鉆井平臺圓柱形樁腿維護裝置設計

曹士峰（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452）

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鉆井平臺圓柱形樁腿維護裝置設計

曹士峰
（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452）

摘要：樁腿是海洋石油鉆井平臺重要組成部件，它承擔著平臺所有的載荷，每條樁腿通常承載幾千噸的重量。同時，鉆井平臺的升降需要通過焊接在樁腿的齒條傳動來實現。海洋石油鉆井平臺長期作業在海洋環境氣候中，而且受頻繁拖航以及身處海水飛濺區的影響，加劇了樁腿腐蝕，影響平臺使用壽命。為鉆井平臺升降平臺便利，以及更便利地維護保養樁腿，本文重點研究設計一套樁腿維護裝置，來滿足平臺使用要求。

關鍵詞：樁腿維護裝置起升機構檢修平臺 支撐機構

0　引言

海洋鉆井平臺樁腿有桁架和圓柱形兩種結構形式， 本文研究設計圓柱形樁腿維護裝置既可以方便平臺噴沖管線的連接，也可以通過操作維護裝置自由升降及對樁腿進行除銹刷漆工作。而且便于對樁腿頂部的設施進行維修。

本文選取直徑3.5米、樁腿長度73米的圓柱形樁腿為例，重點介紹樁腿維護裝置的結構設計。維護裝置基本設計參數及總體示意圖如下。

2　起升機構設計

2.1 確定傳動方案，選擇滑輪組

按照構造宜緊湊的原則,決定采用多層纏繞卷筒。按起重量Q=0.5t，維護平臺重量G0=1.5t，兩臺卷揚機提升機構，滑輪組倍率ih=1，因而承載繩分支數為 Z=2ih=2。

2.2 選擇鋼絲繩

滑輪組采用滾動軸承，ih=2,得滑輪組效率η=0.99。

鋼絲繩所受最大拉力:

根據要求卷揚機鋼絲繩安全系數n=9，鋼絲繩計算破斷拉力Sb：Sb=n×Smax=9×9.91=89.19 kN

建議選用光面鋼絲，直徑15 mm，鋼絲繩最小破斷拉力[Sb]=225 kN滿足要求。

圖1　總體示意圖

2.3 確定卷筒尺寸,轉速及滑輪直徑

卷筒和滑輪的最小卷繞直徑D0：D0min≥h×d式中，h—表示與機構工作級別和鋼絲繩結構的有關系數（查得：卷筒h1=20;滑輪h2=24）；

卷筒最小卷繞直徑:

滑輪最小卷繞直徑:

考慮起升機構布置卷筒總長度不宜太長，定滑輪直徑取400 mm,卷筒直徑取D=400mm。卷筒長度：

取L=770 mm。

式中，H—起升高度;d —鋼絲繩直徑;D —卷筒直徑;n —鋼絲繩纏繞層數 。

2.4 計算起升靜功率

式中，Pj—靜功率；η—起升時總機械效率（η取值0.85）；Q—設計額定載荷重量；

G0—檢修平臺總重量；g—重力加速度；vn—檢修平臺起升速度。

2.5 初選電動機

電動機計算功率

式中 ，PJC—JC值時的功率（JC指通電持續率）；G—穩態負載平均系數，根據工作級別G取值1。

選用電動機型號為PDYZP132S-A，PJC=3 kW，nJC=960 r/min，電機質量80 kg，飛輪轉矩GD2=0.0525 kg.m2。

電動機轉速：

式中，nd—在起升載荷滿載作用下電動機轉速；n0—電動機同步轉速；PJC,nJC—電動機在JC值時額定功率和額定轉速。

卷筒轉速：

卷筒軸輸出扭矩：

起升機構減速器按靜功率Pj選取，根據Pj=1.924 kW，nd=974 r/min，i =253.85，工作級別為M5，選定減速器為LTK4F5-250。減速器許用功率額定輸出扭矩11000 Nm。

具體包含獸藥、植物調節劑等農業投入品污染，獸藥與農產品殘留為主要污染。尤其是劇毒農藥的利用，不但讓植物性農產品直接損害人體健康，還會被當作飼料在動物體內同其他獸藥一同堆積，對社會公眾健康影響極大。

2.7 結論

綜上所述卷揚機選用的鋼絲繩直徑為：φ15 mm；電動機型號為：PDYZP132S-A，PJC=3 kW，nJC=960 r/min；減速器型號為：LTK4F5-250；卷筒直徑為φ400 mm；換向滑輪直徑φ400 mm。

