自升式钻井平台锁紧装置的研究分析

王壮荣

（太原重工工程技术有限公司， 山西 太原 030024）

自升式钻井平台锁紧装置的研究分析

王壮荣

（太原重工工程技术有限公司， 山西 太原 030024）

通过对自升式海洋钻井平台锁紧系统的国内外发展现状的调研，学习国外先进技术，重点对锁紧装置的结构进行了细致分析，对锁紧装置机械结构进行了有限元分析，在锁紧状态下对齿条进行力学计算。力争通过本次研发能够加快对自升式钻井平台一些关键设备的研究。

钻井平台 锁紧系统 齿条

锁紧装置在开始的自升式钻井平台上是没有的，主要由升降系统来支撑钻井平台，随着钻井平台钻井深度的不断加深，对钻井平台的安全可靠性要求不断提高。为提高平台的抗风暴能力，在后续的钻井平台设计中，安装了锁紧装置。目前锁紧装置的开发制造主要还是掌握在国外一些知名设计公司手中，比如 F&G，MSC，NOV，KeppelEELS，BakerMarine等公司。国内悉数也有几家在研究开发，但是应用还不是很广泛。因此自主研制和生产工程船舶与平台使用的锁紧系统就显得尤为重要，突破锁紧机构的设计制造关键技术和控制关键技术，为推动我国海洋油气勘探开发事业提供技术支持。

本文将综合考虑锁紧装置的功能可靠性及结构简单性，基于锁紧机构的功能及工作原理，建立锁紧系统力学模型，分析锁紧齿条在锁紧状态下的轴向载荷分布、齿条变形及齿牙应力，研究改善锁紧状态下锁紧齿条的受力状况[1]。

1 自升式钻井平台锁紧系统的结构组成

自升式钻井平台的主体结构由平台船体、桩腿、升降锁紧系统、钻井装置、甲板机械、以及生活楼和直升机平台等组成。平台在每条桩腿穿过主船体的位置处设置了1个固桩架。固桩架为升降及锁紧装置的支撑结构，由3个升降基础和锁紧基础之间的横梁及撑杆组成。该基础与船体纵横向舱壁连接，将载荷合理地传到主船体。详细结构如图1、图2所示[2]。

图1 平台布置图

图2 锁紧安装结构图

2 锁紧系统的详细布置

自升式钻井平台全船一共有9组锁紧装置。在整个平台、船艏、船艉左、船艉右各分布有一桩腿，每个桩腿布置有3个弦管，每个弦管布置有1套锁紧装置。每套完整的锁紧装置包含左和右两部分的锁紧机械装置装在连接到船体结构的固桩架中。每条桩腿有1套液压泵站（HPU）和1套桩边操作箱，1个平台共提供3套HPU和3套桩边操作箱。锁紧系统控制系统安装在中控室，在每个弦管旁边有1个当地控制台，全船一共9个。中控室可以转换中央控制和当地控制，操作员可以在当地操作锁紧和升降系统，通过控制升降系统使平台上升和下降。通过升降系统的扭矩传感器来控制负荷转移程度，从而完成锁紧系统和升降系统的负荷转移。

3 锁紧系统结构说明

锁紧装置包括2个上螺杆驱动装置（左，右）、2个上楔块（左，右）、2个锁紧齿条（左，右）、2个油缸（左，右）、2个下楔块（左，右）、2个螺杆驱动装置（左，右），详细结构如图3所示。

图3 锁紧装置结构图

4 锁紧装置结构特点

锁紧装置啮合锁紧齿条采用6个锁紧齿，最大限度降低主齿条的单齿负荷。设计中经过严格计算和试验机验证，可保证达到设计的承载要求。锁紧齿条使用高强度钢，锻造毛坯制造，通过热处理将材料屈服强度控制在具有很高的强度及低温韧性[3]。

采用上下楔形块锁紧结构，利用楔形块的特点，承受锁紧时产生水平分力，在垂直方向锁紧的同时，即完成了水平方向的锁紧操作。因此整个装置只有上下2副螺母、螺杆机构，通过调整螺杆机构的进退，即可实现锁紧及解锁。

螺杆机构的额定静承载能力为4 000 Mt/套，最大静承载能力为8 000 Mt/套，除可以承受最大风暴载荷外，还可以在拖航时有足够的桩腿承载能力与抗风载荷能力。

