自升式鉆井平臺升降裝置評估方法研究

黎劍波

（中海油服股份有限公司，河北 燕郊 065200）①

世界上第一波海洋鉆井平臺建造高潮開始于20世紀70年代末，至今大多營運超過30a。在惡劣的海洋環境條件下，處于長期使用條件下的升降裝置零部件存在不同程度的磨損（例如，電機尾部的剎車機構磨損、高速齒輪箱的箱體裂紋、齒輪箱中的齒輪磨損、爬升齒輪與樁腿齒輪的磨損等），對自升式鉆井平臺整體安全構成了威脅［1－4］。

升降傳動裝置是平臺的核心裝備，也是大型成套裝備，1個平臺少則安裝36臺套，多則48或54臺套，造價昂貴，維修成本也高。它們與樁腿齒條、固樁架，乃至整個船體相互關聯，運行、承載條件特殊、復雜，可謂牽一發而動全身。因此，對升降裝置進行全面、有效的技術評估已經迫在眉睫。本文以某型號的齒輪齒條升降裝置為例，對評估檢查方法進行研究。

1 升降裝置系統組成

升降裝置系統的組成包括：高速輸入端的升降電機及升降電機尾部的剎車、一級高速齒輪箱、二級中速齒輪箱、三級低速齒輪箱及輸出端的爬升齒輪（7齒）。該型號升降裝置的總減速比達到了8 786，其原理如圖1所示。升降裝置除了要承擔平臺自身的重力外，還要承受風和波流作用在船體、樁腿和平臺設備上的環境載荷及橫向重心偏移而產生的額外垂直載荷。同時，在設計上要求具有一定安全冗余度，即每個樁腿中的1套升降裝置失效后仍能滿足正常升降平臺的要求。典型的升降裝置齒輪損傷形貌如圖2所示。

圖1 某升降系統原理

圖2 某損傷的齒輪

2 評估方法

2.1 測繪及損傷情況收集

利用鉆井平臺特檢修理的機會，抽取批量的升降裝置解體拆檢，同時對拆檢下來的零部件進行測量、探傷、記錄。例如，對某個自升式鉆井平臺的總共36套升降裝置中的11套進行全面拆檢，將一級齒輪箱、二級齒輪箱拆下來解體、檢查。由于全面解體檢查的升降裝置約占該鉆井平臺36套原裝升降裝置的1／3，涉及的檢查范圍較廣，能獲取足夠多的信息以及損傷樣本。期間對升降裝置中的各級齒輪、軸承、軸、電機、剎車、齒輪箱本體及齒條都進行了認真檢查。通過大規模的拆檢、檢查、測繪，取得了大量的第一手檢測數據、照片和一些樣品、報告、資料。對自升式鉆井平臺超過30a后的使用狀態和損傷情況有了基本了解。

2.2 結構強度計算分析

針對不同的情況采取下列不同的應對形式：

1）由于一級齒輪箱齒輪的齒廓、圓周速度、載荷、幾何精度、重合度等指標符合國家標準GB／T3480—1997《漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》，因此可以用該標準進行計算。

2）對二級齒輪箱和三級齒輪箱內的齒輪副、爬升齒輪，分別利用二維和三維實體有限元技術進行詳細模型計算，根據升降裝置的傳動參數和結構型式確定有限元計算模型的邊界條件。

3）齒輪箱箱體、主體結構則使用常規有限元技術，建立有限元模型進行強度分析。

2.3 剩余強度分析

升降裝置在常期運轉后，會出現各種各樣的損傷，從對收集的歷史數據統計分析結果來看，其損傷的形式表現為：剎車磨損、剎車機構失效、齒輪箱裂紋、軸承磨損、齒輪磨損、齒輪塑性變形、齒輪齒面點蝕、齒輪齒面微裂紋等。對于剎車、齒輪箱、軸承的損傷，只要判定了其不能再繼續使用則可以通過零配件更換來解決；而對于齒輪，如果只要出現磨損或塑性變形、點蝕、微裂紋，就要進行更換，則可能造成成本上的不經濟性。

因此，利用有限元技術對齒厚減薄損傷狀態下的齒輪強度進行建模計算，分析其能承受的極限減薄量值，可為制訂齒輪損傷的判斷依據提供技術數據。

2.4 復核有限元計算結果

通過對該升降裝置的測繪及分析，結合其工作狀態與使用情況，基于國家標準中齒輪彎曲應力計算模型，結合結構強度設計理論，同時參考多年使用及維護方面的技術經驗，建立了新的切合實際需求的核算方法。利用該方法對相關零部件進行了再次的核算，并將結果與有限元分析結果進行了對比，互相驗證。

