自升式海洋平台齿轮齿条升降系统的研究

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自升式海洋平台齿轮齿条升降系统的研究 自升式海洋平台齿轮齿条升降系统的研究 自升式海洋平台齿轮齿条升降系统的研究 2004年第32卷第l0期石油机械CHINAPETROLEUMMACHINERY.I设计计算自升式海洋平台齿轮齿条升降系统的研究孙永泰(胜利石油管理局钻井工艺研究院)摘要以胜利作业3号平台升降系统为研究对象,提出了齿轮齿条式升降系统的总体设计思路;针对海洋平台升降系统的设计要点,对齿轮齿条式升降系统中的液压动力驱动系统分4种工况进行了升降系统液压原理设计,分析,参数确定和计算,并提出了确保系统安全可靠性的多项保护措施.其设计思想,设计中所采用的方法,参数确定方法及计算分析所得出的结论,对平台的设计,制造和管理具有一定的指导意义,对类似系统的设计,分析计算具有一定的参考价值.关键词自升式平台齿轮齿条升降系统动力驱动系统液压系统引言在用于海洋石油开发的各种海洋平台及其他海洋构筑物中,自升式平台比较适合于浅海区域,具有用钢量少,造价低,水上完井,在各种海况下几乎都能持续作业和效率高等优点,因此,在国内外海洋勘探和开发中,特别是在近海海洋石油开发中发挥了巨大的作用….升降系统作为自升式平台中的关键部分,在平台的设计制造中历来受到高度重视,其性能的优劣直接影响平台的安全和使用效果.自升式平台的升降系统大致分为两大类: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.缺点是齿轮齿条式价格贵,制造难度大.由于海洋环境条件相对比较恶劣,平台升降所需时间的长短对平台安全性也就显得比较重要,同时可减少平台就位费用,因此新造的自升式平台多采用齿轮齿条升降方式.齿轮齿条升降系统构成所谓齿轮齿条升降系统,就是在平台的每根桩腿上设置几根齿条,对应于每根齿条上设置几个小齿轮,齿条及其对应小齿轮数量根据平台所要求的举升能力和平台总体要求加以确定.动力通过桩边马达驱动齿轮减速箱,然后传递给与齿条啮合的小齿轮,从而带动平台的升降.齿轮齿条式升降系统由动力驱动系统,动力传递系统(主要包括齿轮齿条及相应的减速机构)和平台升降控制系统等3大部分组成.动力驱动系统为升降系统中最易发生故障的部分,是平台升降设计的关键点和难点,设计上将涉及各桩腿间同步,同一桩腿上的各个马达的同步,回路设计,载荷设置,安全保护,启动与刹车及控制,驱动能力和相关参数的设计选取等.齿轮齿条式升降系统从动力驱动上有液压驱动和电驱动两种方式.液压驱动就是通过液压站及相应阀件带动液压马达,而液压马达通过驱动齿轮箱带动小齿轮,从而使平台或桩腿完成升降动作;电驱动是直接通过电马达驱动齿轮箱带动小齿轮,而使平台或桩腿完成升降动作.两种方式相比较各有利弊.(1)就升降能力而言,两种升降方式在设计上均能达到平台在各种工况下所要求的基本技术指标,但液压驱动有如下特点:①液压系统本身具有一定的弹性.再通过在系统中附加蓄能器,使系统在启动和停止时具有一定的减震性能,而无须增加其他的减震措施;②易于调节速度,通过设置双速?孙永泰,高级工程师,生于1965年,1987年毕业于上海交通大学机械工程系.现从事海洋工程研究与设计工作.地址:(257017)山东省东营市.电话:(0546)8783673.(收稿日期:2003一l2—21)石油机械2004年第32卷第1O期液压马达,可使升降系统针对不同的载荷采用不同的速度,这样便节省了平台升降的时间;③ 采用大扭矩,低转速的液压马达可减小减速箱的传动比,从而减小其尺寸和造价.(2)从操作方式及故障率来看,两种升降方式均要设置集中控制台和桩边控制台,集中控制台内设置PLC进行控制作业,均可实现所有桩腿同时控制和手动单桩控制及紧急制动.但液压驱动相对电驱动故障率较高,故液压驱动必须设置专家诊断系统.(3)液压驱动需设置液压站,而电驱动不需要.综合液压驱动与电驱动两种方式各自的优缺点,采取其中任何一种方式都可以.笔者在此将结合胜利作业3号平台升降系统研究液压驱动的齿轮齿条升降系统.动力驱动系统研究胜利作业3号平台属于齿轮齿条升降的3腿自升式修井作业平台,钢质非自航.由平台主体,桩腿(带桩靴)和升降系统3部分组成.平台主体平面接近三角形,3根圆柱形桩腿布置在艏,艉.平台的主要任务是对水深5—25m范围内的油井进行修井作业.