自升式鉆井平臺電纜拖鏈的設(shè)計

白民權(quán)

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

自升式鉆井平臺（以下簡稱：“Jack-up”）是目前廣泛用于海洋油氣勘探和開發(fā)的鉆井設(shè)施，是一種由駁船形船體（上層平臺）和數(shù)根能夠升降的樁腿組成的移動式平臺[1]。

大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司承建的S116E型自升式鉆井平臺，入ABS船籍。主船體甲板位置安裝懸臂梁模塊，懸臂梁頂部安裝鉆臺模塊。模塊之間采用交流電機(jī)齒輪齒條咬合推進(jìn)的滑移方式，如圖1所示。懸臂梁滑移基座固定焊接在平臺的主甲板上，懸臂梁安裝在基座上，可以沿平臺縱向移動，橫向軌道在懸臂梁上焊接固定，鉆臺安裝在橫向軌道上并能在其上滑移[2]。懸臂梁滑移示意圖如圖2所示。該項目懸臂梁相對于平臺向尾部單向最大可移動26.4 m，鉆臺相對于懸臂梁分別從兩側(cè)方向最大移動4.572 m。平臺的配電、中控和火警等系統(tǒng)對應(yīng)的機(jī)柜均布置在主船體區(qū)域，連接懸臂梁與鉆臺區(qū)域設(shè)備的電纜在平臺的滑移狀態(tài)下也將隨之移動，該部分電纜經(jīng)由電纜拖鏈進(jìn)行固定。

1 電纜拖鏈的用途

圖1 電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條示意圖

圖2 懸臂梁滑移示意圖

ABS MODU 4/3/3要求：當(dāng)電纜安裝在艙口、艙室頂部和主甲板等露天處所，或當(dāng)電纜穿過主甲板等處所時，需要使用連續(xù)的金屬屏蔽、結(jié)構(gòu)框架、保護(hù)管或等效方式對電纜進(jìn)行保護(hù)[3]。ABS MODU 7/1/5要求：電纜需要通過電纜夾、掛件或扎帶進(jìn)行固定安裝[3]。根據(jù)以上要求，當(dāng)平臺的主船體、懸臂梁與鉆臺之間發(fā)生相對移動時，模塊之間的電纜也隨之移動，此部分電纜需要進(jìn)行保護(hù)和固定。使用電纜拖鏈能夠解決這些要求。電纜拖鏈由鏈條單元組成，形式多樣，具備安裝方便、使用靈活和維護(hù)便利等優(yōu)勢。目前，電纜拖鏈廣泛應(yīng)用在海洋平臺上以實(shí)現(xiàn)對移動電纜的保護(hù)。自升式鉆井平臺電纜拖鏈如圖3所示，拖鏈單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖3 自升式鉆井平臺電纜拖鏈

圖4 鏈條單元結(jié)構(gòu)示意圖

2 電纜拖鏈的主要參數(shù)

電纜拖鏈由鏈條單元、緊固件、導(dǎo)軌和支撐等組成[4]。目前，主流電纜拖鏈產(chǎn)品均采用標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計，其各標(biāo)準(zhǔn)部件的選型依據(jù)所需固定電纜的數(shù)量、規(guī)格等進(jìn)行信息計算完成。

2.1 拖鏈材質(zhì)要求

鉆井平臺作業(yè)區(qū)域長期處于潮濕、高溫和高鹽等環(huán)境，各方面自然條件均比較惡劣[5]。鉆井設(shè)備工作時，平臺結(jié)構(gòu)振動較大，平臺可能發(fā)生腐蝕性泥漿飛濺等情況，因此拖鏈的各部件材質(zhì)均要求具備耐高溫、耐潮濕、抗腐蝕和抗老化等特性。綜合以上要求，本項目要求電纜拖鏈的材質(zhì)使用不銹鋼。