3 新評估方法的重點考慮因素

3.1 強度分析中的關鍵要素

齒輪因為接觸強度不足而出現局部點蝕損傷時，不會給整個平臺結構系統安全性帶來明顯影響；齒輪接觸磨損過程相對較長，可通過有效的日常檢測和維護避免齒輪發生嚴重磨損。因此，升降裝置傳動件設計時對接觸疲勞強度可靠度的要求相對較低。當升降裝置傳動齒輪作為支撐件時，工作狀態為靜態，其強度安全性設計應按照靜強度設計理論進行。為了保證升降裝置傳動件能夠提供可靠支撐性能，要求升降裝置齒輪具有足夠強的抗彎曲疲勞和抗彎曲變形能力，需對其彎曲強度進行詳細分析。

由金屬材料性能和熱處理工藝可知，材料硬度高對提高齒輪抗接觸疲勞能力有利，但是高硬度多對應低韌性，從而會降低齒輪的抗彎曲疲勞性能，因為高硬度表面容易產生接觸疲勞裂紋，誘發脆性斷齒。因此，從材料性能設計角度需要綜合選擇齒輪材料和齒面硬度，既不能太硬又不能太軟，需兼顧齒輪耐接觸磨損性能和抗彎曲疲勞能力。

3.2 安全余量的考慮

升降裝置傳動齒輪可靠度指標是通過齒輪彎曲強度安全系數和接觸強度安全系數來反映的，這是目前機械設計通常采用的方法。盡管安全系數并不能完全反應齒輪機械強度可靠度的高低，但由于齒輪設計中各參數統計特性匱乏，目前仍將各設計參數按照確定值處理，仍沿用強度安全系數作為判據，通過選取適當的安全系數來保證升降裝置中傳動齒輪的工作可靠度。考慮到計算方法、模型與實際情況的差異，為保證希望的可靠度，要求計算應力具有一定的安全余量。

3.3 超出常規齒輪設計范圍的參數選定

根據目前國際上鉆井平臺傳動裝置設計、制造和服役實際狀況，當前升降裝置中的齒輪、齒條模數較大，超出常規齒輪設計標準手冊中強度設計公式適用的規定模數范圍。升降裝置中的齒輪、齒條等零部件加工制造工藝也與其他工業齒輪不相同。因此，需根據工程實際情況建立理論分析模型，或采用數值分析方法對齒輪齒條的強度問題進行分析評價。

升降裝置齒輪傳動系統按照目前掌握的資料來看，其傳動類型可概括為“輸入端轉速高、相對低載；輸出端轉速低、承載重”。因此，在建立計算模型時，要考慮按照實際傳動類型選擇恰當的計算方法。根據海洋鉆井平臺營運作業特點，易知平臺每年的升降次數比較有限，要求的升降裝置疲勞壽命（載荷循環次數）也是有限的（尤其是爬升齒輪，每年的運轉周數很少）。因此，爬升齒輪和前級傳動齒輪的疲勞強度設計宜采用有限壽命設計理論。

3.4 計算工況的選擇［5－6］

通過對海洋鉆井平臺升降裝置營運分析發現，其承載情況包括：①將鉆井平臺從水面爬升到離水面一定高度的工作狀態；②在工作狀態下維持靜止；③抵抗外界環境條件的附加力以及海洋鉆井平臺正常營運的載荷。在遇到極限風暴，例如中國北方海域的寒潮、南方海域的臺風的時候，需要抵抗因極限風暴產生的額外載荷。這3種情況中，爬升期間是齒輪運動狀態，可以稱之為額定提升工況；抵抗極限風暴情況是齒輪靜止狀態，可以稱之為風暴自存工況。因此，計算工況主要有額定提升工況和風暴自存工況。額定提升工況對升降裝置中的齒輪傳動零件進行彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度計算。風暴自存工況下齒輪、齒條等只承擔靜力支撐作用，只需要對升降裝置中的齒輪、齒條等傳動零件進行靜強度分析。

3.5 齒輪齒厚減薄后彎曲強度計算方法［7］

齒輪運轉一定時間后，齒面磨損會使齒厚減薄，一方面造成傳動性能下降，振動沖擊加劇；另一方面還會一定程度上降低承載能力。不同工作環境和受力條件下的傳動齒輪，其磨損程度和類型也各不相同，確定磨損量的最佳方式是通過開箱拆檢獲得齒輪各部位的磨損量。但受客觀現實條件所限，通過解體齒輪傳動裝置測量實際磨損后的齒廓形狀和磨損量非常困難。因此，需要根據積累的經驗和齒輪傳動特性分析，考慮主要影響因素后對磨損齒廓進行適當簡化。齒輪減薄后強度性能的下降直接通過承載彎曲應力的截面變化來反映。因此，針對各級傳動齒輪，在保證規定的安全系數情況下，通過減薄后的彎曲強度計算給出減薄量的推薦值。

