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1、自升式海洋平臺(tái)齒輪齒條升降系統(tǒng)的研究 2004年第32卷第l0期 石油機(jī)械 CHINAPETROLEUMMACHINERY .I設(shè)計(jì)計(jì)算 自升式海洋平臺(tái)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(hào)平臺(tái)升降系統(tǒng)為研究對(duì)象,提出了齒輪齒條式升降系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思 路;針對(duì)海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn),對(duì)齒輪齒條式升降系統(tǒng)中的液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分4種工 況進(jìn)行了升降系統(tǒng)液壓原理設(shè)計(jì),分析,參數(shù)確定和計(jì)算,并提出了確保系統(tǒng)安全可靠性的多項(xiàng) 保護(hù)措施.其設(shè)計(jì)思想,設(shè)計(jì)中所采用的方法,參數(shù)確定方法及計(jì)算分析所得出的結(jié)論,對(duì)平臺(tái) 的設(shè)計(jì),制造和管

2、理具有一定的指導(dǎo)意義,對(duì)類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì),分析計(jì)算具有一定的參考價(jià)值. 關(guān)鍵詞自升式平臺(tái)齒輪齒條升降系統(tǒng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)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(tái)及其他海 洋構(gòu)筑物中,自升式平臺(tái)比較適合于淺海區(qū)域,具 有用鋼量少,造價(jià)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(diǎn),因此,在國(guó)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(tái) 中的關(guān)鍵部分,在平臺(tái)的設(shè)計(jì)制造中歷來受到高度 重視,其性能的優(yōu)劣直接影響平臺(tái)的安全和使用效 果.自升式平臺(tái)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(diǎn) 是:升降速度快;操作簡(jiǎn)單;易對(duì)井位.缺點(diǎn)是齒 輪齒條式價(jià)格貴,制造難度大. 由于海洋環(huán)境條件相對(duì)比較惡劣,平臺(tái)升降所 需時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)平臺(tái)安全性也就顯得比較重要,同 時(shí)可減少平臺(tái)就位費(fèi)用,因此新造的自升式平臺(tái)多 采用齒輪齒條升降方式. 齒輪齒條升降系統(tǒng)構(gòu)成 所謂齒輪齒條升降系統(tǒng),就是在平臺(tái)的每根樁 腿上設(shè)置幾根齒條,對(duì)應(yīng)于每根齒條上設(shè)置幾個(gè)小 齒輪,齒條及其對(duì)應(yīng)小齒輪數(shù)量根據(jù)平臺(tái)所要求的 舉升能力和平臺(tái)總體要求加以確定.動(dòng)力通過樁邊 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪減速箱,然后傳遞給與齒條嚙合的小 齒輪,從而帶動(dòng)平臺(tái)的升降. 齒輪齒條式升降系統(tǒng)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),動(dòng)力傳 遞系統(tǒng)(主

4、要包括齒輪齒條及相應(yīng)的減速機(jī)構(gòu)) 和平臺(tái)升降控制系統(tǒng)等3大部分組成. 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為升降系統(tǒng)中最易發(fā)生故障的部 分,是平臺(tái)升降設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn),設(shè)計(jì)上將涉 及各樁腿間同步,同一樁腿上的各個(gè)馬達(dá)的同步, 回路設(shè)計(jì),載荷設(shè)置,安全保護(hù),啟動(dòng)與剎車及控 制,驅(qū)動(dòng)能力和相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)選取等.齒輪齒條 式升降系統(tǒng)從動(dòng)力驅(qū)動(dòng)上有液壓驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)兩種 方式.液壓驅(qū)動(dòng)就是通過液壓站及相應(yīng)閥件帶動(dòng)液 壓馬達(dá),而液壓馬達(dá)通過驅(qū)動(dòng)齒輪箱帶動(dòng)小齒輪, 從而使平臺(tái)或樁腿完成升降動(dòng)作;電驅(qū)動(dòng)是直接通 過電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪箱帶動(dòng)小齒輪,而使平臺(tái)或樁腿 完成升降動(dòng)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(shè)計(jì) 上均能達(dá)到平臺(tái)在各種工況下所要求的基本技術(shù)指 標(biāo),但液壓驅(qū)動(dòng)有如下特點(diǎn):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(dòng)和停止時(shí)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(shè)置雙速 ?孫永泰,高級(jí)工程師,生于1965年,1987年畢業(yè)于上海交通大學(xué)機(jī)械工程系.現(xiàn)從事海洋工程研究與設(shè)計(jì)工作.地址:(257017) 山東省東營(yíng)市.電話:(0546)8783673. (收稿日期:2003一l2—21) 石油機(jī)械2004年第32卷第1O期 液壓馬達(dá),可使升降系統(tǒng)針對(duì)不同的載荷采用不同 的速度

