自升式鉆井船樁腿鎖緊裝置的研發(fā)與應(yīng)用

宋春旺

(中國(guó)海洋石油油田服務(wù)股份有限公司,北京 101149)

自升式鉆井船樁腿鎖緊裝置的研發(fā)與應(yīng)用

宋春旺

(中國(guó)海洋石油油田服務(wù)股份有限公司,北京 101149)

介紹了新研發(fā)的自升式鉆井船樁腿鎖緊裝置,主要技術(shù)參數(shù)、工作原理以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn);并介紹了新研發(fā)鎖緊裝置樣機(jī)的試驗(yàn)方法、內(nèi)容及結(jié)果。

自升式鉆井船;樁腿鎖緊裝置;動(dòng)態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)移;研發(fā)及應(yīng)用

Abstract:The main parameters,working principle,and structural characteristics of the new developed leg fixation device for self-elevated drilling ship is introduced in this paper.And the test method,test items and results of the new developed leg fixation device is also introduced.

Key words:self-elevated drilling ship;leg fixation system;dynamic load transfer;study and application

0 引言

早期設(shè)計(jì)建造的自升式鉆井船上沒(méi)有安裝樁腿鎖緊裝置,隨著對(duì)海洋工程安全性要求的逐步提高,樁腿鎖緊裝置目前已經(jīng)被多數(shù)自升式鉆井船設(shè)計(jì)所采納。

樁腿鎖緊裝置主要作用是在自升式鉆井船升起后,使用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使鎖緊齒條與樁腿齒條嚙合,隨后將作用在升降系統(tǒng)上的平臺(tái)重量及環(huán)境、作業(yè)載荷轉(zhuǎn)移到鎖緊裝置上,從而達(dá)到在惡劣海況及鉆井作業(yè)等工況下提高作業(yè)安全、作業(yè)能力和保護(hù)升降系統(tǒng)的目的。

通過(guò)對(duì)L780 MODⅡ船型主要性能參數(shù)、作業(yè)海域氣象條件以及最新的行業(yè)規(guī)范要求的研究,中海油服與佛山精銦機(jī)械制造有限公司共同研發(fā)了新型自升式鉆井平臺(tái)鎖緊裝置。與原基本設(shè)計(jì)公司生產(chǎn)的鎖緊裝置相比,其區(qū)別如表1所示。

表1 基本設(shè)計(jì)公司鎖緊裝置與中海油服和佛山精銦公司開(kāi)發(fā)研制鎖緊裝置對(duì)比表

防卡死能力 利用升降裝置消除卡死現(xiàn)象。 設(shè)備自帶動(dòng)態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力,在解鎖時(shí),該裝置能輕易消除卡死現(xiàn)象。液壓系統(tǒng) 單回路中壓系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。除液壓馬達(dá),液壓缸的驅(qū)動(dòng)使用中壓系統(tǒng)外,還配有一套采用二次增壓原理的高壓系統(tǒng),用于驅(qū)動(dòng)負(fù)荷轉(zhuǎn)移裝置。系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) 上下部螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 兩組螺桿動(dòng)作,操作迅速,可有效防止齒條卡死,作業(yè)效率更高;產(chǎn)品重量較小。系統(tǒng)缺點(diǎn)因螺桿副數(shù)量多,產(chǎn)品重量較大。同時(shí)因?yàn)橐ㄟ^(guò)4根螺桿的運(yùn)動(dòng)才能完成鎖緊、解鎖操作,操作時(shí)間較長(zhǎng)。上下楔形塊產(chǎn)生的水平分力需要通過(guò)底座傳遞到船體結(jié)構(gòu)側(cè)壁,原船體相關(guān)結(jié)構(gòu)需進(jìn)行修改和加強(qiáng)。

由表1對(duì)比可以看出,中海油服與佛山精銦機(jī)械制造有限公司共同研發(fā)的應(yīng)用于L780 MODⅡ船型的鎖緊裝置在防止齒條卡死、作業(yè)效率、系統(tǒng)重量方面具有優(yōu)勢(shì)。

