自升式海洋钻井平台升降系统的分析与研究

吴碧珺

摘 要：随着世界经济的飞速发展，海洋开发己经成为世界技术革新的重要内容，而海洋油气田的开发又是现今海洋资源开发利用的重中之重。自升式海洋钻井平台是海洋油气勘探和开发的主要装备。目前，国内使用的钻井平台中的控制系统基本都由国外制造，国内对其升降系统的分析相对较少。所以，探讨和研究这一方面的内容意义深远。

关键词：自升式平台；升降系统；齿轮齿条式

1 概述

升降系统是自升式海洋钻井平台的关键部分。其位置位于平台的主体和桩腿的交接处，作用是让桩腿和船体作相对的上下运动，从而使得平台主体能上下移动并将其固定在桩腿的某一位置。

根据升降系统结构形式的不同，一般可分为液压油缸式升降系统和齿轮齿条式升降系统。液压油缸式的优点是：油缸的结构简单，力的传递直接，安全性高。缺点是：桩腿升降框架的结构庞大，用钢量很大，操作的工序相对更复杂。齿轮齿条式的优点是：升降运动连续性好，传动的速度快，可调速，受载均匀，操作简单，井位易对准。缺点是：齿轮齿条的制作难度大，成本高，控制相对复杂。由于海洋环境比较恶劣，平台升降所需要的时间对于平台的安全性就显得非常重要，同时运用齿轮齿条式升降平台可减少平台的就位费用，因此目前多采用此类系统。

2 齿轮齿条升降系统的设备组成

齿轮齿条式升降系统通常由升降装置、升降框架、导向装置、桩腿以及电控系统组成。

升降装置一般由电动机、减速箱、制动器、小齿轮等组成，如图1所示。电动机以前常用的是滑差式电机，后来变频技术越来越成熟，而且控制方便，于是逐渐取代了滑差式电动机。减速箱一般由平行轴轮系和行星轮系两部分构成，速比很大，有的甚至上万。制动器通常选择的是电磁圆盘式，其扭矩一般不小于1.2倍的暴风载荷。小齿轮由高强度合金钢经特殊工艺加工而成，齿数一般为7齿，模数通常为80以上，目前世界上最大的小齿轮模数已经达到了110。

图1 齿轮齿条升降装置

升降框架一般为封闭性环梁结构，如图2所示，它是连接升降装置和平台主体的框架，起承上启下的作用。一般升降框架和平台都进行一体化的设计，这样的设计有很高的结构强度，但对焊接工艺提出了极高的要求。

图2 桩腿升降框架的两种形式

导向装置，所有的自升式平臺都有引导桩腿的导向装置，导向装置的一个关键作用就是为了保证齿轮和齿条的合理间隙要求。导向装置通常都是一块垂直于齿牙的高强度耐磨板，但是这不是导向装置的唯一形式，另外还有如圆柱形桩腿的导向装置。考虑到将来的更换方便，导向装置通常设计成可更换的形式。图3分别所示的就是桁架式桩腿的导向装置和圆柱形桩腿的导向装置。

图3 导向装置

桩腿，所有的自升式平台都有桩腿，同时桩腿下部带有桩靴。桩腿和桩靴是钢质结构，用来在站立模式下支撑平台主体以及提供稳性来抵抗横向载荷。桩靴用来增加土壤承载面积，降低土壤强度的需要。在自升式平台中，桩腿的主要作用就是使平台主体升起来，避开风暴引起的波浪的波峰。常用的有圆柱式和桁架式桩腿两种形式。

电控系统，升降系统的电控系统是典型的机、电、液一体化控制系统，系统复杂、控制要求高，是升降装置作业系统的关键设备。控制系统包括驱动电机、制动器、桩腿高度指示、爬升齿轮载荷检测装置、平台水平检测装置、控制台和显示屏等。电控系统可以实时显示各升降装置的载荷，还可以显示各桩腿的位差，能自动调平，以达到同步控制的目的。

3 齿轮齿条升降系统的技术难点

由于海洋环境恶劣、工况复杂，故对平台的重量和空间有一定限制，因此要求升降系统中的减速机构越小越好，但是其所承受重量却非常大，所以设计和制造的难度较大。同时升降系统中的小齿轮为超大模数齿轮，由于缺乏强度计算的相关标准和理论指导，故其设计和制造也都非常困难；另外，由于小齿轮单齿承重很大，所以其材质和热处理工艺也是一个技术难点。最后，因为升降系统与整个平台的安全性息息相关，所以对于升降机构传动系统的安全可靠性要求也很高。

4 结束语

随着人类对海洋的不断开发，对于海洋工程装备的需求也越来越多，从自升式海洋平台升降系统的设计来看，可通过对大速比减速机和高强度超大模数齿轮的研究开发来提高系统的性能，并力求达到轻量化的目标。

参考文献

[1]黄维学，刘放.自升式海上钻井平台升降系统技术特点分析[J].设计与计算，2011，2（1）.

[2]苑思敏.自升式海洋平台齿轮齿条升降装置设计研究[D].东营：中国石油大学（华东），2012.