自升式海洋平臺齒輪齒條升降系統(tǒng)的研究

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1、自升式海洋平臺齒輪齒條升降系統(tǒng)的研究 2004年第32卷第l0期 石油機械 CHINAPETROLEUMMACHINERY .I設計計算 自升式海洋平臺齒輪齒條升降系統(tǒng)的研究 孫永泰 (勝利石油管理局鉆井工藝研究院) 摘要以勝利作業(yè)3號平臺升降系統(tǒng)為研究對象,提出了齒輪齒條式升降系統(tǒng)的總體設計思 路;針對海洋平臺升降系統(tǒng)的設計要點,對齒輪齒條式升降系統(tǒng)中的液壓動力驅(qū)動系統(tǒng)分4種工 況進行了升降系統(tǒng)液壓原理設計,分析,參數(shù)確定和計算,并提出了確保系統(tǒng)安全可靠性的多項 保護措施.其設計思想,設計中所采用的方法,參數(shù)確定方法及計算分析所得出的結論,對平臺 的設計,制造和管

2、理具有一定的指導意義,對類似系統(tǒng)的設計,分析計算具有一定的參考價值. 關鍵詞自升式平臺齒輪齒條升降系統(tǒng)動力驅(qū)動系統(tǒng)液壓系統(tǒng) 引言 在用于海洋石油開發(fā)的各種海洋平臺及其他海 洋構筑物中,自升式平臺比較適合于淺海區(qū)域,具 有用鋼量少,造價低,水上完井,在各種海況下幾 乎都能持續(xù)作業(yè)和效率高等優(yōu)點,因此,在國內(nèi)外 海洋勘探和開發(fā)中,特別是在近海海洋石油開發(fā)中 發(fā)揮了巨大的作用….升降系統(tǒng)作為自升式平臺 中的關鍵部分,在平臺的設計制造中歷來受到高度 重視,其性能的優(yōu)劣直接影響平臺的安全和使用效 果.自升式平臺的升降系統(tǒng)大致分為兩大類:齒輪 齒條式和液壓油缸頂升式.齒輪齒條式升降

3、的優(yōu)點 是:升降速度快;操作簡單;易對井位.缺點是齒 輪齒條式價格貴,制造難度大. 由于海洋環(huán)境條件相對比較惡劣,平臺升降所 需時間的長短對平臺安全性也就顯得比較重要,同 時可減少平臺就位費用,因此新造的自升式平臺多 采用齒輪齒條升降方式. 齒輪齒條升降系統(tǒng)構成 所謂齒輪齒條升降系統(tǒng),就是在平臺的每根樁 腿上設置幾根齒條,對應于每根齒條上設置幾個小 齒輪,齒條及其對應小齒輪數(shù)量根據(jù)平臺所要求的 舉升能力和平臺總體要求加以確定.動力通過樁邊 馬達驅(qū)動齒輪減速箱,然后傳遞給與齒條嚙合的小 齒輪,從而帶動平臺的升降. 齒輪齒條式升降系統(tǒng)由動力驅(qū)動系統(tǒng),動力傳 遞系統(tǒng)(主

4、要包括齒輪齒條及相應的減速機構) 和平臺升降控制系統(tǒng)等3大部分組成. 動力驅(qū)動系統(tǒng)為升降系統(tǒng)中最易發(fā)生故障的部 分,是平臺升降設計的關鍵點和難點,設計上將涉 及各樁腿間同步,同一樁腿上的各個馬達的同步, 回路設計,載荷設置,安全保護,啟動與剎車及控 制,驅(qū)動能力和相關參數(shù)的設計選取等.齒輪齒條 式升降系統(tǒng)從動力驅(qū)動上有液壓驅(qū)動和電驅(qū)動兩種 方式.液壓驅(qū)動就是通過液壓站及相應閥件帶動液 壓馬達,而液壓馬達通過驅(qū)動齒輪箱帶動小齒輪, 從而使平臺或樁腿完成升降動作;電驅(qū)動是直接通 過電馬達驅(qū)動齒輪箱帶動小齒輪,而使平臺或樁腿 完成升降動作.兩種方式相比較各有利弊. (1)就

5、升降能力而言,兩種升降方式在設計 上均能達到平臺在各種工況下所要求的基本技術指 標,但液壓驅(qū)動有如下特點:①液壓系統(tǒng)本身具有 一 定的彈性.再通過在系統(tǒng)中附加蓄能器,使系統(tǒng) 在啟動和停止時具有一定的減震性能,而無須增加 其他的減震措施;②易于調(diào)節(jié)速度,通過設置雙速 ?孫永泰,高級工程師,生于1965年,1987年畢業(yè)于上海交通大學機械工程系.現(xiàn)從事海洋工程研究與設計工作.地址:(257017) 山東省東營市.電話:(0546)8783673. (收稿日期:2003一l2—21) 石油機械2004年第32卷第1O期 液壓馬達,可使升降系統(tǒng)針對不同的載荷采用不同 的速度

