DC450/900-T型天車鉆柱升沉補(bǔ)償裝置設(shè)計

鄭萬里，張彩瑩，李 歡，羅 強(qiáng)，王博芳，張 波，張 坤

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

在進(jìn)行深海鉆井作業(yè)時，鉆井平臺或鉆井船會隨著波浪進(jìn)行縱蕩、橫蕩、升沉、縱搖、橫搖和艏搖6個自由度的運(yùn)動。升沉運(yùn)動對平臺影響最大，使得鉆柱隨浮式鉆井平臺進(jìn)行升沉運(yùn)動，導(dǎo)致鉆頭與井底之間的鉆壓發(fā)生變化，降低了鉆井效率，增加了成本，影響鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行。同時，升沉運(yùn)動也會影響B(tài)OP等水下設(shè)備安裝連接的準(zhǔn)確性和可靠性，引發(fā)設(shè)備碰撞事故。因此，浮式鉆井平臺或鉆井船上需要配備一套升沉補(bǔ)償裝置，用以減小升沉運(yùn)動對鉆井作業(yè)的不利影響。海洋作業(yè)的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的研究開始于20世紀(jì)70年代，早期多采用氣液的被動式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)。后期為提高效率，減小能耗，設(shè)計了主動補(bǔ)償系統(tǒng)[1-4]。目前，鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的技術(shù)一直被國外發(fā)達(dá)國家壟斷，主要生產(chǎn)廠家為NOV、MH等國外公司。按照結(jié)構(gòu)形式和安裝位置分，鉆柱升沉補(bǔ)償裝置可分為天車鉆柱升沉補(bǔ)償裝置、游車鉆柱升沉補(bǔ)償裝置、補(bǔ)償鉆井絞車、死繩端補(bǔ)償裝置等。天車鉆柱升沉補(bǔ)償裝置位于井架頂端，不在井架內(nèi)游動，補(bǔ)償載荷大，且方便維護(hù)保養(yǎng)，應(yīng)用較為廣泛。

我國對海洋油氣鉆采裝備的研究起步較晚，缺乏天車鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的研究和技術(shù)積累。目前，還沒有完全由我國自主設(shè)計并進(jìn)行總體配套的浮式鉆井平臺天車補(bǔ)償裝置的應(yīng)用案例。國內(nèi)主要是中國石油大學(xué)[5]、廣東工業(yè)大學(xué)[6]等高校進(jìn)行了理論性的基礎(chǔ)研究。寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司(以下簡稱寶石機(jī)械公司)自2009年開始對鉆井平臺和鉆柱升沉補(bǔ)償裝置進(jìn)行研究[7-10]，先后承擔(dān)了國家863項目“深水鉆機(jī)與鉆柱自動化處理關(guān)鍵技術(shù)研究”、國家工信部“浮式鉆井補(bǔ)償系統(tǒng)研制”等多個項目。

為了總結(jié)和提煉鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的最新研究進(jìn)展及成果，指導(dǎo)國內(nèi)鉆柱升沉補(bǔ)償產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)，以寶石機(jī)械公司設(shè)計開發(fā)的DC450/900-T型天車鉆柱升沉補(bǔ)償裝置為基礎(chǔ)，詳細(xì)說明了其總體結(jié)構(gòu)、工作原理、主要技術(shù)參數(shù)研究、子系統(tǒng)設(shè)計、關(guān)鍵部件設(shè)計及力學(xué)分析，為后續(xù)進(jìn)行大載荷天車補(bǔ)償裝置的國產(chǎn)化研制，攻占深水補(bǔ)償類市場打下堅實的基礎(chǔ)。

1 總體結(jié)構(gòu)

DC450/900-T型天車鉆柱升沉補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用被動補(bǔ)償和主動補(bǔ)償聯(lián)合控制的半主動補(bǔ)償形式。

