黎劍波

（中海油服股份有限公司，河北 燕郊 065200）①

世界上第一波海洋鉆井平臺(tái)建造高潮開(kāi)始于20世紀(jì)70年代末，至今大多營(yíng)運(yùn)超過(guò)30a。在惡劣的海洋環(huán)境條件下，處于長(zhǎng)期使用條件下的升降裝置零部件存在不同程度的磨損（例如，電機(jī)尾部的剎車(chē)機(jī)構(gòu)磨損、高速齒輪箱的箱體裂紋、齒輪箱中的齒輪磨損、爬升齒輪與樁腿齒輪的磨損等），對(duì)自升式鉆井平臺(tái)整體安全構(gòu)成了威脅［1－4］。

升降傳動(dòng)裝置是平臺(tái)的核心裝備，也是大型成套裝備，1個(gè)平臺(tái)少則安裝36臺(tái)套，多則48或54臺(tái)套，造價(jià)昂貴，維修成本也高。它們與樁腿齒條、固樁架，乃至整個(gè)船體相互關(guān)聯(lián)，運(yùn)行、承載條件特殊、復(fù)雜，可謂牽一發(fā)而動(dòng)全身。因此，對(duì)升降裝置進(jìn)行全面、有效的技術(shù)評(píng)估已經(jīng)迫在眉睫。本文以某型號(hào)的齒輪齒條升降裝置為例，對(duì)評(píng)估檢查方法進(jìn)行研究。

1 升降裝置系統(tǒng)組成

升降裝置系統(tǒng)的組成包括：高速輸入端的升降電機(jī)及升降電機(jī)尾部的剎車(chē)、一級(jí)高速齒輪箱、二級(jí)中速齒輪箱、三級(jí)低速齒輪箱及輸出端的爬升齒輪（7齒）。該型號(hào)升降裝置的總減速比達(dá)到了8 786，其原理如圖1所示。升降裝置除了要承擔(dān)平臺(tái)自身的重力外，還要承受風(fēng)和波流作用在船體、樁腿和平臺(tái)設(shè)備上的環(huán)境載荷及橫向重心偏移而產(chǎn)生的額外垂直載荷。同時(shí)，在設(shè)計(jì)上要求具有一定安全冗余度，即每個(gè)樁腿中的1套升降裝置失效后仍能滿足正常升降平臺(tái)的要求。典型的升降裝置齒輪損傷形貌如圖2所示。

圖1 某升降系統(tǒng)原理

圖2 某損傷的齒輪

2 評(píng)估方法

2.1 測(cè)繪及損傷情況收集

利用鉆井平臺(tái)特檢修理的機(jī)會(huì)，抽取批量的升降裝置解體拆檢，同時(shí)對(duì)拆檢下來(lái)的零部件進(jìn)行測(cè)量、探傷、記錄。例如，對(duì)某個(gè)自升式鉆井平臺(tái)的總共36套升降裝置中的11套進(jìn)行全面拆檢，將一級(jí)齒輪箱、二級(jí)齒輪箱拆下來(lái)解體、檢查。由于全面解體檢查的升降裝置約占該鉆井平臺(tái)36套原裝升降裝置的1／3，涉及的檢查范圍較廣，能獲取足夠多的信息以及損傷樣本。期間對(duì)升降裝置中的各級(jí)齒輪、軸承、軸、電機(jī)、剎車(chē)、齒輪箱本體及齒條都進(jìn)行了認(rèn)真檢查。通過(guò)大規(guī)模的拆檢、檢查、測(cè)繪，取得了大量的第一手檢測(cè)數(shù)據(jù)、照片和一些樣品、報(bào)告、資料。對(duì)自升式鉆井平臺(tái)超過(guò)30a后的使用狀態(tài)和損傷情況有了基本了解。

2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算分析

針對(duì)不同的情況采取下列不同的應(yīng)對(duì)形式：

1）由于一級(jí)齒輪箱齒輪的齒廓、圓周速度、載荷、幾何精度、重合度等指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T3480—1997《漸開(kāi)線圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法》，因此可以用該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。