3　維修平臺設計

3.1 計算說明

改設計為載重500Kg維修平臺，計算采用的標準為：《起重機設計規范-- GB/T3811-2008》和《起重機械安全規程--GB6067.1-2010》。維修平臺主要鋼結構件采用碳素結構鋼Q235和型鋼制造，根據GB/T3811-2008標準，碳素結構鋼Q235在各載荷組合A1情況下靜強度計算的許用應力為下表。

表1　維護裝置基本設計參數

表2　計算的許用應力

表3　碳素結構鋼Q235的物理性能

本計算采用的主要工具為ANSYS Workbench14.5版有限元分析程序，采用的單元類型為ANSYS中的shell63板單元、MASS21質量單元等。

3.2 有限元模型圖

3.3 載荷及計算工況

3.3.1 載荷

工作級別：A4；平臺總重：1500 kg；額定起重量：500 kg；載荷重力加速度：9.8066 m/s2。

3.3.2 計算工況

根據GB6067.1-2010，起重機械安全規程 第一部分：總則3.6.4b）的要求，維修平臺需承受4500 N/m2的均布載荷。

3.3.3 載荷和約束

約束：在四個吊耳位置加載固定約束；均布載荷：在花紋板上表面施加4500 N/m2均布載荷；自重載荷：在整個模型結構中加載自重載荷。

3.3.4 載荷和約束圖

圖2　有限元模型圖

3.4 靜強度計算

整體Von Mises等效應力云圖如下：

應力最大點出現在維護平臺底架與立柱連接處，σmax=112.7Mpa ＜ 175 Mpa，在此工況下維護平臺靜強度滿足GB6067.1-2010，起重機械安全規程 第一部分：總則3.6.4b）的要求。

3.5 靜鋼度計算

整體Total Deformention位移云圖如下：

在花紋板空當最大處出現最大變形量，fmax=2.3628 mm＜3mm，在此工況下維護平臺靜剛度滿足設計要求。

圖3　載荷和約束圖

圖4　整體 Total Deformention位移云圖

4　支撐機構計算

4.1 計算說明

本計算書載重量為500 kg維護平臺金屬結構計算說明書。計算采用的標準為：1.GB/T3811-2008，起重機設計規范2.GB6067.1-2010，起重機械安全規程。強度計算的許用值和碳素結構鋼Q235的物理性能參考本文3.1項。本計算采用的主要工具為ANSYS Workbench14.5版有限元分析程序，采用的單元類型為ANSYS中的shell63板單元、MASS21質量單元等。

圖5　簡化后的力學模型

4.2 有限元模型圖

為方便計算將模型進行簡化處理，將模型中的梯子，螺栓組及緩沖輪胎等進行消隱。簡化后的力學模型如圖5。

4.3 載荷及計算工況

工作級別：A4；平臺總重：1500 kg；額定起重量：500 kg；載荷重力加速度：9.8066 m/s2。

存放支架要承載自身的自重載荷、額定起重量載荷和維修平臺自重載荷的作用力?？紤]到載荷的不均勻分布，設定載荷不均勻分布系數為2.1。

4.3.3 載荷和約束

約束：在六個支腿地腳位置加載固定約束；均布載荷：在支架平面上表面施加20601N載荷；自重載荷：在整個模型結構中加載自重載荷。

5　結束語

本文對圓柱形結構鉆井平臺樁腿維護裝置的設計進行了詳細說明，此設計產品對未采取外加電流、犧牲陰極的海洋鉆井平臺有很重要的借鑒意義。樁腿維護裝置既方便平臺拖航拔樁時噴沖管線的快速連接，又方便樁腿頂部設施的日常修理，同時還有利于樁腿防腐工作的開展。

圖6　載荷和約束圖

參考文件：

[1] 梁曉玲.海上自升式鉆井平臺升降控制系統設計與研究.2010.

[2] 《起重機設計規范- GB/T3811-2008》.

[3] 《機械設計手冊》.北京機械工業出版社,2010.

[4] 《起重機械安全規程-GB6067.1-2010》.

Design of Maintenance Device for Unit Cylindrical Legs of Drilling Platform

Cao Shifeng
（Energy Development Co.,Ltd.CNOOC,Tianjin 300452,China）

Abstract:Legs are important offshore oil drilling platform components,which bear all the load of the platform.Each leg usually carries thousands of tons of weight,lifting the drilling platform by rack gears welded in the legs.Offshore oil rigs are operated in the marine environment of long-term climate,and subject to frequent towage and Language seawater splash zone,exacerbating the leg corrosion,affecting the life of the platform.In order to lift platform and to maintenance leg more conveniently,this paper focuses on the design of a leg maintain means to meet the platform requirements.

Keywords:leg maintenance device;access platform;support mechanism

作者簡介：曹士峰（1982-）,男，工程師。研究方向:設備管理。

收稿日期：2015-09-09

中圖分類號：TE242

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）01-0013-05