淺談自升式海洋鉆井平臺齒輪條爬升與鎖緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董彪

摘要：自升式海洋鉆井平臺齒輪條爬升與鎖緊系統(tǒng)是取得海洋中石油的設(shè)備裝置中的關(guān)鍵組成部分，分析設(shè)計(jì)自升式海洋鉆井平臺齒輪齒條的升降裝置與鎖緊系統(tǒng)在海中作業(yè)的功能，在這個(gè)基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)有情況對平臺進(jìn)行改善優(yōu)化。了解齒輪齒條爬升與緊鎖系統(tǒng)的基本工作原理、自升式海洋鉆井平臺設(shè)計(jì)方向，為目前海中石油資源的拓展方向提供強(qiáng)大的基礎(chǔ)機(jī)械能力。

關(guān)鍵詞：自升式海洋鉆井平臺;齒輪條爬升;鎖緊系統(tǒng)

1.基本原理

工作平臺、樁腿、爬升系統(tǒng)與鎖緊系統(tǒng)、控制裝置、鉆井裝置（包括動(dòng)力設(shè)備和起重設(shè)備）、以及生活區(qū)（包括直升飛機(jī)平臺）這幾個(gè)部分是自升式海洋鉆井平臺的主要組成部分。目前，常用的平臺為三樁腿自升式海洋鉆井平臺，其中的關(guān)鍵零件是位于三樁腿上的爬升系統(tǒng)和鎖緊裝置，這兩者的設(shè)計(jì)性能優(yōu)劣會對自升式海洋鉆井平臺的工作效率、開發(fā)石油成果等造成很大的影響，因而我們主要從這兩個(gè)方面去考慮優(yōu)化目前所使用的海洋作業(yè)機(jī)械。

電動(dòng)機(jī)、齒輪齒條爬升結(jié)構(gòu)、樁腿等幾個(gè)部分構(gòu)成自升式海洋鉆井系統(tǒng)的爬升裝置。

下面爬升系統(tǒng)的工作原理的解析：在電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的情況下齒輪沿著齒條的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)海洋鉆井平臺在樁腿上做緩慢爬升的運(yùn)動(dòng)，爬升到任何所需要到達(dá)的工作位置;然后鎖緊系統(tǒng)通過鎖緊齒條與樁腿齒條嚙合進(jìn)行鎖緊，從而將甲板上重量和運(yùn)行時(shí)的載荷轉(zhuǎn)移到海底的平面，樁腿和平臺的上升和下降都依賴于爬升系統(tǒng)而且在正常工作狀態(tài)及遭遇天氣嚴(yán)重巨變狀態(tài)下支撐船體甲板及相關(guān)設(shè)備，它有很大的剛度和載重范圍使得絕大部分的樁腿受壓傳至主弦管形成的各向軸向力達(dá)到最小程度，易于達(dá)到以降低水阻力來增加工作水深度，自升式鉆井平臺得以進(jìn)入更深及海況更惡劣的海域工作。當(dāng)?shù)竭_(dá)油井的規(guī)定位置以后我們可以利用爬升系統(tǒng)將船體升離水面從而為石油的提取做好準(zhǔn)備，在提取石油結(jié)束后將船體緩慢降回海平面，再利用爬升系統(tǒng)將樁腿升起來使平臺重新恢復(fù)成漂浮狀態(tài)然后再拖拉到下一個(gè)油井位置開始作業(yè)。

電動(dòng)機(jī)、復(fù)位裝置、固定擱置裝置、鎖緊卡爪等幾個(gè)部分組成了鎖緊系統(tǒng)。

以下鎖緊系統(tǒng)的工作原理分析：當(dāng)爬升系統(tǒng)帶動(dòng)平臺上升或下降到規(guī)定位置時(shí)電動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止工作并且啟動(dòng)自鎖功能，使平臺固定在規(guī)定的位置上，到達(dá)規(guī)定位置后，鎖緊系統(tǒng)的鎖緊功能自發(fā)開始啟動(dòng)，前端位置上的卡爪在液壓缸的推動(dòng)下與樁腿齒條相互嚙合，上下楔型塊會發(fā)生相對閉合的運(yùn)動(dòng)牢牢地夾緊卡爪，與此同時(shí)，通過卡爪、樁腿將整個(gè)鉆井平臺的重量轉(zhuǎn)移到海平面上;當(dāng)鉆井平臺需要更改作業(yè)位置時(shí)，因?yàn)榭ㄗ妄X條還是處于嚙合的鎖緊狀態(tài)，因而需要先解鎖才可以再次移動(dòng)平臺。相對于于爬升系統(tǒng)來說鎖緊系統(tǒng)的主要是通過卡爪與樁腿上的齒條嚙合與分離來控制樁腿的定位狀態(tài)。