6、,這樣便節(jié)省了平臺(tái)升降的時(shí)間;③采用大 扭矩,低轉(zhuǎn)速的液壓馬達(dá)可減小減速箱的傳動(dòng)比, 從而減小其尺寸和造價(jià). (2)從操作方式及故障率來看,兩種升降方 式均要設(shè)置集中控制臺(tái)和樁邊控制臺(tái),集中控制臺(tái) 內(nèi)設(shè)置PLC進(jìn)行控制作業(yè),均可實(shí)現(xiàn)所有樁腿同 時(shí)控制和手動(dòng)單樁控制及緊急制動(dòng).但液壓驅(qū)動(dòng)相 對(duì)電驅(qū)動(dòng)故障率較高,故液壓驅(qū)動(dòng)必須設(shè)置專家診 斷系統(tǒng). (3)液壓驅(qū)動(dòng)需設(shè)置液壓站,而電驅(qū)動(dòng)不需要. 綜合液壓驅(qū)動(dòng)與電驅(qū)動(dòng)兩種方式各自的優(yōu)缺 點(diǎn),采取其中任何一種方式都可以.筆者在此將結(jié) 合勝利作業(yè)3號(hào)平臺(tái)升降系統(tǒng)研究液壓驅(qū)動(dòng)的齒輪 齒條升降系統(tǒng). 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究 勝利作業(yè)3號(hào)

7、平臺(tái)屬于齒輪齒條升降的3腿自 升式修井作業(yè)平臺(tái),鋼質(zhì)非自航.由平臺(tái)主體,樁 腿(帶樁靴)和升降系統(tǒng)3部分組成.平臺(tái)主體 平面接近三角形,3根圓柱形樁腿布置在艏,艉. 平臺(tái)的主要任務(wù)是對(duì)水深5—25m范圍內(nèi)的油井進(jìn) 行修井作業(yè).平臺(tái)每根樁腿上設(shè)置2根齒條,對(duì)應(yīng) 每根齒條上配備3個(gè)小齒輪;這樣每根樁腿上共有 6個(gè)小齒輪,6個(gè)小齒輪同步動(dòng)作帶動(dòng)平臺(tái)或樁腿工 作;每個(gè)小齒輪由1個(gè)液壓馬達(dá)通過對(duì)應(yīng)的行星減 速箱來帶動(dòng);平臺(tái)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(tái)上設(shè)1個(gè)液壓站,1個(gè)集中控制臺(tái)和3個(gè)樁邊控 制臺(tái)以及馬達(dá)控制中心,液壓動(dòng)力控制

8、單元等. 1.升降系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù) 平臺(tái)正常舉升力/腿:9000kN; 平臺(tái)應(yīng)急舉升力/腿:10800kN; 平臺(tái)預(yù)壓載荷/腿:13200kN; 平臺(tái)最大提升速度(在正常載荷條件下): 0.3m/min; 平臺(tái)應(yīng)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(gè)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(tái)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(tái)升降系統(tǒng) 在工況惡劣的海上作業(yè),平臺(tái)升降及移位必須在風(fēng) 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(jìn)行,這種好天氣通常持續(xù)時(shí) 間較短.在多數(shù)情況下,平臺(tái)自1個(gè)井位完成降平 臺(tái),升起樁腿,拖航至下一井位,并完成平臺(tái)放 樁,定位,升平臺(tái),通常應(yīng)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(tái)圍井區(qū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,樁腿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,動(dòng)力傳 遞系統(tǒng)強(qiáng)度及驅(qū)動(dòng)能力等將成倍增長(zhǎng),造價(jià)亦會(huì)提 高,因此,平臺(tái)升降速度應(yīng)根據(jù)其作業(yè)環(huán)境及使用 要求進(jìn)行確定. 平臺(tái)應(yīng)急提升速度為0.1m/min,應(yīng)包括兩種 情況:一是在平臺(tái)某一樁腿上的l套齒輪傳遞系統(tǒng)