2.2 拖鏈截面計算

首先需要統(tǒng)計通過拖鏈的電纜，羅列出每根電纜對應(yīng)的規(guī)格、外徑、起始點(diǎn)和重量等信息，如表1所示；然后根據(jù)電纜統(tǒng)計信息計算單元格的規(guī)格和數(shù)量需求。本項目拖鏈電纜約180根，最大電纜規(guī)格3×120 mm2，外徑約為50 mm。根據(jù)廠家樣冊，選用120 mm×100 mm規(guī)格的單元格，每個單元格可通過3根此規(guī)格電纜。選定單元格規(guī)格后，對所有電纜進(jìn)行分組排列，最終選用24組單元格，每6個單元構(gòu)成一排，共4排。考慮單元格中間的緊固件和外圍保護(hù)板，最終的拖鏈截面尺寸為936 mm×604 mm。拖鏈電纜排列圖如圖5所示。

圖5 拖鏈電纜排列圖

2.3 電纜拖鏈轉(zhuǎn)彎半徑計算

根據(jù)ABS要求，電纜最小轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)不低于8倍電纜外徑[3]。本項目選用最大規(guī)格電纜的外徑約為50 mm。考慮此電纜可能安裝在電纜拖鏈的最內(nèi)側(cè)，因此電纜拖鏈最小內(nèi)徑需為400 mm,拖鏈厚度為604 mm。最終選型拖鏈中心層轉(zhuǎn)彎半徑為1 000 mm。

2.4 懸臂梁電纜拖鏈長度計算

本項目懸臂梁滑移最大行程是26.4 m，在進(jìn)行拖鏈計算時考慮適當(dāng)余量，計算行程為26.8 m。電纜從主甲板的出線位置位于行程中間，因此從出線位置至懸臂梁完全回收或最大行程移動距離均為13.4 m。考慮兩端固定部分0.8 m和拖鏈轉(zhuǎn)彎半徑R=1 m，實(shí)際需求拖鏈長度為移動距離+兩端固定部長度+轉(zhuǎn)彎長度。即：13.4+0.805×2+3.14×1=18.15 m。拖鏈底座不用考慮轉(zhuǎn)彎半徑時，計算長度為移動距離距離+兩端固定部長度。即：13.4+0.805×2=15.01 m，考慮適當(dāng)余量，實(shí)際使用底座長度設(shè)計15.9 m。圖6為懸臂梁拖鏈行程與長度示意圖。

圖6 懸臂梁拖鏈行程與長度示意圖

2.4 鉆臺電纜拖鏈長度計算

鉆臺滑移為雙向，每側(cè)移動的最大行程是4.572 m，在進(jìn)行拖鏈計算時考慮適當(dāng)余量，計算行程為4.725 m。電纜從懸臂梁出線位置位于行程中間，因此從出線位置至鉆臺兩側(cè)最大行程移動距離均為4.725 m，總行程為9.45 m。考慮兩端固定部分0.8 m和拖鏈轉(zhuǎn)彎半徑R=1 m，實(shí)際需求拖鏈長度為移動距離+兩端固定部長度+轉(zhuǎn)彎長度。即：4.725+0.742×2+3.14×1=9.36 m。拖鏈底座不用考慮轉(zhuǎn)彎半徑，計算長度為移動距離距離+兩端固定部長度。即：4.725+0.742×2=6.209 m，考慮適當(dāng)余量，實(shí)際使用底座長度設(shè)計7.18 m。圖7為鉆臺拖鏈行程與長度示意圖。

圖7 鉆臺拖鏈行程與長度示意圖

3 安裝要求

3.1 模塊化組裝

廠家將拖鏈以鏈條單元為單位裝箱發(fā)送至船廠，在船廠進(jìn)行組裝。裝箱前會對鏈條單元進(jìn)行編號，編號從首部緊固件開始至末端緊固件結(jié)束，鏈條單元之間使用連接件插銷和螺栓進(jìn)行固定，組裝靈活方便。若電纜進(jìn)線位置調(diào)整或拖鏈行程變化，則可以在已有拖鏈的基礎(chǔ)上增加或移除部分鏈條單元，進(jìn)而調(diào)整拖鏈長度。拖鏈組裝完成后，鏈條單元之間的相互作用能夠保證拖鏈水平狀態(tài)時中間區(qū)域不會下凹彎曲。若電纜重量較大，則可以適當(dāng)增加滾軸支撐，以對中間部分的支撐提供輔助支撐作用。圖8為滾軸支撐示意圖。

