自升式平臺齒輪齒條升降系統受力分析

樊敦秋,崔希君,曹宇光,2

(1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營,257017;

2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院,山東東營,257061) *

自升式平臺齒輪齒條升降系統受力分析

樊敦秋1,崔希君1,曹宇光1,2

(1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營,257017;

2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院,山東東營,257061)*

齒輪齒條升降機構是自升式平臺的重要承載機構,在各種工作狀態下起到支撐船體及相關設備的作用,并長時間承受重外載荷作用。以三樁腿齒輪齒條升降式自升式平臺為模型,從樁腿內力分析出發,研究齒輪齒條升降機構受力,從而為升降單元安全評價、壽命評估等提供支持。

自升式平臺;升降單元;受力分析

自升式鉆井平臺在經歷半個多世紀的發展后,在工作水深、抗風暴能力、可變載荷、鉆井能力和操作性能等方面取得了巨大進步[1-5]。自升式平臺由于具有用鋼量少、造價低、水上完井及在各種海況下幾乎都能持續作業和效率高等優點,在國內外海洋勘探和開發、特別是在近海海洋石油開發中發揮了巨大作用[6]。

升降系統(如圖1所示)作為自升式平臺中的關鍵部分及重要的承載部件,在工作狀態、升降狀態及風暴自存狀態等多種工況下都必須支撐船體及相關設備,并承擔外載荷,長時間處于承受重載的狀態,因此其強度是關系整個平臺安全性能的一個重要因素,在平臺的設計制造中歷來受到高度重視。常見的升降系統有齒輪齒條式和液壓頂升式。齒輪齒條式升降系統由于具備升降速度快、操作簡單、易對井位等突出優點,因此在新造的自升式平臺中被廣泛采用[7]。齒輪齒條式升降系統一般由多個升降單元構成,均勻分布在各樁腿兩側,升降單元數量與承載能力根據平臺設計載荷來確定,平臺所承受的載荷通過升降單元內的齒輪與固定于樁腿上的齒條嚙合傳遞給樁腿,因此每條樁腿所承受的載荷亦即該樁腿上所固定的升降單元所承受的載荷。受多種因素影響,各樁腿上所承受的載荷是不均勻的。本文以目前國內廣泛采用的三樁腿齒輪齒條升降式自升式平臺為原型,分析各樁腿在自重、可變載荷和風載作用下的受力,以此確定各升降單元所承受的載荷及平臺的傾斜角度,從而為升降系統結構安全評價、壽命評估等奠定基礎。

圖1 齒輪齒條升降系統

1 平臺自重及可變載荷作用下受力分析

三樁腿自升式平臺型長為L,型寬為B,艏樁與艉樁間距為L1,兩艉樁間距為B1。建立如圖2所示平面坐標系,在此坐標系下,三樁腿分別位于D(x1, y1),E(x2,0),F(x1,-y1)。

由于平臺自身重力與可變載荷的合力難以保證處于各樁腿所圍成多邊形區域的形心,因而必然造成一定程度的偏載,使得各樁腿上齒輪齒條機構受力不均。對于本文所研究的三樁腿平臺,假設其自重及可變載荷合力為 G,作用于c(xc,yc,zc)(c的坐標和合力G可通過統計分析計算),則根據平臺靜力平衡可知

式中,Z軸為xoy平面的法線方向;My為各力對y軸的扭矩;Mx為各力對x軸的扭矩,展開得

式中,RD、RE、RF分別為樁腿D、E、F所承受的載荷,解方程得

圖2 三樁腿自升式平臺樁腿位置

2 風載作用下受力分析

除去平臺自重和可變載荷,作用于平臺上的風載荷也使齒輪齒條升降系統受力增加。將平臺各樁腿沿固樁架頂部和底部截開,取平臺主體部分作為研究對象,如圖3所示,依據規范[8]計算風載及風傾力矩即可求得上下表面的內力。需要說明的是,圖4中所截取部分即為齒輪齒條發生嚙合的部分。

圖3 風載作用下樁腿上的內力

假設風向為水平方向(垂直于樁腿),與平臺軸線成任意夾角入射,建立如圖3所示坐標系,x軸方向沿著風向,y軸垂直于平臺主體沿樁腿方向。內力由剪力與彎矩組成,代表平臺樁腿其他部分對截取部分的作用。圖4中,QS、MS代表截取部分上表面的剪力和彎矩;QX、MX代表截取部分下表面的剪力和彎矩;M為升降系統輸出齒輪與齒條嚙合所產生的力的豎直分量所合成的力矩;F為齒輪齒條嚙合時所產生力的水平分量,考慮所截取部分的平衡,可得如下平衡方程,即