10、或馬達(dá)損壞而又必須進(jìn)行平臺(tái)升降;二是平臺(tái)未卸 載而進(jìn)行平臺(tái)升降,此時(shí)升降能力要求大,因此應(yīng) 計(jì)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(shí)又考慮了平臺(tái)就位時(shí)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(dòng) 力,圖1為升降系統(tǒng)液壓原理圖.設(shè)計(jì)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(gè)油箱, 3臺(tái)主泵,3套帶載/卸載模塊,3套主油路控制模 塊和l8臺(tái)液壓馬達(dá)等. 油箱上裝有液位開關(guān)(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(cè)量尺和檢 查用人孔蓋. 3臺(tái)主泵分別對(duì)應(yīng)于3根樁腿裝在油箱上,以 減小所占的空間,平臺(tái)和樁腿的升降速度將由伺服 閥控制泵來實(shí)現(xiàn),輸入至泵和伺服閥各處的壓力, 由相應(yīng)的壓力開關(guān)檢測(cè),泵供油至帶載/卸載模塊 和液壓馬達(dá).3臺(tái)泵并聯(lián),互為備用,保障即使在 1臺(tái)泵損壞的情況下,另2臺(tái)泵仍能提供平臺(tái)以相 對(duì)小的速度進(jìn)行普通升降所需的動(dòng)力.所有的主泵 在無負(fù)載時(shí)以低壓力運(yùn)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(hù)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(gè)模塊分別用于控制特定樁腿上的6臺(tái)馬達(dá). 每個(gè)模塊包括:1個(gè)伺服比

12、例換向閥用于控制 平臺(tái)或樁腿的運(yùn)動(dòng)方向及動(dòng)作速度;2個(gè)平衡閥用 于鎖定樁腿和平臺(tái)的質(zhì)量及穩(wěn)定其動(dòng)作速度;1個(gè) 2004年第32卷第lO期孫永泰:自升式海洋平臺(tái)齒輪齒條升降系統(tǒng)的研究一25一 安全閥;4個(gè)單向閥;2個(gè)壓力傳感器和各種壓力開關(guān)用于檢測(cè)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(gè)樁腿的相對(duì)速度由為確保平臺(tái)升降安全,可靠,設(shè)計(jì)中采用了多 比例換向閥來控制,每根樁腿上的6個(gè)馬達(dá)油路并種安全保護(hù)措施: 聯(lián),由樁腿和平臺(tái)圍井區(qū)上的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)保持其剛性?3臺(tái)主泵并聯(lián)互為備用,在1臺(tái)甚至2臺(tái)損 同步.壞的情況下,仍能保證以相對(duì)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(tái)先油路中3臺(tái)并聯(lián)的先導(dǎo)泵,亦互為備用,確保了為 導(dǎo)泵,3套剎車和速度選擇模塊及3個(gè)蓄能器等.主油路,剎車及速度轉(zhuǎn)換提供動(dòng)力,增強(qiáng)了平臺(tái)脫 3臺(tái)先導(dǎo)泵并聯(lián),互為備用,每個(gè)先導(dǎo)泵配置離危險(xiǎn)狀況的能力. 1個(gè)溢流閥,用于調(diào)定泵的壓力.?在控制上設(shè)置1個(gè)集控臺(tái)和3個(gè)樁邊控制 每1根樁腿都有相應(yīng)的剎車控制和速度選擇模臺(tái),在集控臺(tái)上設(shè)自動(dòng)控制與手動(dòng)控制,一旦集控 塊,這些模塊包括剎車用換向閥,馬達(dá)速度選擇用臺(tái)失靈則可在樁邊控制臺(tái)上操作平臺(tái)升降.同時(shí)設(shè) 方向控制閥,剎車時(shí)控制速度用的單向閥和測(cè)試剎置了6種操作模式:為液壓油加熱,使整個(gè)系統(tǒng)的 車釋放壓力的壓力開關(guān).

14、3套蓄能器在液壓源出現(xiàn)油溫達(dá)到系統(tǒng)安全運(yùn)行的水平;升降樁腿,有手動(dòng) 故障時(shí)仍可保證主油路工作.和自動(dòng)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(tái)脫離水面和下放平臺(tái)到水面; 路,輔助油路提供一定壓力的液壓油,同時(shí)還可為釋放因長(zhǎng)時(shí)間剎車而引起的應(yīng)力;確保平臺(tái)升降時(shí) 整套系統(tǒng)的液壓油進(jìn)行加熱和冷卻,它包括2臺(tái)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(cè)量開關(guān)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(yùn)動(dòng)?通過液壓系統(tǒng)中的平衡閥塊實(shí)現(xiàn)剎車的一級(jí) 速度,由3套主油路控制模塊上

