，右）、2個(gè)下楔塊（左，右）、2個(gè)螺桿驅(qū)動(dòng)裝置（左，右），詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鎖緊裝置結(jié)構(gòu)圖

4 鎖緊裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鎖緊裝置嚙合鎖緊齒條采用6個(gè)鎖緊齒，最大限度降低主齒條的單齒負(fù)荷。設(shè)計(jì)中經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算和試驗(yàn)機(jī)驗(yàn)證，可保證達(dá)到設(shè)計(jì)的承載要求。鎖緊齒條使用高強(qiáng)度鋼，鍛造毛坯制造，通過(guò)熱處理將材料屈服強(qiáng)度控制在具有很高的強(qiáng)度及低溫韌性[3]。

采用上下楔形塊鎖緊結(jié)構(gòu)，利用楔形塊的特點(diǎn)，承受鎖緊時(shí)產(chǎn)生水平分力，在垂直方向鎖緊的同時(shí)，即完成了水平方向的鎖緊操作。因此整個(gè)裝置只有上下2副螺母、螺桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整螺桿機(jī)構(gòu)的進(jìn)退，即可實(shí)現(xiàn)鎖緊及解鎖。

螺桿機(jī)構(gòu)的額定靜承載能力為4 000 Mt/套，最大靜承載能力為8 000 Mt/套，除可以承受最大風(fēng)暴載荷外，還可以在拖航時(shí)有足夠的樁腿承載能力與抗風(fēng)載荷能力。

螺桿的伸縮，是通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，蝸輪與螺母為一體設(shè)計(jì)，具有質(zhì)量輕、扭矩大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、傳動(dòng)效率穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

5 有限元計(jì)算模型

樁腿鎖緊系統(tǒng)是自升式海洋鉆井平臺(tái)上極其關(guān)鍵的部件，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到海工設(shè)備性能的好壞及其成敗。因此對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析非常有意義（在本文中，坐標(biāo)系中V、W、X方向分別代表實(shí)際的 X、Y、Z 方向）[4]。

根據(jù)鎖緊裝置的功能和要求，鎖緊系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要由上部螺桿傳動(dòng)裝置、楔塊、水平嚙合油缸、垂直定位油缸、頂部螺旋鎖緊機(jī)、楔形小齒條和樁腿弦桿長(zhǎng)齒條等部分組成。按照鎖緊裝置各部件圖紙，在Solidworks中進(jìn)行精確建模。再采用20節(jié)點(diǎn)Solid186單元對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型網(wǎng)格均采用六面體，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 鎖緊裝置有限元模型

在鎖緊裝置各部件接觸部位設(shè)定接觸面，接觸類型為摩擦，摩擦系數(shù)為0.15。由于鎖緊裝置具有對(duì)稱性，為減小計(jì)算量，采用二分之一的模型進(jìn)行有限元分析，因此在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束；在頂部螺旋鎖緊機(jī)上端面沿Y負(fù)向施加36 260 000 N的力，在樁腿弦桿長(zhǎng)齒條下部施加固定約束，并限制楔塊后座和鎖緊齒塊下端面X和Z方向位移（見下頁(yè)圖5），而Y方向可以自由移動(dòng)。

根據(jù)建立的模型劃分網(wǎng)格并設(shè)置相關(guān)參數(shù)和邊界條件后，對(duì)其進(jìn)行求解。求解完畢后，查看鎖緊裝置等效應(yīng)力分布結(jié)果，如圖5所示。由于主要關(guān)注鎖緊齒塊和楔形后座的強(qiáng)度，下面單獨(dú)查看這兩部分的等效應(yīng)力。

圖5 鎖緊裝置等效應(yīng)力分布云圖

鎖緊齒塊等效應(yīng)力云圖如圖6，最大值為1 154 MPa，屬于應(yīng)力集中現(xiàn)象，位于鎖緊齒塊和楔塊接觸部位。由于楔形塊可相對(duì)周圍零件滑動(dòng)，并且實(shí)際中會(huì)有圓角，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重應(yīng)力集中現(xiàn)象。對(duì)于自升式平臺(tái)鎖緊齒塊，齒根部位的彎曲應(yīng)力至關(guān)重要，接觸部位較為次要，因此提取齒根部位的等效應(yīng)力。

圖6 鎖緊齒塊齒根彎曲應(yīng)力分布云圖

由圖6可知，鎖緊齒塊各個(gè)齒根彎曲受力并不均勻，等效應(yīng)力最大值為838.5 MPa，材料屈服極限為950 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文研究了三樁腿自升式海洋鉆井平臺(tái)的構(gòu)成，基于自升式海洋鉆井平臺(tái)的工作及功能原理，完成了應(yīng)用于自升式海洋鉆井平臺(tái)鎖緊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了三維建模，對(duì)鎖緊齒條進(jìn)行了有限元分析，對(duì)傳動(dòng)部分進(jìn)行了kisssoft計(jì)算。通過(guò)本文研究，基本具備了鎖緊系統(tǒng)的自主開發(fā)能力。系統(tǒng)地完成了項(xiàng)目的研發(fā)，但是由于我國(guó)海工領(lǐng)域的研究較晚，尤其是一些關(guān)鍵設(shè)備，所以后續(xù)的深入研究還需繼續(xù)。

隨著我國(guó)對(duì)較深海域油氣資源的進(jìn)一步的開發(fā)，對(duì)深水自升式鉆井平臺(tái)的需求將進(jìn)一步的增加，而鎖緊系統(tǒng)以及鎖定系統(tǒng)作為新一代平臺(tái)不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備，以及海洋風(fēng)電安裝平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備，其市場(chǎng)容量將有增無(wú)減。因此，對(duì)自升式鉆井平臺(tái)鎖緊系統(tǒng)研發(fā)、制造很有現(xiàn)實(shí)意義，該項(xiàng)目的預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益將非常明顯。

[1] 上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司.自升式工程平臺(tái)及其鎖緊裝置：200920075042.6[P].2010-05-12.

[2] 張圣坤.固定式海洋平臺(tái)的可靠性分析[J].海洋工程，1985，3（2）：24.

[3] 中國(guó)船級(jí)社.綜合安全評(píng)估應(yīng)用指南[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

[4] 曹宇光，張卿，張士華.自升式平臺(tái)齒輪齒條強(qiáng)度有限元分析[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（6）：120-124.

（編輯：苗運(yùn)平）

Analysis and Research on the Rack Lock System of the Jack-up Drilling Platform

Wang Zhuangrong
（Taiyuan Heavy Industry Engineering Technology Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030024）

Through the research of the development of rack lock system in jack-up offshore drilling platform,foreign advanced technology is studied and the structure of the rack lock system is analyzed in detail.The mechanical structure of rack lock device is analyzed by finite element method.And the mechanical calculation of the rack is carried out under the locking state.This paper strives to accelerate the research and development of some key equipment of the jack-up drilling platform.

drilling platform,rack lock system,rack

TH137.7

A

1672-1152（2017）04-0038-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.15

2017-07-21

王壯榮（1983—），男，畢業(yè)于哈肥工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)就業(yè)于太原重工工程技術(shù)有限公司，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。