6、,這樣便節(jié)省了平臺升降的時間;③采用大 扭矩,低轉速的液壓馬達可減小減速箱的傳動比, 從而減小其尺寸和造價. (2)從操作方式及故障率來看,兩種升降方 式均要設置集中控制臺和樁邊控制臺,集中控制臺 內(nèi)設置PLC進行控制作業(yè),均可實現(xiàn)所有樁腿同 時控制和手動單樁控制及緊急制動.但液壓驅(qū)動相 對電驅(qū)動故障率較高,故液壓驅(qū)動必須設置專家診 斷系統(tǒng). (3)液壓驅(qū)動需設置液壓站,而電驅(qū)動不需要. 綜合液壓驅(qū)動與電驅(qū)動兩種方式各自的優(yōu)缺 點,采取其中任何一種方式都可以.筆者在此將結 合勝利作業(yè)3號平臺升降系統(tǒng)研究液壓驅(qū)動的齒輪 齒條升降系統(tǒng). 動力驅(qū)動系統(tǒng)研究 勝利作業(yè)3號

7、平臺屬于齒輪齒條升降的3腿自 升式修井作業(yè)平臺,鋼質(zhì)非自航.由平臺主體,樁 腿(帶樁靴)和升降系統(tǒng)3部分組成.平臺主體 平面接近三角形,3根圓柱形樁腿布置在艏,艉. 平臺的主要任務是對水深5—25m范圍內(nèi)的油井進 行修井作業(yè).平臺每根樁腿上設置2根齒條,對應 每根齒條上配備3個小齒輪;這樣每根樁腿上共有 6個小齒輪,6個小齒輪同步動作帶動平臺或樁腿工 作;每個小齒輪由1個液壓馬達通過對應的行星減 速箱來帶動;平臺通過固樁架傳力于齒輪箱上的小 齒輪,小齒輪通過與樁腿上的齒條嚙合傳力于樁腿; 平臺上設1個液壓站,1個集中控制臺和3個樁邊控 制臺以及馬達控制中心,液壓動力控制

8、單元等. 1.升降系統(tǒng)主要技術參數(shù) 平臺正常舉升力/腿:9000kN; 平臺應急舉升力/腿:10800kN; 平臺預壓載荷/腿:13200kN; 平臺最大提升速度(在正常載荷條件下): 0.3m/min; 平臺應急提升速度:0.1m/min; 最大放樁速度(正常載荷下):0.6m/min; 升降頻率:每個星期升降1次,升和降的距離 均為18m; 小齒輪參數(shù):齒數(shù)7,模數(shù)75/I111”1,壓力角27.. 2.參數(shù)確定原則 該平臺最大提升速度(在正常的載荷條件下) 定為0.3m/min基于以下因素:由于平臺升降系統(tǒng) 在工況惡劣的海上作業(yè),平臺升降及移位必須在風 速

9、小于12m/s,波高小于0.5m,海流流速小于 1.285m/s等條件下進行,這種好天氣通常持續(xù)時 間較短.在多數(shù)情況下,平臺自1個井位完成降平 臺,升起樁腿,拖航至下一井位,并完成平臺放 樁,定位,升平臺,通常應在12h內(nèi)完成,這樣 就要求升降速度越快越好;但該系統(tǒng)屬于大型重載 系統(tǒng),要有高的安全可靠性.隨著升降速度的提 高,平臺圍井區(qū)結構強度,樁腿結構強度,動力傳 遞系統(tǒng)強度及驅(qū)動能力等將成倍增長,造價亦會提 高,因此,平臺升降速度應根據(jù)其作業(yè)環(huán)境及使用 要求進行確定. 平臺應急提升速度為0.1m/min,應包括兩種 情況:一是在平臺某一樁腿上的l套齒輪傳遞系統(tǒng)

10、或馬達損壞而又必須進行平臺升降;二是平臺未卸 載而進行平臺升降,此時升降能力要求大,因此應 計算而定. 最大放樁速度為0.6m/min,既充分利用系統(tǒng) 的潛能,同時又考慮了平臺就位時的工況需求. 3.升降系統(tǒng)液壓原理 液壓系統(tǒng)的主要功能是為整套升降系統(tǒng)提供動 力,圖1為升降系統(tǒng)液壓原理圖.設計分為主油 路系統(tǒng),輔助油路系統(tǒng)和增壓油路系統(tǒng). (1)主油路系統(tǒng)該系統(tǒng)主要包括1個油箱, 3臺主泵,3套帶載/卸載模塊,3套主油路控制模 塊和l8臺液壓馬達等. 油箱上裝有液位開關(控制低油位和最低油 位),油溫調(diào)節(jié)器(調(diào)節(jié)油的低溫,最低溫,高溫 和最高溫度),呼氣閥,加熱器,

