钻井平台圆柱形桩腿维护装置设计

曹士峰（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）



钻井平台圆柱形桩腿维护装置设计

曹士峰
（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）

摘要：桩腿是海洋石油钻井平台重要组成部件，它承担着平台所有的载荷，每条桩腿通常承载几千吨的重量。同时，钻井平台的升降需要通过焊接在桩腿的齿条传动来实现。海洋石油钻井平台长期作业在海洋环境气候中，而且受频繁拖航以及身处海水飞溅区的影响，加剧了桩腿腐蚀，影响平台使用寿命。为钻井平台升降平台便利，以及更便利地维护保养桩腿，本文重点研究设计一套桩腿维护装置，来满足平台使用要求。

关键词：桩腿维护装置起升机构检修平台 支撑机构

0　引言

海洋钻井平台桩腿有桁架和圆柱形两种结构形式， 本文研究设计圆柱形桩腿维护装置既可以方便平台喷冲管线的连接，也可以通过操作维护装置自由升降及对桩腿进行除锈刷漆工作。而且便于对桩腿顶部的设施进行维修。

本文选取直径3.5米、桩腿长度73米的圆柱形桩腿为例，重点介绍桩腿维护装置的结构设计。维护装置基本设计参数及总体示意图如下。

2　起升机构设计

2.1 确定传动方案，选择滑轮组

按照构造宜紧凑的原则,决定采用多层缠绕卷筒。按起重量Q=0.5t，维护平台重量G0=1.5t，两台卷扬机提升机构，滑轮组倍率ih=1，因而承载绳分支数为 Z=2ih=2。

2.2 选择钢丝绳

滑轮组采用滚动轴承，ih=2,得滑轮组效率η=0.99。

钢丝绳所受最大拉力:

根据要求卷扬机钢丝绳安全系数n=9，钢丝绳计算破断拉力Sb：Sb=n×Smax=9×9.91=89.19 kN

建议选用光面钢丝，直径15 mm，钢丝绳最小破断拉力[Sb]=225 kN满足要求。

图1　总体示意图

2.3 确定卷筒尺寸,转速及滑轮直径

卷筒和滑轮的最小卷绕直径D0：D0min≥h×d式中，h—表示与机构工作级别和钢丝绳结构的有关系数（查得：卷筒h1=20;滑轮h2=24）；

卷筒最小卷绕直径:

滑轮最小卷绕直径:

考虑起升机构布置卷筒总长度不宜太长，定滑轮直径取400 mm,卷筒直径取D=400mm。卷筒长度：

取L=770 mm。

式中，H—起升高度;d —钢丝绳直径;D —卷筒直径;n —钢丝绳缠绕层数 。

2.4 计算起升静功率

式中，Pj—静功率；η—起升时总机械效率（η取值0.85）；Q—设计额定载荷重量；

G0—检修平台总重量；g—重力加速度；vn—检修平台起升速度。

2.5 初选电动机

电动机计算功率

式中 ，PJC—JC值时的功率（JC指通电持续率）；G—稳态负载平均系数，根据工作级别G取值1。

选用电动机型号为PDYZP132S-A，PJC=3 kW，nJC=960 r/min，电机质量80 kg，飞轮转矩GD²=0.0525 kg.m²。

电动机转速：

式中，nd—在起升载荷满载作用下电动机转速；n0—电动机同步转速；PJC,nJC—电动机在JC值时额定功率和额定转速。

卷筒转速：

卷筒轴输出扭矩：

起升机构减速器按静功率Pj选取，根据Pj=1.924 kW，nd=974 r/min，i =253.85，工作级别为M5，选定减速器为LTK4F5-250。减速器许用功率额定输出扭矩11000 Nm。

具体包含兽药、植物调节剂等农业投入品污染，兽药与农产品残留为主要污染。尤其是剧毒农药的利用，不但让植物性农产品直接损害人体健康，还会被当作饲料在动物体内同其他兽药一同堆积，对社会公众健康影响极大。

2.7 结论

综上所述卷扬机选用的钢丝绳直径为：φ15 mm；电动机型号为：PDYZP132S-A，PJC=3 kW，nJC=960 r/min；减速器型号为：LTK4F5-250；卷筒直径为φ400 mm；换向滑轮直径φ400 mm。

3　维修平台设计

3.1 计算说明

改设计为载重500Kg维修平台，计算采用的标准为：《起重机设计规范-- GB/T3811-2008》和《起重机械安全规程--GB6067.1-2010》。维修平台主要钢结构件采用碳素结构钢Q235和型钢制造，根据GB/T3811-2008标准，碳素结构钢Q235在各载荷组合A1情况下静强度计算的许用应力为下表。