平台每根桩腿上设置2根齿条,对应每根齿条上配备3个小齿轮;这样每根桩腿上共有6个小齿轮,6个小齿轮同步动作带动平台或桩腿工作;每个小齿轮由1个液压马达通过对应的行星减速箱来带动;平台通过固桩架传力于齿轮箱上的小齿轮,小齿轮通过与桩腿上的齿条啮合传力于桩腿;平台上设1个液压站,1个集中控制台和3个桩边控制台以及马达控制中心,液压动力控制单元等.1.升降系统主要技术参数平台正常举升力/腿:9000kN;平台应急举升力/腿:10800kN;平台预压载荷/腿:13200kN;平台最大提升速度(在正常载荷条件下):0.3m/min;平台应急提升速度:0.1m/min;最大放桩速度(正常载荷下):0.6m/min;升降频率:每个星期升降1次,升和降的距离均为18m;小齿轮参数:齿数7,模数75/I111”1,压力角27..2.参数确定原则该平台最大提升速度(在正常的载荷条件下)定为0.3m/min基于以下因素:由于平台升降系统在工况恶劣的海上作业,平台升降及移位必须在风速小于12m/s,波高小于0.5m,海流流速小于1.285m/s等条件下进行,这种好天气通常持续时间较短.在多数情况下,平台自1个井位完成降平台,升起桩腿,拖航至下一井位,并完成平台放桩,定位,升平台,通常应在12h内完成,这样就要求升降速度越快越好;但该系统属于大型重载系统,要有高的安全可靠性.随着升降速度的提高,平台围井区结构强度,桩腿结构强度,动力传递系统强度及驱动能力等将成倍增长,造价亦会提高,因此,平台升降速度应根据其作业环境及使用要求进行确定.平台应急提升速度为0.1m/min,应包括两种情况:一是在平台某一桩腿上的l套齿轮传递系统或马达损坏而又必须进行平台升降;二是平台未卸载而进行平台升降,此时升降能力要求大,因此应计算而定.最大放桩速度为0.6m/min,既充分利用系统的潜能,同时又考虑了平台就位时的工况需求.3.升降系统液压原理液压系统的主要功能是为整套升降系统提供动力,图1为升降系统液压原理图.设计分为主油路系统,辅助油路系统和增压油路系统.(1)主油路系统该系统主要包括1个油箱,3台主泵,3套带载/卸载模块,3套主油路控制模块和l8台液压马达等.油箱上装有液位开关(控制低油位和最低油位),油温调节器(调节油的低温,最低温,高温和最高温度),呼气阀,加热器,液位测量尺和检查用人孔盖.3台主泵分别对应于3根桩腿装在油箱上,以减小所占的空间,平台和桩腿的升降速度将由伺服阀控制泵来实现, 输入至泵和伺服阀各处的压力,由相应的压力开关检测,泵供油至带载/卸载模块和液压马达.3台泵并联,互为备用,保障即使在1台泵损坏的情况下,另2台泵仍能提供平台以相对小的速度进行普通升降所需的动力.所有的主泵在无负载时以低压力运行.3套带载和卸载阀块装在液压站中,每1阀块用于1根桩腿,阀块的作用是保护主泵不致过压.3套主油路控制模块分别用于控制3根桩腿,每个模块分别用于控制特定桩腿上的6台马达.每个模块包括:1个伺服比例换向阀用于控制平台或桩腿的运动方向及动作速度;2个平衡阀用于锁定桩腿和平台的质量及稳定其动作速度;1个2004年第32卷第lO期孙永泰:自升式海洋平台齿轮齿条升降系统的研究一25一安全阀;4个单向阀;2个压力传感器和各种压力开关用于检测压力.图1齿轮齿条升降系统液压原理图在整套主油路系统中,3个桩腿的相对速度由为确保平台升降安全,可靠,设计中采用了多比例换向阀来控制,每根桩腿上的6个马达油路并种安全保护措施:联,由桩腿和平台围井区上的导向机构保持其刚性?3台主泵并联互为备用,在1台甚至2台损同步.坏的情况下,仍能保证以相对慢的速度升降.辅助(2)辅助油路系统辅助油路系统包括3台先油路中3台并联的先导泵,亦互为备用,确保了为导泵,3套刹车和速度选择模块及3个蓄能器等.主油路,刹车及速度转换提供动力,增强了平台脱3台先导泵并联,互为备用,每个先导泵配置离危险状况的能力.1个溢流阀,用于调定泵的压力.?在控制上设置1个集控台和3个桩边控制每1根桩腿都有相应的刹车控制和速度选择模台,在集控台上设自动控制与手动控制,一旦集控块,这些模块包括刹车用换向阀,马达速度选择用台失灵则可在桩边控制台上操作平台升降.同时设方向控制阀,刹车时控制速度用的单向阀和测试刹置了6种操作模式:为液压油加热,使整个系统的车释放压力的压力开关.3套蓄能器在液压源出现油温达到系统安全运行的水平;升降桩腿,有手动故障时仍可保证主油路工作.