自升式钻井平台升降装置评估方法研究

黎剑波

（中海油服股份有限公司，河北 燕郊 065200）①

世界上第一波海洋钻井平台建造高潮开始于20世纪70年代末，至今大多营运超过30a。在恶劣的海洋环境条件下，处于长期使用条件下的升降装置零部件存在不同程度的磨损（例如，电机尾部的刹车机构磨损、高速齿轮箱的箱体裂纹、齿轮箱中的齿轮磨损、爬升齿轮与桩腿齿轮的磨损等），对自升式钻井平台整体安全构成了威胁［1－4］。

升降传动装置是平台的核心装备，也是大型成套装备，1个平台少则安装36台套，多则48或54台套，造价昂贵，维修成本也高。它们与桩腿齿条、固桩架，乃至整个船体相互关联，运行、承载条件特殊、复杂，可谓牵一发而动全身。因此，对升降装置进行全面、有效的技术评估已经迫在眉睫。本文以某型号的齿轮齿条升降装置为例，对评估检查方法进行研究。

1 升降装置系统组成

升降装置系统的组成包括：高速输入端的升降电机及升降电机尾部的刹车、一级高速齿轮箱、二级中速齿轮箱、三级低速齿轮箱及输出端的爬升齿轮（7齿）。该型号升降装置的总减速比达到了8 786，其原理如图1所示。升降装置除了要承担平台自身的重力外，还要承受风和波流作用在船体、桩腿和平台设备上的环境载荷及横向重心偏移而产生的额外垂直载荷。同时，在设计上要求具有一定安全冗余度，即每个桩腿中的1套升降装置失效后仍能满足正常升降平台的要求。典型的升降装置齿轮损伤形貌如图2所示。

图1 某升降系统原理

图2 某损伤的齿轮

2 评估方法

2.1 测绘及损伤情况收集

利用钻井平台特检修理的机会，抽取批量的升降装置解体拆检，同时对拆检下来的零部件进行测量、探伤、记录。例如，对某个自升式钻井平台的总共36套升降装置中的11套进行全面拆检，将一级齿轮箱、二级齿轮箱拆下来解体、检查。由于全面解体检查的升降装置约占该钻井平台36套原装升降装置的1／3，涉及的检查范围较广，能获取足够多的信息以及损伤样本。期间对升降装置中的各级齿轮、轴承、轴、电机、刹车、齿轮箱本体及齿条都进行了认真检查。通过大规模的拆检、检查、测绘，取得了大量的第一手检测数据、照片和一些样品、报告、资料。对自升式钻井平台超过30a后的使用状态和损伤情况有了基本了解。

2.2 结构强度计算分析

针对不同的情况采取下列不同的应对形式：

1）由于一级齿轮箱齿轮的齿廓、圆周速度、载荷、几何精度、重合度等指标符合国家标准GB／T3480—1997《渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法》，因此可以用该标准进行计算。

2）对二级齿轮箱和三级齿轮箱内的齿轮副、爬升齿轮，分别利用二维和三维实体有限元技术进行详细模型计算，根据升降装置的传动参数和结构型式确定有限元计算模型的边界条件。

3）齿轮箱箱体、主体结构则使用常规有限元技术，建立有限元模型进行强度分析。

2.3 剩余强度分析

升降装置在常期运转后，会出现各种各样的损伤，从对收集的历史数据统计分析结果来看，其损伤的形式表现为：刹车磨损、刹车机构失效、齿轮箱裂纹、轴承磨损、齿轮磨损、齿轮塑性变形、齿轮齿面点蚀、齿轮齿面微裂纹等。对于刹车、齿轮箱、轴承的损伤，只要判定了其不能再继续使用则可以通过零配件更换来解决；而对于齿轮，如果只要出现磨损或塑性变形、点蚀、微裂纹，就要进行更换，则可能造成成本上的不经济性。

因此，利用有限元技术对齿厚减薄损伤状态下的齿轮强度进行建模计算，分析其能承受的极限减薄量值，可为制订齿轮损伤的判断依据提供技术数据。

2.4 复核有限元计算结果

通过对该升降装置的测绘及分析，结合其工作状态与使用情况，基于国家标准中齿轮弯曲应力计算模型，结合结构强度设计理论，同时参考多年使用及维护方面的技术经验，建立了新的切合实际需求的核算方法。利用该方法对相关零部件进行了再次的核算，并将结果与有限元分析结果进行了对比，互相验证。