2）對(duì)二級(jí)齒輪箱和三級(jí)齒輪箱內(nèi)的齒輪副、爬升齒輪，分別利用二維和三維實(shí)體有限元技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)模型計(jì)算，根據(jù)升降裝置的傳動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)型式確定有限元計(jì)算模型的邊界條件。

3）齒輪箱箱體、主體結(jié)構(gòu)則使用常規(guī)有限元技術(shù)，建立有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度分析。

2.3 剩余強(qiáng)度分析

升降裝置在常期運(yùn)轉(zhuǎn)后，會(huì)出現(xiàn)各種各樣的損傷，從對(duì)收集的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來(lái)看，其損傷的形式表現(xiàn)為：剎車(chē)磨損、剎車(chē)機(jī)構(gòu)失效、齒輪箱裂紋、軸承磨損、齒輪磨損、齒輪塑性變形、齒輪齒面點(diǎn)蝕、齒輪齒面微裂紋等。對(duì)于剎車(chē)、齒輪箱、軸承的損傷，只要判定了其不能再繼續(xù)使用則可以通過(guò)零配件更換來(lái)解決；而對(duì)于齒輪，如果只要出現(xiàn)磨損或塑性變形、點(diǎn)蝕、微裂紋，就要進(jìn)行更換，則可能造成成本上的不經(jīng)濟(jì)性。

因此，利用有限元技術(shù)對(duì)齒厚減薄損傷狀態(tài)下的齒輪強(qiáng)度進(jìn)行建模計(jì)算，分析其能承受的極限減薄量值，可為制訂齒輪損傷的判斷依據(jù)提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

2.4 復(fù)核有限元計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)該升降裝置的測(cè)繪及分析，結(jié)合其工作狀態(tài)與使用情況，基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中齒輪彎曲應(yīng)力計(jì)算模型，結(jié)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論，同時(shí)參考多年使用及維護(hù)方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，建立了新的切合實(shí)際需求的核算方法。利用該方法對(duì)相關(guān)零部件進(jìn)行了再次的核算，并將結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，互相驗(yàn)證。

3 新評(píng)估方法的重點(diǎn)考慮因素

3.1 強(qiáng)度分析中的關(guān)鍵要素

齒輪因?yàn)榻佑|強(qiáng)度不足而出現(xiàn)局部點(diǎn)蝕損傷時(shí)，不會(huì)給整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全性帶來(lái)明顯影響；齒輪接觸磨損過(guò)程相對(duì)較長(zhǎng)，可通過(guò)有效的日常檢測(cè)和維護(hù)避免齒輪發(fā)生嚴(yán)重磨損。因此，升降裝置傳動(dòng)件設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)接觸疲勞強(qiáng)度可靠度的要求相對(duì)較低。當(dāng)升降裝置傳動(dòng)齒輪作為支撐件時(shí)，工作狀態(tài)為靜態(tài)，其強(qiáng)度安全性設(shè)計(jì)應(yīng)按照靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論進(jìn)行。為了保證升降裝置傳動(dòng)件能夠提供可靠支撐性能，要求升降裝置齒輪具有足夠強(qiáng)的抗彎曲疲勞和抗彎曲變形能力，需對(duì)其彎曲強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)分析。

由金屬材料性能和熱處理工藝可知，材料硬度高對(duì)提高齒輪抗接觸疲勞能力有利，但是高硬度多對(duì)應(yīng)低韌性，從而會(huì)降低齒輪的抗彎曲疲勞性能，因?yàn)楦哂捕缺砻嫒菀桩a(chǎn)生接觸疲勞裂紋，誘發(fā)脆性斷齒。因此，從材料性能設(shè)計(jì)角度需要綜合選擇齒輪材料和齒面硬度，既不能太硬又不能太軟，需兼顧齒輪耐接觸磨損性能和抗彎曲疲勞能力。