圖1 鎖緊裝置示意圖

1 新研發(fā)鎖緊裝置主要技術(shù)參數(shù)

向上載荷保持力 ≥3 200 t/套

向下載荷保持力 ≥2 000 t/套

動(dòng)態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力 ≥800 t/套

全船鎖緊裝置數(shù)量 9套

裝置全重 52 t/套

新研發(fā)鎖緊裝置工作原理:

自升式鉆井船每個(gè)樁腿的三個(gè)主弦管,各安裝一套鎖緊裝置(見(jiàn)圖1)。每個(gè)樁腿上的三套鎖緊裝置共用一套液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。

樁腿鎖緊操作過(guò)程及原理:

1.鎖緊操作前,平臺(tái)升降到作業(yè)氣隙,然后開(kāi)始鎖緊操作。

2.操作下部螺桿總成調(diào)整鎖緊齒的高度,利用側(cè)推油缸將鎖緊齒條推進(jìn)樁腿齒條并嚙合良好,操作頂部油缸推動(dòng)上楔塊下行,壓住鎖緊齒條;再操作上部螺桿總成,使上螺桿下行抵住上楔塊;操作下部螺桿總成使其與鎖緊齒條分離。至此,單弦管一側(cè)的預(yù)鎖緊操作完成。

3.以同樣順序操作另一側(cè)的鎖緊裝置與另外兩只弦管的鎖緊裝置,使其預(yù)鎖緊操作先后完成。

4.操作液壓系統(tǒng)給這條樁腿上三組鎖緊裝置加載,由于三組鎖緊裝置的上油缸是并聯(lián)回路,所以三組裝置中的6只上油缸的壓力相等,所產(chǎn)生的推力也是相等的。這個(gè)加載過(guò)程,就是動(dòng)態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。

5.當(dāng)6只上油缸產(chǎn)生的總推力大于這條樁腿承受的平臺(tái)重量載荷時(shí),原由升降裝置承受的載荷被轉(zhuǎn)移到由鎖緊裝置的頂部油缸承受。

6.此時(shí),原來(lái)相互抵住的上楔塊和上螺桿之間再次產(chǎn)生微小的間隙,逐一操作6個(gè)上部螺桿總成,使上螺桿再次下行消除這一間隙。

7.操作液壓系統(tǒng)給6只上油缸卸載,使其承受的平臺(tái)重量載荷轉(zhuǎn)移到6只上部螺桿總成上,動(dòng)態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)移過(guò)程完畢后,這條樁腿的載荷全部由鎖緊裝置承接。

8.依次操縱6只下部螺桿總成向上托住鎖緊齒條,這條樁腿鎖緊操作完畢。

樁腿解鎖操作過(guò)程及原理:

1.在鎖緊裝置解鎖操作前,先確認(rèn)每個(gè)樁腿的升降裝置剎車(chē)處于制動(dòng)狀態(tài)。

2.依次操作下部螺桿總成,使其與鎖緊齒條分離。

3.操作液壓系統(tǒng)給這條樁腿上三組鎖緊裝置加載。

4.當(dāng)6只上油缸產(chǎn)生的總推力大于這條樁腿承受的平臺(tái)重量載荷時(shí),原由上部螺桿總成承受的載荷被完全轉(zhuǎn)移到由上油缸承受。

5.此時(shí),原來(lái)相互抵住的上楔塊和上螺桿之間再次產(chǎn)生微小的間隙,逐一操作6個(gè)上部螺桿總成,使上螺桿再次下行進(jìn)行分離。

6.操作液壓系統(tǒng),給6只上油缸卸載,原由鎖緊裝置承受的平臺(tái)重量載荷被釋放到升降裝置的剎車(chē)上。

7.操作側(cè)油缸將鎖緊齒條拉離樁腿齒條。

8.依次操作6個(gè)上部螺桿總成,上行復(fù)位;依次操縱下部螺桿總成,使其與鎖緊齒條接觸。至此解鎖操作完畢。

2 新研發(fā)鎖緊裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)動(dòng)態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)移功能