1—主動缸支撐座；2—上連接架；3—片架總成；4—主動補(bǔ)償油缸；5—導(dǎo)軌；6—擺臂機(jī)構(gòu)；7—浮動天車總成；8—天車架；9—導(dǎo)向輪；10—支架總成；11—被動補(bǔ)償油缸；12—伺服閥；13—隔離閥組；14—主動補(bǔ)償液壓站；15—被動補(bǔ)償液壓站；16—主氣閥控制柜備用氣瓶組；17—蓄能器；18—主氣閥；19—增減壓控制柜；20—備用氣瓶組；21—工作氣瓶組；22—空壓機(jī)。

被動補(bǔ)償系統(tǒng)主要由被動補(bǔ)償油缸、活塞式蓄能器、被動補(bǔ)償液壓站、主氣閥、隔離閥組、工作氣瓶組、備用氣瓶組、主氣閥控制柜、增減壓控制柜和空壓機(jī)等組成；主動補(bǔ)償系統(tǒng)主要由主動補(bǔ)償油缸、主動補(bǔ)償液壓站、伺服閥和電控系統(tǒng)等組成。DC450/900-T型天車鉆柱升沉補(bǔ)償裝置位于井架頂端，補(bǔ)償裝置的支架總成通過螺栓與井架頂端相連。鉆井作業(yè)時，補(bǔ)償裝置基本功能包括補(bǔ)償功能和鎖緊功能，補(bǔ)償裝置的鎖緊油缸回縮，使得浮動天車總成和天車架脫開，在補(bǔ)償油缸活塞缸的伸縮運(yùn)動過程中，完成補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償動作；補(bǔ)償裝置鎖緊油缸伸出，使得浮動天車總成和天車架連為一體，從而關(guān)閉補(bǔ)償功能，完成補(bǔ)償裝置的鎖緊，適應(yīng)最大提升載荷[10-11]。

2 工作原理

當(dāng)補(bǔ)償精度要求不高時，只需要開啟被動補(bǔ)償功能，海洋平臺隨著海浪上升時，井架帶動支架總成和天車架上升，與天車架固連的被動補(bǔ)償油缸缸筒也隨之上升。由于浮動天車總成通過銷軸與被動補(bǔ)償油缸活塞桿連接，浮動天車總成在慣性力作用下會短時間保持靜止?fàn)顟B(tài)。該過程相當(dāng)于被動補(bǔ)償油缸的活塞桿做回縮運(yùn)動，被動補(bǔ)償油缸中油液進(jìn)入到活塞式蓄能器中積蓄能量。當(dāng)海洋平臺隨著海浪下降時，天車架下沉，被動補(bǔ)償油缸缸筒也隨之下沉，浮動天車總成由于慣性力作用會短時間保持靜止?fàn)顟B(tài)。該過程相當(dāng)于被動補(bǔ)償油缸的活塞桿做伸出運(yùn)動，活塞式蓄能器中油液被壓入到被動補(bǔ)償油缸中，從而釋放能量[3]。在此過程中，通過調(diào)節(jié)氣瓶壓力來應(yīng)對不同的補(bǔ)償載荷。

當(dāng)補(bǔ)償精度要求較高時，被動補(bǔ)償和主動補(bǔ)償同時開啟，補(bǔ)償系統(tǒng)處于半主動狀態(tài)。此時，主動補(bǔ)償油缸通過特殊設(shè)計的主動缸支撐座垂直立在上連接架頂部，在主動補(bǔ)償控制柜中安裝有升沉傳感器，可以測量船體相對于海底的三維速度。同時在主動補(bǔ)償液缸上裝有位置傳感器。將上述2個測量數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)，計算機(jī)通過一套邏輯控制算法，向伺服閥發(fā)出控制指令，伺服閥動作，主動補(bǔ)償液壓站將液壓油注入到主動補(bǔ)償油缸的上端或下端，使活塞運(yùn)動，通過活塞桿將拉力或推力施加在浮動天車總成上，維持其相對于海床的位置不變。

