海洋自升式平臺升降系統修復研究與實踐

陳小川 王鋆

摘 要：自強號平臺船齡35年，隨著油田生產計劃安排，決定進行復原處置。自強號要實現油田復原，處置最關鍵的步驟就是修復16年沒有進行升降作業的升降系統，達到安全降平臺的使用功能，這是國內海洋工程裝備的先例。文章通過對自強號升降系統現狀，修復內容、步驟、計劃、方案，風險分析的分析論述，提供了升降系統的修復方法和經驗。隨著越來越多的自升式平臺逐步接近退役，該方法將會在多個海洋石油平臺上得到廣泛應用。

關鍵詞：自強號 升降系統 修復 實踐

中圖分類號：F416.22 ?文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914（2015）08-289-03

一、升降系統修復背景

（一）升降系統修復概況

自強號是1979年建成使用，于1994年由美國引進到渤海。1995年至1998年，船齡35年，自強號在渤海灣油田作為黑油開采平臺。1998年由大連造船新廠改造，原船級是ABS，引進后船級取消。于1998年開始，作為生產支持平臺，至今已經16年。在油田作業已延期限服役，隨著油田生產計劃安排，決定對自強號進行復員處置。

在排除租用浮吊現場拆除等其他報廢方案后，自強號報廢處置最關鍵的步驟就是修復16年沒有進行升降作業的升降系統，安全地將平臺降船拖航至拆船廠進行處置。升降系統必須滿足可以安全平穩地將平臺降下來，并且在緊急情況下，具備應急升船能力。

（二）自強號基本情況

自強號為三樁腿沉墊自升式平臺，樁腿為圓柱齒輪齒條形制，直徑3.048米，單樁長度77.72米，樁腿壁厚31.75毫米至63.5毫米。

平臺主尺度長×寬×型深：58.22米×40.23米×4.88米;

沉墊主尺度長×寬×型深：59.588米×49.99米×3.048米;

空船重量：9388噸;

航渡可變載荷：350噸;

升船后可變載荷：1350噸;

最小吃水：2.32米;

滿載最大吃水：2.64米;

裙板：0.61米;

沉墊回收后，與平臺間隙最小為0.46米。

二、升降系統現狀及修復內容

（一）升降系統現狀

自強號海洋平臺已十多年未進行升降作業，升降裝置因缺乏必要的維護、保養措施，機械結構與液壓系統設備均出現不同程度銹蝕，各液壓、電氣元件均超過正常使用壽命，升降系統安全運行存在嚴重隱患。

平臺每條樁腿有四套驅動裝置，即四套齒輪箱馬達組件，全平臺共12套。12個齒輪箱都有一定銹蝕，銹蝕深度也不盡相同。齒輪箱內部有一對嚙合齒輪，輸出端為開式齒輪，輸入端為軸端法蘭，法蘭通過24個M24的螺栓連接到馬達外殼上。馬達通過支撐座連接到齒輪箱的外殼上。整個驅動系統通過M24的連接螺栓把齒輪箱外殼固定在圍阱區上。現場考察發現齒輪箱外殼有塊狀銹蝕脫落，齒輪箱表面有直徑20mm的蝕坑，齒輪箱的固定螺栓有銹蝕。齒輪箱的現狀如圖1。

馬達的固定座銹蝕嚴重，馬達的油管有的爛穿，有的接口斷裂，馬達的剎車帶均有銹蝕，有的剎車帶甚至爛穿損壞，馬達的連接螺栓也有銹蝕。馬達的現狀如圖2。

（二）修復主要內容

1.加裝6套齒輪鎖緊裝置。

2.拆除現場齒輪箱及液壓站電機、泵等機械設備，并送回對其進行檢查、修復或制造。

3.對現有液壓馬達進行試驗檢測，修復或購置新馬達及剎車機構替換原設備中的赫格隆老型號馬達及剎車機構。

4.液壓——電控系統重新設計及制造。

5.設備出廠及現場安裝、調試。

6.現場安裝進行聯調。

三、升降系統施工步驟

針對，自強號升降系統的現狀，制定了“核算、拆除、評估、修復、安裝、調試”幾大步驟如表1（見下頁）。

四、升降系統修復方案

（一）臨時鎖緊裝置

對現有的臨時鎖緊裝置進行測量，并進行核算及結構評估，現有的臨時鎖緊裝置結構老化，安全性低，因此決定在現有的鎖緊裝置的基礎上，再增加一套新鎖緊裝置。現有的臨時鎖緊裝置的圖紙如圖3所示（見下頁）。

新的鎖緊裝置方案采用了兩齒分開鎖緊，獨立預緊，每套鎖緊裝置有兩齒同時嚙合受力，并可對預載進行量化調節，使得拆卸、自存時的平臺安全性得到了有效保障。臨時鎖緊裝置的設計、制造及檢驗全過程均應由CCS監控并取得相應認可及證書。