在鎖緊操作時(shí),可以讓各樁腿主動(dòng)將船體重量載荷由升降系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到鎖緊裝置來(lái)承擔(dān),而不產(chǎn)生明顯的高度位移,同時(shí)保證各套鎖緊裝置均勻承擔(dān)載荷。

在解鎖操作時(shí),可以利用這個(gè)功能將重量載荷從鎖緊螺桿上卸載,使螺桿的驅(qū)動(dòng)扭矩為最小,解鎖操作簡(jiǎn)便快捷。

(2)7齒嚙合鎖緊齒條

該系統(tǒng)中鎖緊齒條采用7齒鎖緊齒條,降低了樁腿齒條的單齒負(fù)荷。同時(shí)鎖緊塊在材料選擇方面,通過(guò)熱處理控制屈服強(qiáng)度小于樁腿齒條的強(qiáng)度,保證在意外超載時(shí)的失效順序。

(3)上螺桿總成采用雙球鉸承載方式

鎖緊裝置的主承載機(jī)構(gòu)采用多個(gè)球冠承載面承受復(fù)雜的載荷分力,該設(shè)計(jì)能夠消除由于長(zhǎng)期的波動(dòng)載荷而引發(fā)的內(nèi)部張力,從根本上防止各運(yùn)動(dòng)部件之間的卡死現(xiàn)象。同時(shí)這一機(jī)構(gòu)還能補(bǔ)償結(jié)構(gòu)制造誤差及自升式鉆井船在長(zhǎng)期處于作業(yè)狀態(tài)后形成的結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象,保證各部件運(yùn)轉(zhuǎn)平順。

(4)采用上下楔塊夾緊結(jié)構(gòu)

①利用楔塊的支撐背板承受鎖緊時(shí)產(chǎn)生的水平分力,在垂直方向鎖緊的同時(shí)也完成了水平方向的鎖緊操作,這一設(shè)計(jì)比基本設(shè)計(jì)公司的鎖緊裝置設(shè)計(jì)節(jié)省了一半以上的操作時(shí)間;②上下楔塊采用高強(qiáng)度鋼材,熱處理后屈服應(yīng)力高達(dá)790 MPa以上,保證性能的同時(shí)還降低了系統(tǒng)的重量;③驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由渦輪渦桿機(jī)構(gòu)和鎖緊支撐螺母一體設(shè)計(jì)而成,相比行星輪減速機(jī)構(gòu)具有重量輕、扭矩大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于維護(hù)的特點(diǎn)。

3 樣機(jī)試驗(yàn)方法、內(nèi)容及結(jié)論:

(1)試驗(yàn)?zāi)康?

①驗(yàn)證動(dòng)態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力;②驗(yàn)證利用動(dòng)態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力,改善鎖緊裝置解鎖操作的效果;③驗(yàn)證鎖緊裝置的承載能力是否能滿(mǎn)足平臺(tái)抗風(fēng)暴載荷的要求;④驗(yàn)證首次使用的浮動(dòng)承載機(jī)構(gòu)的效能;⑤驗(yàn)證在上述極限工況下,機(jī)件、管線(xiàn)的承受能力和可靠性;⑥驗(yàn)證電器裝置和控制程序的設(shè)計(jì)合理性;⑦利用試驗(yàn)機(jī)裝置的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量裝置,對(duì)鎖緊裝置及模擬齒條的實(shí)際應(yīng)力分布情況進(jìn)行測(cè)量,將測(cè)量結(jié)果與有限元計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比對(duì),從而驗(yàn)證有限元分析的邊界條件的合理性;⑧測(cè)試承載螺母螺桿機(jī)構(gòu)在具備浮動(dòng)能力之后的帶載荷解鎖能力,為今后的設(shè)計(jì)研發(fā)工作提供數(shù)據(jù);⑨試驗(yàn)完成后進(jìn)行樣機(jī)探傷。