3.2 安全余量的考慮

升降裝置傳動(dòng)齒輪可靠度指標(biāo)是通過(guò)齒輪彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)和接觸強(qiáng)度安全系數(shù)來(lái)反映的，這是目前機(jī)械設(shè)計(jì)通常采用的方法。盡管安全系數(shù)并不能完全反應(yīng)齒輪機(jī)械強(qiáng)度可靠度的高低，但由于齒輪設(shè)計(jì)中各參數(shù)統(tǒng)計(jì)特性匱乏，目前仍將各設(shè)計(jì)參數(shù)按照確定值處理，仍沿用強(qiáng)度安全系數(shù)作為判據(jù)，通過(guò)選取適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)來(lái)保證升降裝置中傳動(dòng)齒輪的工作可靠度。考慮到計(jì)算方法、模型與實(shí)際情況的差異，為保證希望的可靠度，要求計(jì)算應(yīng)力具有一定的安全余量。

3.3 超出常規(guī)齒輪設(shè)計(jì)范圍的參數(shù)選定

根據(jù)目前國(guó)際上鉆井平臺(tái)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)、制造和服役實(shí)際狀況，當(dāng)前升降裝置中的齒輪、齒條模數(shù)較大，超出常規(guī)齒輪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)中強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式適用的規(guī)定模數(shù)范圍。升降裝置中的齒輪、齒條等零部件加工制造工藝也與其他工業(yè)齒輪不相同。因此，需根據(jù)工程實(shí)際情況建立理論分析模型，或采用數(shù)值分析方法對(duì)齒輪齒條的強(qiáng)度問(wèn)題進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

升降裝置齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)按照目前掌握的資料來(lái)看，其傳動(dòng)類(lèi)型可概括為“輸入端轉(zhuǎn)速高、相對(duì)低載；輸出端轉(zhuǎn)速低、承載重”。因此，在建立計(jì)算模型時(shí)，要考慮按照實(shí)際傳動(dòng)類(lèi)型選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)算方法。根據(jù)海洋鉆井平臺(tái)營(yíng)運(yùn)作業(yè)特點(diǎn)，易知平臺(tái)每年的升降次數(shù)比較有限，要求的升降裝置疲勞壽命（載荷循環(huán)次數(shù)）也是有限的（尤其是爬升齒輪，每年的運(yùn)轉(zhuǎn)周數(shù)很少）。因此，爬升齒輪和前級(jí)傳動(dòng)齒輪的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)宜采用有限壽命設(shè)計(jì)理論。

3.4 計(jì)算工況的選擇［5－6］

通過(guò)對(duì)海洋鉆井平臺(tái)升降裝置營(yíng)運(yùn)分析發(fā)現(xiàn)，其承載情況包括：①將鉆井平臺(tái)從水面爬升到離水面一定高度的工作狀態(tài)；②在工作狀態(tài)下維持靜止；③抵抗外界環(huán)境條件的附加力以及海洋鉆井平臺(tái)正常營(yíng)運(yùn)的載荷。在遇到極限風(fēng)暴，例如中國(guó)北方海域的寒潮、南方海域的臺(tái)風(fēng)的時(shí)候，需要抵抗因極限風(fēng)暴產(chǎn)生的額外載荷。這3種情況中，爬升期間是齒輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以稱(chēng)之為額定提升工況；抵抗極限風(fēng)暴情況是齒輪靜止?fàn)顟B(tài)，可以稱(chēng)之為風(fēng)暴自存工況。因此，計(jì)算工況主要有額定提升工況和風(fēng)暴自存工況。額定提升工況對(duì)升降裝置中的齒輪傳動(dòng)零件進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算。風(fēng)暴自存工況下齒輪、齒條等只承擔(dān)靜力支撐作用，只需要對(duì)升降裝置中的齒輪、齒條等傳動(dòng)零件進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。

