天車升沉補(bǔ)償裝置擺臂長度優(yōu)化設(shè)計

張彩瑩，鄭萬里，牟新明,李 歡，羅 強(qiáng)

(寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 研究院成都分院，成都 610000)

海洋鉆探作業(yè)中，由于外界風(fēng)、浪的作用，會導(dǎo)致鉆井船/平臺發(fā)生周期性的搖擺、平移等運(yùn)動，這些運(yùn)動中，以升沉運(yùn)動對鉆探或其他海上作業(yè)影響最大。鉆井過程中，鉆頭要求保持相對恒定的鉆壓；隔水管與水下BOP的對接過程中，也要求緩慢接近。升沉補(bǔ)償裝置的作用即是對鉆井船/平臺的升沉運(yùn)動進(jìn)行補(bǔ)償，盡可能減小管串底部載荷和位移的變化，是海洋油氣及勘探作業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備[1-4]。

升沉補(bǔ)償裝置包括天車升沉補(bǔ)償裝置、游車升沉補(bǔ)償裝置、絞車升沉補(bǔ)償裝置以及快繩/死繩升沉補(bǔ)償裝置。受井架內(nèi)空間的限制，游車升沉補(bǔ)償難以實現(xiàn)大載荷補(bǔ)償；絞車升沉補(bǔ)償及快繩/死繩升沉補(bǔ)償裝置的鋼絲繩磨損嚴(yán)重，工作條件惡劣；在高級別海洋鉆井平臺中，天車升沉補(bǔ)償裝置應(yīng)用較為廣泛[5-13]。

天車升沉補(bǔ)償裝置安裝在井架頂端，不占用平臺作業(yè)空間，補(bǔ)償載荷大、補(bǔ)償精度高，主要有搖擺臂式(如圖1)及補(bǔ)償輪式2種形式[14]。呂巖等[15]人分析認(rèn)為，因為搖擺臂結(jié)構(gòu)形式可最大限度避免鋼絲繩在浮動滑輪上的滑動磨損，優(yōu)于補(bǔ)償輪式天車升沉補(bǔ)償裝置。天車升沉補(bǔ)償裝置搖擺臂的設(shè)計參數(shù)很大程度上會影響最終升沉補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)形式和質(zhì)量。合理的結(jié)構(gòu)是設(shè)備長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的保證，盡可能地減輕海洋平臺井架頂部質(zhì)量對增加平臺可變載荷、保障極限工況安全具有重要意義。本文旨在通過對天車升沉補(bǔ)償裝置擺臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，建立相應(yīng)的力學(xué)模型。通過算例分析，提出天車升沉補(bǔ)償裝置擺臂設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方向。

圖1 搖擺臂式天車補(bǔ)償裝置

1 計算模型

內(nèi)繞式搖擺臂天車升沉補(bǔ)償裝置由擺臂總成、浮動天車(補(bǔ)償輪總成)、導(dǎo)向輪、天車架等組成，該裝置的兩個極限位置如圖2所示。與外繞式搖擺臂天車升沉補(bǔ)償裝置相比，其導(dǎo)向輪外伸幅度較小，結(jié)構(gòu)更為緊湊，對于位于浮動式高聳結(jié)構(gòu)頂端的設(shè)備來說，有利于減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量和風(fēng)載。理想狀態(tài)下，相對于補(bǔ)償系統(tǒng)提起的鉆桿或隔水管底部，浮動天車(補(bǔ)償輪總成)為零位移；相對于鉆井船/平臺，天車架和導(dǎo)向輪為零位移；浮動天車與天車架的相對運(yùn)動和海床與鉆井船/平臺的相對運(yùn)動關(guān)系一致。通過擺臂的打開和收縮，在絞車和死繩端之間繩長不變的條件下，可實現(xiàn)浮動天車與天車架間垂直方向的相對運(yùn)動。

a下極限位置(鎖緊位置)

b上極限位置

對圖2所示的天車升沉補(bǔ)償裝置進(jìn)行簡化。以導(dǎo)向輪與補(bǔ)償輪的相對位置、擺臂桿的長度、浮動天車的運(yùn)動位置為參數(shù)，得到以擺臂機(jī)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)分析如圖3所示?；嗇S、軸承及滑輪總重力與鋼絲繩拉力相比為小量，計算時省略。

a 下擺桿及力矩平衡b 中間節(jié)點力平衡

c 導(dǎo)向輪節(jié)點力平衡

從圖3可以看出，導(dǎo)向輪、補(bǔ)償輪以及中間滑輪組成了一個兩條邊長度確定的三角形，L3長度為初始設(shè)計值，L4隨浮動天車的運(yùn)動在一個確定的范圍內(nèi)變化；補(bǔ)償裝置擺臂系統(tǒng)由2個可確定求解的三角形構(gòu)成。通過力的平衡以及力矩平衡，根據(jù)已知參數(shù)可求解擺桿上的力F1、F2，導(dǎo)向輪支座反力RR，擺臂打開角度α，以及作用在中間滑輪軸承上的力Fb。

由圖3可得：

(1)

(2)

(3)

