自升式平台齿轮齿条失效判别方法

邱世欣 赵胜涛 胡 楠 王 玮

（中国船级社实业公司天津分公司 天津 300457）

0 引 言

随着陆地石油资源的日益枯竭，开发海洋石油成为人类获取能源的重要途径，而海洋平台作为开发海洋石油资源的最主要设备，其结构强度是否满足使用要求已经成为相关各方最关注的问题之一。目前分析结构强度通常采用有限元软件建立有限元模型，并进行加载计算来实现。对于齿轮齿条自升式移动平台，存在损伤的齿轮齿条结构强度，直接关系到平台结构安全。本文主要针对齿轮齿条自升式平台爬升齿轮齿条失效判别方法进行研究。

1 研究的目的与依据

1.1 研究目的

在目前服役的齿轮齿条自升式移动平台中，部分平台爬升齿轮与齿条出现磨损、坑蚀等缺陷。由于这些齿轮齿条模数超出 《渐开线圆柱齿轮模数》（GB/T 1357-1987）的覆盖范围（该标准中齿轮最大模数为50 mm［1］，而爬升齿轮齿条基本都超过这个数），不宜根据《重载齿轮失效判据》JB/T 5664-2007来判断平台爬升齿轮与齿条是否失效［2］，所以需要对该齿轮齿条进行强度分析来计算出齿轮齿条的极限磨蚀或腐蚀量，将此极限磨蚀或腐蚀量作为判断目标平台齿轮齿条失效的标准。

图1 齿轮模数

1.2 研究依据

在进行研究工作时，一般都以船级社规范为依据，主要包括：

（1）《海上移动平台入级与建造规范》，中国船级社，2005；

（2）《海上移动平台入级与建造规范》，美国船级社，2008；

（3） 《船体测厚指南》，中国船级社，2006；

（4）其他船级社规范；

（5）平台操作手册；

（6）平台图纸资料等。

2 资料收集及数据采集

研究中需要收集的资料主要包括：总布置图、横纵舱壁结构图、主甲板结构图、机械甲板结构图、底板结构图、舷侧结构图、艉封板结构图、操作手册、大型设备重量及底座结构图、桩腿结构图、桩腿围阱结构图、固桩区结构图、历年改造结构图、最近一次倾斜试验报告、最近一次测厚和无损检测报告、爬升齿轮和缓冲垫刚度（制造商提供）等；需采集的数据包括：导板间隙和当地海域土壤参数。

3 建立平台有限元模型

平台整体有限元模拟包括三部分：桩腿有限元模型，船体有限元模型和桩腿船体连接有限元模型。其中桩腿和船体有限元模型可按照图纸和测厚报告建立，这里就不赘述。由于计算的目的是为了求解各爬升齿轮受力，所以是否能正确模拟桩腿与船体连接，对于准确计算各爬升齿轮受力是非常重要的。然而，平台整体模型中，模拟爬升齿轮齿条啮合比较困难。接下来主要讨论下桩腿船体连接的有限元模拟。

3.1 桩腿与船体连接部位载荷分布及有限元模拟［3］

在建立齿轮齿条自升式移动平台有限元模型的过程中，充分了解不同桩腿与船体连接类型的载荷分布特点，对准确模拟桩腿与船体的连接非常重要。

（1）具有锁紧装置的桩腿与船体连接载荷分布特点及有限元模拟

桩腿弯矩由上下导向装置、升降装置、锁紧系统共同承担。一般来说，桩腿弯矩和由环境载荷导致的桩腿轴向力主要由锁紧系统承担，这是因为锁紧系统具有相对较高的刚性。

·上下导向装置的有限元模拟

将导向装置模拟成能在其与桩腿弦杆接触方向约束桩腿弦杆水平位移的结构。模拟上下导向装置时，将其刚度考虑成相对于邻近结构刚性，通过计算桩腿入泥、气隙、水深来确定下导向装置与桩腿相对位置。在有限元模型中，由于要考虑导向装置与桩腿弦杆间的间隙，导向装置的模拟是通过数个非线性弹簧单元来实现的，非线性弹簧单元只承受与导向装置受力方向一致的载荷。

·锁紧装置的有限元模拟

锁紧装置模拟成能承受竖直和水平载荷的弹簧，其刚度相对于邻近结构为刚性。

·升降装置及其支撑结构的有限元模拟

因为升降装置及其支撑结构直接影响到上导向装置承担的水平载荷，所以按照实际刚度进行有限元模拟。

（2）没有锁紧装置的桩腿与船体连接载荷分布特点

桩腿弯矩由上下导向装置和升降装置共同承担。对于固定式升降装置，桩腿弯矩在升降装置与导向装置间的分布取决于爬升齿轮刚度；对于浮动式升降装置，桩腿弯矩在升降装置与导向装置间的分布取决于爬升齿轮与缓冲垫的联合刚度。

