自升式钻井平台桩腿锁紧齿条的力学分析

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1、石油机械一36一CHINAPETROLEUMMACHINERY2010年第38卷第10期●设计计算自升式钻井平台桩腿锁紧齿条的力学分析马邦勇张海云陈欣张树宝(海洋石油工程股份有限公司)摘要为了得到自升式钻井平台桩腿锁紧齿条各个齿牙上载荷分布规律，对锁紧状态下齿条啮合受力情况进行分析，同时对单个齿牙不同部位的应力情况进行分析对比。结果表明，自升式钻井平台锁紧状态下锁紧齿条各个齿牙的受载是不均匀的，啮合段两端齿牙承载要大于中段齿牙的承载；由于应力集中等因素的影响，单个齿牙不同部位的承载也是不均匀的，齿根受压侧部位应力最大，齿根受拉侧和齿面

2、上的应力较小；可以通过改变齿条齿牙的压力角、节距等参数以及齿根倒圆半径来改善齿条不同齿牙承载不均匀现象，同时可以解决齿根的应力集中问题。关键词自升式钻井平台桩腿锁紧齿条应力力学分析都完成上述操作后，整个钻井平台就锁紧在3条桩0引言腿的齿条上。随着海洋石油工业的飞速发展，各种形式的钻井平台蓬勃兴起。白升式钻井平台在深海钻采工程中占据举足轻重的地位¨-3]。自升式钻井平台由于其稳定性好，运移性好，适用水较深以及经济性好的特点而被广泛应用。桩腿锁紧装置是为了提高平台在风暴条件下的自存能力而设计的装置，其通过锁紧齿条与桩腿齿条啮合进行锁紧，来

3、保证平台在设计载荷作用下的安全性。因此桩腿锁紧齿条是自升式钻井平台上很关键的部件，其性能的优劣直接图1桩腿锁紧装置结构示意图关系到工程的成败。笔者拟在此对锁紧状态下齿条1一底部螺杆装置；2-锁紧齿条；3一侧向啮合受力情况进行分析，以便得到锁紧齿条上的载油缸；4一顶部螺杆装置；5一桩腿齿条。荷分布规律，为今后锁紧齿条的设计提供一些1．2锁紧状态下锁紧齿条的轴向载荷分布指导在锁紧状态下，锁紧齿条上承受的上部载荷由相互啮合的齿牙分担，要研究该状态下锁紧齿条载1锁紧状态下锁紧齿条的受力分析荷的分布情况，首先分析锁紧齿条轴向载荷的分布情况。1．

4、1自升式钻井平台桩腿锁紧装置图2所示为受轴向力F作用下的齿条啮合的自升式钻井平台一般有9套桩腿锁紧装置，分轴向力分布示意图。取图中最下端一齿的啮合处为布于3条桩腿的9个主齿条上。桩腿锁紧装置安装坐标原点，以锁紧齿条为研究对象，将各齿上分担于围井内提升装置和桩腿下导板之间的船体短梁的力简化为集中力，则有：上，以此为基础可以从桩腿齿条两侧对桩腿进行锁H紧。锁紧装置结构如图1所示。通过操作顶部和底，=F1++⋯+F=∑F(1)部螺杆装置以及辅助的侧向油缸，可以将桩腿锁紧式中n——啮合齿数；块嵌入桩腿齿条，并固定。待全船的9套锁紧装置F——第

5、n个齿受到的力，N。2010年第38卷第10期马邦勇等：自升式钻井平台桩腿锁紧齿条的力学分析齿条啮合的变形协调方程。齿条的弹性变形如图3所示。在轴向力F的作用下，锁紧齿条本体和桩腿齿条本体均产生拉应鐾0+与L互L2图2齿条啮合轴向力的分布示意图假设在力作用下，位置处齿条垂直截面上l的轴向力为F()，锁紧齿条坐标处垂直截面上图3齿条的弹性变形示意图的轴向力为F()，则有：1一锁紧齿条；2一桩腿齿条。F()=F一(F／口+Fl+／+⋯+F)=力和拉伸变形，6和6为锁紧齿条本体和桩腿齿nx／pF一∑F=∑F(2)条本体的变形量(以后用脚注b

6、代表锁紧齿条本体，用脚注P代表桩腿齿条本体)。齿牙在侧面法式中p——齿条的节距。向力的作用下，产生弯曲、剪切和牙根位移等变另外，根据作用力和反作用力的关系可知：形，6和为锁紧齿和桩腿齿的总变形量，其中F()=F—F()(3)(0)和6。(0)表示在=0处的变形量，6如果取F()对的导数为q()，即()和6。()表示在=处的变形量，根据变q()=dF()／dx形协调条件，应满足q()称为轴向力分布强度，是单位啮合长+6()+6(0)+(0)=度上的轴向力。于是在啮合长度的齿条上有：+66()+6()+6()F=g()d(4)整理后写成6

7、()一6()=F()=q()d(5)分布在某一齿上的轴向力为：[6()+6()]一[6(0)+6(0)](8)，+P位置处，锁紧齿条本体和桩腿齿条本体的变=Ig()dx(6)形量分别为：由上式可知，只要求出q()，即可求出每一齿上的力。6()=Jcd(9)设单位长度上锁紧齿条单位面积齿面侧面的法向作用力为P()，对于齿条来说，P()和qJ=l(10)()存在以下关系：位置的齿牙上，锁紧齿牙和桩腿齿牙的变形P()=q()／(BHcosje)(7)量分别为：式中——压力角，(。)；6m()=P()pA／E^(11)曰——齿条厚度，m；6(

8、)=P()pA／E，，(12)一齿高，m。式中E、E——锁紧齿条和桩腿齿条材料的弹性1．3锁紧状态下锁紧齿条的变形分析模量，Pa；啮合的齿条在承受载荷时除了因齿牙弯曲而产、——锁紧齿条本体和桩腿齿条本体的生的挠曲外，还有