3 主要技術(shù)參數(shù)

DC450/900-T型天車鉆柱升沉補(bǔ)償裝置是按照API 4F和API 8C標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計制造。目標(biāo)平臺的最大作業(yè)水深3 000 m，最大鉆井深度10 000 m。該鉆井系統(tǒng)的最大鉆柱質(zhì)量為300 t，考慮動載系數(shù)影響，設(shè)計補(bǔ)償載荷為4 500 kN。查閱我國南海“大風(fēng)”惡劣環(huán)境下的海況參數(shù)，利用動力學(xué)分析基本方法，形成了鉆井平臺的升沉位移理論計算方法[12]，如果波浪具有x的位移，則帶動鉆井平臺產(chǎn)生y的位移，鉆井平臺的升沉位移如圖2所示。

圖2 鉆井平臺的升沉位移示意

假設(shè)鉆井平臺集中質(zhì)量為M，吃水線處平臺與海水接觸面積為A，在無波浪時，平臺自重力與浮力相等，因此在計算時不考慮鉆井平臺的重力和初始浮力。由牛頓第二定律可得鉆井平臺升沉運(yùn)動的基本方程(忽略平臺與波浪相互運(yùn)動的阻力)如式(1)。最終確定最大補(bǔ)償行程為7.62 m，最大補(bǔ)償速度為1.3 m/s。

(1)

式中：M為船體的集中質(zhì)量，kg；ρw為海水的密度，kg/m3；c為阻尼系數(shù)，N·s/m；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；A為平臺吃水線處與海水接觸面積，m2；h為平臺甲板在相對坐標(biāo)系中的高度，m；H為水面在相對坐標(biāo)系中的高度，m。

DC450/900-T型天車鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的主要技術(shù)參數(shù)為：

最大補(bǔ)償載荷 4 500 kN

最大靜載荷 9 000 kN

最大補(bǔ)償行程 7.62 m

最大補(bǔ)償速度 1.3 m/s

最大操作氣壓 21 MPa

主動補(bǔ)償能力 260 kN

主動補(bǔ)償最大工作壓力 35 MPa

4 主要子系統(tǒng)簡介

4.1 機(jī)械系統(tǒng)

根據(jù)最大作業(yè)水深3 000 m，最大鉆井深度為10 000 m超深水鉆井系統(tǒng)的構(gòu)成，DC450/900-T天車鉆柱升沉補(bǔ)償裝置設(shè)計為直立油缸驅(qū)動天車補(bǔ)償型式。補(bǔ)償裝置的支架總成通過螺栓固連在井架頂端，天車架固連在支架總成上。片架總成通過螺栓固連在天車架上，片架總成頂部固接有上連接架，上連接架和天車架之間并排豎置有4根導(dǎo)軌，呈“口”字型布置。浮動天車總成位于上連接架和天車架之間，并沿著4根導(dǎo)軌上下移動。浮動天車總成下端與被動補(bǔ)償油缸總成相連。被動補(bǔ)償油缸由并排豎直放置的2個液壓缸組成，并通過銷軸分別與浮動天車總成連接。被動補(bǔ)償油缸的缸筒通過法蘭固接在天車架上。主動補(bǔ)償油缸的缸筒通過主動缸支撐座倒立豎直放置并固接在上連接架上。主動補(bǔ)償油缸的活塞桿朝下，并通過銷軸與浮動天車總成相連。被動補(bǔ)償油缸總成與主動補(bǔ)償油缸分別與動力控制機(jī)構(gòu)相連接。天車架的一側(cè)分別設(shè)置有快繩搖臂總成、快繩導(dǎo)向總成，天車架的另一側(cè)分別設(shè)置死繩搖臂總成和死繩導(dǎo)向總成。快繩搖臂總成和死繩搖臂總成分別與浮動天車總成相連接。浮動天車總成通過鋼絲繩與游車相連接，該鋼絲繩還分別與快繩導(dǎo)向總成、快繩搖臂總成、死繩搖臂總成和死繩導(dǎo)向總成相連接。

