半潛式鉆井平臺(tái)用三滾筒錨機(jī)研制

李 鵬 牟新明 何進(jìn)前 徐小鵬

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 寶雞721000；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)中心 寶雞721000）

引 言

三滾筒錨機(jī)主要適用于500～1 200 m作業(yè)水深的半潛式鉆井平臺(tái)，采用懸鏈線系泊方式對(duì)平臺(tái)進(jìn)行定位［1］，布置在平臺(tái)的4個(gè)角，通過調(diào)節(jié)鋼絲繩的負(fù)載來達(dá)到平臺(tái)定位的目的，是半潛式鉆井平臺(tái)在海上定位作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。目前，全世界半潛式鉆井平臺(tái)配套的錨機(jī)基本由國(guó)外少數(shù)公司所壟斷。隨著我國(guó)半潛式鉆井平臺(tái)數(shù)量的日益增多，加大研究和開發(fā)平臺(tái)配套用錨機(jī)就顯得尤為必要，三滾筒錨機(jī)可提供更大的拉力和更多的容繩量，適應(yīng)更深的作業(yè)水域。該項(xiàng)目的研究對(duì)我國(guó)今后半潛式平臺(tái)的配套工作及形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品具有非常重要的意義。

1 技術(shù)分析

1.1 總體方案及工作原理

該錨機(jī)采用雙配置結(jié)構(gòu)，即1套動(dòng)力裝置和傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)2套滾筒執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作進(jìn)行錨泊定位，達(dá)到一機(jī)兩用的效果。相比2臺(tái)錨機(jī)來說，該錨機(jī)安裝空間小，經(jīng)濟(jì)性能更加優(yōu)越。如圖1所示，1套執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由3個(gè)滾筒構(gòu)成，錨纜在前2個(gè)摩擦滾筒上纏繞，滾筒和錨纜之間的摩擦力可以吸收掉大部分錨纜張力，錨纜纏繞到第3個(gè)滾筒上進(jìn)行儲(chǔ)存，其上的張力值保持在穩(wěn)定的范圍。

圖1 三滾筒錨機(jī)總體結(jié)構(gòu)

2個(gè)摩擦滾筒負(fù)責(zé)錨纜的拉力張緊控制，從而使整臺(tái)錨機(jī)可在容繩量最大的情況下，使錨機(jī)拉力盡可能大。

整臺(tái)錨機(jī)主要分為兩大部分：雙滾筒摩擦絞車和儲(chǔ)存絞車。

1.1.1 雙滾筒摩擦絞車工作原理

雙滾筒摩擦絞車的工作原理圖如圖2所示，具體結(jié)構(gòu)采用“單電機(jī)+單減速箱+雙離合器+雙齒輪副+雙滾筒”傳動(dòng)形式。變頻電機(jī)將動(dòng)力通過鼓形齒聯(lián)軸器傳至減速箱輸入端，經(jīng)減速箱減速增扭后輸出，經(jīng)牙嵌離合器掛合（左、右兩端牙嵌離合器互鎖控制，左邊掛合時(shí)，右邊脫開或右邊掛合時(shí)，左邊脫開）后輸送給開式齒輪副帶動(dòng)前、后滾筒實(shí)現(xiàn)鋼絲繩和錨的收、放作業(yè)。

圖2 三滾筒錨機(jī)原理圖

1.1.2 儲(chǔ)存絞車工作原理

變頻電機(jī)經(jīng)過CR斜齒減速箱減速增扭后，通過鏈條將動(dòng)力傳遞到滾筒上，滾筒前端安裝有強(qiáng)制排繩裝置，儲(chǔ)存絞車與前面的雙滾筒摩擦絞車相配合，用于存儲(chǔ)錨纜。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

