自升自航式海洋平台液压升降系统设计与仿真

魏 卓， 李德堂,， 陈树坤 ， 苟瀚儒， 刘文静， 方懂平

(1.浙江海洋学院 船舶与海洋工程学院， 浙江 舟山 316000；2.金海重工股份有限公司， 浙江 舟山 316291; 3.舟山巨洋技术开发有限公司， 浙江 舟山 316000)

0 引 言

21世纪将是海洋经济时代，据相关资料统计[1]，90%的海底油气资源都在大陆边缘的近海区域，活动式海洋钻井平台因其适宜在浅海进行作业而得到广泛使用。目前主要在海上使用的4种可移动钻井平台分别是坐底式钻井平台、半潜式钻井平台、自升式钻井平台和钻井船[2]。其中，自升式钻井平台是目前我国海洋石油开发中使用最多的一种钻井平台[4]。

自升式钻井平台的升降系统主要有2种：齿轮齿条式和液压油缸顶升式。齿轮齿条式升降的优点是升降速度快、操作简单、易对井位，缺点是齿轮齿条式升降设备价格贵、制造难度大。由于海洋环境条件比较复杂恶劣，平台升降所需时间的长短对平台安全性至关重要, 同时有效减少平台的就位费用，因此新造的自升式钻井平台多采用齿轮齿条升降方式[5]。在自升式平台工作过程中，升降系统[6]不仅支撑平台在复杂海洋环境下保持站立，还驱动桩腿和平台相对运动，作为平台的最关键组成部分，其性能优劣直接影响到石油开采的安全和效率。然而，目前国内升降系统主要依赖进口，关键设备和技术掌握在国外厂商手中，严重制约着我国海洋油气的开发[7]。因此，对于自升式海洋钻井平台液压升降系统的设计研究意义重大。

本文以金海重工股份有限公司建造的90 m自升式海洋平台为研究对象，对液压升降系统进行设计计算，利用AMESim软件对液压升降系统进行仿真，并通过升降试验来验证升降系统设计的合理性。

1 90 m自升式海洋平台升降系统

90 m自升式海洋平台是专为近海工程提供钻修井、完井、测井等辅助服务的海上油田作业平台。该平台总长78.8 m，型宽40 m，型深5.8 m，作业水深60 m，配有双舵桨系统，能实现在开采区域自航。图1为金海重工股份有限公司建造的90 m自升式海洋平台。

图1 90 m自升式平台

1.1 平台升降系统的工作原理及组成

平台拖航至开采区域后，升降系统驱动桩腿向下运动插入至海底以支撑平台，平台稳定后驱动桩腿相对平台向上运动，上升至海面以上一定高度以避免海浪冲击，到达指定高度后锁紧装置锁紧桩腿，使作业平台能够进行安全的钻井工作。根据平台升降工况要求，设计的液压升降系统主要包括单向定量泵、溢流阀、单向阀、电磁换向阀、平衡阀组、液压电机、电动机、制动器、减速器等，液压电机的扭矩经由行星减速机后传到爬升小齿轮，通过爬升齿轮与铺设在桩腿上的齿条的相对运动，实现平台与桩腿的升降操作。换向阀通过控制电机的正反转从而控制平台或桩腿的升降。液压系统工作原理如图2所示。

图2 液压系统工作原理

平台有4根圆筒形钢质桩腿，桩腿两侧安装有两列齿条，桩腿外侧有导向。单桩配有14个升降单元，通过安装框架与船体连接。升降单元的数量由平台的设计载荷和举升能力确定。每个升降单元包括1台液压电机及制动器、平衡安全阀组、行星减速机、升降齿轮单元。升降单元通过螺栓安装在安装架上，通过调整上部和左侧的楔形块，实现安装过程中调整升降单元的功能，同时升降单元安装座安装处有调整垫片，可补偿由于磨损等引起的齿轮接触不均匀。升降单元三维图如图3所示。

图3 液压升降单元

1.2 升降保护装置

为使平台能够在复杂恶劣的海洋环境中保持稳定，升降系统须提供比预压载时更大的静态风暴保持力。驱动单元始终承受平台的重量载荷，为保证平台稳定，电机回路采用双向平衡回路，并设计制动器与平衡阀组。制动器的位置设在液压电机和减速机之间，若某个液压电机出现故障后，驱动单元的制动依然可以依靠制动器提供满足风暴载荷的制动扭矩。制动器的液压油源从每个升降单元通过梭阀引入。其自动释放压力设定除能提供足够的制动力外，还满足了平衡阀开启设计打开压力值是制动器设定自动释放压力加上系统背压的原则，保证了无论提升还是下降动作，在平衡阀开启前，完全打开制动器，避免系统开启油压没有建立起来时，随着油压增大制动器突然打开产生危害。升降保护装置原理如图4所示。

