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平台锁紧机构载荷的有限元分析

发布于:2018-05-01 21:52
有限元分析

       自升式平台是海洋石油勘探、开采以及油田服务的重要工程装备。在石油资源日益枯竭的今天,更加突显出开发研究自升式平台的重要性。升降和锁紧系统是自升式平台的关键部件,起调节和固定桩腿与船体相对位置的作用。升降系统主要用于插桩、拔桩、升船、降船、预压载等调节桩腿和平台相对位置的工况;锁紧系统主要用于拖航、钻井作业以及风暴自存等固定桩腿和船体相对位置的工况。锁紧系统可靠与否直接影响到平台的安全和使用效果,对其进行载荷计算和有限元分析是设计新平台锁紧机构的基础和必要条件。
       自升式平台刚出现时候,并没有锁紧系统,升降系统同时起调节和固定桩腿与船体相对位置的作用,完成平台升降、预压载、插拔桩、钻井作业和风暴自存等工况。随着齿轮齿条传动的升降系统被自升式平台采用,自升式平台的应用也逐步向深海区发展,平台体的体积和重量越来越大,对升降系统的要求也就越来越高。为了提高平台作业的安全性,增大作业范围,保护升降系统,由此开发出锁紧系统,也就是用于保持自升式平台在升起状态和(或)在平台漂浮状态时锁紧固定平台体与桩腿的机械系统。锁紧系统主要包括独立的动力源、控制系统和机械锁紧装置,是在自升式平台或桩腿升起后,使用传动机构将锁紧装置的齿条与桩腿齿条啮合固定,在平台和桩腿之间建立刚性连接,随后将作用在升降装置上的平台重量及环境、作业载荷部分或全部转移到锁紧装置。锁紧系统在拖航工况下主要承担桩腿重量,在钻井作业、风暴自存工况下主要承担船体重量,使得升降机构在拖航、钻井作业以及风暴自存工况下不承担载荷,以达到保护重载齿轮轴和齿轮箱,延长其使用寿命,大幅提高平台在风暴自存工况下的安全性和可靠性的目的。目前,锁紧机构主要有两种实现形式。
       图中所示锁紧机构主要应用在JU2000系列平台上。其工作原理是:左右两个锁紧单元水平方向上的螺旋升降机丝杆伸出,分别将两个六齿楔块推人齿条板齿槽并与之啮合,然后垂直方向上的螺旋升降机丝杆伸出顶住齿形楔块,使船体和桩腿的齿条形成固定连接。螺旋升降机通过液压马达驱动,且具有自锁功能。当所有的螺旋升降机和齿形楔块都移动到位以后,平台载荷依旧由升降机构的重载齿轮轴承担,为了将载荷从升降机构转移到锁紧机构上来,需要通过多次瞬时释放升降系统的刹车片,或者通过断续给升降电动机脉冲信号,逐步将平台载荷转移到锁紧机构上,这样做的目的是减轻载荷转移时对桩腿以及船体产生的冲击。在实施解锁操作时,首先通过多次给升降电动机传递脉冲信号的方式,将载荷逐步转移给升降机构,而当锁紧机构不再承担平台载荷后,分别收回螺旋升降机丝杆,再由楔块回收油缸将楔块牵拉回初始位置,用楔块安全插销将齿形楔块固定在固桩架上以防止因误操作对楔块和齿条造成的损害,至此完成解锁操作。
       图中所示锁紧机构是CJ46系列平台锁紧机构的改进形式,其工作原理如下:在锁紧操作时,先通过侧向水平油缸和上、下部的螺杆组件推动齿形楔块与齿条板啮合,并进行预夹紧。预夹紧工序完成后,启动液压系统中的高压系统,通过上部油缸推动顶部楔块下行,紧紧抵住齿形楔块,直到油缸产生的总推力大于船体总重量,将平台载荷部分由升降机构转移到油缸上。启动上部螺杆组件,使螺杆向下伸出与顶部楔块接触。油缸缓慢卸压,将载荷逐渐加载到顶部螺杆上,完成载荷转移。此时,船体的重量经过固桩架、上部螺杆组件、楔块、齿形楔块传递到桩腿齿条上。进行解锁操作时,升降机构的刹车装置处于制动状态,启动上部油缸,使油缸产生的总推力大于船体的重量,平台载荷大部分由上部螺杆转移到油缸上,回收上部螺杆,由油缸承担所有载荷。然后液压系统缓慢泄压,使顶部油缸上的载荷逐步转移到升降机构上,完成解锁操作。
       第一种锁紧机构较多使用在JU2000系列(400英尺)钻井平台上,也是比较常用的一种锁紧方式。其优点主要有:锁紧机构比较简单,液压系统为单回路中压系统,维护方便。其缺点为:在载荷转移过程中会产生较大噪音,冲击较大,升降电动机刹车片迅速磨损。另外,在齿形楔块与齿条板之间、螺旋升降机螺杆与螺母之间容易出现卡死现象。第二种锁紧机构是CJ系列平台(300英尺-450英尺)锁紧机构的改进形式。CJ系列平台(300英尺-450英尺)锁紧机构是电机驱动,而改进后变为液压驱动。这种锁紧方式优点是:具有动态载荷转移的功能,通过油缸对楔块加压,使锁紧机构能主动转移升降机构的载荷,且载荷转移非常平稳,噪音较小,能够较大程度上消除卡死现象。另外,锁紧与解锁过程用时较短,能够节约时间成本。缺点是:需增加一套高压系统,液压系统变得复杂。

 

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