魏 卓， 李德堂,， 陳樹坤 ， 茍瀚儒， 劉文靜， 方懂平

(1.浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院， 浙江 舟山 316000；2.金海重工股份有限公司， 浙江 舟山 316291; 3.舟山巨洋技術(shù)開發(fā)有限公司， 浙江 舟山 316000)

0 引 言

21世紀(jì)將是海洋經(jīng)濟(jì)時(shí)代，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)[1]，90%的海底油氣資源都在大陸邊緣的近海區(qū)域，活動(dòng)式海洋鉆井平臺(tái)因其適宜在淺海進(jìn)行作業(yè)而得到廣泛使用。目前主要在海上使用的4種可移動(dòng)鉆井平臺(tái)分別是坐底式鉆井平臺(tái)、半潛式鉆井平臺(tái)、自升式鉆井平臺(tái)和鉆井船[2]。其中，自升式鉆井平臺(tái)是目前我國(guó)海洋石油開發(fā)中使用最多的一種鉆井平臺(tái)[4]。

自升式鉆井平臺(tái)的升降系統(tǒng)主要有2種：齒輪齒條式和液壓油缸頂升式。齒輪齒條式升降的優(yōu)點(diǎn)是升降速度快、操作簡(jiǎn)單、易對(duì)井位，缺點(diǎn)是齒輪齒條式升降設(shè)備價(jià)格貴、制造難度大。由于海洋環(huán)境條件比較復(fù)雜惡劣，平臺(tái)升降所需時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)平臺(tái)安全性至關(guān)重要, 同時(shí)有效減少平臺(tái)的就位費(fèi)用，因此新造的自升式鉆井平臺(tái)多采用齒輪齒條升降方式[5]。在自升式平臺(tái)工作過(guò)程中，升降系統(tǒng)[6]不僅支撐平臺(tái)在復(fù)雜海洋環(huán)境下保持站立，還驅(qū)動(dòng)樁腿和平臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，作為平臺(tái)的最關(guān)鍵組成部分，其性能優(yōu)劣直接影響到石油開采的安全和效率。然而，目前國(guó)內(nèi)升降系統(tǒng)主要依賴進(jìn)口，關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)掌握在國(guó)外廠商手中，嚴(yán)重制約著我國(guó)海洋油氣的開發(fā)[7]。因此，對(duì)于自升式海洋鉆井平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究意義重大。

本文以金海重工股份有限公司建造的90 m自升式海洋平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)液壓升降系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，利用AMESim軟件對(duì)液壓升降系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并通過(guò)升降試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

1 90 m自升式海洋平臺(tái)升降系統(tǒng)

90 m自升式海洋平臺(tái)是專為近海工程提供鉆修井、完井、測(cè)井等輔助服務(wù)的海上油田作業(yè)平臺(tái)。該平臺(tái)總長(zhǎng)78.8 m，型寬40 m，型深5.8 m，作業(yè)水深60 m，配有雙舵槳系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)在開采區(qū)域自航。圖1為金海重工股份有限公司建造的90 m自升式海洋平臺(tái)。

圖1 90 m自升式平臺(tái)

1.1 平臺(tái)升降系統(tǒng)的工作原理及組成

平臺(tái)拖航至開采區(qū)域后，升降系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)樁腿向下運(yùn)動(dòng)插入至海底以支撐平臺(tái)，平臺(tái)穩(wěn)定后驅(qū)動(dòng)樁腿相對(duì)平臺(tái)向上運(yùn)動(dòng)，上升至海面以上一定高度以避免海浪沖擊，到達(dá)指定高度后鎖緊裝置鎖緊樁腿，使作業(yè)平臺(tái)能夠進(jìn)行安全的鉆井工作。根據(jù)平臺(tái)升降工況要求，設(shè)計(jì)的液壓升降系統(tǒng)主要包括單向定量泵、溢流閥、單向閥、電磁換向閥、平衡閥組、液壓電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器等，液壓電機(jī)的扭矩經(jīng)由行星減速機(jī)后傳到爬升小齒輪，通過(guò)爬升齒輪與鋪設(shè)在樁腿上的齒條的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與樁腿的升降操作。換向閥通過(guò)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)從而控制平臺(tái)或樁腿的升降。液壓系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)工作原理

平臺(tái)有4根圓筒形鋼質(zhì)樁腿，樁腿兩側(cè)安裝有兩列齒條，樁腿外側(cè)有導(dǎo)向。單樁配有14個(gè)升降單元，通過(guò)安裝框架與船體連接。升降單元的數(shù)量由平臺(tái)的設(shè)計(jì)載荷和舉升能力確定。每個(gè)升降單元包括1臺(tái)液壓電機(jī)及制動(dòng)器、平衡安全閥組、行星減速機(jī)、升降齒輪單元。升降單元通過(guò)螺栓安裝在安裝架上，通過(guò)調(diào)整上部和左側(cè)的楔形塊，實(shí)現(xiàn)安裝過(guò)程中調(diào)整升降單元的功能，同時(shí)升降單元安裝座安裝處有調(diào)整墊片，可補(bǔ)償由于磨損等引起的齒輪接觸不均勻。升降單元三維圖如圖3所示。