式中：α為擺臂打開角度，rad；β為兩個距離確定的圓切線與圓心連接線之間的夾角，rad。

擺臂關(guān)鍵幾何參數(shù)確定后，隔離下擺桿，根據(jù)力矩平衡求解F1可得：

F1=T·R+T·(R+L2·sinα)/(L2·sinα)

(4)

隔離中間節(jié)點，根據(jù)節(jié)點平衡計算F2可得：

F2=T·sin(α-β)/sinα

(5)

隔離導(dǎo)向輪節(jié)點，根據(jù)節(jié)點平衡計算支座反力RR:

(6)

(7)

其中：φT=φ1+φ2+β。

式中：φ1為上、下擺臂形成的三角形在導(dǎo)向輪處的夾角；φ2為導(dǎo)向輪、補(bǔ)償輪連線與水平方向的夾角，[0, π/2]；φT為導(dǎo)向輪上部鋼絲繩上張力與水平方向的夾角，[π/2, π]，T為快繩拉力，kN。

2 優(yōu)化算例

900 t天車升沉補(bǔ)償裝置最大補(bǔ)償載荷為4 500 kN，采用7×8繩系，鋼絲繩在主滑輪上纏繞半徑R=862.5 mm。升沉補(bǔ)償行程為7 620 mm(25英寸)?？炖K效率系數(shù)依照API RP 9B，取值為0.685[16]。

補(bǔ)償工作狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)額定載荷為4 500 kN，快繩拉力為：

假設(shè)快繩拉力在整個補(bǔ)償過程中為恒定值。L3設(shè)計值取2.4 m，L4在下極限位置設(shè)計值取1.6 m，L1、L2基本設(shè)計值取5 m，極限長度取7.4 m。在L1、L2長度變化時，可得到浮動天車在任何位置擺臂以及軸承上的作用力變化趨勢，如圖4～5所示。

圖4 上擺桿長度變化對各關(guān)鍵部件受力影響

從圖4可以看出：①當(dāng)補(bǔ)償輪由鎖緊位置上升至最高位置的過程中，作用在上擺桿上的力變化幅度較小，作用在中間軸承的力變化較大，先緩慢降低再迅速增大，最大達(dá)到1 600 kN；上擺桿中的載荷明顯大于下擺桿。②上擺桿長度的初始增長明顯降低了各部件的應(yīng)力水平，當(dāng)L1=6.6 m時，整個浮動天車運(yùn)動過程中，作用于中間軸承上的力減小至1 200 kN水平，但是當(dāng)L1從6.6 m開始繼續(xù)增長時，在浮動天車下極限位置附近 中間軸承及導(dǎo)向輪軸承載荷有明顯增長，即上擺桿繼續(xù)加長的有利效果消失，不利效果開始出現(xiàn)。③無論上擺桿長度如何變化，整個浮動天車運(yùn)動過程中，作用在上擺桿上的力始終大于下擺桿，二者最接近時，上擺桿中載荷約等于下擺桿中的兩倍；中部軸承載荷明顯大于導(dǎo)向輪軸承，二者之間關(guān)系也接近兩倍。

從圖5可以看出，下擺桿長度的增加同樣可以明顯降低各部件的載荷水平，且在下擺桿增長至7.4 m的長度時，作用于中間軸承上的力達(dá)到最小，僅為1 100 kN，相對于初始1 600 kN降幅達(dá)到30%以上，更優(yōu)于上擺桿增長的效果；下擺桿L2=7.4 m時，導(dǎo)向輪軸承上的力在整個浮動過程中變化率很小，較為穩(wěn)定；上擺桿和下擺桿二者載荷最接近時，上擺桿上的載荷約為下擺桿的二倍。

3 結(jié)論

1) 以擺臂的長度為主變化參數(shù)，對內(nèi)繞式搖擺臂天車升沉補(bǔ)償裝置進(jìn)行了建模和實例分析，得到了上擺臂、下擺臂、中間軸承、導(dǎo)向輪軸承上載荷隨浮動天車位置的變化趨勢。所提供的建模方法可供未來天車升沉補(bǔ)償裝置設(shè)計參考。

2) 相對于上、下擺桿等長的設(shè)計方案，上擺桿或下擺桿單獨加長均有利于減小擺桿、軸承中的載荷；且下擺桿長度增加對于減小各部件內(nèi)載荷的效果更加明顯。

3) 上擺桿中的載荷明顯大于下擺桿中的載荷，在浮動天車浮動的全范圍里，上擺桿內(nèi)載荷最小值約為下擺桿內(nèi)最大值的兩倍。

圖5 下擺桿長度變化對各關(guān)鍵部件受力影響

4) 在擺桿設(shè)計時，由于軸承安裝位置限制，上、下擺桿截面抗彎剛度不同，而抗彎剛度和桿長均為影響擺桿受壓穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。擺臂機(jī)構(gòu)可設(shè)計為上臂相對短粗、下臂相對細(xì)長的結(jié)構(gòu)，可最大程度達(dá)到各部件結(jié)構(gòu)應(yīng)力的均一化，提高材料利用率，減輕設(shè)備質(zhì)量。