半潜式钻井平台用三滚筒锚机研制

李 鹏 牟新明 何进前 徐小鹏

（1.宝鸡石油机械有限责任公司 宝鸡721000；2.国家油气钻井装备工程技术中心 宝鸡721000）

引 言

三滚筒锚机主要适用于500～1 200 m作业水深的半潜式钻井平台，采用悬链线系泊方式对平台进行定位［1］，布置在平台的4个角，通过调节钢丝绳的负载来达到平台定位的目的，是半潜式钻井平台在海上定位作业的关键设备。目前，全世界半潜式钻井平台配套的锚机基本由国外少数公司所垄断。随着我国半潜式钻井平台数量的日益增多，加大研究和开发平台配套用锚机就显得尤为必要，三滚筒锚机可提供更大的拉力和更多的容绳量，适应更深的作业水域。该项目的研究对我国今后半潜式平台的配套工作及形成具有自主知识产权的产品具有非常重要的意义。

1 技术分析

1.1 总体方案及工作原理

该锚机采用双配置结构，即1套动力装置和传动装置，驱动2套滚筒执行机构工作进行锚泊定位，达到一机两用的效果。相比2台锚机来说，该锚机安装空间小，经济性能更加优越。如图1所示，1套执行机构主要由3个滚筒构成，锚缆在前2个摩擦滚筒上缠绕，滚筒和锚缆之间的摩擦力可以吸收掉大部分锚缆张力，锚缆缠绕到第3个滚筒上进行储存，其上的张力值保持在稳定的范围。

图1 三滚筒锚机总体结构

2个摩擦滚筒负责锚缆的拉力张紧控制，从而使整台锚机可在容绳量最大的情况下，使锚机拉力尽可能大。

整台锚机主要分为两大部分：双滚筒摩擦绞车和储存绞车。

1.1.1 双滚筒摩擦绞车工作原理

双滚筒摩擦绞车的工作原理图如图2所示，具体结构采用“单电机+单减速箱+双离合器+双齿轮副+双滚筒”传动形式。变频电机将动力通过鼓形齿联轴器传至减速箱输入端，经减速箱减速增扭后输出，经牙嵌离合器挂合（左、右两端牙嵌离合器互锁控制，左边挂合时，右边脱开或右边挂合时，左边脱开）后输送给开式齿轮副带动前、后滚筒实现钢丝绳和锚的收、放作业。

图2 三滚筒锚机原理图

1.1.2 储存绞车工作原理

变频电机经过CR斜齿减速箱减速增扭后，通过链条将动力传递到滚筒上，滚筒前端安装有强制排绳装置，储存绞车与前面的双滚筒摩擦绞车相配合，用于存储锚缆。

1.2 主要技术指标

本文以巴西ENSCO 6000半潜式钻井平台配套的锚机为例，主要技术参数如下：

高速档：

钢丝绳拉力810 kN，钢丝绳速度30 m/min；

低速档：

钢丝绳拉力1 700 kN，钢丝绳速度15 m/min，刹车力2×2 750 kN。

滚筒容量：3 500 m；

拉力（第一层）：25 kN；

刹车力：100 kN。

1.3 技术特点

摩擦绞车采用双滚筒结构，钢丝绳前出绳与锚相连，产生很大的拉力，钢丝绳经过在两滚筒之间进行缠绕，钢丝绳的拉力迅速下降后，传递到后面的储存绞车上，进行存储。这种机构设计很好地避开了普通滚筒式锚机既要储存大量钢丝绳又要产生很大拉力的弊端，后面储存绞车只起到存储钢丝绳的作用，不承受很大的载荷，结构设计相对简单。

2 主参数及关键部件设计

2.1 主参数计算

锚机功率计算

（1）锚机有效功率Pe

（2）传动效率

根据传动原理图和设计手册及相关产品样本计算总效率：η总= 0.75。

（3）锚机配备功率P

考虑到留有一定余量，配备电机功率为630 kW，最终选取ABB交流变频电机M3BP-450LA，电机额定转速n电=994 r/min，额定转矩T电=6 052 N·m。

（4）确定传动比

总传动比i总

高速档钢丝绳线速度30 m/min，转换为滚筒速度n滚筒高=5.55 r/min，低速档钢丝绳线速度15 m/min，转换为滚筒速度n滚筒低=2.77 r/min。