上下导向装置的有限元模拟与具有锁紧装置的平台相同。

·爬升齿轮及齿条的有限元模拟

运用线性弹簧模拟各个爬升齿轮，其刚度由制造商提供，位置为齿轮齿条啮合点位置。

·缓冲垫的有限元模拟

浮动式升降装置每个齿轮箱有两组缓冲垫。一组位于齿轮箱顶部，另一组位于齿轮箱底部，缓冲垫对于所有齿轮都有缓冲作用，齿轮箱可以在上下缓冲垫直接自由移动。平台站立时，齿轮箱与上缓冲垫接触，平台拖航时，齿轮箱与下缓冲垫接触。缓冲垫的刚度来源于制造商，模型中将缓冲垫模拟成弹簧单元，只承受垂向载荷。

升降装置及其支撑结构的有限元模拟与具有锁紧装置的平台相同。

3.2 有限元模型实例

采用上述方法对目标自升式平台自存工况进行模拟。表1为平台参数表。

表1 平台参数表

目标平台桩腿和船体有限元模型可按照图纸和测厚报告建立，目标平台是无锁紧装置的固定式升降装置，上下导向装置采用非线性弹簧模拟，具体模型如图2、图3所示。

4 载荷施加及爬升齿轮受力分析

自升式平台所受载荷主要包括固定载荷、可变载荷、环境载荷、惯性载荷以及约束条件，其中平台固定载荷和可变载荷按平台实际状况施加，并按平台实际重量重心位置调整模型。下面主要介绍一下环境载荷、惯性载荷以及约束条件的施加。

图2 整体有限元模型

图3 上导向装置及导板间隙模拟

4.1 环境载荷

自升式平台所受的环境载荷一般由风载荷、波浪载荷、海流载荷组成，本文主要对这三种环境载荷进行讨论。

（1） 风载荷

具体载荷计算方法可参考中国船级社2005年发布的《海上移动平台入级与建造规范》。对于载荷的施加［4］，不同有限元计算软件的施加方法不同，可自动施加也有手工施加。

（2） 波流载荷

对于波流载荷，有限元计算软件一般都提供自动施加，其中的难点就是拖曳力系数Cd和惯性力系数Cm的确定。对于圆柱桩腿，这两个系数可直接参考规范建议值，对于桁架桩腿，需考虑桩腿弦杆上齿条板的影响和各个撑杆的遮蔽效应。通常的做法是通过增大弦杆的Cd、Cm，将所有横撑、斜撑、水平撑所受的波流力等效到弦杆上［3-5］。

4.2 惯性载荷

惯性力公式为：（最大基础剪力－最小基础剪力）/2×（动力放大系数-1），大小为 1 182 758.06 N，施加在船体重心位置，方向与风向一致。

4.3 约束条件

自升式平台整体有限元计算中，约束条件一般是取铰支，这种约束条件假定土壤竖直和水平方向为刚性，并不限制桩腿弯曲，比较保守，这会导致载荷过于集中在某个爬升齿轮上，使计算结果不够准确，正确模拟土壤对平台桩腿的作用对于准确计算各爬升齿轮受力是非常重要的。

约束条件采用弹性约束，竖直方向刚度为384 516 923.08 N/m，水平方向刚度263 223 736.71 N/m，扭转刚度为278 476 190.48 N·m/rad。

4.4 P-Δ效应

计算需考虑P-Δ效应，可通过有限元软件自动施加或者通过施加补偿弯矩进行模拟。

4.5 计算结果

结果提取模拟各爬升齿轮的弹簧受力就可作为爬升齿轮所受载荷。齿轮最大载荷为467.4 t。各齿轮受力计算结果参见表2～4。

表2 艏桩腿齿轮受力计算结果 单位：t

表4 右桩腿齿轮受力计算结果 单位：t

5 齿轮齿条强度分析

将上述计算出的最大齿轮载荷施加在齿轮齿条模型上，逐步增大齿轮齿条磨蚀或腐蚀量，得到齿轮齿条强度满足规范要求下能允许的最大磨蚀或腐蚀量。

6 结 论

通过上述分析得出：对于目标平台爬升齿轮上下两侧磨蚀、腐蚀量之和超过14.5 mm，判为失效，齿条上下两侧磨蚀、腐蚀量之和超过23 mm，判为失效；对于存在裂纹的齿轮或齿条，将裂纹打磨掉后，再进行判别。目标平台齿轮齿条磨蚀和腐蚀量没有达到此数值，则无需维修或更换。

［1］国家标准化管理委员会.GB/T 1357-1987，渐开线圆柱齿轮模数［S］.1987.

［2］机械工业冶金设备标委会.JB/T 5664-2007，重载齿轮失效判据［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］BENNETT W T，HOYLE M J R，JONES D E，et al.Technical&research bulletin 5-5A.Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units［M］.Rev 2.New Jersey：The Society of Naval Architects and Marine Engineers，2002：27-110.

［4］中国船级社.海上移动平台入级与建造规范［M］.北京：人民交通出版社，2005：1-49.

［5］ABS.Rules for building and classing mobile offshore drilling-Unit part 3 hull construction and equipment［S］.Houston：ABS，2008.59-81.