15、的比例換向閥分別保護(hù),比例閥塊實(shí)現(xiàn)二級(jí)保護(hù),這兩級(jí)保護(hù)可實(shí)現(xiàn) 控制,而3根樁腿上的6個(gè)液壓馬達(dá)為剛性同步,在液壓源失效時(shí)平臺(tái)或樁腿安全停留在原位置,作 即6個(gè)馬達(dá)并聯(lián),靠樁腿或平臺(tái)的質(zhì)量即馬達(dá)的負(fù)用順序?yàn)槭紫绕胶忾y塊起作用,若失效則比例閥塊 荷實(shí)現(xiàn)同步.起作用.系統(tǒng)中設(shè)置了由液壓控制,彈簧剎車的盤 石油機(jī)械2004年第32卷第1O期 式剎車機(jī)構(gòu),一旦系統(tǒng)出現(xiàn)異常(如失電,超載, 超速等),將自動(dòng)剎車. ? 增加升降能力儲(chǔ)備,在單樁1臺(tái)馬達(dá)損壞時(shí) 仍能進(jìn)行平臺(tái)升降. 根據(jù)升降系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì),配置,部件選型及 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),參數(shù)確定如下: 樁腿導(dǎo)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(dá)運(yùn)行時(shí)機(jī)械效率,7,= O.94;液壓馬達(dá)啟動(dòng)機(jī)械效率,7=O.75;液壓馬 達(dá)容積效率叼,=O.97. 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分4種工況的計(jì)算結(jié)果(均為 馬達(dá)啟動(dòng)工況)見表1. 表1液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4種工況的計(jì)算結(jié)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(dá)的參數(shù)為:允許的最大壓 力44.13MPa;最高轉(zhuǎn)速為150r/min. 液壓泵以平臺(tái)正常升降時(shí)所需功率最大,而以 平臺(tái)在應(yīng)急升降和在1臺(tái)馬

17、達(dá)損壞時(shí)平臺(tái)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(tái)在正常舉升時(shí)主泵所需最大電動(dòng)機(jī)功率 Ⅳ=85kW,而輔油泵所需電動(dòng)機(jī)功率Ⅳ=20 kW,考慮泵效和聯(lián)軸器的效率,電動(dòng)機(jī)總功率為 I12kW,同步轉(zhuǎn)速為I500r/min. 勝利作業(yè)3號(hào)平臺(tái)于2002年6月投產(chǎn)以來,平 臺(tái)移位多次,系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好.平臺(tái)在實(shí)際升降 作業(yè)時(shí),現(xiàn)場(chǎng)所顯示的結(jié)果基本與上述計(jì)算相同. 結(jié)束語 通過對(duì)勝利作業(yè)三號(hào)平臺(tái)升降系統(tǒng)的齒輪

18、齒條 液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究,設(shè)計(jì)與計(jì)算,可以看 出,該套系統(tǒng)在性能指標(biāo)等方面完全滿足設(shè)計(jì)要 求,其設(shè)計(jì)思路,設(shè)計(jì)中所采取的提高系統(tǒng)可靠性 措施,設(shè)計(jì)參數(shù)的選取等對(duì)于平臺(tái)的設(shè)計(jì),制造及 今后的使用和管理都具有一定的指導(dǎo)意義,對(duì)類似 系統(tǒng)的設(shè)計(jì),分析計(jì)算具有一定的參考價(jià)值. 參考文獻(xiàn) 1馬志良,羅德濤.近海移動(dòng)式平臺(tái).北京:海洋出版 社,1993:10一l2 2蔡文彥,詹永麒.液壓傳動(dòng)系統(tǒng).上海:上海交通大學(xué) 出版社,1989:118—150 3孫桓.機(jī)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(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1993

19、:14～29 (本文編輯王志權(quán)) 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(bào)導(dǎo)國(guó)內(nèi)外最新石油天然氣鉆井和固井工藝技術(shù),油氣田開發(fā)與開 采技術(shù),油氣田鉆井和開采機(jī)械裝備技術(shù),油氣田化學(xué)工藝技術(shù)的研究與應(yīng)用成果和油氣生產(chǎn),科研,地質(zhì)勘探,科技工 作的最新動(dòng)態(tài). 本刊主要欄目有:鉆井工藝,開采工藝,鉆采機(jī)械,油田化學(xué),修井工藝,地質(zhì)勘探,生產(chǎn)線上,鉆栗工藝講座和科 技簡(jiǎn)訊等. <鉆采工藝>雜志已人選:全國(guó)中文核心期刊;美國(guó)石油文摘數(shù)據(jù)庫(kù)重點(diǎn)收錄期刊;中國(guó)學(xué)術(shù)期刊評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)源 期刊;中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)全文收錄期刊;中國(guó)石油文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)全文收錄期刊.本刊為雙月刊,單月20日出版,全國(guó)各郵 政局訂閱,亦可向本刊編輯部直接訂閱(免郵寄費(fèi)). 刊號(hào):ISSN1006--768X(國(guó)際),CN51—1177/TE(國(guó)內(nèi))郵發(fā)代號(hào):62—42 定價(jià):全年6期共6O.OO元,國(guó)內(nèi)1O元/冊(cè) 開戶單位:四川石油管理局鉆采工藝技術(shù)研究院開戶行:建行廣漢市支行帳號(hào):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(yíng)承攬各類廣告,歡迎來函或電話咨詢.