表1　维护装置基本设计参数

表2　计算的许用应力

表3　碳素结构钢Q235的物理性能

本计算采用的主要工具为ANSYS Workbench14.5版有限元分析程序，采用的单元类型为ANSYS中的shell63板单元、MASS21质量单元等。

3.2 有限元模型图

3.3 载荷及计算工况

3.3.1 载荷

工作级别：A4；平台总重：1500 kg；额定起重量：500 kg；载荷重力加速度：9.8066 m/s2。

3.3.2 计算工况

根据GB6067.1-2010，起重机械安全规程 第一部分：总则3.6.4b）的要求，维修平台需承受4500 N/m2的均布载荷。

3.3.3 载荷和约束

约束：在四个吊耳位置加载固定约束；均布载荷：在花纹板上表面施加4500 N/m2均布载荷；自重载荷：在整个模型结构中加载自重载荷。

3.3.4 载荷和约束图

图2　有限元模型图

3.4 静强度计算

整体Von Mises等效应力云图如下：

应力最大点出现在维护平台底架与立柱连接处，σmax=112.7Mpa ＜ 175 Mpa，在此工况下维护平台静强度满足GB6067.1-2010，起重机械安全规程 第一部分：总则3.6.4b）的要求。

3.5 静钢度计算

整体Total Deformention位移云图如下：

在花纹板空当最大处出现最大变形量，fmax=2.3628 mm＜3mm，在此工况下维护平台静刚度满足设计要求。

图3　载荷和约束图

图4　整体 Total Deformention位移云图

4　支撑机构计算

4.1 计算说明

本计算书载重量为500 kg维护平台金属结构计算说明书。计算采用的标准为：1.GB/T3811-2008，起重机设计规范2.GB6067.1-2010，起重机械安全规程。强度计算的许用值和碳素结构钢Q235的物理性能参考本文3.1项。本计算采用的主要工具为ANSYS Workbench14.5版有限元分析程序，采用的单元类型为ANSYS中的shell63板单元、MASS21质量单元等。

图5　简化后的力学模型

4.2 有限元模型图

为方便计算将模型进行简化处理，将模型中的梯子，螺栓组及缓冲轮胎等进行消隐。简化后的力学模型如图5。

4.3 载荷及计算工况

工作级别：A4；平台总重：1500 kg；额定起重量：500 kg；载荷重力加速度：9.8066 m/s2。

存放支架要承载自身的自重载荷、额定起重量载荷和维修平台自重载荷的作用力。考虑到载荷的不均匀分布，设定载荷不均匀分布系数为2.1。

4.3.3 载荷和约束

约束：在六个支腿地脚位置加载固定约束；均布载荷：在支架平面上表面施加20601N载荷；自重载荷：在整个模型结构中加载自重载荷。

5　结束语

本文对圆柱形结构钻井平台桩腿维护装置的设计进行了详细说明，此设计产品对未采取外加电流、牺牲阴极的海洋钻井平台有很重要的借鉴意义。桩腿维护装置既方便平台拖航拔桩时喷冲管线的快速连接，又方便桩腿顶部设施的日常修理，同时还有利于桩腿防腐工作的开展。

图6　载荷和约束图

参考文件：

[1] 梁晓玲.海上自升式钻井平台升降控制系统设计与研究.2010.

[2] 《起重机设计规范- GB/T3811-2008》.

[3] 《机械设计手册》.北京机械工业出版社,2010.

[4] 《起重机械安全规程-GB6067.1-2010》.

Design of Maintenance Device for Unit Cylindrical Legs of Drilling Platform

Cao Shifeng
（Energy Development Co.,Ltd.CNOOC,Tianjin 300452,China）

Abstract:Legs are important offshore oil drilling platform components,which bear all the load of the platform.Each leg usually carries thousands of tons of weight,lifting the drilling platform by rack gears welded in the legs.Offshore oil rigs are operated in the marine environment of long-term climate,and subject to frequent towage and Language seawater splash zone,exacerbating the leg corrosion,affecting the life of the platform.In order to lift platform and to maintenance leg more conveniently,this paper focuses on the design of a leg maintain means to meet the platform requirements.

Keywords:leg maintenance device;access platform;support mechanism

作者简介：曹士峰（1982-）,男，工程师。研究方向:设备管理。

收稿日期：2015-09-09

中图分类号：TE242

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）01-0013-05