圖8 滾軸支撐示意圖

3.2 拖鏈固定方案

拖鏈組裝完成后，需整體吊裝至底座上，底座由船廠完成，底座長度與拖鏈行程相符合。底座和支撐均采用不銹鋼材質(zhì)，支撐的形式和選材根據(jù)電纜拖鏈和內(nèi)部電纜的總重量進(jìn)行計算得出。拖鏈?zhǔn)锥撕湍┒司鶠榫o固單元，分別與相對滑動的模塊進(jìn)行固定，例如本項目中的懸臂梁拖鏈，首端緊固單元與主甲板底部固定，末端緊固單元與懸臂梁結(jié)構(gòu)支架進(jìn)行固定。在主甲板安裝2處滾軸支撐，以實(shí)現(xiàn)懸臂梁伸出狀態(tài)下對拖鏈的輔助支撐。圖9為拖鏈安裝示意圖。

圖9 拖鏈安裝示意圖

3.3 電纜排列要求

拖鏈完成固定后，在內(nèi)部開始敷設(shè)電纜。拖鏈內(nèi)部電纜排列要求將電力、儀表和通信等不同類型的電纜分別放置在不同的單元格中，避免電力電纜產(chǎn)生磁場干擾儀表和通信電纜的信號傳輸。考慮電力電纜抗機(jī)械損傷能力更強(qiáng)，通常將電力電纜放置在最外層單元格中，儀表和通信電纜放置于內(nèi)部單元格。

3.4 電纜捆扎要求

拖鏈伴隨著懸臂梁或鉆臺的滑動作業(yè)發(fā)生移動時，其內(nèi)部電纜與拖鏈結(jié)構(gòu)存在相對位移，為避免電纜受力破損，不允許將電纜與拖鏈的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行捆扎固定。例如，為了避免電纜散亂，可以對單元格內(nèi)部的電纜進(jìn)行成束捆扎。

4 輔助設(shè)計

4.1 電纜選型設(shè)計

考慮減小電纜拖鏈尺寸，經(jīng)由拖鏈敷設(shè)的電纜數(shù)量盡量減少。在設(shè)計過程中，需要對相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。在鉆臺設(shè)置電氣室，將懸臂梁、鉆臺區(qū)域的電力設(shè)備、照明、中控、火警和廣播等系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，在鉆臺電氣室設(shè)置分配電盤、照明箱、數(shù)據(jù)采集箱和控制站等，經(jīng)過電纜拖鏈的均為主干電纜，這樣就有效減少了電纜拖鏈的容量。

4.2 接口位置電纜穿倉件（MCT）排列

進(jìn)入拖鏈的電纜，穿過MCT排列需要與拖鏈電纜排列保持一致，避免電纜路徑上發(fā)生交叉敷設(shè)。

4.3 拖鏈接地系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)ABS船級社要求，可能發(fā)生帶電的金屬部件全部需要接地[1]。電纜拖鏈接地（圖10）分為拖鏈殼體接地和模塊經(jīng)拖鏈與主船體接地2種情況。

圖10 拖鏈接地示意圖

4.3.1 電纜拖鏈殼體的接地

拖鏈內(nèi)部安裝的電纜存在漏電的可能性，拖鏈外殼為金屬，因此需要對其進(jìn)行接地處理。在拖鏈殼體安裝接地柱，接地電纜從主船體沿拖鏈至接地柱進(jìn)行連接，接地電纜規(guī)格選型按照船級社要求執(zhí)行。

4.3.2 懸臂梁、鉆臺等模塊經(jīng)拖鏈與主船體接地

按照ABS船級社要求，平臺通常使用不以船體做回路的三相三線系統(tǒng)，該電制度要求接地點(diǎn)等電位，即接地要保證連續(xù)性，因此需要將懸臂梁和鉆臺的接地與主船體接地連接。此接地需要在主船體、懸臂梁和鉆臺安裝接地柱。懸臂梁和鉆臺均使用接地電纜分別連接至主船體進(jìn)行接地。

5 結(jié)論

本文闡述了海洋鉆井平臺拖鏈的設(shè)計和安裝，模塊化安裝的方法使電纜拖鏈具備安裝靈活、施工方便以及可靠性高等優(yōu)勢。同時，電纜拖鏈存在著成本高、體積大、空間利用率低等方面的不足，仍有很大的改進(jìn)空間。