11、液位測量尺和檢 查用人孔蓋. 3臺主泵分別對應于3根樁腿裝在油箱上,以 減小所占的空間,平臺和樁腿的升降速度將由伺服 閥控制泵來實現(xiàn),輸入至泵和伺服閥各處的壓力, 由相應的壓力開關檢測,泵供油至帶載/卸載模塊 和液壓馬達.3臺泵并聯(lián),互為備用,保障即使在 1臺泵損壞的情況下,另2臺泵仍能提供平臺以相 對小的速度進行普通升降所需的動力.所有的主泵 在無負載時以低壓力運行. 3套帶載和卸載閥塊裝在液壓站中,每1閥塊 用于1根樁腿,閥塊的作用是保護主泵不致過壓. 3套主油路控制模塊分別用于控制3根樁腿, 每個模塊分別用于控制特定樁腿上的6臺馬達. 每個模塊包括:1個伺服比

12、例換向閥用于控制 平臺或樁腿的運動方向及動作速度;2個平衡閥用 于鎖定樁腿和平臺的質(zhì)量及穩(wěn)定其動作速度;1個 2004年第32卷第lO期孫永泰:自升式海洋平臺齒輪齒條升降系統(tǒng)的研究一25一 安全閥;4個單向閥;2個壓力傳感器和各種壓力開關用于檢測壓力. 圖1齒輪齒條升降系統(tǒng)液壓原理圖 在整套主油路系統(tǒng)中,3個樁腿的相對速度由為確保平臺升降安全,可靠,設計中采用了多 比例換向閥來控制,每根樁腿上的6個馬達油路并種安全保護措施: 聯(lián),由樁腿和平臺圍井區(qū)上的導向機構保持其剛性?3臺主泵并聯(lián)互為備用,在1臺甚至2臺損 同步.壞的情況下,仍能保證以相對慢的速度升降.輔助 (2)輔

13、助油路系統(tǒng)輔助油路系統(tǒng)包括3臺先油路中3臺并聯(lián)的先導泵,亦互為備用,確保了為 導泵,3套剎車和速度選擇模塊及3個蓄能器等.主油路,剎車及速度轉換提供動力,增強了平臺脫 3臺先導泵并聯(lián),互為備用,每個先導泵配置離危險狀況的能力. 1個溢流閥,用于調(diào)定泵的壓力.?在控制上設置1個集控臺和3個樁邊控制 每1根樁腿都有相應的剎車控制和速度選擇模臺,在集控臺上設自動控制與手動控制,一旦集控 塊,這些模塊包括剎車用換向閥,馬達速度選擇用臺失靈則可在樁邊控制臺上操作平臺升降.同時設 方向控制閥,剎車時控制速度用的單向閥和測試剎置了6種操作模式:為液壓油加熱,使整個系統(tǒng)的 車釋放壓力的壓力開關.

14、3套蓄能器在液壓源出現(xiàn)油溫達到系統(tǒng)安全運行的水平;升降樁腿,有手動 故障時仍可保證主油路工作.和自動兩種程序操作,用于白海底升起樁腿或放樁 (3)增壓油路系統(tǒng)增壓油路系統(tǒng)用于給主油腿至海底;提升平臺脫離水面和下放平臺到水面; 路,輔助油路提供一定壓力的液壓油,同時還可為釋放因長時間剎車而引起的應力;確保平臺升降時 整套系統(tǒng)的液壓油進行加熱和冷卻,它包括2臺喂在正常的載荷范圍內(nèi);在升降前均提示諸如壓載艙 油泵,濾油器,溢流閥,截止閥及壓力測量開關等.是否排空等方面的信息. 在控制系統(tǒng)中整套液壓系統(tǒng)的3根樁腿的運動?通過液壓系統(tǒng)中的平衡閥塊實現(xiàn)剎車的一級 速度,由3套主油路控制模塊上

15、的比例換向閥分別保護,比例閥塊實現(xiàn)二級保護,這兩級保護可實現(xiàn) 控制,而3根樁腿上的6個液壓馬達為剛性同步,在液壓源失效時平臺或樁腿安全停留在原位置,作 即6個馬達并聯(lián),靠樁腿或平臺的質(zhì)量即馬達的負用順序為首先平衡閥塊起作用,若失效則比例閥塊 荷實現(xiàn)同步.起作用.系統(tǒng)中設置了由液壓控制,彈簧剎車的盤 石油機械2004年第32卷第1O期 式剎車機構,一旦系統(tǒng)出現(xiàn)異常(如失電,超載, 超速等),將自動剎車. ? 增加升降能力儲備,在單樁1臺馬達損壞時 仍能進行平臺升降. 根據(jù)升降系統(tǒng)的總體設計,配置,部件選型及 經(jīng)驗數(shù)據(jù),參數(shù)確定如下: 樁腿導向效率叼.=O.9;齒條與齒