3 新评估方法的重点考虑因素

3.1 强度分析中的关键要素

齿轮因为接触强度不足而出现局部点蚀损伤时，不会给整个平台结构系统安全性带来明显影响；齿轮接触磨损过程相对较长，可通过有效的日常检测和维护避免齿轮发生严重磨损。因此，升降装置传动件设计时对接触疲劳强度可靠度的要求相对较低。当升降装置传动齿轮作为支撑件时，工作状态为静态，其强度安全性设计应按照静强度设计理论进行。为了保证升降装置传动件能够提供可靠支撑性能，要求升降装置齿轮具有足够强的抗弯曲疲劳和抗弯曲变形能力，需对其弯曲强度进行详细分析。

由金属材料性能和热处理工艺可知，材料硬度高对提高齿轮抗接触疲劳能力有利，但是高硬度多对应低韧性，从而会降低齿轮的抗弯曲疲劳性能，因为高硬度表面容易产生接触疲劳裂纹，诱发脆性断齿。因此，从材料性能设计角度需要综合选择齿轮材料和齿面硬度，既不能太硬又不能太软，需兼顾齿轮耐接触磨损性能和抗弯曲疲劳能力。

3.2 安全余量的考虑

升降装置传动齿轮可靠度指标是通过齿轮弯曲强度安全系数和接触强度安全系数来反映的，这是目前机械设计通常采用的方法。尽管安全系数并不能完全反应齿轮机械强度可靠度的高低，但由于齿轮设计中各参数统计特性匮乏，目前仍将各设计参数按照确定值处理，仍沿用强度安全系数作为判据，通过选取适当的安全系数来保证升降装置中传动齿轮的工作可靠度。考虑到计算方法、模型与实际情况的差异，为保证希望的可靠度，要求计算应力具有一定的安全余量。

3.3 超出常规齿轮设计范围的参数选定

根据目前国际上钻井平台传动装置设计、制造和服役实际状况，当前升降装置中的齿轮、齿条模数较大，超出常规齿轮设计标准手册中强度设计公式适用的规定模数范围。升降装置中的齿轮、齿条等零部件加工制造工艺也与其他工业齿轮不相同。因此，需根据工程实际情况建立理论分析模型，或采用数值分析方法对齿轮齿条的强度问题进行分析评价。

升降装置齿轮传动系统按照目前掌握的资料来看，其传动类型可概括为“输入端转速高、相对低载；输出端转速低、承载重”。因此，在建立计算模型时，要考虑按照实际传动类型选择恰当的计算方法。根据海洋钻井平台营运作业特点，易知平台每年的升降次数比较有限，要求的升降装置疲劳寿命（载荷循环次数）也是有限的（尤其是爬升齿轮，每年的运转周数很少）。因此，爬升齿轮和前级传动齿轮的疲劳强度设计宜采用有限寿命设计理论。

3.4 计算工况的选择［5－6］

通过对海洋钻井平台升降装置营运分析发现，其承载情况包括：①将钻井平台从水面爬升到离水面一定高度的工作状态；②在工作状态下维持静止；③抵抗外界环境条件的附加力以及海洋钻井平台正常营运的载荷。在遇到极限风暴，例如中国北方海域的寒潮、南方海域的台风的时候，需要抵抗因极限风暴产生的额外载荷。这3种情况中，爬升期间是齿轮运动状态，可以称之为额定提升工况；抵抗极限风暴情况是齿轮静止状态，可以称之为风暴自存工况。因此，计算工况主要有额定提升工况和风暴自存工况。额定提升工况对升降装置中的齿轮传动零件进行弯曲疲劳强度和接触疲劳强度计算。风暴自存工况下齿轮、齿条等只承担静力支撑作用，只需要对升降装置中的齿轮、齿条等传动零件进行静强度分析。

3.5 齿轮齿厚减薄后弯曲强度计算方法［7］

齿轮运转一定时间后，齿面磨损会使齿厚减薄，一方面造成传动性能下降，振动冲击加剧；另一方面还会一定程度上降低承载能力。不同工作环境和受力条件下的传动齿轮，其磨损程度和类型也各不相同，确定磨损量的最佳方式是通过开箱拆检获得齿轮各部位的磨损量。但受客观现实条件所限，通过解体齿轮传动装置测量实际磨损后的齿廓形状和磨损量非常困难。因此，需要根据积累的经验和齿轮传动特性分析，考虑主要影响因素后对磨损齿廓进行适当简化。齿轮减薄后强度性能的下降直接通过承载弯曲应力的截面变化来反映。因此，针对各级传动齿轮，在保证规定的安全系数情况下，通过减薄后的弯曲强度计算给出减薄量的推荐值。