4 實例分析

結合某海洋鉆井平臺的修理周期，展開了從拆檢測繪到強度評估、判別的全套評估過程。評估程序為：評估準備與實施方案制定—現場檢驗和檢測—資料收集—損傷原因分析—材質性能檢測（必要時）—計算分析（必要時）—齒輪和齒條使用狀態檢驗評估初步報告—內部專家審核和檢驗評估報告。

4.1 拆檢測繪

被選擇進行評估的升降傳動裝置由電機和剎車、一級齒輪箱、齒式聯軸器、二級齒輪箱、爬升齒輪組件、固樁架6大部件組成，如圖3所示。

圖3 升降系統構成

根據對該鉆井平臺的升降傳動單元進行的拆查、測繪，獲得損傷情況統計明細。表1為某級齒輪的損傷情況匯總。

表1 某級齒輪損傷情況匯總

4.2 資料收集

本次檢測評估按照預先制定的檢驗評估思路的要求，收集到操作使用說明書、拖航操作記錄、設備維修和備件更換記錄、馬達剎車典型故障案例，這些資料基本滿足了評估需要。

4.3 強度分析和評估

利用現場測繪數據及平臺相關資料，建立了該類型鉆井平臺升降裝置的齒輪－齒條、齒輪－齒輪嚙合、齒輪箱體等完整的有限元模型，對各傳動件和箱體采用有限單元法和名義應力法進行了額定提升工況下疲勞強度分析和風暴載荷工況下的靜態支撐穩定性分析。

以某8齒齒輪為例，針對額定載荷和風暴載荷2種工況，建立8齒齒輪的二維和三維有限元分析模型。計算結果如表2所示，然后應用名義應力法計算程序［8］計算其他齒輪的齒根彎曲疲勞應力。名義應力法給出的額定提升載荷下齒輪彎曲疲勞應力與單對齒嚙合外界點加載方式下的二維有限元計算結果的相對差異為－3%。因此，名義應力法計算結果與有限元結果吻合良好。

表2 8齒齒輪應力計算結果

根據上述模型進行修正，對磨損減薄后的齒輪件承載能力進行了分析計算，給出了滿足強度安全裕度的齒厚最大減薄量，為是否要進行更換或修理提供了技術依據。

按照額定載荷和風暴載荷對該升降裝置傳動齒輪的安全磨損量進行了分析校核。假設疲勞壽命分別為450h和700h運轉時間，減薄量估算基準是危險截面齒厚，允許減薄量是通過計算疲勞應力并控制疲勞安全系數不低于某個水平時得到的，如表3所示。

表3 額定載荷各傳動齒輪減薄量（安全系數＝1.25）

4.4 評估結果和建議

拆檢、測繪結果顯示：一級齒輪箱整體為較好狀態，僅個別齒輪和軸承存在輕微傷痕；二級齒輪箱12、17、76齒齒輪點蝕、磨損等損傷較為嚴重；8～40齒齒輪副為較好狀態；爬升7齒齒輪與齒條為較好狀態，損傷形式為少量的磨損、擦傷及塑性變形。

強度評估結果顯示：正常情況下，該鉆井平臺升降裝置各傳動件在額定提升工況下具有足夠的抗疲勞破壞能力和足夠的抵抗風暴載荷的能力。

同時針對12、17、76齒齒輪點蝕、磨損等損傷較為嚴重的情況，雖然依據剩余強度分析顯示尚不至于產生非常嚴重的后果（比如斷齒），但由于該類損傷會導致升降裝置運轉的噪音增大、沖擊振動等問題，提出了盡快進行修理和更換的建議。

5 結語

本文所述自升式鉆井平臺升降裝置評估方法的思路、技術路線及解決技術問題的方法，在實踐過程中獲得了驗證，證明該方法是可行、有效的。本評估方法的應用研究對國內在營運時間超過30a的海洋鉆井平臺升降裝置檢驗評估方面的理論和技術具有一定的意義，有利于提高海洋鉆井平臺升降裝置保養、維修技術水平，可以有序地展開針對性修理措施，延長升降裝置的安全使用壽命。

［1］史永晉，劉 旭，趙澤茂.自存工況下自升式平臺關鍵結構強度分析［J］.石油礦場機械，2011，40（6）：15－21.

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［7］沈 鴻.機械工程手冊：機械設計基礎卷［K］.2版.北京：機械工業出版社，1996.

［8］成大先.機械設計手冊［K］.3版.北京：化學工業出版社，2000.