(2)試驗(yàn)方法:在工廠車(chē)間按1∶1比例制造原型試驗(yàn)機(jī)及鎖緊裝置樣機(jī)(見(jiàn)圖2)各一套,并按照船級(jí)社審批的試驗(yàn)大綱要求進(jìn)行功能試驗(yàn)和負(fù)荷試驗(yàn)。

試驗(yàn)機(jī)整套鎖緊裝置中最為重要的零件是鎖緊齒條和主齒條。經(jīng)有限元分析,鎖緊齒條和主齒條達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí),最大應(yīng)力位置會(huì)出現(xiàn)在鎖緊塊和主齒條的齒根處。為了更直觀地了解在最大載荷(3 200 t)時(shí)主齒條的應(yīng)力情況,采用應(yīng)變電測(cè)法測(cè)量主齒條最大應(yīng)力處的應(yīng)力。試驗(yàn)采用缸直徑為?630 mm的主缸加載。

(3)試驗(yàn)主要內(nèi)容:

①鎖緊裝置動(dòng)態(tài)鎖緊能力測(cè)試;②負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力測(cè)試;③解鎖能力測(cè)試;④鎖緊裝置靜態(tài)鎖緊能力(抗風(fēng)暴)測(cè)試;⑤在最大鎖緊載荷3 200 t狀態(tài)下,鎖緊塊各個(gè)齒的受力情況測(cè)試,并與有限元分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

(4)試驗(yàn)結(jié)論及改進(jìn)點(diǎn)

①主要承載部件(包括鎖緊齒條、上下油缸、上下螺桿總成、楔塊等)全部達(dá)到了設(shè)計(jì)載荷要求;②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊實(shí)用,可維護(hù)性高;③第一次采用的浮動(dòng)承載結(jié)構(gòu)效果好,提高了帶負(fù)荷解鎖能力;④整套鎖緊裝置超出技術(shù)要求的承載能力達(dá)到額定承載能力110%以上;⑤實(shí)際應(yīng)力比有限元分析略小,殘余變形小,鎖緊條滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)和使用要求;⑥鎖緊塊后退時(shí),有向后傾倒的趨勢(shì),試驗(yàn)后對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了修改,增加了縱向扶正裝置。

圖2 樁腿鎖緊裝置原型試驗(yàn)機(jī)示意圖

4 結(jié)論

中海油服與佛山精銦機(jī)械制造有限公司共同研發(fā)的自升式鉆井平臺(tái)樁腿鎖緊裝置,通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)、試驗(yàn)、加工制造,成功將這一技術(shù)成果應(yīng)用于中海油服在建的4座L780 MODⅡ自升式鉆井平臺(tái)。

該設(shè)計(jì)具備的動(dòng)態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力,解決了自升式鉆井船經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期固定位置作業(yè)時(shí),交變載荷可能造成鎖緊裝置卡死的問(wèn)題,鎖緊和解鎖操作更為平順。鎖緊、解鎖操作所耗費(fèi)的時(shí)間降低到了國(guó)外同類(lèi)樁腿鎖緊裝置操作時(shí)間的一半左右,大大提高了作業(yè)效率。

研發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)、計(jì)算、試驗(yàn)大綱等均經(jīng)過(guò)船級(jí)社審核,原型機(jī)試驗(yàn)完全模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況,并進(jìn)行了110%超負(fù)荷試驗(yàn),試驗(yàn)后的檢驗(yàn)探傷結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

這一研發(fā)成果在為中海油服節(jié)省了設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用的同時(shí),還提高了國(guó)內(nèi)海洋工程裝備的研發(fā)能力,推進(jìn)了海洋工程裝備的國(guó)產(chǎn)化。

Study and Application of New T ype Leg Fixation System for Self-Elevated Drilling Ship

SONG Chun-wang
(China Oilfield Services Limited,Beijing 101149,China)

TE952

B

1001-4500(2010)04-0046-04

2009-11-23; 修改稿收到日期:2010-04-16

宋春旺(1975-),男,工程師,主要從事自升式鉆井船及半潛式鉆井船總體性能及設(shè)備配置研究。