自升式海洋鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)的分析與研究

吳碧珺

摘 要：隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，海洋開發(fā)己經(jīng)成為世界技術(shù)革新的重要內(nèi)容，而海洋油氣田的開發(fā)又是現(xiàn)今海洋資源開發(fā)利用的重中之重。自升式海洋鉆井平臺(tái)是海洋油氣勘探和開發(fā)的主要裝備。目前，國內(nèi)使用的鉆井平臺(tái)中的控制系統(tǒng)基本都由國外制造，國內(nèi)對其升降系統(tǒng)的分析相對較少。所以，探討和研究這一方面的內(nèi)容意義深遠(yuǎn)。

關(guān)鍵詞：自升式平臺(tái)；升降系統(tǒng)；齒輪齒條式

1 概述

升降系統(tǒng)是自升式海洋鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵部分。其位置位于平臺(tái)的主體和樁腿的交接處，作用是讓樁腿和船體作相對的上下運(yùn)動(dòng)，從而使得平臺(tái)主體能上下移動(dòng)并將其固定在樁腿的某一位置。

根據(jù)升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的不同，一般可分為液壓油缸式升降系統(tǒng)和齒輪齒條式升降系統(tǒng)。液壓油缸式的優(yōu)點(diǎn)是：油缸的結(jié)構(gòu)簡單，力的傳遞直接，安全性高。缺點(diǎn)是：樁腿升降框架的結(jié)構(gòu)龐大，用鋼量很大，操作的工序相對更復(fù)雜。齒輪齒條式的優(yōu)點(diǎn)是：升降運(yùn)動(dòng)連續(xù)性好，傳動(dòng)的速度快，可調(diào)速，受載均勻，操作簡單，井位易對準(zhǔn)。缺點(diǎn)是：齒輪齒條的制作難度大，成本高，控制相對復(fù)雜。由于海洋環(huán)境比較惡劣，平臺(tái)升降所需要的時(shí)間對于平臺(tái)的安全性就顯得非常重要，同時(shí)運(yùn)用齒輪齒條式升降平臺(tái)可減少平臺(tái)的就位費(fèi)用，因此目前多采用此類系統(tǒng)。

2 齒輪齒條升降系統(tǒng)的設(shè)備組成

齒輪齒條式升降系統(tǒng)通常由升降裝置、升降框架、導(dǎo)向裝置、樁腿以及電控系統(tǒng)組成。

升降裝置一般由電動(dòng)機(jī)、減速箱、制動(dòng)器、小齒輪等組成，如圖1所示。電動(dòng)機(jī)以前常用的是滑差式電機(jī)，后來變頻技術(shù)越來越成熟，而且控制方便，于是逐漸取代了滑差式電動(dòng)機(jī)。減速箱一般由平行軸輪系和行星輪系兩部分構(gòu)成，速比很大，有的甚至上萬。制動(dòng)器通常選擇的是電磁圓盤式，其扭矩一般不小于1.2倍的暴風(fēng)載荷。小齒輪由高強(qiáng)度合金鋼經(jīng)特殊工藝加工而成，齒數(shù)一般為7齒，模數(shù)通常為80以上，目前世界上最大的小齒輪模數(shù)已經(jīng)達(dá)到了110。

圖1 齒輪齒條升降裝置

升降框架一般為封閉性環(huán)梁結(jié)構(gòu)，如圖2所示，它是連接升降裝置和平臺(tái)主體的框架，起承上啟下的作用。一般升降框架和平臺(tái)都進(jìn)行一體化的設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)有很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但對焊接工藝提出了極高的要求。

圖2 樁腿升降框架的兩種形式

導(dǎo)向裝置，所有的自升式平臺(tái)都有引導(dǎo)樁腿的導(dǎo)向裝置，導(dǎo)向裝置的一個(gè)關(guān)鍵作用就是為了保證齒輪和齒條的合理間隙要求。導(dǎo)向裝置通常都是一塊垂直于齒牙的高強(qiáng)度耐磨板，但是這不是導(dǎo)向裝置的唯一形式，另外還有如圓柱形樁腿的導(dǎo)向裝置。考慮到將來的更換方便，導(dǎo)向裝置通常設(shè)計(jì)成可更換的形式。圖3分別所示的就是桁架式樁腿的導(dǎo)向裝置和圓柱形樁腿的導(dǎo)向裝置。

圖3 導(dǎo)向裝置

樁腿，所有的自升式平臺(tái)都有樁腿，同時(shí)樁腿下部帶有樁靴。樁腿和樁靴是鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，用來在站立模式下支撐平臺(tái)主體以及提供穩(wěn)性來抵抗橫向載荷。樁靴用來增加土壤承載面積，降低土壤強(qiáng)度的需要。在自升式平臺(tái)中，樁腿的主要作用就是使平臺(tái)主體升起來，避開風(fēng)暴引起的波浪的波峰。常用的有圓柱式和桁架式樁腿兩種形式。

電控系統(tǒng)，升降系統(tǒng)的電控系統(tǒng)是典型的機(jī)、電、液一體化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)復(fù)雜、控制要求高，是升降裝置作業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。控制系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、制動(dòng)器、樁腿高度指示、爬升齒輪載荷檢測裝置、平臺(tái)水平檢測裝置、控制臺(tái)和顯示屏等。電控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示各升降裝置的載荷，還可以顯示各樁腿的位差，能自動(dòng)調(diào)平，以達(dá)到同步控制的目的。

3 齒輪齒條升降系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)

由于海洋環(huán)境惡劣、工況復(fù)雜，故對平臺(tái)的重量和空間有一定限制，因此要求升降系統(tǒng)中的減速機(jī)構(gòu)越小越好，但是其所承受重量卻非常大，所以設(shè)計(jì)和制造的難度較大。同時(shí)升降系統(tǒng)中的小齒輪為超大模數(shù)齒輪，由于缺乏強(qiáng)度計(jì)算的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和理論指導(dǎo)，故其設(shè)計(jì)和制造也都非常困難；另外，由于小齒輪單齒承重很大，所以其材質(zhì)和熱處理工藝也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。最后，因?yàn)樯迪到y(tǒng)與整個(gè)平臺(tái)的安全性息息相關(guān)，所以對于升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的安全可靠性要求也很高。

4 結(jié)束語

隨著人類對海洋的不斷開發(fā)，對于海洋工程裝備的需求也越來越多，從自升式海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來看，可通過對大速比減速機(jī)和高強(qiáng)度超大模數(shù)齒輪的研究開發(fā)來提高系統(tǒng)的性能，并力求達(dá)到輕量化的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃維學(xué)，劉放.自升式海上鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)分析[J].設(shè)計(jì)與計(jì)算，2011，2（1）.

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