和自动两种程序操作,用于白海底升起桩腿或放桩(3)增压油路系统增压油路系统用于给主油腿至海底;提升平台脱离水面和下放平台到水面;路,辅助油路提供一定压力的液压油,同时还可为释放因长时间刹车而引起的应力;确保平台升降时整套系统的液压油进行加热和冷却,它包括2台喂在正常的载荷范围内;在升降前均提示诸如压载舱油泵,滤油器,溢流阀,截止阀及压力测量开关等.是否排空等方面的信息.在控制系统中整套液压系统的3根桩腿的运动?通过液压系统中的平衡阀块实现刹车的一级速度,由3套主油路控制模块上的比例换向阀分别保护,比例阀块实现二级保护,这两级保护可实现控制,而3根桩腿上的6个液压马达为刚性同步,在液压源失效时平台或桩腿安全停留在原位置,作即6个马达并联,靠桩腿或平台的质量即马达的负用顺序为首先平衡阀块起作用,若失效则比例阀块荷实现同步.起作用.系统中设置了由液压控制,弹簧刹车的盘石油机械2004年第32卷第1O期式刹车机构,一旦系统出现异常(如失电,超载,超速等),将自动刹车.?增加升降能力储备,在单桩1台马达损坏时仍能进行平台升降.根据升降系统的总体设计,配置,部件选型及经验数据,参数确定如下:桩腿导向效率叼.=O.9;齿条与齿轮啮合效率,7=O.92;齿轮轴承效率,73=O.98;行星减速器效率,7.=O.94;液压马达运行时机械效率,7,=O.94;液压马达启动机械效率,7=O.75;液压马达容积效率叼,=O.97.液压驱动系统分4种工况的计算结果(均为马达启动工况)见表1.表1液压驱动系统4种工况的计算结果种工况挚熹蔓.泵M压P力a(L泵.流ml量n-t事根据表中4种工况,可选MS1l一2Dll—All一2Al0—5000型马达的参数为:允许的最大压力44.13MPa;最高转速为150r/min.液压泵以平台正常升降时所需功率最大,而以平台在应急升降和在1台马达损坏时平台升降所需压力最高,考虑上述综合因素,可选用PVK—l40一AlUV—LDFY—P—INN/Hl50SN—BL型变量泵,其参数为:最大排量为141mL/r;额定压力35MPa;最大压力40MPa.平台在正常举升时主泵所需最大电动机功率Ⅳ=85kW,而辅油泵所需电动机功率Ⅳ =20kW,考虑泵效和联轴器的效率,电动机总功率为I12kW,同步转速为I500r/min.胜利作业3号平台于2002年6月投产以来,平台移位多次,系统运行状况良好.平台在实际升降作业时,现场所显示的结果基本与上述计算相同.结束语通过对胜利作业三号平台升降系统的齿轮齿条液压动力驱动系统的研究,设计与计算,可以看出,该套系统在性能指标等方面完全满足设计要求,其设计思路,设计中所采取的提高系统可靠性措施,设计参数的选取等对于平台的设计,制造及今后的使用和管理都具有一定的指导意义,对类似系统的设计,分析计算具有一定的参考价值.参考文献1马志良,罗德涛.近海移动式平台.北京:海洋出版社,1993:10一l22蔡文彦,詹永麒.液压传动系统.上海:上海交通大学出版社,1989:118—1503孙桓.机械原理.北京:高等教育出版社,1985:290—3414雷天觉.液压工程手册.北京:机械工业出版社,1993:14～29(本文编辑王志权)欢皿订阅《钻采工艺》杂志(双月刊)<钻采工艺>杂志(双月刊)创刊于1978年.主要报导国内外最新石油天然气钻井和固井工艺技术,油气田开发与开采技术,油气田钻井和开采机械装备技术,油气田化学工艺技术的研究与应用成果和油气生产,科研,地质勘探,科技工作的最新动态.本刊主要栏目有:钻井工艺,开采工艺,钻采机械,油田化学,修井工艺,地质勘探,生产线上,钻栗工艺讲座和科技简讯等.<钻采工艺>杂志已人选:全国中文核心期刊;美国石油文摘数据库重点收录期刊;中国学术期刊评价数据库统计源期刊;中国期刊全文数据库全文收录期刊;中国石油文献数据库全文收录期刊.本刊为双月刊,单月20日出版,全国各邮政局订阅,亦可向本刊编辑部直接订阅(免邮寄费).刊号:ISSN1006--768X(国际),CN51—1177/TE(国内)邮发代号:62—42定价:全年6期共6O.OO元,国内1O元/册开户单位:四川石油管理局钻采工艺技术研究院开户行:建行广汉市支行帐号:26103628本刊地址:(618300)四JiI省广汉市香港路<钻采工艺》编辑部电话传真:(0838)5100175,5151384电子信箱:zcgy2288@sina.com本刊常年兼营承揽各类广告,欢迎来函或电话咨询.