焊接臨時鎖定裝置的作業高度大致在距離平臺甲板3800mm左右高度，重量大約400kg。

鎖緊件材料為42CrMo，其他結構件采用DH36材料。

臨時鎖緊裝置施工。（1）運至平臺前支架主體部分已按照圖紙要求焊接成“]”型，所有筋板需要現場焊接。（2）根據現場工況和條件，制定施工方案。（3）在大齒輪上選一合適齒，該齒位置能使臨鎖有效焊接區域最大又便于施工;劃該齒對稱線，使該對稱線一直延至圍阱區板上，該對稱線將作為臨鎖安裝基線，請務必準確。（4）裝入鎖定件上齒與鎖定件下齒，調節頂部螺栓使上、下齒不發生移動，并安裝蓋板;吊裝“]”型支架與上、下齒，使其與圍阱區板貼合;微調“]”型支架至合適位置，使鎖定件上、下齒分界線與對稱線重合，并使上齒靠住大齒輪;點焊“]”型支架到圍阱區板，使其固定于圍阱區板上，并調整臨鎖正面螺栓使上、下齒均接觸。該步驟的目的就是為了使臨鎖安裝到位，可根據現場工況和條件，制定相應工裝和方案對該步驟做適當調整，以更好地完成安裝。（5）實焊“]”型支架于圍阱區板上，并按照圖紙要求焊接各筋板，若圍阱區板的空間不夠焊接筋板，在圍阱區板外側外接鋼板，該鋼板將與臨鎖一起運至平臺。（6）在鎖定件尾部壓入楔形塊，蓋上楔形塊壓板，擰緊壓板螺栓，最后擰緊楔形塊螺栓。（7）新臨時鎖定裝置焊接完畢后做焊縫檢測，合格后涂漆保護。

（二）馬達齒輪箱組件的修復

馬達齒輪箱組件包括馬達、齒輪箱、罩殼和潤滑系統。修復時根據各自情況分別采用不同的修復方案。

1.馬達。馬達是整個系統的驅動元件。平臺目前馬達為液壓柱塞式轉低速重載液壓馬達，馬達自帶剎車帶制動器。馬達排量38000ml/r，制動器的制動能力為120kNm。馬達由一個固定支撐座固定在齒輪箱外殼上，輸出端為馬達外殼，通過24個M24螺栓與齒輪箱輸入法蘭連接。馬達的外形為圓柱性，外徑大約1200mm，重約1.6t。

馬達的修復主要依靠在廠內進行功能試驗和檢測，如無法修復可送回赫格隆公司進行換件。如需國產替代馬達，參數應按照不低于原馬達能力設計，安裝接口按新馬達接口設計，符合安裝要求。但在拆除后發現，盡管16年沒有使用，但是馬達保存狀況很好，經過簡單維修后，通過了功能試驗。

2.齒輪箱。齒輪箱的主要作用是對馬達減速，傳遞扭矩給套筒齒輪，齒輪箱的罩殼并起馬達的固定支架作用。齒輪箱通過M24螺栓固定到圍阱區上，開式齒輪穿過圍阱區上的安裝口與套筒大齒輪嚙合。

齒輪箱的恢復有兩種方案，優先采用的為修補復原，利用現有的齒輪箱作為毛胚，在上面覆層并加工的方式修復。第二種方案為全新設計制造，按照拆卸下來的齒輪箱設計減速比一致、外形接口一致的齒輪箱，材料選用不低于進口齒輪箱的強度材料，保證強度及使用壽命。

（1）齒輪箱修補復原。齒輪的修復主要采取激光熔覆的技術。激光熔覆技術具有以下優點：激光熔覆層與零件本體呈冶金結合，結合強度高;激光熔覆層比零件本體具有更好的性能，使用壽命更長;修復后的零件變形小，后續加工余量小，在精度要求不高的情況下可免加工;激光熔覆材料廣泛，可根據要求靈活選擇。

激光熔覆技術滿足齒輪修復的各方面質量要求。為保證齒輪副的接觸強度，熔覆金屬層的硬度應該比現有本體的硬度稍高，齒輪副的材料應該不同并且小齒輪的硬度比大齒輪的硬度高30HB左右，由于齒面硬度現場未測量，通過計算接觸強度和查閱相關資料初定大齒輪的表面硬度為320HB～350HB，小齒輪硬度大于360HB。齒輪箱外殼對于銹蝕深度不超過3mm的區域可以直接采取表面噴砂除銹再重新噴涂防護的形式恢復，對于點坑銹蝕面較大區域需要采取堆焊加厚的形式恢復。齒輪軸的修復同樣主要采取激光熔覆的技術，滑動軸承的修復根據實際情況采取換件或者高分子材料修復技術。