2 90 m自升式海洋平台液压升降系统设计计算

2.1 设计参数

90 m自升式海洋平台液压升降系统设计计算参数如表1所示。

图4 升降保护装置原理

单桩腿升降载荷/t桩腿额定升降速度/(m·min-1)平台额定升船速度/(m·min-1)单桩腿预压载升降载荷/t单桩腿风暴锁紧力/t平台报警停机角度/(°)14001．50．6195028000．5

小齿轮的模数m=50，压力角α=25°，齿数为10，减速比i为317，分度圆半径为0.246 m。 由单桩腿最大提升力F为1 950 t，整个自升平台的升降速度v设计为 0.6 m/min，可以得出功率H=Fv= 195 kW；由v=2πr·n得出对应小齿轮转速n为0.738 r/min，则减速机最大输出扭矩T为

2.2 液压系统工作参数计算

2.2.1 液压电机

分析升降系统工况可知，预压载时电机输出扭矩及工作压力最大，故选择电机此工况时的参数计算。

(1) 电机扭矩

预压载工况：已知预压载时单个减速机所需扭矩T1为343 kN·m，减速机减速比i取317，减速机机械效率η取90%，则预压载工况时，单个电机最大输出扭矩为

t1=T1/(i×η)=1 198.4 N·m

(2) 电机排量

初选工作压力P1为25 MPa，电机最大输出扭矩计算公式为

(2)

已知预压载工况时，单个电机最大输出扭矩t1为1 198.4 N·m，取电机容积效率ηv为98%，电机机械效率ηm为92%，则电机最小排量为

(3)

(3) 电机选型

平台升降时系统为高压小流量，系统处于功率最大工况，桩腿升降时为低压大流量，此时系统功率不足总功率一半，如果电机排量固定，则液压系统总流量须基于桩腿升降速度计算，平台升降时将有大部分流量富余，会带来液压泵、阀、管路等成本的增加。因此，结合实际工况及上述计算结果，查询现有标准产品，选取SAI品牌双变量电机BD 2-350/175。

(4) 所选电机参数

排量：Va347 mL/r～Vb173 mL/r;额定压力： 25 MPa;峰值压力： 36 MPa。

2.2.2 主液压泵

(1) 电机转速

平台升降工况：已知平台升降时减速机转速V1为0.323 5 r/min，减速机减速比i为318，则平台升降时，电机转速为

Va=V1×i=102.9 r/min(4)

桩腿升降工况：已知平台升降时减速机转速V2为0.776 2 r/min，减速机减速比i为318，则平台升降时电机转速为

Vb=V2×i=246.8 r/min(5)

(2) 实际需求流量

平台升降工况：已知额定平台升降速度为0.5 m/min，平台升降时电机转速Va为102.9 r/min，电机排量va为347 mL/r，电机容积效率η1为98%，则平台升降时所需最小流量为

桩腿升降工况：已知额定桩腿升降速度为1.2 m/min，平台升降时电机转速Vb为246.8 r/min，电机排量va为173 mL/r，电机容积效率η2为98%，则平台升降时所需最小流量为

(3) 液压泵选型

根据计算出的系统最大实际需求流量，取泵容积效率η3为97%，则系统最小额定流量为

(8)

(4) 液压泵参数

结合系统工作压力及其他要求，查询现有产品，结合系统工况需求，选取SAUER DANFOSS品牌H1P250规格电比例变量泵。液压泵参数如表2所示。

表2 液压泵参数

(5) 系统额定流量

已知液压泵排量v为251.7 mL/r，选择4级电机，电机转速V为1 480 r/min，则系统额定流量为

Q=v×V×4=2 235 L/min(9)

满足工况需求。

2.2.3 制动器

分析系统工况及参数可知，桩腿风暴锁紧时制动扭矩最大，此时减速机制动扭矩T4为490 000 N·m，已知减速机减速比i为318，则制动器最小制动扭矩为

查询现有产品，选择SAI品牌F21D制动器，其最大制动扭矩为1 800 N·m，制动压力为3.5～6.0 MPa，制动腔工作容积为ΔV=33 mL，满足工况要求。

3 AMESim仿真

运用AMESim软件对系统仿真分析进行系统建模、选择子模型、设置参数、运行仿真4个步骤，建模过程中可以忽略系统管道的影响[7]。因此，在不影响整体液压系统性能的前提下，由于各个桩腿之间的液压升降单元是并联连接的，运动互不干涉，可将该平台的液压升降系统进行简化(取单桩腿上的7个升降单元)，以便更好地分析。

