旋轉環梁楔塊式液壓升降裝置設計

孫友義,侯金林,張 暉

(1.中海石油(中國)有限公司北京研究中心,北京100027;2.中國石油大學(北京)博士后流動站,北京102249) *

旋轉環梁楔塊式液壓升降裝置設計

孫友義1,2,侯金林1,張 暉1

(1.中海石油(中國)有限公司北京研究中心,北京100027;2.中國石油大學(北京)博士后流動站,北京102249)*

為降低投資風險,海上邊際油田開發要求采油平臺具備可移動、自安裝功能。為此,研發了一種新型的旋轉環梁楔塊式液壓升降裝置。該裝置由上挾樁器、下挾樁器、鎖樁器、升降油缸、回轉油缸、固樁筒和樁腿組成,通過升降油缸的伸縮運動實現平臺的升降,通過回轉油缸的伸縮運動實現與樁腿的鎖緊和解鎖。該裝置具有安全可靠、造價經濟、技術國產化、可拆卸重復使用等特點。

邊際油田;可移動式自安裝平臺;液壓升降裝置;旋轉環梁;楔塊

我國目前有很大一部分海上發現油田屬于邊際油田,即用常規技術開發沒有經濟效益。如何經濟、有效地開發這些邊際油田,是當前海洋石油工程領域科研工作的重點之一[1]。“蜜蜂式”采油模式是一種開發邊際油田非常具有吸引力的開發模式[2],該模式利用可移動的生產儲油裝置對多個邊際油田進行開發,由多個小油田共同分擔一套工程設施的投資,可有效提高邊際油田開發的經濟效益。

針對海上邊際油田“蜜蜂式”開發模式對新型工程設施的特殊要求,中國海洋石油總公司開展了可移動式自安裝平臺的研發工作。可移動式自安裝平臺具有可移動、可重復使用、可自安裝、施工方便、功能齊全、對周邊設施依賴性低等優點,可有效降低邊際油田開發的工程投資風險[3]。升降裝置是實現這種新型平臺可移動與自安裝功能的關鍵裝置。現有的平臺升降裝置主要有齒輪齒條式升降裝置和插銷式液壓升降裝置2種[4-5]。對于邊際油田開發,這2種裝置的主要問題是造價高且不可拆卸重復使用,為此研發了一種新型的旋轉環梁楔塊式液壓升降裝置。該裝置具有工作安全可靠、造價經濟、技術國產化等特點,且在1座平臺安裝就位后可拆卸并用于其他平臺的移位作業,從而進一步降低了工程設施投資,對于推動邊際油田開發具有重要意義。

1 組成與工作原理

升降裝置主要由樁腿、固樁系統(包括鎖樁器與固樁器)和升降系統(包括上挾樁器、下挾樁器、固樁筒、升降油缸與回轉油缸)組成,如圖1,從功能上又可分為機械、液壓和控制3類系統。目標平臺為4樁腿平臺,共需配置4個升降裝置,單個升降裝置的設計舉升力為15 000 kN。

圖1 升降裝置組成

1.1 機械系統

升降裝置的機械系統由樁腿、鎖樁器、固樁器、上挾樁器、下挾樁器和固樁筒組成。

樁腿由樁管和楔塊組成。樁管外徑3 m,外部焊接有楔塊,每層楔塊數量為12個,2層楔塊之間間距為0.4 m。平臺與樁腿通過鎖樁器接合和分離,升降裝置與樁腿通過上、下挾樁器接合和分離,接口的形狀和尺寸均為與樁腿間隙配合的矩形槽。鎖樁器與上、下挾樁器均采用旋轉環梁楔塊結構,主要由上、下固定環梁和轉動環梁組成,其與樁腿的接合和分離通過回轉油缸的伸縮運動帶動轉動環梁繞樁腿回轉并與楔塊配合實現。

鎖樁器與平臺焊接在一起。固樁器為楔形結構。固樁系統的功能是固定平臺與樁腿,其中鎖樁器傳遞垂向載荷,固樁器傳遞水平載荷。平臺就位后,固樁系統不可拆卸。

固樁筒與平臺甲板通過連接法蘭和螺栓連接,上挾樁器與固樁筒焊接,上、下挾樁器通過升降油缸連接。升降系統通過升降油缸的伸縮運動實現平臺的升降。平臺舉升時,樁腿支撐下挾樁器,升降油缸舉升力通過上挾樁器、固樁筒傳遞至平臺甲板;平臺下降時,平臺重力自固樁筒、上挾樁器、升降油缸、下挾樁器傳遞至樁腿。平臺就位后,升降系統可拆卸,其與平臺的接口為連接法蘭。