本補(bǔ)償裝置機(jī)械系統(tǒng)主要特點和創(chuàng)新性主要表現(xiàn)為：采用補(bǔ)償缸直驅(qū)結(jié)構(gòu)形式，相比較斜缸布置，液缸直驅(qū)形式能夠減少補(bǔ)償缸活塞偏磨，結(jié)構(gòu)簡單，便于維修保養(yǎng)；主動補(bǔ)償缸裝于頂部，減少空間占用；采用特殊設(shè)計四連桿搖臂機(jī)構(gòu)，優(yōu)化擺臂夾角與連桿長度，減少鋼絲繩在滑輪上的磨損，提高了鋼絲繩使用壽命。

4.2 液氣系統(tǒng)

以液壓系統(tǒng)為動力源，采用2個活塞桿向上伸出的并排豎直布置的被動補(bǔ)償液壓缸和1個活塞桿向下伸出的豎直倒置的主動補(bǔ)償缸。被動補(bǔ)償液壓缸有桿腔通過管路相互連通后與低壓蓄能器相連。被動補(bǔ)償液壓缸無桿腔通過油管互相連通后與隔離閥連接，隔離閥通過管路與活塞式蓄能器油液側(cè)相通，活塞式蓄能器氣體側(cè)通過管路與工作氣瓶相連。主動補(bǔ)償缸無桿腔與有桿腔油口通過管路與補(bǔ)償控制伺服閥連通。補(bǔ)償控制伺服閥通過管路與主動補(bǔ)償液壓站出口連通。

4.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

伺服閥、隔離閥、主動補(bǔ)償液壓站電機(jī)分別與控制單元連接。控制單元分別與平臺升沉檢測裝置、位移傳感器、壓力傳感器A、壓力傳感器B連接。位移傳感器檢測主動補(bǔ)償液壓缸活塞位移，壓力傳感器B檢測主動補(bǔ)償缸無桿腔壓力，壓力傳感器A檢測主動補(bǔ)償缸有桿腔壓力。

控制單元采用具有模數(shù)處理能力的工業(yè)計算機(jī)。主動補(bǔ)償缸有桿腔的壓力傳感器A和無桿腔的壓力傳感器B檢測主動補(bǔ)償缸壓力，反饋給控制單元。控制單元處理該信息后，發(fā)出信號，調(diào)節(jié)比例溢流閥，使變量泵輸出的油液壓力始終高于主動補(bǔ)償缸油口壓力1個恒定值，構(gòu)成電反饋負(fù)載敏感機(jī)構(gòu)。

鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)電控系統(tǒng)還負(fù)責(zé)監(jiān)視整個裝置的運(yùn)行狀態(tài)，包括系統(tǒng)工作壓力、控制閥門開關(guān)狀態(tài)等，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時及時提示設(shè)備操作人員。補(bǔ)償裝置電控系統(tǒng)包括：控制器、接口模塊、人機(jī)交互面板(HIM)、物理開關(guān)等，為方便司鉆操作，在司鉆房內(nèi)提供操作面板，可完成隔離閥開/關(guān)、隔離閥常開/常關(guān)、增加氣壓、減小氣壓等操作。補(bǔ)償裝置電控系統(tǒng)提供補(bǔ)償裝置載荷大小、氣動系統(tǒng)(空壓機(jī)、氣瓶組、主氣閥)壓力、液壓系統(tǒng)(補(bǔ)償油缸、蓄能器、液壓站)壓力、補(bǔ)償油缸及蓄能器位置、液壓站油箱液位等監(jiān)視值。控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