16、輪嚙合效率 ,7=O.92;齒輪軸承效率,73=O.98;行星減速器 效率,7.=O.94;液壓馬達運行時機械效率,7,= O.94;液壓馬達啟動機械效率,7=O.75;液壓馬 達容積效率叼,=O.97. 液壓驅(qū)動系統(tǒng)分4種工況的計算結果(均為 馬達啟動工況)見表1. 表1液壓驅(qū)動系統(tǒng)4種工況的計算結果 種工況摯熹蔓.泵M壓P力a(L泵.流ml量n-t事 根據(jù)表中4種工況,可選MS1l一2Dll— All一2Al0—5000型馬達的參數(shù)為:允許的最大壓 力44.13MPa;最高轉速為150r/min. 液壓泵以平臺正常升降時所需功率最大,而以 平臺在應急升降和在1臺馬

17、達損壞時平臺升降所需 壓力最高,考慮上述綜合因素,可選用PVK— l40一AlUV—LDFY—P—INN/Hl50SN—BL型變量 泵,其參數(shù)為:最大排量為141mL/r;額定壓力 35MPa;最大壓力40MPa. 平臺在正常舉升時主泵所需最大電動機功率 Ⅳ=85kW,而輔油泵所需電動機功率Ⅳ=20 kW,考慮泵效和聯(lián)軸器的效率,電動機總功率為 I12kW,同步轉速為I500r/min. 勝利作業(yè)3號平臺于2002年6月投產(chǎn)以來,平 臺移位多次,系統(tǒng)運行狀況良好.平臺在實際升降 作業(yè)時,現(xiàn)場所顯示的結果基本與上述計算相同. 結束語 通過對勝利作業(yè)三號平臺升降系統(tǒng)的齒輪

18、齒條 液壓動力驅(qū)動系統(tǒng)的研究,設計與計算,可以看 出,該套系統(tǒng)在性能指標等方面完全滿足設計要 求,其設計思路,設計中所采取的提高系統(tǒng)可靠性 措施,設計參數(shù)的選取等對于平臺的設計,制造及 今后的使用和管理都具有一定的指導意義,對類似 系統(tǒng)的設計,分析計算具有一定的參考價值. 參考文獻 1馬志良,羅德濤.近海移動式平臺.北京:海洋出版 社,1993:10一l2 2蔡文彥,詹永麒.液壓傳動系統(tǒng).上海:上海交通大學 出版社,1989:118—150 3孫桓.機械原理.北京:高等教育出版社,1985: 290—341 4雷天覺.液壓工程手冊.北京:機械工業(yè)出版社, 1993

19、:14～29 (本文編輯王志權) 歡皿訂閱《鉆采工藝》雜志(雙月刊) <鉆采工藝>雜志(雙月刊)創(chuàng)刊于1978年.主要報導國內(nèi)外最新石油天然氣鉆井和固井工藝技術,油氣田開發(fā)與開 采技術,油氣田鉆井和開采機械裝備技術,油氣田化學工藝技術的研究與應用成果和油氣生產(chǎn),科研,地質(zhì)勘探,科技工 作的最新動態(tài). 本刊主要欄目有:鉆井工藝,開采工藝,鉆采機械,油田化學,修井工藝,地質(zhì)勘探,生產(chǎn)線上,鉆栗工藝講座和科 技簡訊等. <鉆采工藝>雜志已人選:全國中文核心期刊;美國石油文摘數(shù)據(jù)庫重點收錄期刊;中國學術期刊評價數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計源 期刊;中國期刊全文數(shù)據(jù)庫全文收錄期刊;中國石油文獻數(shù)據(jù)庫全文收錄期刊.本刊為雙月刊,單月20日出版,全國各郵 政局訂閱,亦可向本刊編輯部直接訂閱(免郵寄費). 刊號:ISSN1006--768X(國際),CN51—1177/TE(國內(nèi))郵發(fā)代號:62—42 定價:全年6期共6O.OO元,國內(nèi)1O元/冊 開戶單位:四川石油管理局鉆采工藝技術研究院開戶行:建行廣漢市支行帳號:26103628 本刊地址:(618300)四JiI省廣漢市香港路<鉆采工藝》編輯部 電話傳真:(0838)5100175,5151384電子信箱:zcgy2288@ 本刊常年兼營承攬各類廣告,歡迎來函或電話咨詢.