螺杆的伸缩，是通过液压马达驱动螺母旋转产生，蜗轮与螺母为一体设计，具有质量轻、扭矩大、结构简单、性能可靠、传动效率稳定等优点。

5 有限元计算模型

桩腿锁紧系统是自升式海洋钻井平台上极其关键的部件，其性能的优劣直接关系到海工设备性能的好坏及其成败。因此对其强度进行有限元分析非常有意义（在本文中，坐标系中V、W、X方向分别代表实际的 X、Y、Z 方向）[4]。

根据锁紧装置的功能和要求，锁紧系统整体结构主要由上部螺杆传动装置、楔块、水平啮合油缸、垂直定位油缸、顶部螺旋锁紧机、楔形小齿条和桩腿弦杆长齿条等部分组成。按照锁紧装置各部件图纸，在Solidworks中进行精确建模。再采用20节点Solid186单元对三维实体模型进行网格划分，模型网格均采用六面体，网格划分如图4所示。

图4 锁紧装置有限元模型

在锁紧装置各部件接触部位设定接触面，接触类型为摩擦，摩擦系数为0.15。由于锁紧装置具有对称性，为减小计算量，采用二分之一的模型进行有限元分析，因此在对称面上施加对称约束；在顶部螺旋锁紧机上端面沿Y负向施加36 260 000 N的力，在桩腿弦杆长齿条下部施加固定约束，并限制楔块后座和锁紧齿块下端面X和Z方向位移（见下页图5），而Y方向可以自由移动。

根据建立的模型划分网格并设置相关参数和边界条件后，对其进行求解。求解完毕后，查看锁紧装置等效应力分布结果，如图5所示。由于主要关注锁紧齿块和楔形后座的强度，下面单独查看这两部分的等效应力。

图5 锁紧装置等效应力分布云图

锁紧齿块等效应力云图如图6，最大值为1 154 MPa，属于应力集中现象，位于锁紧齿块和楔块接触部位。由于楔形块可相对周围零件滑动，并且实际中会有圆角，不会出现严重应力集中现象。对于自升式平台锁紧齿块，齿根部位的弯曲应力至关重要，接触部位较为次要，因此提取齿根部位的等效应力。

图6 锁紧齿块齿根弯曲应力分布云图

由图6可知，锁紧齿块各个齿根弯曲受力并不均匀，等效应力最大值为838.5 MPa，材料屈服极限为950 MPa，满足设计要求。

6 结语

本文研究了三桩腿自升式海洋钻井平台的构成，基于自升式海洋钻井平台的工作及功能原理，完成了应用于自升式海洋钻井平台锁紧系统的结构设计，并进行了三维建模，对锁紧齿条进行了有限元分析，对传动部分进行了kisssoft计算。通过本文研究，基本具备了锁紧系统的自主开发能力。系统地完成了项目的研发，但是由于我国海工领域的研究较晚，尤其是一些关键设备，所以后续的深入研究还需继续。

随着我国对较深海域油气资源的进一步的开发，对深水自升式钻井平台的需求将进一步的增加，而锁紧系统以及锁定系统作为新一代平台不可缺少的关键设备，以及海洋风电安装平台的关键设备，其市场容量将有增无减。因此，对自升式钻井平台锁紧系统研发、制造很有现实意义，该项目的预期经济效益将非常明显。

[1] 上海振华重工（集团）股份有限公司.自升式工程平台及其锁紧装置：200920075042.6[P].2010-05-12.

[2] 张圣坤.固定式海洋平台的可靠性分析[J].海洋工程，1985，3（2）：24.

[3] 中国船级社.综合安全评估应用指南[M].北京:化学工业出版社，1999.

[4] 曹宇光，张卿，张士华.自升式平台齿轮齿条强度有限元分析[J].中国石油大学学报，2010（6）：120-124.

（编辑：苗运平）

Analysis and Research on the Rack Lock System of the Jack-up Drilling Platform

Wang Zhuangrong
（Taiyuan Heavy Industry Engineering Technology Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030024）

Through the research of the development of rack lock system in jack-up offshore drilling platform,foreign advanced technology is studied and the structure of the rack lock system is analyzed in detail.The mechanical structure of rack lock device is analyzed by finite element method.And the mechanical calculation of the rack is carried out under the locking state.This paper strives to accelerate the research and development of some key equipment of the jack-up drilling platform.

drilling platform,rack lock system,rack

TH137.7

A

1672-1152（2017）04-0038-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.15

2017-07-21

王壮荣（1983—），男，毕业于哈肥工业大学，现就业于太原重工工程技术有限公司，研究方向：机械设计。