5 關(guān)鍵部件運(yùn)動及力學(xué)分析

5.1 擺臂機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

擺臂機(jī)構(gòu)由2組桿件和導(dǎo)向輪組成，在天車左右兩側(cè)對稱布置，其中與浮動天車相連的稱為連桿，安裝在天車梁鉸接支座上的稱為搖桿[13-15]。擺臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)根據(jù)實際工況確定為：最大補(bǔ)償位移為7.62 m，補(bǔ)償載荷為4 500 kN。根據(jù)擺臂機(jī)構(gòu)的工作原理及相似理論，將擺臂機(jī)構(gòu)簡化為偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)，如圖4所示，OA桿為搖桿，長度為a。AB桿為連桿，長度為b。偏心距為e，s為滑塊位移，s′為滑塊的初始位置。滑塊運(yùn)動過程中，為保證機(jī)構(gòu)傳力性能良好，應(yīng)使傳動角的最小值γ≥40°，故對于本天車補(bǔ)償裝置中的搖桿滑塊機(jī)構(gòu)而言，其在運(yùn)動時承擔(dān)著整個鉤載的重力，故在不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的條件下，根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)經(jīng)驗，其最小傳動角應(yīng)盡量保持在40～50°。

圖3 DC450/900-T型天車鉆柱升沉補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)框圖

圖4 擺臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理

由余弦定理可得：

e2+(s+s0)2=a2+b2-2abcosγ

(2)

由式(2)可知，增大偏心距e和滑塊位移s，可以增大傳動角γ。

根據(jù)設(shè)計參數(shù)，初始位置選取為:s′=1 550 mm，e=3 003 mm。A點位于滑塊行程連線的垂直平分線處附近，這樣可以保證滑塊從最小行程運(yùn)動到最大行程時，搖桿也擺動了一個行程周期。搖桿的長度a從3 900 mm以100 mm的長度遞增到6 000 mm這22個擺臂位置時，擺臂機(jī)構(gòu)擺角和搖桿長度的關(guān)系如圖5所示。

小擺角有利于減少鋼絲繩在滑輪上相對運(yùn)動而造成的鋼絲繩磨損。擺角太小會造成連桿和搖桿長度增加，使得整體質(zhì)量加大，造成成本過高。根據(jù)天車梁和滑輪尺寸并基于結(jié)構(gòu)緊湊性的考慮，最終確定搖桿長度a=5 200 mm，連桿長度b=4 750 mm。

圖5 搖臂夾角與搖桿長度關(guān)系

5.2 片架導(dǎo)軌力學(xué)分析

天車片架導(dǎo)軌是保障天車正常運(yùn)動的部件之一，其位于井架最頂端，受風(fēng)載與平臺搖擺時傳遞到其上的大鉤載荷的共同作用。如果片架導(dǎo)軌發(fā)生變形，會顯著影響天車升沉補(bǔ)償裝置的正常運(yùn)動。天車導(dǎo)軌三維模型如圖6所示。天車導(dǎo)軌材料為Q355D鋼，彈性模量206 GPa，泊松比0.3，z向性能21%。

1) 恒載工況。

由于補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償操作時，天車、游車以及片架導(dǎo)軌的自重力是恒定不變的，此時僅考慮這3個恒定載荷的作用，這種工況被稱為恒載工況。進(jìn)行有限元分析計算時，可將以上恒定載荷視為集中載荷，加載到導(dǎo)軌有限元模型的中部。

圖6 天車片架導(dǎo)軌三維模型

DC450/900-T型天車鉆柱升沉補(bǔ)償裝置所配天車質(zhì)量為14 900 kg，則其重力Gt為146.02 kN。游車系統(tǒng)自重力通過如下公式計算：

Gy=(0.04～0.05)Qmax

(3)

其中，Qmax為補(bǔ)償系統(tǒng)最大鉤載9 000 kN，則得出游車系統(tǒng)重力為360 kN，補(bǔ)償裝置片架導(dǎo)軌承受的恒定載荷為：

Gh=Gt+Gy

(4)