本文以巴西ENSCO 6000半潛式鉆井平臺(tái)配套的錨機(jī)為例，主要技術(shù)參數(shù)如下：

高速檔：

鋼絲繩拉力810 kN，鋼絲繩速度30 m/min；

低速檔：

鋼絲繩拉力1 700 kN，鋼絲繩速度15 m/min，剎車力2×2 750 kN。

滾筒容量：3 500 m；

拉力（第一層）：25 kN；

剎車力：100 kN。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

摩擦絞車采用雙滾筒結(jié)構(gòu)，鋼絲繩前出繩與錨相連，產(chǎn)生很大的拉力，鋼絲繩經(jīng)過在兩滾筒之間進(jìn)行纏繞，鋼絲繩的拉力迅速下降后，傳遞到后面的儲(chǔ)存絞車上，進(jìn)行存儲(chǔ)。這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)很好地避開了普通滾筒式錨機(jī)既要儲(chǔ)存大量鋼絲繩又要產(chǎn)生很大拉力的弊端，后面儲(chǔ)存絞車只起到存儲(chǔ)鋼絲繩的作用，不承受很大的載荷，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。

2 主參數(shù)及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 主參數(shù)計(jì)算

錨機(jī)功率計(jì)算

（1）錨機(jī)有效功率Pe

（2）傳動(dòng)效率

根據(jù)傳動(dòng)原理圖和設(shè)計(jì)手冊(cè)及相關(guān)產(chǎn)品樣本計(jì)算總效率：η總= 0.75。

（3）錨機(jī)配備功率P

考慮到留有一定余量，配備電機(jī)功率為630 kW，最終選取ABB交流變頻電機(jī)M3BP-450LA，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n電=994 r/min，額定轉(zhuǎn)矩T電=6 052 N·m。

（4）確定傳動(dòng)比

總傳動(dòng)比i總

高速檔鋼絲繩線速度30 m/min，轉(zhuǎn)換為滾筒速度n滾筒高=5.55 r/min，低速檔鋼絲繩線速度15 m/min，轉(zhuǎn)換為滾筒速度n滾筒低=2.77 r/min。

（5）根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸初定齒數(shù)z1（17）、z2（80），確定齒輪傳動(dòng)比

（6）確定減速箱的減速比

（7）校核拉力扭矩

高速檔：

式中：D筒為摩擦滾筒直徑。

低速檔：

經(jīng)計(jì)算，拉力滿足使用要求。

2.2 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

減速機(jī)構(gòu)是整臺(tái)錨機(jī)中重要環(huán)節(jié)，根據(jù)錨機(jī)低速重載、及需要兩種不同的檔位的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)減速箱為兩檔減速箱，并與大小齒輪配合構(gòu)成整個(gè)減速機(jī)構(gòu)，具體傳動(dòng)原理圖如圖2所示。

2.3 摩擦滾筒設(shè)計(jì)

雙滾筒摩擦錨機(jī)中，兩摩擦滾筒在整臺(tái)錨機(jī)工作中承受巨大載荷，因此摩擦滾筒設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。鋼絲繩纏繩方式如圖3所示，在兩個(gè)滾筒之間進(jìn)行纏繞后，鋼絲繩拉力迅速衰減，兩端張力F1（繞入端），F(xiàn)2（繞出端）可按歐拉公式進(jìn)行計(jì)算［2-3］：

圖3 摩擦絞車?yán)p繩方式

滾筒體是一個(gè)鑄鋼件，在工作中由出繩拉力對(duì)滾筒壁造成的載荷主要有彎矩、扭矩和纏緊鋼絲繩對(duì)筒壁的外壓力。而前兩種載荷對(duì)滾筒所產(chǎn)生的應(yīng)力非常小（不及后者的10%），因此在計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)［4］，滾筒在鋼絲繩所受支持負(fù)載5 500 kN時(shí)，受力最大，由歐拉公式計(jì)算此時(shí)鋼絲繩拉力為：

