一种海上钻井船燃烧臂的设计

李海青 刘华君 张 玉

（1.山东省机械设计研究院，济南 250031；2.青岛天时海洋石油装备有限公司，青岛 266108）

深海钻井作业常采用浮式钻井船或半潜式钻井平台。和其他浮式钻井装置相比，钻井船所受阻力小，航行速度快，对可变载荷的变化较不敏感。另外，钻井船的排水量和船内空间大，能承载较多的钻井机械设备、物资、石油等物品，大大减少了对海洋工程辅助船舶的依赖。但是，甲板使用面积相对钻井平台较小，对风浪等海洋环境因素引起的动态响应敏感，整体稳性差，在恶劣环境条件下工作适应性差，设计与操作不当易引起事故[1-2]。钻井船在特定海况下试井工作时，当海风从燃烧器向平台方向吹时，燃烧器燃烧原油、天然气等易燃混合气体散发的大量热能辐射到船上。当热辐射强度高于6.3 kW·m-2时，会对在热辐射区域作业人员身体健康造成伤害[3]。海上石油天然气生产平台上燃烧臂直接应用到钻井船时，因钻井船摇摆幅度大，相比平台其静倾角和动倾角角度较大，会增加倾翻的危险，造成试井故障或停工。文章运用发明问题解决理论（Theory of the Solution of Inventive Problems，TRIZ）的功能模型分析、因果链分析和技术冲突矩阵等工具，分析求解钻井船的燃烧臂的相关参数，设计出一种适用于钻井船的基座式回转变幅燃烧臂。

1 TRIZ 问题模型

1.1 功能模型分析

钻井船燃烧臂组件包括臂架、燃烧器、喷淋器、输送原油和天然气或其他易燃混合气体的管道1 以及与喷淋器连接的输送水的管道2。引入超系统组件钻井船、人、燃烧火焰以及风，分析燃烧臂各组件间的相互作用关系，得到如图1 所示的功能模型图。可以看出，当风从燃烧器一侧向平台吹时，热辐射区会产生偏移，使船上的工作人员处在热辐射区范围内，造成热辐射伤害。

图1 燃烧臂功能模型

1.2 因果链分析

因果链分析是对问题产生结果的原因进行逐级分析，并绘制逻辑图，从而在逻辑图中找出最薄弱环节进行技术创新。由图2 因果链分析图可知，导致平台上工作人员热辐射伤害的原因有两个：一是臂架顶部距离平台的长度不足；二是风向问题，当风向与燃烧器到平台的方向一致时，会引起热辐射伤害。其中，第一个原因属于系统内部原因，第二个原因属于系统外部原因。外部原因无法改变，需要从系统内部解决。

图2 因果链分析图

2 TRIZ 问题解决

2.1 技术矛盾法

针对臂架顶部距离平台长度不足的问题，可以采取增加臂架长度的办法。但是，增加臂架长度，会引起倾覆力矩增大，增加整个设备质量和不可靠性，产生技术矛盾。改善的参数为No.4 静止物体的长度，恶化的参数为No.27 可靠性。根据TRIZ 矛盾矩阵，得到如表1 所示的创新原理。

表1 矛盾矩阵表

利用发明原理No.15 动态化原理的第3 条“如果一个物体是静止的，使之变为运动的或可改变的”[4]，可在臂架底部一端和固定装置之间通过油缸连接，使臂架可以进行变幅运动。

2.2 物理矛盾法

针对因果链分析中的第2 个原因，当风与燃烧器到平台的方向一致时引起热辐射伤害，如果燃烧器不在当前位置，则风与燃烧器到平台的方向不再一致，那么热辐射区将不会再向平台偏移，不会对平台上的工作人员造成伤害。但是，当风向改变时，燃烧器又可以在当前位置。因此，可采用物理矛盾法解决。物理矛盾是针对技术系统中一个矛盾因素，提出相反要求形成的矛盾[5]，一般采用分离原理解决。文章采取时间分离法，在臂架底部安装可带动臂架转动的回转支承。当风与燃烧器到平台的方向一致时，转动臂架，使安装在臂架顶部的燃烧器绕回转台转动，从而改变燃烧器到平台的方向发生，使其与风向不再一致。

2.3 方案总结

综合技术方案，设计一种基座式回转变幅燃烧臂。燃烧臂底部为基座，基座安装在甲板上，基座上面安装有回转支承，回转支承上安装有旋转柱。臂架底部一端通过转轴与旋转柱连接，另一端通过变幅油缸连接。液压泵站、变幅液压锁紧机构、回转液压锁紧机构、控制台、回转机构都安装在旋转柱上。回转支承与回转机构配合驱动臂架做回转运动，变幅油缸通过液压控制使臂架做变幅运动。

3 具体设计方案

根据方案设计新的燃烧臂，如图3 所示。基座主要连接船和燃烧臂，起到承上启下的作用。旋转柱上安装臂架、液压站、回转支承、变幅油缸、液压锁和控制台等组件，是燃烧臂的核心部分。旋转柱和基座通过回转支承连接。臂架采用钢桁架结构，具有风阻系数小、承载能力大、刚度好等优点。臂架上安装燃烧器、喷淋系统和输送管路等组件。液压锁包括变幅锁定机构和回转锁定机构，可对臂架在设定角度处锁定，以防止风速较大时臂架对回转机构和变幅机构的冲击。图4 为燃烧臂变幅图，角度变幅范围为0°～30°。图5 为燃烧臂回转图，可在0°～150°回转。

图3 基座式回转变幅燃烧臂整体结构

图4 燃烧臂最大变幅角度

图5 燃烧臂最大回转角度

新开发燃烧臂有5 个优点。第一，通过基座连接燃烧臂本体和钻井船的设计形式，不仅接口形式简单安装方便，而且可通过改变基座形式满足各种船体接口，可以通过改变基座的高度满足工作海况。第二，马达+减速机回转机构通过减速机的小齿轮驱动回转支承，使燃烧臂可正反向平稳旋转，且可以根据回转编码器的反馈信息控制马达，使臂架准确旋转到工作位置。这种方式比油缸回转方式精确度高，且定位更方便。第三，油缸变幅机构可以使臂架在垂直平面平稳旋转。变幅油缸安装单向平衡阀，可以防止臂架发生自由下落，有效保护臂架。第四，液压锁紧机构可以对臂架水平和垂直旋转到工作位置时进行自动锁定，有效防止在大风情况下臂架摇摆幅度变大对回转减速机和变幅油缸造成损害，避免发生臂架脱落。第五，在工作海况下，可以防止燃烧臂随船晃动对减速机和变幅油缸造成冲击。

4 结语

文章将TRIZ 应用于钻井船燃烧臂设计，通过功能模型图与因果链分析，得出特定情况下热辐射对船上工作人员产生伤害的原因，继而通过技术矛盾法和物理矛盾法得出新的燃烧臂设计方案。新设计的燃烧臂适用于钻井平台，已在CMHI-182、H1305 H1297等钻井船上使用，且反馈使用效果良好。