一种基于BHCP 400自升式钻井平台的锁紧系统研究

陆 洋，杨立东，徐晓波，乔 环

（1. 渤海装备辽河重工有限公司，辽宁 盘锦 124000；2. 盘锦凯瑞能源有限公司，辽宁 盘锦 124000）

一种基于BHCP 400自升式钻井平台的锁紧系统研究

陆 洋1，杨立东2，徐晓波1，乔 环1

（1. 渤海装备辽河重工有限公司，辽宁 盘锦 124000；2. 盘锦凯瑞能源有限公司，辽宁 盘锦 124000）

锁紧装置是自升式钻井平台高度定位以及负载转移过程中的核心部件，其结构强度对于平台的作业运转至关重要。根据中国船级社（China Classification Society，CCS）的设计规范，建立钻井平台锁紧装置结构模型并对其进行合理的简化处理。以有限元软件Abaqus作为分析平台，对锁紧装置在极端载荷工况下进行强度分析，得到锁紧装置各关键部件的应力及变形云图，分析结果可为锁紧装置的进一步优化提供可靠的参考依据。

钻井平台；锁紧装置；有限元软件

0 引 言

目前全球船厂有187座钻井平台正在建造，包括117座自升式钻井平台、40艘钻井船、21座半潜式钻井平台和9座辅助钻井平台，其中共有65座自升式钻井平台由中国船厂建造，这些平台的固桩方式均采用齿条锁紧装置。锁紧装置的采购市场几乎被国外厂家垄断，不但价格昂贵且售后服务不便，因此锁紧装置的国产化势在必行。随着近年来国内海洋工程业的发展，加之国家对能源安全的重视，促使国内一些企业及研究机构陆续投入资金和人力研发该类产品［1-2］。自主设计研发自升式钻井平台锁紧装置，对于突破钻井平台核心装置领域的瓶颈，打破国外企业的行业垄断具有重要意义。该套锁紧装置是基于渤海装备辽河重工BHCP 400自升式钻井平台研发设计的，平台的锁紧系统共由9套锁紧单元组成，其中平台3个桩腿的每个弦管各有一套锁紧单元，每个桩腿配备一个液压站与独立的电气控制系统。该套锁紧装置锁紧齿条与桩腿齿条对接咬合过程中，将液压驱动锁紧齿条的推进方式改为机械方式，从而减少电控元件在锁紧和解锁中的报警故障率，提升了锁紧装置的安全系数。

图1 锁紧装置简化示意

1 锁紧装置组成与工作原理

1.1 锁紧装置组成

锁紧装置是在自升式钻井平台作业及拖航过程中将平台主体与桩腿进行相对位置固定的装置。随着对海洋工程及钻井工程安全性的要求逐步提升，锁紧装置已被多数自升式钻井平台采纳，成为平台不可缺少的配套部件。锁紧装置的作用在于当平台主体在升降系统的提升过程中达到钻井作业高度时，通过连接在锁紧齿条上的液压支杠将锁紧齿条逐步推进嵌入到桩腿齿条中并与之完全啮合，随后借助螺杆等有自锁特性的机构对锁紧齿条进行机械式自锁固定，实现平台主体在桩腿上的固定。在锁紧与解锁过程中，通常采用与升降系统联动进行负载转移，也有通过装置自身加装的超高压液压缸进行负载转移达到锁紧与解锁的目的。

该锁紧装置在结构形式上去除了与锁紧齿条相连接的液压支杠，减少液控原件，改为机械滑道式的结构，通过上下传动杆的提升，在楔块斜面的导向槽产生水平分力，将锁紧齿条推进嵌入到桩腿齿条中，在承载力和安全性方面都有较大的提升和改进。锁紧装置的整体钢架采用拼接式结构，内部零件采取锻、铸结合的工艺方式［3］。该锁紧装置达到了结构强度要求，并通过船级社的相关认证，达到了预期的设计目的；同时，为相关零部件的研发设计提供了真实可信的参考数据。图1为锁紧装置的简化示意图。

1.2 锁紧装置工作原理

锁紧系统的主要职能就是在锁紧、解锁过程中通过与升降系统的联动实现负载转移，最终将平台的质量从升降系统逐渐转移到锁紧系统。

在锁紧过程中，先通过液压站驱动液压马达带动传动杆，由传动杆将转动转化为垂直方向直线运动，分别推动楔块通过楔块斜面挤压锁紧齿条，使得锁紧齿条沿楔块斜面的滑动中产生水平方向移动，当锁紧齿条齿顶与桩腿齿条板接触时，通过液压系统逻辑控制判断运动方向，通过控制系统使驱动传动杆的液压马达产生差速运动，使锁紧齿条沿桩腿齿条板齿槽方向移动实现相互啮合。在锁紧齿条与桩腿齿条板啮合后，升降系统的提升齿轮逐步释放扭矩实现负载转移，最终完成锁紧过程。

在解锁过程中，先通过升降系统提升齿轮向上提升，使提升齿轮逐步承担扭矩，直到将平台整体重量全部转移到升降系统后，由液压站驱动液压马达带动上传动杆和下传动杆通过楔块在垂直方向拉动锁紧齿条，使锁紧齿条沿楔块斜面滑动至水平方向上与桩腿齿条板完全脱开，最终完成解锁过程。