2.?方案設(shè)計(jì)方向

2.1爬升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于上面對原理的了解，可對以下幾方面的爬升系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.1動(dòng)力結(jié)構(gòu)方面

爬升系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置由開始的單個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪運(yùn)動(dòng)發(fā)展到現(xiàn)在的一軸二輸出（一個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)小齒輪，優(yōu)化以后的動(dòng)力裝置既提高了平臺工作時(shí)的工作效率，又降低了消耗的能源和機(jī)器建造的成本。

比較一軸二輸中兩個(gè)小齒輪分布位置不同的情況下的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮選擇最優(yōu)方案。

2.1.2齒輪的齒面接觸應(yīng)力分析

考慮到了齒輪相互之間的不同接觸角度會對鉆井平臺的整個(gè)運(yùn)行的順暢程度的影響，每一組的齒輪都以不同的接觸角度接觸從而實(shí)驗(yàn)出最佳的效果。

齒輪和齒輪條間的接觸力大?。航佑|力度過大容易損壞齒輪和齒條從而導(dǎo)致作業(yè)運(yùn)行的終止。接觸力過小不能取得最好的工作效率，不利于工作的質(zhì)量。

2.1.3運(yùn)用三維方法構(gòu)建模型

現(xiàn)在采用三維空間方法研究自升式海洋鉆井平臺齒輪條爬升與鎖緊系統(tǒng)的比較少，但是不可否認(rèn)這種方法能更全面和直觀。對于裝置可能遇到問題的提前檢驗(yàn)有很好的效果。

2.2鎖緊裝置的設(shè)計(jì)

2.2.1控制程序

海洋作業(yè)的頻繁性、交變頻繁地使用會使裝置出現(xiàn)延緩、錯(cuò)位、卡死等問題?，F(xiàn)在的海洋作業(yè)中鎖緊和解鎖的時(shí)間占據(jù)很大的比例，有效地解決程序控制問題將大大提高作業(yè)的可行性和效率性。

2.2.2動(dòng)態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)移功能

動(dòng)態(tài)負(fù)荷轉(zhuǎn)移功力是自升式海洋鉆井平臺承受海洋風(fēng)暴的尺度，以及在極限狀態(tài)下的的可靠性?？刹扇∫韵略囼?yàn)步驟，其中每一步之后都要做好數(shù)據(jù)記錄。

檢查裝置預(yù)鎖緊狀態(tài)再鎖緊。

啟動(dòng)增壓油缸，當(dāng)壓力達(dá)到所需值時(shí)停止。

啟動(dòng)鎖緊裝置鎖定。

緊裝置高壓系統(tǒng)的卸壓。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間控制在1-2小時(shí)，這是得到實(shí)際效果的最佳持續(xù)時(shí)間。

2.2.3自動(dòng)復(fù)位裝置

卡爪與齒條相互嚙合后，位置多多少少都會有稍許的偏移。在拉出時(shí)需要恢復(fù)到原來位置，不然逐次偏累積后位置會越偏越遠(yuǎn)，自動(dòng)復(fù)位裝置靈敏度越高對于頻繁的海上作業(yè)越能提高作業(yè)的效率。

3.總結(jié)

齒輪齒條升降裝置以及齒條鎖定系統(tǒng)是自升式海洋鉆井平臺的兩種主要方式。重量、體積都很大的自升式海洋鉆井平臺的爬升速度不能過快（一旦出現(xiàn)故障重力慣性易導(dǎo)致脫軌）鎖緊要牢固（穩(wěn)固的平臺是一切海中作業(yè)的基礎(chǔ)）。對自升式海洋鉆井平臺各方面的設(shè)計(jì)均是為了提高平臺作業(yè)安全及作業(yè)能力，根據(jù)現(xiàn)在作業(yè)的應(yīng)用，保證效率的提高。通過各個(gè)方面的機(jī)械調(diào)試，得到操作更簡便，?性能優(yōu)良，?能消除裝置在解鎖時(shí)的卡死等的海上作業(yè)自升式海洋鉆井平臺。

參考文獻(xiàn)：

[1]張爭艷.自升式海洋鉆井平臺齒輪條爬升與鎖緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].武漢理工大學(xué)，2011.

[2]巴建彬，李士喜.自升式海洋鉆井平臺升降系統(tǒng)齒輪齒條嚙合接觸分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2014，19：57-58.

[3]劉純青.自升式海洋鉆井平臺鎖緊裝置國產(chǎn)化前景[J].石油和化工設(shè)備，2012，11：24-27.

[4]王運(yùn)龍.自升式鉆井平臺方案設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].大連理工大學(xué)，2008.