4 实例分析

结合某海洋钻井平台的修理周期，展开了从拆检测绘到强度评估、判别的全套评估过程。评估程序为：评估准备与实施方案制定—现场检验和检测—资料收集—损伤原因分析—材质性能检测（必要时）—计算分析（必要时）—齿轮和齿条使用状态检验评估初步报告—内部专家审核和检验评估报告。

4.1 拆检测绘

被选择进行评估的升降传动装置由电机和刹车、一级齿轮箱、齿式联轴器、二级齿轮箱、爬升齿轮组件、固桩架6大部件组成，如图3所示。

图3 升降系统构成

根据对该钻井平台的升降传动单元进行的拆查、测绘，获得损伤情况统计明细。表1为某级齿轮的损伤情况汇总。

表1 某级齿轮损伤情况汇总

4.2 资料收集

本次检测评估按照预先制定的检验评估思路的要求，收集到操作使用说明书、拖航操作记录、设备维修和备件更换记录、马达刹车典型故障案例，这些资料基本满足了评估需要。

4.3 强度分析和评估

利用现场测绘数据及平台相关资料，建立了该类型钻井平台升降装置的齿轮－齿条、齿轮－齿轮啮合、齿轮箱体等完整的有限元模型，对各传动件和箱体采用有限单元法和名义应力法进行了额定提升工况下疲劳强度分析和风暴载荷工况下的静态支撑稳定性分析。

以某8齿齿轮为例，针对额定载荷和风暴载荷2种工况，建立8齿齿轮的二维和三维有限元分析模型。计算结果如表2所示，然后应用名义应力法计算程序［8］计算其他齿轮的齿根弯曲疲劳应力。名义应力法给出的额定提升载荷下齿轮弯曲疲劳应力与单对齿啮合外界点加载方式下的二维有限元计算结果的相对差异为－3%。因此，名义应力法计算结果与有限元结果吻合良好。

表2 8齿齿轮应力计算结果

根据上述模型进行修正，对磨损减薄后的齿轮件承载能力进行了分析计算，给出了满足强度安全裕度的齿厚最大减薄量，为是否要进行更换或修理提供了技术依据。

按照额定载荷和风暴载荷对该升降装置传动齿轮的安全磨损量进行了分析校核。假设疲劳寿命分别为450h和700h运转时间，减薄量估算基准是危险截面齿厚，允许减薄量是通过计算疲劳应力并控制疲劳安全系数不低于某个水平时得到的，如表3所示。

表3 额定载荷各传动齿轮减薄量（安全系数＝1.25）

4.4 评估结果和建议

拆检、测绘结果显示：一级齿轮箱整体为较好状态，仅个别齿轮和轴承存在轻微伤痕；二级齿轮箱12、17、76齿齿轮点蚀、磨损等损伤较为严重；8～40齿齿轮副为较好状态；爬升7齿齿轮与齿条为较好状态，损伤形式为少量的磨损、擦伤及塑性变形。

强度评估结果显示：正常情况下，该钻井平台升降装置各传动件在额定提升工况下具有足够的抗疲劳破坏能力和足够的抵抗风暴载荷的能力。

同时针对12、17、76齿齿轮点蚀、磨损等损伤较为严重的情况，虽然依据剩余强度分析显示尚不至于产生非常严重的后果（比如断齿），但由于该类损伤会导致升降装置运转的噪音增大、冲击振动等问题，提出了尽快进行修理和更换的建议。

5 结语

本文所述自升式钻井平台升降装置评估方法的思路、技术路线及解决技术问题的方法，在实践过程中获得了验证，证明该方法是可行、有效的。本评估方法的应用研究对国内在营运时间超过30a的海洋钻井平台升降装置检验评估方面的理论和技术具有一定的意义，有利于提高海洋钻井平台升降装置保养、维修技术水平，可以有序地展开针对性修理措施，延长升降装置的安全使用寿命。

［1］史永晋，刘 旭，赵泽茂.自存工况下自升式平台关键结构强度分析［J］.石油矿场机械，2011，40（6）：15－21.

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［7］沈 鸿.机械工程手册：机械设计基础卷［K］.2版.北京：机械工业出版社，1996.

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