2 锁紧装置有限元分析

传统的强度计算已不能满足当前零部件结构的设计要求，因而在科技的发展过程中衍生出许多新方法和新手段。以有限元软件来构建所需的结构模型，以软件作为分析平台，完成分析过程中刚度矩阵及相关运算，此举速度快，且准确性高［4］。分析步骤可归纳如下：

2.1 结构离散化

整体在外部载荷的作用下，内部任一点的应力状态可由6个应力分量，，，，及表示，微观模型见图2。

图2 微六面体单元的力学模型

2.2 单元分析

单元内某点的应力、应变和位移间的关系如下。

1） 位移和应变间的关系

2） 应变和应力间的关系

3） 单元刚度方程

根据虚功原理建立单元刚度方程，单元节点力和节点位移间的关系即可在方程中显现出来。

2.3 整体分析

通过集成得到整体刚度方程，在此基础上进行整体结构分析。集成的原则是相邻单元间在共用节点处的位移也相同。

2.4 求解节点位移及单元的应变与应力

求解式（4），根据得出的节点位移，代入式（1）、式（2）并计算，即可得到相应单元节点的应变和应力。

3 锁紧装置有限元模型建立

在分析计算规则的允许范围内以及确保计算精度的前提下，将模型结构进行合理简化处理，以缩短分析运算时间［5］。分析过程中对锁紧系统内部关键零部件（如齿条等核心结构件）进行合理建模，桩腿齿条施加对称的固定约束方式，锁紧系统内部各零部件根据实际的接触情况建立各自的接触对，有限元模型见图3。

对400英尺自升式钻井平台锁紧装置核心部件进行强度分析，根据平台自生存风暴载荷工况，锁紧装置所受极端载荷为7.2×104kN。锁紧齿条和楔块的材质选为40CrNiMo，桩腿齿条采用A517Q，导轨架材料选为E550，有限元分析的单位是mm-N-MPa［6］，其属性见表1。

图3 锁紧系统有限元模型

表1 试验台材料基本属性

4 锁紧装置强度分析

根据《海上移动平台入级规范》，取材料的局部安全系数 γm= 1.1。有限元分析结果见图4和图5。

图4 锁紧齿条应力云图

图5 楔块应力云图

由图4可知，锁紧齿条与各部件接触的棱角区域出现了应力集中，此区域并非接触过程中的重要承载区域，对零件的使用失效无直接影响，锁紧齿条最大应力值可取为 720MPa，材料许用应力为 800MPa，安全系数为1.11。

由图5可知，集中加载造成了MPC捆绑点附近区域的应力集中，此情况根据规范要求可做适当简化处理，楔块应力值可取为720MPa，材料许用应力为800MPa，安全系数为1.11。

5 结 语

以400英尺自升式钻井平台锁紧装置作为参考基础，以此建立锁紧装置有限元分析模型，对核心部件进行强度分析计算。该套锁紧装置将锁紧齿条推进方式改为机械滑道式结构，通过上下传动杆的提升在楔块斜面的导向槽产生水平分力，将锁紧齿条嵌入到桩腿齿条中，此结构增加了锁紧装置的安全可靠性。

1） 在施加极限载荷状态下，锁紧装置核心部件可以满足承载需求，达到了锁紧装置最初的使用要求；

2） 通过有限元软件对锁紧装置各核心部件的校核验算，得到了锁紧齿条与楔块的受力分析云图，并直观地显示出应力值，为设计人员对锁紧装置的认识和优化提供了可靠依据。

［1］ 刘茜，南传立，万淑敏. 基于有限元分析的压实机压实效果研究［J］. 天津大学学报，2004， 37 （6）： 501-504.

［2］ 李永超，孙雪荣. 自升式钻井平台桩靴结构强度分析［J］. 船舶与海洋工程，2014 （3）： 10-14.

［3］ 夏盛来，何景武. 基于工程应用的有限元网格划分研究［J］.飞机设计，2008， 28 （4）： 10-13.

［4］ 董梅. 有限元法在结构件强度分析中的应用［J］. 指挥控制与仿真，2007， 29 （4）： 114-117.

［5］ 平安，甘娥忠，于亚婷. 有限元法—原理、建模及应用［M］. 北京：国防工业出版社，2004.

［6］ 马爱军，周传月，王旭. Patran和Nastran有限元分析专业教程［M］. 北京：清华大学出版社，2005.

Research on the Locking System Based on BHCP 400 Jack-up Drilling Platform

LU Yang1，YANG Li-dong2，XU Xiao-bo1，QIAO Huan1

（1. China Petroleum Liaohe Equipment Company， Panjin 124010， China；2. Panjin KaiRui Energy Co. Ltd.， Panjin 124010， China）

Locking device is the core component for the height determination and load transfer of a jack-up drilling platform. Therefore its structural strength is very important for the operation of the platform. The structure model of the locking device is established and reasonable simplified according to the design rules of China Classification Society （CCS）， where the stress and deformation of the key parts of the locking device are analyzed with the finite element software Abaqus used as the analysis platform. The results provide a reliable reference for the further optimization of the locking device.

drilling platform； locking device； finite element software

TE953

A

2095-4069 （2016） 04-0019-04

10.14056/j.cnki.naoe.2016.04.005

2015-08-12

中国石油天然气集团公司科技研发项目（Y-14M000502）

陆洋，男，工程师，硕士，1984年生。2013年毕业于东北石油大学机械工程专业，现主要从事陆地钻机及海洋钻机部件的研究工作。