自升式钻井船桩腿锁紧装置的研发与应用

宋春旺

(中国海洋石油油田服务股份有限公司,北京 101149)

自升式钻井船桩腿锁紧装置的研发与应用

宋春旺

(中国海洋石油油田服务股份有限公司,北京 101149)

介绍了新研发的自升式钻井船桩腿锁紧装置,主要技术参数、工作原理以及结构特点;并介绍了新研发锁紧装置样机的试验方法、内容及结果。

自升式钻井船;桩腿锁紧装置;动态负荷转移;研发及应用

Abstract:The main parameters,working principle,and structural characteristics of the new developed leg fixation device for self-elevated drilling ship is introduced in this paper.And the test method,test items and results of the new developed leg fixation device is also introduced.

Key words:self-elevated drilling ship;leg fixation system;dynamic load transfer;study and application

0 引言

早期设计建造的自升式钻井船上没有安装桩腿锁紧装置,随着对海洋工程安全性要求的逐步提高,桩腿锁紧装置目前已经被多数自升式钻井船设计所采纳。

桩腿锁紧装置主要作用是在自升式钻井船升起后,使用传动机构使锁紧齿条与桩腿齿条啮合,随后将作用在升降系统上的平台重量及环境、作业载荷转移到锁紧装置上,从而达到在恶劣海况及钻井作业等工况下提高作业安全、作业能力和保护升降系统的目的。

通过对L780 MODⅡ船型主要性能参数、作业海域气象条件以及最新的行业规范要求的研究,中海油服与佛山精铟机械制造有限公司共同研发了新型自升式钻井平台锁紧装置。与原基本设计公司生产的锁紧装置相比,其区别如表1所示。

表1 基本设计公司锁紧装置与中海油服和佛山精铟公司开发研制锁紧装置对比表

防卡死能力 利用升降装置消除卡死现象。 设备自带动态负荷转移能力,在解锁时,该装置能轻易消除卡死现象。液压系统 单回路中压系统,结构简单。除液压马达,液压缸的驱动使用中压系统外,还配有一套采用二次增压原理的高压系统,用于驱动负荷转移装置。系统优点 上下部螺杆传动机构结构简单。 两组螺杆动作,操作迅速,可有效防止齿条卡死,作业效率更高;产品重量较小。系统缺点因螺杆副数量多,产品重量较大。同时因为要通过4根螺杆的运动才能完成锁紧、解锁操作,操作时间较长。上下楔形块产生的水平分力需要通过底座传递到船体结构侧壁,原船体相关结构需进行修改和加强。

由表1对比可以看出,中海油服与佛山精铟机械制造有限公司共同研发的应用于L780 MODⅡ船型的锁紧装置在防止齿条卡死、作业效率、系统重量方面具有优势。

图1 锁紧装置示意图

1 新研发锁紧装置主要技术参数

向上载荷保持力 ≥3 200 t/套

向下载荷保持力 ≥2 000 t/套

动态负荷转移能力 ≥800 t/套

全船锁紧装置数量 9套

装置全重 52 t/套

新研发锁紧装置工作原理:

自升式钻井船每个桩腿的三个主弦管,各安装一套锁紧装置(见图1)。每个桩腿上的三套锁紧装置共用一套液压系统和控制系统。

桩腿锁紧操作过程及原理:

1.锁紧操作前,平台升降到作业气隙,然后开始锁紧操作。

2.操作下部螺杆总成调整锁紧齿的高度,利用侧推油缸将锁紧齿条推进桩腿齿条并啮合良好,操作顶部油缸推动上楔块下行,压住锁紧齿条;再操作上部螺杆总成,使上螺杆下行抵住上楔块;操作下部螺杆总成使其与锁紧齿条分离。至此,单弦管一侧的预锁紧操作完成。

3.以同样顺序操作另一侧的锁紧装置与另外两只弦管的锁紧装置,使其预锁紧操作先后完成。

4.操作液压系统给这条桩腿上三组锁紧装置加载,由于三组锁紧装置的上油缸是并联回路,所以三组装置中的6只上油缸的压力相等,所产生的推力也是相等的。这个加载过程,就是动态负荷转移过程。

5.当6只上油缸产生的总推力大于这条桩腿承受的平台重量载荷时,原由升降装置承受的载荷被转移到由锁紧装置的顶部油缸承受。

6.此时,原来相互抵住的上楔块和上螺杆之间再次产生微小的间隙,逐一操作6个上部螺杆总成,使上螺杆再次下行消除这一间隙。

7.操作液压系统给6只上油缸卸载,使其承受的平台重量载荷转移到6只上部螺杆总成上,动态负荷转移过程完毕后,这条桩腿的载荷全部由锁紧装置承接。

8.依次操纵6只下部螺杆总成向上托住锁紧齿条,这条桩腿锁紧操作完毕。

桩腿解锁操作过程及原理:

1.在锁紧装置解锁操作前,先确认每个桩腿的升降装置刹车处于制动状态。

2.依次操作下部螺杆总成,使其与锁紧齿条分离。

3.操作液压系统给这条桩腿上三组锁紧装置加载。

4.当6只上油缸产生的总推力大于这条桩腿承受的平台重量载荷时,原由上部螺杆总成承受的载荷被完全转移到由上油缸承受。

5.此时,原来相互抵住的上楔块和上螺杆之间再次产生微小的间隙,逐一操作6个上部螺杆总成,使上螺杆再次下行进行分离。

6.操作液压系统,给6只上油缸卸载,原由锁紧装置承受的平台重量载荷被释放到升降装置的刹车上。

7.操作侧油缸将锁紧齿条拉离桩腿齿条。

8.依次操作6个上部螺杆总成,上行复位;依次操纵下部螺杆总成,使其与锁紧齿条接触。至此解锁操作完毕。

2 新研发锁紧装置结构特点

(1)动态负荷转移功能

在锁紧操作时,可以让各桩腿主动将船体重量载荷由升降系统转移到锁紧装置来承担,而不产生明显的高度位移,同时保证各套锁紧装置均匀承担载荷。

在解锁操作时,可以利用这个功能将重量载荷从锁紧螺杆上卸载,使螺杆的驱动扭矩为最小,解锁操作简便快捷。

(2)7齿啮合锁紧齿条

该系统中锁紧齿条采用7齿锁紧齿条,降低了桩腿齿条的单齿负荷。同时锁紧块在材料选择方面,通过热处理控制屈服强度小于桩腿齿条的强度,保证在意外超载时的失效顺序。

(3)上螺杆总成采用双球铰承载方式

锁紧装置的主承载机构采用多个球冠承载面承受复杂的载荷分力,该设计能够消除由于长期的波动载荷而引发的内部张力,从根本上防止各运动部件之间的卡死现象。同时这一机构还能补偿结构制造误差及自升式钻井船在长期处于作业状态后形成的结构变形现象,保证各部件运转平顺。

(4)采用上下楔块夹紧结构

①利用楔块的支撑背板承受锁紧时产生的水平分力,在垂直方向锁紧的同时也完成了水平方向的锁紧操作,这一设计比基本设计公司的锁紧装置设计节省了一半以上的操作时间;②上下楔块采用高强度钢材,热处理后屈服应力高达790 MPa以上,保证性能的同时还降低了系统的重量;③驱动机构是由涡轮涡杆机构和锁紧支撑螺母一体设计而成,相比行星轮减速机构具有重量轻、扭矩大、结构简单易于维护的特点。

3 样机试验方法、内容及结论:

(1)试验目的:

①验证动态负荷转移能力;②验证利用动态负荷转移能力,改善锁紧装置解锁操作的效果;③验证锁紧装置的承载能力是否能满足平台抗风暴载荷的要求;④验证首次使用的浮动承载机构的效能;⑤验证在上述极限工况下,机件、管线的承受能力和可靠性;⑥验证电器装置和控制程序的设计合理性;⑦利用试验机装置的应力应变测量装置,对锁紧装置及模拟齿条的实际应力分布情况进行测量,将测量结果与有限元计算的结果进行比对,从而验证有限元分析的边界条件的合理性;⑧测试承载螺母螺杆机构在具备浮动能力之后的带载荷解锁能力,为今后的设计研发工作提供数据;⑨试验完成后进行样机探伤。

(2)试验方法:在工厂车间按1∶1比例制造原型试验机及锁紧装置样机(见图2)各一套,并按照船级社审批的试验大纲要求进行功能试验和负荷试验。

试验机整套锁紧装置中最为重要的零件是锁紧齿条和主齿条。经有限元分析,锁紧齿条和主齿条达到设计要求时,最大应力位置会出现在锁紧块和主齿条的齿根处。为了更直观地了解在最大载荷(3 200 t)时主齿条的应力情况,采用应变电测法测量主齿条最大应力处的应力。试验采用缸直径为∅630 mm的主缸加载。

(3)试验主要内容:

①锁紧装置动态锁紧能力测试;②负荷转移能力测试;③解锁能力测试;④锁紧装置静态锁紧能力(抗风暴)测试;⑤在最大锁紧载荷3 200 t状态下,锁紧块各个齿的受力情况测试,并与有限元分析结果进行比对。

(4)试验结论及改进点

①主要承载部件(包括锁紧齿条、上下油缸、上下螺杆总成、楔块等)全部达到了设计载荷要求;②结构设计紧凑实用,可维护性高;③第一次采用的浮动承载结构效果好,提高了带负荷解锁能力;④整套锁紧装置超出技术要求的承载能力达到额定承载能力110%以上;⑤实际应力比有限元分析略小,残余变形小,锁紧条满足强度和刚度的设计和使用要求;⑥锁紧块后退时,有向后倾倒的趋势,试验后对设计进行了修改,增加了纵向扶正装置。

图2 桩腿锁紧装置原型试验机示意图

4 结论

中海油服与佛山精铟机械制造有限公司共同研发的自升式钻井平台桩腿锁紧装置,通过严谨的设计、试验、加工制造,成功将这一技术成果应用于中海油服在建的4座L780 MODⅡ自升式钻井平台。

该设计具备的动态负荷转移能力,解决了自升式钻井船经过长期固定位置作业时,交变载荷可能造成锁紧装置卡死的问题,锁紧和解锁操作更为平顺。锁紧、解锁操作所耗费的时间降低到了国外同类桩腿锁紧装置操作时间的一半左右,大大提高了作业效率。

研发过程中的设计、计算、试验大纲等均经过船级社审核,原型机试验完全模拟现场实际工况,并进行了110%超负荷试验,试验后的检验探伤结果满足设计要求。

这一研发成果在为中海油服节省了设备购置费用的同时,还提高了国内海洋工程装备的研发能力,推进了海洋工程装备的国产化。

Study and Application of New T ype Leg Fixation System for Self-Elevated Drilling Ship

SONG Chun-wang
(China Oilfield Services Limited,Beijing 101149,China)

TE952

B

1001-4500(2010)04-0046-04

2009-11-23; 修改稿收到日期:2010-04-16

宋春旺(1975-),男,工程师,主要从事自升式钻井船及半潜式钻井船总体性能及设备配置研究。