B滾筒的第一個(gè)繩槽分別受F1和F2兩個(gè)作用力，考慮設(shè)計(jì)安全性，鋼絲繩按高拉力對(duì)滾筒進(jìn)行壓力計(jì)算：

依此類推，分別計(jì)算出A滾筒和B滾筒各繩槽所受應(yīng)力，見表1。

表1 摩擦滾筒各繩槽所受應(yīng)力MPa

將各繩槽所受壓力施加到滾筒后，經(jīng)有限元分析計(jì)算得摩擦滾筒的應(yīng)力分布圖［5-6］（如圖4所示），其中的最大應(yīng)力為155 MPa，再考慮到實(shí)際制造中添加的加強(qiáng)筋，故摩擦滾筒強(qiáng)度滿足要求。

圖4 B摩擦滾筒應(yīng)力分布

2.4 帶式剎車設(shè)計(jì)

帶式制動(dòng)器采用16 mm厚Q690鋼板經(jīng)過滾壓機(jī)卷壓制成，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：

剎車帶材料 ：Q690（σs：690 MPa）

帶厚δ：16 mm

剎車轂直徑D轂：1 950 mm

剎帶包角α：1.667 π

剎帶寬度b：250 mm

剎車塊摩擦系數(shù)μ：0.35

e：自然對(duì)數(shù)的底數(shù)

制動(dòng)扭矩：

圓周力：

剎帶死端拉力由歐拉公式計(jì)算：

剎車帶拉應(yīng)力校核：

由于δ＜690×0.95，即420.5 MPa＜655.5 MPa（0.95為計(jì)算系數(shù)），所以，剎車帶強(qiáng)度校核通過。

2.5 儲(chǔ)存絞車設(shè)計(jì)

儲(chǔ)存絞車的主要工作是存儲(chǔ)從摩擦絞車出來的大量鋼絲繩，相對(duì)于摩擦絞車，儲(chǔ)存絞車?yán)^小而滾筒結(jié)構(gòu)尺寸非常大，因此，摩擦絞車的滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵。

已知參數(shù)：

鋼絲繩直徑d82.6 mm

滾筒容繩量 3 500 m

每層排繩圈數(shù)n33圈

滾筒底徑：

式 中：16為鋼絲繩彎曲系數(shù)。

將式（6）中的D0值圓整（即取D0=1 325 mm），再對(duì)各層繩索按相互正疊考慮，滾筒纏繩各層直徑按公式（7）進(jìn)行計(jì)算：

第1層D1=D0+d=1 325+82.6 =1 407.6 mm

第2層D2=D0+3d=1 325+3×82.6 =1 572.8 mm

第3層D3=D0+5d=1 325+5×82.6 =1 738 mm

第4層D4=D0+7d=1 325+7×82.6 =1 903.2 mm

第5層D5=D0+9d=1 325+9×82.6 =2 068.4 mm

第6層D6=D0+11d=1 325+11×82.6 =2 233.6 mm

第7層D7=D0+13d=1 325+13×82.6 =2 398.8 mm

第8層D8=D0+15d=1 325+15×82.6 =2 564 mm

第9層D9=D0+17d=1 325+17×82.6 =2 729.2 mm

第10層D10=D0+19d=1 325+19×82.6 =2 894.4 mm

第11層D11=D0+21d=1 325+21×82.6 =3 059.6 mm

第12層D12=D0+23d=1 325+23×82.6 =3 224.8 mm

第13層D13=D0+25d=1 325+25×82.6 =3 390 mm

第14層D14=D0+27d=1 325+27×82.6 =3 555.2 mm

容繩量：

可見，滾筒纏繩14層即可滿足容繩量要求。

繩槽節(jié)距：

滾筒開檔：

3 結(jié) 論

（1）雙滾筒摩擦絞車和儲(chǔ)存絞車配合使用，最大額定拉力1 700 kN，容繩量3 500 m，通過關(guān)鍵傳動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算和關(guān)鍵件的有限元分析計(jì)算，證明整個(gè)錨機(jī)設(shè)計(jì)合理。

（2）半潛式鉆井平臺(tái)上配套的錨機(jī)基本由國(guó)外少數(shù)公司所壟斷，三滾筒錨機(jī)的研制打破了國(guó)外公司的壟斷，對(duì)我國(guó)今后半潛式平臺(tái)的配套工作及形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品具有非常重要的意義。

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