1.2 液壓系統

液壓系統由液壓泵站、執行元件(升降油缸、回轉油缸)、控制元件(分流器、平衡閥、電磁換向閥、單向閥、調壓閥等)和管路組成,如圖2。每套升降裝置共有8個升降油缸和8個回轉油缸(上、下挾樁器和2個鎖樁器各配置2個回轉油缸)。升降油缸和回轉油缸分別由液壓泵站供油。為保證升降油缸同步伸縮,在液壓回路中設置了同步分流馬達。為防止平臺自高位無控制地加速下落,在液壓回路中設計了平衡閥,該閥還可在液壓系統發生故障時將平臺鎖緊在任意位置。

1.3 控制系統

控制系統由傳感器、工控機、PLC、控制電器、電源和智能數字儀表等組成,具有4方面功能。

1) 數據采集。采集平臺的水平度、升降裝置的舉升力和油缸的行程。

2) 數據傳輸、顯示。可對實時數據進行傳輸、顯示、記錄和歷史查詢。

3) 控制。包括控制升降油缸實現控制平臺升降、控制回轉油缸實現平臺或升降裝置與樁腿的鎖緊與解鎖、升降油缸與回轉油缸互鎖、2個挾樁器之間回轉油缸互鎖、應急急停等功能。

4) 報警。包括油缸到位報警、平臺水平度報警以及載荷報警。

圖2 升降裝置液壓系統原理

1.4 工作原理

平臺的升降由升降系統實現。平臺舉升工作流程如圖3。

圖3 平臺舉升工作原理

1) 初始狀態時,升降油缸都處于收縮狀態,上、下挾樁器均與樁腿鎖緊。

2) 上挾樁器回轉油缸縮回,使上挾樁器與樁腿分開。

3) 升降油缸伸出,推動上挾樁器以及平臺一同向上移動,直至油缸行程到位。

4) 上挾樁器回轉油缸伸出,使上挾樁器與樁腿鎖緊。

5) 下挾樁器回轉油缸縮回,使下挾樁器與樁腿分開。

6) 升降油缸縮回,拉動下挾樁器上升,直至油缸行程到位。

7) 下挾樁器回轉油缸伸出,使下挾樁器與樁腿鎖緊。

8) 進入下一個工作循環,通過循環往復,可將平臺舉升到所需的工作位置。平臺下降的工作原理與舉升一致,升降到位后,通過固樁系統將平臺與樁腿固定。

2 有限元強度分析

平臺舉升工況下,上挾樁器、下挾樁器、固樁筒承受載荷為15 000 kN;平臺采油工況下,樁腿、鎖樁器承受載荷為25 000 kN。為保證升降裝置滿足使用要求,需對各關鍵部件進行強度校核。基于ANSYS程序對各關鍵部件進行有限元強度分析,依據《海上移動平臺入級與建造規范》校核其強度。各關鍵部件的有限元分析結果如圖4,分析表明,升降裝置設計滿足可移動式自安裝平臺使用要求。

圖4 升降裝置關鍵部件應力云圖

3 工程樣機試驗

為了驗證升降裝置的功能與性能,建造了升降裝置工程樣機試驗平臺,進行了平臺升降試驗。樣機試驗在陸上進行,樁腿與地面基礎連接。平臺由箱形框架結構和壓載筒組成,箱形框架外形尺為16 m×16 m,平臺總質量1 000 t。平臺和升降裝置的質量按中心對稱分布,樁腿中心距為9 m×9 m。工程樣機與試驗平臺如圖5。

圖5 升降裝置工程樣機與試驗平臺

在樣機試驗中,試驗平臺升降平穩,升降裝置樣機工作安全可靠。樣機試驗表明升降裝置的功能和性能良好,且驗證了裝置的可拆卸性,滿足可移動式自安裝平臺的功能要求。此外,樣機制造采用的機械、液壓、控制系統材料和元器件全部實現國產化,實現了該裝置技術國產化的目標,并大幅度降低了建造成本。