3.1 液压系统仿真模型

按照液压升降系统的原理，利用仿真软件AMESim液压应用库HYD和HCD中的液压元件模型块建立系统仿真模型，如图5所示。

图5 液压系统仿真模型

3.2 AMESim仿真参数

AMESim仿真参数如表3所示。

表3 AMESim系统仿真参数设置

3.3 仿真分析

0 s时，信号输入为+20，电磁阀左端接通，电机推动平台正向转动，平台处于上升工况。10 s内上升位移为0.083 m，与0.5 m/min的预设升降速度相近，满足需求。10～15 s时，信号输入为0，电磁阀系统处于静止状态，平台位移曲线呈直线，在平台由上升变为静止状态的过程中系统未出现明显的波动，表明系统平衡回路的锁紧效果很好。15～25 s时，平台处于下降工况。图6为电磁换向阀控制信号，图7为平台升降位移。

图6 电磁换向阀控制信号

图7 平台升降位移

如图8所示：0～0.4 s内电机的转速和输出扭矩迅速上升，表明系统的响应速度很快；0.5 s电机输出扭矩达到最大值，0.5 s～10 s电机转速和输出扭矩处于稳定状态；电机最大输出扭矩为1 404.52 N·m，大于计算书中要求的最大扭矩1 198.4 N·m；电机转速为185.44 r/min，在电机额定转速范围内，选取的液压电机的输出扭矩可以满足升降要求。

图8 液压电机输出扭矩和转速

根据计算可知平台在风暴自存条件下所需的制动扭矩最大，选型结果为制动的最大制动扭矩选择为1 800 N·m，大于1 540 N·m，制动压力为10～60 bar。建立草图模型如图9所示，系统仿真得出曲线如图10和图11所示。

图9 制动器的仿真模型

图10 制动扭矩与控制压力关系

图11 制动器完全开启所需要的时间曲线

由图10和图11可知，在系统油压还未建立，平衡阀未打开时，制动器能在1 s内打开，并提供最高的制动扭矩1 800 N·m。其自动释放压力设定除了能提供足够的制动力外，还满足平衡阀开启设计打开压力值是制动器设定自动释放压力加上系统背压的原则，保证了无论是提升还是下降动作，在平衡阀开启前，完全打开制动器，从而满足设计要求。

4 升降试验对比

平台升降试验的主要目的是检验90 m自升式钻井平台升降系统和桩腿结构的安装状况及操作性能，试验将分为以下4个阶段进行。

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4.1 第1阶段——最大预压载

这一阶段检验平台在最大预压载状态下升降系统的保持能力以及插桩区域地质的负荷能力。平台最小气隙为1英尺(最大潮高)。每个升降齿轮的负荷达到大约100 t，整个平台的提升重量要求达到5 600 t。预压载状态参见压载计算。

4.2 第2阶段——压载升降平台

这一阶段检验在一定的压载状态下升降系统的提升能力。当每个齿轮的负荷达到大约560 t，平台的提升重量达到20 167 t时，平台须从第1阶段的状态下向上提升8英尺。

4.3 第3阶段——正常上升平台

这一阶段检验正常工作状态下升降系统的工作能力。当每个齿轮的负荷达到大约431 t，平台的提升重量达到15 513 t时，平台须从第2阶段的状态下向上提升8英尺(约2.44 m)。

4.4 第4阶段——上升平台至桩腿的顶部

这一阶段检验齿条板、齿轮、导向板的对位情况，以及电机刹车片、升降系统、电机的安全监测器等功能是否有效。平台需要升到桩腿的最顶端，然后下降平台并保持合适的气隙(高潮状态下约500 mm)。在平台上升状态下平台的总体负荷应达到大约5 600 t。

升降试验结果表明，设计的升降系统可以满足各种工况的升降要求，运行稳定。

5 小 结

本文以金海重工股份有限公司的90 m自升式海洋平台为研究对象，对平台的液压升降系统进行设计计算，使用AMESim软件对其进行建模，对多个升降工况进行仿真分析，按实际工况设置各仿真元件的具体参数以保证仿真准确性，最后通过升降试验进行验证。仿真结果和试验结果表明，设计的升降保护装置可以消除液压系统故障对升降系统的影响，升降系统响应迅速、运行稳定，能满足各工况下的升降需求，可以为自升式海洋钻井平台升降系统设计关键技术研究提供科学参考。

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