展開得

解得

將任意方向風載荷沿 u軸和v軸方向分解,其中v軸為平臺軸線方向(正向與圖2中 x軸方向一致),u軸為兩艉樁沿線方向(正向與圖2中 y軸方向相反),分別計算在風載荷沿此2方向分量作用下各樁腿上齒輪齒條升降系統上所產生的附加力。

在風載沿 u軸分量作用下,假設 D、E、F三樁腿齒輪齒條升降系統上產生的附加力分別為(如圖4所示),根據受力及樁腿分布特點可列如下平衡方程,即

式中,Mv=Mcosα,求解得

圖4 風載沿u軸分量作用下樁腿內力

在風載沿 v軸分量作用下,假設 D、E、F三樁腿齒輪齒條升降系統上產生的附加力分別為 F″D、F″E、F″F(如圖5所示),根據受力及樁腿分布特點可列如下平衡方程,即

式中,Mu=Msinα。

求解得

綜合可得2分力共同作用在齒輪齒條上所產生的附加載荷為

其中,正號表示齒輪齒條上的壓力增加;負號表示壓力減少。

圖5 風載沿v軸分量作用下樁腿內力

3 自重可變載荷以及風載共同作用下各樁腿受力

由于各樁腿材料均處于線彈性階段,故各樁腿受力等于將自重及可變載荷作用下與風載作用下的受力線性相加,即

4 各樁腿受力不均導致的平臺傾斜角度計算

由上述分析可知,各樁腿在自重、可變載荷及風載荷共同作用下受力分別為 PD、PE、PF,假設各樁腿在各自載荷作用下的縮短量分別為ΔlD、ΔlE、ΔlF,則

式中,H1為平臺下部樁腿長度,m;E為材料彈性模量,GPa;A為樁腿橫截面積,m2。

為了便于分析,重新建立如圖6所示平臺主體平面坐標系,因此平臺上 D、E、F的初始空間坐標分別為(0,B1/2,0),(0,-B1/2,0),(L1,0,0)。考慮到各樁腿在壓力作用下縮短變形,因此 D,E,F三點在樁腿變形后的新坐標分別變為(0,B1/2,-ΔlD),(0,-B1/2,-ΔlE),(L1,0,-ΔlF)。

故變形后得

故平臺所在平面的法線方程為

故平臺所在平面的平面方程為

化簡得

圖6 樁腿位置

5 結論

本文以三樁腿自升式平臺為模型,分析了在自重、可變載荷和風載荷共同作用下各樁腿的受力情況。由于在多種工況下各樁腿受力即為與各樁腿上齒條相嚙合的升降單元受力,因此,利用本研究的結論結合相應平臺升降單元的數量及其分布即可推算單個升降單元所承受的載荷,為升降單元安全評價和壽命評估奠定了基礎。本文所推導的平臺傾斜角度計算方法也可以確定平臺在不同工況下的傾斜程度,為適時調整作業載荷提供依據。

[1] 陳 宏,李春祥.自升式鉆井平臺的發展綜述[J].中國海洋平臺,2007,22(6):1-6.

[2] 趙洪山,劉新華,白立業.深水海洋石油鉆井裝備發展現狀[J].石油礦場機械,2010,39(5):68-74.

[3] 侯福祥,張永紅,王 輝,等.深水鉆井關鍵裝備現狀與選擇[J].石油礦場機械,2009,38(10):1-4.

[4] 何毅斌,陳定方.基于可靠性原理的海洋平臺傳動齒輪設計研究[J].石油礦場機械,2009,38(10):40-42.

[5] 張用德,袁學強.我國海洋鉆井平臺發展現狀與趨勢[J].石油礦場機械,2008,37(9):14-17.

[6] 馬志良,羅德濤.近海移動式平臺[M].北京:海洋出版社,1993:10-12.

[7] 孫永泰.自升式海洋平臺齒輪齒條升降系統的研究[J].石油機械,2004,32(10):23-26.

[8] 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規范[S].北京:人民交通出版社,2005:2-24.

Force Analysis of Pinion and Rack Jacking System of Three Legs Jack-up Platform

FAN Dun-qiu1,CUI Xi-jun1,CAO Yu-guang2
(1.Drilling Technology Institute,Shengli Petroleum B ureau,Dongying257017,China;2.College of Transport&Storage and Civil Engineering,China University ofPetroleum,Dongying257061,China)

The pinion and rack jacking system is the most important bearing apparatus of the jackup platform.It has to support the platform itself,equipments on it and external loads.Thus the jacking system bears heavy load for long time.In this paper,the most commonly used three legs jack-up platform was selected for analyzing the load acted on the jacking system,by means of internal force of the legs.Results of the research can be used for the safety evaluation and life prediction of the jacking units.

jack-up platform;jacking unit;force analysis

1001-3482(2010)12-0027-04

TE951

A

2010-06-12

樊敦秋(1968-),男,山東日照人,高級工程師,主要從事海洋工程科研設計工作,E-mail:fandunqiu@126.com。