3.5 齒輪齒厚減薄后彎曲強(qiáng)度計(jì)算方法［7］

齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后，齒面磨損會(huì)使齒厚減薄，一方面造成傳動(dòng)性能下降，振動(dòng)沖擊加劇；另一方面還會(huì)一定程度上降低承載能力。不同工作環(huán)境和受力條件下的傳動(dòng)齒輪，其磨損程度和類(lèi)型也各不相同，確定磨損量的最佳方式是通過(guò)開(kāi)箱拆檢獲得齒輪各部位的磨損量。但受客觀現(xiàn)實(shí)條件所限，通過(guò)解體齒輪傳動(dòng)裝置測(cè)量實(shí)際磨損后的齒廓形狀和磨損量非常困難。因此，需要根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)和齒輪傳動(dòng)特性分析，考慮主要影響因素后對(duì)磨損齒廓進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。齒輪減薄后強(qiáng)度性能的下降直接通過(guò)承載彎曲應(yīng)力的截面變化來(lái)反映。因此，針對(duì)各級(jí)傳動(dòng)齒輪，在保證規(guī)定的安全系數(shù)情況下，通過(guò)減薄后的彎曲強(qiáng)度計(jì)算給出減薄量的推薦值。

4 實(shí)例分析

結(jié)合某海洋鉆井平臺(tái)的修理周期，展開(kāi)了從拆檢測(cè)繪到強(qiáng)度評(píng)估、判別的全套評(píng)估過(guò)程。評(píng)估程序?yàn)椋涸u(píng)估準(zhǔn)備與實(shí)施方案制定—現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)和檢測(cè)—資料收集—損傷原因分析—材質(zhì)性能檢測(cè)（必要時(shí)）—計(jì)算分析（必要時(shí)）—齒輪和齒條使用狀態(tài)檢驗(yàn)評(píng)估初步報(bào)告—內(nèi)部專(zhuān)家審核和檢驗(yàn)評(píng)估報(bào)告。

4.1 拆檢測(cè)繪

被選擇進(jìn)行評(píng)估的升降傳動(dòng)裝置由電機(jī)和剎車(chē)、一級(jí)齒輪箱、齒式聯(lián)軸器、二級(jí)齒輪箱、爬升齒輪組件、固樁架6大部件組成，如圖3所示。

圖3 升降系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)對(duì)該鉆井平臺(tái)的升降傳動(dòng)單元進(jìn)行的拆查、測(cè)繪，獲得損傷情況統(tǒng)計(jì)明細(xì)。表1為某級(jí)齒輪的損傷情況匯總。

表1 某級(jí)齒輪損傷情況匯總

4.2 資料收集

本次檢測(cè)評(píng)估按照預(yù)先制定的檢驗(yàn)評(píng)估思路的要求，收集到操作使用說(shuō)明書(shū)、拖航操作記錄、設(shè)備維修和備件更換記錄、馬達(dá)剎車(chē)典型故障案例，這些資料基本滿足了評(píng)估需要。

4.3 強(qiáng)度分析和評(píng)估

利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪數(shù)據(jù)及平臺(tái)相關(guān)資料，建立了該類(lèi)型鉆井平臺(tái)升降裝置的齒輪－齒條、齒輪－齒輪嚙合、齒輪箱體等完整的有限元模型，對(duì)各傳動(dòng)件和箱體采用有限單元法和名義應(yīng)力法進(jìn)行了額定提升工況下疲勞強(qiáng)度分析和風(fēng)暴載荷工況下的靜態(tài)支撐穩(wěn)定性分析。

以某8齒齒輪為例，針對(duì)額定載荷和風(fēng)暴載荷2種工況，建立8齒齒輪的二維和三維有限元分析模型。計(jì)算結(jié)果如表2所示，然后應(yīng)用名義應(yīng)力法計(jì)算程序［8］計(jì)算其他齒輪的齒根彎曲疲勞應(yīng)力。名義應(yīng)力法給出的額定提升載荷下齒輪彎曲疲勞應(yīng)力與單對(duì)齒嚙合外界點(diǎn)加載方式下的二維有限元計(jì)算結(jié)果的相對(duì)差異為－3%。因此，名義應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果與有限元結(jié)果吻合良好。