2) 最大鉆柱重力工況。

在不考慮鉆井液懸浮力時，鉆桿到達(dá)最大鉆井深度時，全部鉆桿的重力之和為最大鉆柱重力工況：

Qstamx=qstLg

(5)

式中：qst為鉆柱的質(zhì)量，這里設(shè)為30 kg/m；L為鉆井深度，井架設(shè)計最大鉆井深度為10 000 m。

3) 最大鉤載工況。

鉆探系統(tǒng)能承受的最大力為最大鉤載工況。該補(bǔ)償裝置的最大鉤載為9 000 kN，用Qmax表示，在進(jìn)行有限元分析計算時，可將最大鉤載看做集中載荷加載到天車上。

4) 風(fēng)載荷。

作用于補(bǔ)償裝置片架導(dǎo)軌上的風(fēng)力載荷為風(fēng)載荷，片架導(dǎo)軌上的總風(fēng)力為單個片架、導(dǎo)軌上作用的風(fēng)力向量之和估算得出[16]。在進(jìn)行風(fēng)載計算時，要考慮片架導(dǎo)軌上最大應(yīng)力變形的風(fēng)向。根據(jù)該導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)特點分析，最后確定正面迎風(fēng)和側(cè)面迎風(fēng)為計算風(fēng)向。

在實際工程應(yīng)用中，一般把片架導(dǎo)軌所受的風(fēng)載荷分為平均風(fēng)載和脈動風(fēng)載。片架導(dǎo)軌的靜力分析風(fēng)載荷為平均風(fēng)載荷，片架導(dǎo)軌任一高度處的風(fēng)力載荷可表示為：

P=WAwβ

(6)

式中：P為片架導(dǎo)軌風(fēng)載荷，kN；W為作用于片架導(dǎo)軌上的計算風(fēng)壓，kPa；β為片架導(dǎo)軌風(fēng)振系數(shù)，根據(jù)相關(guān)資料可取1.89；Aw為迎風(fēng)面積，即片架導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件外表面垂直于風(fēng)向的投影面積，m2。

在工程實際計算中，風(fēng)壓的計算需要根據(jù)片架導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的不同進(jìn)行計算[16]。由于風(fēng)作用在片架導(dǎo)軌迎風(fēng)面上，其高度變化系數(shù)KZ受片架導(dǎo)軌高度的影響；結(jié)構(gòu)體型系數(shù)K與各井架自身的結(jié)構(gòu)體型等外貌相關(guān)，在確定基本風(fēng)壓的基礎(chǔ)上，可以得出計算風(fēng)壓的計算公式如下：

W=W0KzK

(7)

式中：W0為基本風(fēng)壓，kPa；Kz為高度變化系數(shù)；K為井架結(jié)構(gòu)體型系數(shù)。

綜合上述各種工況下的載荷，片架導(dǎo)軌受到的最大載荷來源于DC450/900-T型天車鉆柱升沉補(bǔ)償裝置在鎖緊狀態(tài)下的最大靜載荷。

6 結(jié)論

1) DC450/900-T型天車鉆柱升沉補(bǔ)償裝置是按照API 4F和API 8C設(shè)計。由于該補(bǔ)償裝置為超深水類補(bǔ)償裝置，風(fēng)浪流環(huán)境較為惡劣，補(bǔ)償裝置主要參數(shù)的確定方法較為關(guān)鍵。

2) 通過建立天車補(bǔ)償裝置擺臂機(jī)構(gòu)簡化模型，分析擺臂夾角與搖桿長度的關(guān)系，確定了搖桿和連桿的最佳長度。分析認(rèn)為：通過增大擺臂機(jī)構(gòu)偏心距e和滑塊位移s，可以增大傳動角γ。

3) 開展了片架導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)力學(xué)研究，分析得出片架導(dǎo)軌受到的最大載荷來源于鎖緊狀態(tài)下的最大靜載荷，可以利用以上載荷分析不同工況下片架導(dǎo)軌的強(qiáng)度。