齒輪的修復過程主要包括齒輪的投影測量、逆向出圖、除銹、拋出金屬本色、清洗、干燥、配金屬粉末、激光熔覆、加工等過程。齒輪箱零部件修復后做檢驗，合格后再組裝。

（2）棘輪棘爪逆止器。為保證下放的安全，在原來的減速機輸入法蘭上焊接一套棘輪，在馬達安裝底座上焊接棘爪座。棘輪的模數60，棘輪齒數20，棘輪寬度90。棘爪寬度100，危險截面高度60。棘齒偏斜角15°，齒頂高45，棘爪工作面長度90。每個法蘭上有一套逆止器，共12套，棘輪棘爪機構強度有足夠能力制動整個平臺。

3.罩殼。齒輪箱的罩殼修復主要是堆焊修補、在不影響安裝的區域增加筋板的方式進行修復。重點修復區域為M24螺栓接口處，為保證修復后的尺寸，該螺栓孔需要進行加工。

4.潤滑系統。目前機械設備潤滑系統缺乏維護，原潤滑管路已完全失效。考慮自提升裝置修復后使用次數有限，機械系統的潤滑全部采用手動潤滑方式。

（三）液壓系統的方案

根據調研情況，原液壓系統的大部分管路和元件已經失效，且元件無法在市場上找到替代品。

液壓回路泵源由雙聯泵控制，主泵控制馬達主回路，副泵控制馬達的剎車回路。液壓系統采用比例控制閥控制，配置平衡閥具有一定的抗沖擊及穩定性，出于安全考慮系統能限制平臺的最大升降速度，避免超速使平臺遭到破壞。

液壓系統配備有獨立的電氣控制系統實現設備動作要求，同時可輸出液壓系統的壓力等運行信號，供設備整體性能分析使用。

1.液壓管線。液壓裝置鋼管采用普通碳鋼鋼管，鋼管直徑、壁厚等按船用相關標準計算確定。軟管根據工作壓力和使用狀態具體配置，在管路各部分的最高和最低位置上分別設有排氣和放油設備，以保證液壓油中的氣體和污油順利排放。

中間管線采用高壓軟管連接。

根據設備使用的環境，液壓系統介質使用VG46抗磨液壓油，油液顆粒度為NAS16387級;

2.電控設備。根據勘察情況，電氣元件均為70年代產品，部分控制回路采用單片機、電路板等老式部件。更換元件均較難采購。該套控制系統部分傳感器遺失，加上原液壓系統恢復困難，恢復意義不大。電控設備根據新液壓系統進行配置。

3.電控系統。具有樁腿單元的控制邏輯、數據采集、平臺狀態監控、故障報警等功能，進行樁腿的升降，各主電機的啟停和功能切換。

（1）速度檢測以及同步問題。在平臺上升或者下降過程中，通過在設定時間內計量感應脈沖數來計算平臺上升或者下降速度，PLC通過PWM方式把接受的開關信號轉換成電壓模擬信號，調節比例換向閥開度來改變閥的流量以實現樁腿的速度同步，同時將規定時間內感應開關感應的齒數與設定值比較，如果比設定值大并且超過安全值，則產生報警信號，并停止工作。

（2）控制臺門板嵌有HMI顯示單元，能夠直觀的觀察3個樁腿下降的高度以及壓力和液位等狀態信息。

（3）應急系統。為了防止PLC系統出現問題，在樁邊控制柜中設計了一套手動控制系統，搭建一個包括報警功能在內的繼電器電路，這套系統能在自動系統失效的情況下，通過手動操作完成平臺的升降和報警功能。

（四）調試

調試作業前，完成相關的電氣、液壓、閥門狀態等的檢查工作。

布置樁邊作業人員，隨時觀察鎖緊裝置及齒輪箱、齒輪齒條、馬達狀態。

單樁進行點動，提升平臺，觀察各樁載荷變化情況，同時檢查鎖緊裝置及齒輪箱、齒輪齒條、馬達狀態。

三樁點動后，靜載觀察至少24小時，在此過程中平臺應無下降。并做好值班巡檢工作，保證平臺安全。

進行三樁聯調工作，確保三樁動作同步。

調試完成后，操作液壓系統，鎖緊剎車帶。

五、研究結論

首先，自強號平臺系統修復是自強號順利復員報廢的先決條件，修復后的性能的優劣直接影響平臺的安全降船拖航。

其次，通過對自強號升降系統現狀，修復內容、步驟、計劃、方案，風險分析的分析論述，提供了類似結構的升降系統的修復方案和經驗，對同類項目提供一定的借鑒意義。

第三，隨著越來越多的自升式平臺逐步接近退役，該方法將會在多個海洋石油平臺上得到廣泛應用。

參考文獻：

[1] 成大先.機械設計手冊（第四版）[M].北京：化學工業出版社，2004

（作者單位：中海油能源發展股份有限公司 天津 300452）

（責編：賈偉）