表2 8齒齒輪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述模型進(jìn)行修正，對(duì)磨損減薄后的齒輪件承載能力進(jìn)行了分析計(jì)算，給出了滿足強(qiáng)度安全裕度的齒厚最大減薄量，為是否要進(jìn)行更換或修理提供了技術(shù)依據(jù)。

按照額定載荷和風(fēng)暴載荷對(duì)該升降裝置傳動(dòng)齒輪的安全磨損量進(jìn)行了分析校核。假設(shè)疲勞壽命分別為450h和700h運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，減薄量估算基準(zhǔn)是危險(xiǎn)截面齒厚，允許減薄量是通過(guò)計(jì)算疲勞應(yīng)力并控制疲勞安全系數(shù)不低于某個(gè)水平時(shí)得到的，如表3所示。

表3 額定載荷各傳動(dòng)齒輪減薄量（安全系數(shù)＝1.25）

4.4 評(píng)估結(jié)果和建議

拆檢、測(cè)繪結(jié)果顯示：一級(jí)齒輪箱整體為較好狀態(tài)，僅個(gè)別齒輪和軸承存在輕微傷痕；二級(jí)齒輪箱12、17、76齒齒輪點(diǎn)蝕、磨損等損傷較為嚴(yán)重；8～40齒齒輪副為較好狀態(tài)；爬升7齒齒輪與齒條為較好狀態(tài)，損傷形式為少量的磨損、擦傷及塑性變形。

強(qiáng)度評(píng)估結(jié)果顯示：正常情況下，該鉆井平臺(tái)升降裝置各傳動(dòng)件在額定提升工況下具有足夠的抗疲勞破壞能力和足夠的抵抗風(fēng)暴載荷的能力。

同時(shí)針對(duì)12、17、76齒齒輪點(diǎn)蝕、磨損等損傷較為嚴(yán)重的情況，雖然依據(jù)剩余強(qiáng)度分析顯示尚不至于產(chǎn)生非常嚴(yán)重的后果（比如斷齒），但由于該類(lèi)損傷會(huì)導(dǎo)致升降裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的噪音增大、沖擊振動(dòng)等問(wèn)題，提出了盡快進(jìn)行修理和更換的建議。

5 結(jié)語(yǔ)

本文所述自升式鉆井平臺(tái)升降裝置評(píng)估方法的思路、技術(shù)路線及解決技術(shù)問(wèn)題的方法，在實(shí)踐過(guò)程中獲得了驗(yàn)證，證明該方法是可行、有效的。本評(píng)估方法的應(yīng)用研究對(duì)國(guó)內(nèi)在營(yíng)運(yùn)時(shí)間超過(guò)30a的海洋鉆井平臺(tái)升降裝置檢驗(yàn)評(píng)估方面的理論和技術(shù)具有一定的意義，有利于提高海洋鉆井平臺(tái)升降裝置保養(yǎng)、維修技術(shù)水平，可以有序地展開(kāi)針對(duì)性修理措施，延長(zhǎng)升降裝置的安全使用壽命。

［1］史永晉，劉 旭，趙澤茂.自存工況下自升式平臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（6）：15－21.

［2］任 杰，侯勇俊，張智亮.自升式平臺(tái)樁腿與巖土互作用研究進(jìn)展［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（1）：9－14.

［3］樊敦秋，崔希君，曹宇光.自升式平臺(tái)齒輪齒條升降系統(tǒng)受力分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（12）：27－30.

［4］任憲剛，李春第，楊紅敏.海洋自升式鉆井平臺(tái)樁靴研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（12）：18－22.

［5］美國(guó)船級(jí)社 ABS.Rules for Building and Classing－Mobile Offshore Drilling Units［S］.2008.

［6］中國(guó)船級(jí)社.海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2005.

［7］沈 鴻.機(jī)械工程手冊(cè)：機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)卷［K］.2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［8］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［K］.3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.