（5）根据结构尺寸初定齿数z1（17）、z2（80），确定齿轮传动比

（6）确定减速箱的减速比

（7）校核拉力扭矩

高速档：

式中：D筒为摩擦滚筒直径。

低速档：

经计算，拉力满足使用要求。

2.2 减速机构设计

减速机构是整台锚机中重要环节，根据锚机低速重载、及需要两种不同的档位的特点，设计减速箱为两档减速箱，并与大小齿轮配合构成整个减速机构，具体传动原理图如图2所示。

2.3 摩擦滚筒设计

双滚筒摩擦锚机中，两摩擦滚筒在整台锚机工作中承受巨大载荷，因此摩擦滚筒设计是关键。钢丝绳缠绳方式如图3所示，在两个滚筒之间进行缠绕后，钢丝绳拉力迅速衰减，两端张力F1（绕入端），F2（绕出端）可按欧拉公式进行计算［2-3］：

图3 摩擦绞车缠绳方式

滚筒体是一个铸钢件，在工作中由出绳拉力对滚筒壁造成的载荷主要有弯矩、扭矩和缠紧钢丝绳对筒壁的外压力。而前两种载荷对滚筒所产生的应力非常小（不及后者的10%），因此在计算时可忽略不计［4］，滚筒在钢丝绳所受支持负载5 500 kN时，受力最大，由欧拉公式计算此时钢丝绳拉力为：

B滚筒的第一个绳槽分别受F1和F2两个作用力，考虑设计安全性，钢丝绳按高拉力对滚筒进行压力计算：

依此类推，分别计算出A滚筒和B滚筒各绳槽所受应力，见表1。

表1 摩擦滚筒各绳槽所受应力MPa

将各绳槽所受压力施加到滚筒后，经有限元分析计算得摩擦滚筒的应力分布图［5-6］（如图4所示），其中的最大应力为155 MPa，再考虑到实际制造中添加的加强筋，故摩擦滚筒强度满足要求。

图4 B摩擦滚筒应力分布

2.4 带式刹车设计

带式制动器采用16 mm厚Q690钢板经过滚压机卷压制成，其主要设计参数为：

刹车带材料 ：Q690（σs：690 MPa）

带厚δ：16 mm

刹车毂直径D毂：1 950 mm

刹带包角α：1.667 π

刹带宽度b：250 mm

刹车块摩擦系数μ：0.35

e：自然对数的底数

制动扭矩：

圆周力：

刹带死端拉力由欧拉公式计算：

刹车带拉应力校核：

由于δ＜690×0.95，即420.5 MPa＜655.5 MPa（0.95为计算系数），所以，刹车带强度校核通过。

2.5 储存绞车设计

储存绞车的主要工作是存储从摩擦绞车出来的大量钢丝绳，相对于摩擦绞车，储存绞车拉力较小而滚筒结构尺寸非常大，因此，摩擦绞车的滚筒结构设计是其关键。

已知参数：

钢丝绳直径d82.6 mm

滚筒容绳量 3 500 m

每层排绳圈数n33圈

滚筒底径：

式 中：16为钢丝绳弯曲系数。

将式（6）中的D0值圆整（即取D0=1 325 mm），再对各层绳索按相互正叠考虑，滚筒缠绳各层直径按公式（7）进行计算：

第1层D1=D0+d=1 325+82.6 =1 407.6 mm

第2层D2=D0+3d=1 325+3×82.6 =1 572.8 mm

第3层D3=D0+5d=1 325+5×82.6 =1 738 mm

第4层D4=D0+7d=1 325+7×82.6 =1 903.2 mm

第5层D5=D0+9d=1 325+9×82.6 =2 068.4 mm

第6层D6=D0+11d=1 325+11×82.6 =2 233.6 mm

第7层D7=D0+13d=1 325+13×82.6 =2 398.8 mm

第8层D8=D0+15d=1 325+15×82.6 =2 564 mm

第9层D9=D0+17d=1 325+17×82.6 =2 729.2 mm

第10层D10=D0+19d=1 325+19×82.6 =2 894.4 mm

第11层D11=D0+21d=1 325+21×82.6 =3 059.6 mm

第12层D12=D0+23d=1 325+23×82.6 =3 224.8 mm

第13层D13=D0+25d=1 325+25×82.6 =3 390 mm

第14层D14=D0+27d=1 325+27×82.6 =3 555.2 mm

容绳量：

可见，滚筒缠绳14层即可满足容绳量要求。

绳槽节距：

滚筒开档：

3 结 论

（1）双滚筒摩擦绞车和储存绞车配合使用，最大额定拉力1 700 kN，容绳量3 500 m，通过关键传动系统的计算和关键件的有限元分析计算，证明整个锚机设计合理。

（2）半潜式钻井平台上配套的锚机基本由国外少数公司所垄断，三滚筒锚机的研制打破了国外公司的垄断，对我国今后半潜式平台的配套工作及形成具有自主知识产权的产品具有非常重要的意义。

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