4 拆裝方案與互換使用可行性分析

升降裝置總質量約145 t,需要使用浮吊對升降裝置整體進行拆裝。如圖6,升降裝置的整體拆裝需要1臺吊臂長70 m、吊高60 m,起吊質量>200 t的浮吊,另需1艘拖輪對浮吊進行拖拉、拋錨定位和起錨等工作。此外,升降裝置局部結構的拆裝,例如連接法蘭螺栓的拆裝、液壓軟管的拆裝、電控線纜接頭的拆裝,需要專業工人進行作業。

圖6 升降裝置吊裝示意

升降裝置的互換使用可行性指的是在經濟上可行,即,多座平臺共用1套升降裝置相比各自獨用1套升降裝置要在經濟上具有優勢。升降裝置的投資分為制造投資與使用投資2部分,其中制造投資包括可拆卸部分(升降系統)投資和固定部分(楔塊、固樁系統)投資2部分;使用投資包括拆裝費用和設備保養維護費用2部分。可移動式自安裝平臺設計壽命為25 a。根據平臺不同的移位頻率,對不同數量的平臺各自獨用1套升降裝置與共用1套升降裝置的投資進行對比分析,分析結果如圖7。圖7中縱坐標指的是共用1套升降裝置相比獨用1套升降裝置時平均每座平臺的節省投資額。可以看出,平臺平均移位周期>2 a時,2座以上平臺共用1套升降裝置即可在經濟上具有優勢。分析表明,對于用于邊際油田開發的移動不頻繁的可移動式自安裝平臺,升降裝置的拆卸互換使用具有良好的經濟性。

圖7 升降裝置互換使用經濟性分析

5 結論

通過有限元強度分析與工程樣機試驗證實,旋轉環梁楔塊式液壓升降裝置具有工作安全可靠、可拆卸、技術國產化、造價較低等優點,可經濟有效地實現可移動式自安裝平臺甲板或樁腿的升降。通過經濟性分析證實,對于用于邊際油田開發的移動不頻繁的可移動式自安裝平臺,該新型升降裝置的拆卸互換使用具有良好的經濟性,可進一步降低工程設施投資。這種新型升降裝置對于推動海上邊際油田開發具有重要意義。

[1] 方華燦.我國海上邊際油田采油平臺選型淺談[J].石油礦場機械,2005,34(1):24-26.

[2] 曲兆光,王章領,丁九亮.渤海邊際油氣田開發“蜜蜂式”采油設施方案研究[J].中國海上油氣,2007,19 (5):353-356.

[3] 侯金林.筒型基礎式多功能平臺概念研究[C]//中國石油學會.2010年中國石油學會海洋工程工作部工作年會和技術交流會.

[4] 彭 鼎,張 樂.海上自升式平臺電動升降裝置的研究[J].中國海洋平臺,2007,22(2):44-47.

[5] 田海慶,李德堂.勝利開發三號采油平臺液壓升降系統設計[J].石油礦場機械,2004,33(6):80-82.

Design of Rotating Ring and Wedge Type Hydraulic Jacking System

SUN You-yi1,2,HOU Jin-lin1,ZHANG Hui1
(1.CNOOC Research Institute,Beijing100027,China; 2.Postdoctoral Research Station,China University ofPetroleum,Beijing102249,China)

In order to reduce investment risk,new production platforms with moving and self-installing functions are required for offshore marginal oil fields developing.To implement the moving and self-installing functions of the new type platforms,a new rotating ring and wedge type hydraulic jacking system was designed.The system consists of the top and low pile-pinching devices, pile-locking devices,lifting and rotating hydraulic cylinders,the pile-reinforcing barrel,and the pile leg.The platform is lifted and lowered by the concertina motion of lifting hydraulic cylinders, and the pile is locked and unlocked by the concertina motion of rotating hydraulic cylinders.The system which has the characteristics of safe and reliable operation,economical cost,technology nationalization,removability and reusability,is of great significance for the offshore marginal oil fields developing.

marginal oil field;movable and self-installing platform;hydraulic jacking system;rotating ring;wedge

1001-3482(2011)05-0045-05

TE951

A

2010-12-08

中國海洋石油總公司綜合科研項目(2008KJBZ-05)

孫友義(1983-),男,山東東營人,博士,2009年畢業于中國石油大學(華東)機械設計及理論專業,主要從事海洋工程研究與設計工作,E-mail:sunyy4@cnooc.com.cn。