圖3 液壓升降單元

1.2 升降保護(hù)裝置

為使平臺(tái)能夠在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中保持穩(wěn)定，升降系統(tǒng)須提供比預(yù)壓載時(shí)更大的靜態(tài)風(fēng)暴保持力。驅(qū)動(dòng)單元始終承受平臺(tái)的重量載荷，為保證平臺(tái)穩(wěn)定，電機(jī)回路采用雙向平衡回路，并設(shè)計(jì)制動(dòng)器與平衡閥組。制動(dòng)器的位置設(shè)在液壓電機(jī)和減速機(jī)之間，若某個(gè)液壓電機(jī)出現(xiàn)故障后，驅(qū)動(dòng)單元的制動(dòng)依然可以依靠制動(dòng)器提供滿足風(fēng)暴載荷的制動(dòng)扭矩。制動(dòng)器的液壓油源從每個(gè)升降單元通過(guò)梭閥引入。其自動(dòng)釋放壓力設(shè)定除能提供足夠的制動(dòng)力外，還滿足了平衡閥開啟設(shè)計(jì)打開壓力值是制動(dòng)器設(shè)定自動(dòng)釋放壓力加上系統(tǒng)背壓的原則，保證了無(wú)論提升還是下降動(dòng)作，在平衡閥開啟前，完全打開制動(dòng)器，避免系統(tǒng)開啟油壓沒(méi)有建立起來(lái)時(shí)，隨著油壓增大制動(dòng)器突然打開產(chǎn)生危害。升降保護(hù)裝置原理如圖4所示。

2 90 m自升式海洋平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

90 m自升式海洋平臺(tái)液壓升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖4 升降保護(hù)裝置原理

單樁腿升降載荷/t樁腿額定升降速度/(m·min-1)平臺(tái)額定升船速度/(m·min-1)單樁腿預(yù)壓載升降載荷/t單樁腿風(fēng)暴鎖緊力/t平臺(tái)報(bào)警停機(jī)角度/(°)14001．50．6195028000．5

小齒輪的模數(shù)m=50，壓力角α=25°，齒數(shù)為10，減速比i為317，分度圓半徑為0.246 m。 由單樁腿最大提升力F為1 950 t，整個(gè)自升平臺(tái)的升降速度v設(shè)計(jì)為 0.6 m/min，可以得出功率H=Fv= 195 kW；由v=2πr·n得出對(duì)應(yīng)小齒輪轉(zhuǎn)速n為0.738 r/min，則減速機(jī)最大輸出扭矩T為

2.2 液壓系統(tǒng)工作參數(shù)計(jì)算

2.2.1 液壓電機(jī)

分析升降系統(tǒng)工況可知，預(yù)壓載時(shí)電機(jī)輸出扭矩及工作壓力最大，故選擇電機(jī)此工況時(shí)的參數(shù)計(jì)算。

(1) 電機(jī)扭矩

預(yù)壓載工況：已知預(yù)壓載時(shí)單個(gè)減速機(jī)所需扭矩T1為343 kN·m，減速機(jī)減速比i取317，減速機(jī)機(jī)械效率η取90%，則預(yù)壓載工況時(shí)，單個(gè)電機(jī)最大輸出扭矩為

t1=T1/(i×η)=1 198.4 N·m

(2) 電機(jī)排量

初選工作壓力P1為25 MPa，電機(jī)最大輸出扭矩計(jì)算公式為

(2)

已知預(yù)壓載工況時(shí)，單個(gè)電機(jī)最大輸出扭矩t1為1 198.4 N·m，取電機(jī)容積效率ηv為98%，電機(jī)機(jī)械效率ηm為92%，則電機(jī)最小排量為

(3)

(3) 電機(jī)選型

平臺(tái)升降時(shí)系統(tǒng)為高壓小流量，系統(tǒng)處于功率最大工況，樁腿升降時(shí)為低壓大流量，此時(shí)系統(tǒng)功率不足總功率一半，如果電機(jī)排量固定，則液壓系統(tǒng)總流量須基于樁腿升降速度計(jì)算，平臺(tái)升降時(shí)將有大部分流量富余，會(huì)帶來(lái)液壓泵、閥、管路等成本的增加。因此，結(jié)合實(shí)際工況及上述計(jì)算結(jié)果，查詢現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，選取SAI品牌雙變量電機(jī)BD 2-350/175。

(4) 所選電機(jī)參數(shù)

排量：Va347 mL/r～Vb173 mL/r;額定壓力： 25 MPa;峰值壓力： 36 MPa。

2.2.2 主液壓泵

(1) 電機(jī)轉(zhuǎn)速

平臺(tái)升降工況：已知平臺(tái)升降時(shí)減速機(jī)轉(zhuǎn)速V1為0.323 5 r/min，減速機(jī)減速比i為318，則平臺(tái)升降時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為

Va=V1×i=102.9 r/min(4)

樁腿升降工況：已知平臺(tái)升降時(shí)減速機(jī)轉(zhuǎn)速V2為0.776 2 r/min，減速機(jī)減速比i為318，則平臺(tái)升降時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為

Vb=V2×i=246.8 r/min(5)

(2) 實(shí)際需求流量

平臺(tái)升降工況：已知額定平臺(tái)升降速度為0.5 m/min，平臺(tái)升降時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速Va為102.9 r/min，電機(jī)排量va為347 mL/r，電機(jī)容積效率η1為98%，則平臺(tái)升降時(shí)所需最小流量為

樁腿升降工況：已知額定樁腿升降速度為1.2 m/min，平臺(tái)升降時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速Vb為246.8 r/min，電機(jī)排量va為173 mL/r，電機(jī)容積效率η2為98%，則平臺(tái)升降時(shí)所需最小流量為

(3) 液壓泵選型

根據(jù)計(jì)算出的系統(tǒng)最大實(shí)際需求流量，取泵容積效率η3為97%，則系統(tǒng)最小額定流量為

(8)

(4) 液壓泵參數(shù)

結(jié)合系統(tǒng)工作壓力及其他要求，查詢現(xiàn)有產(chǎn)品，結(jié)合系統(tǒng)工況需求，選取SAUER DANFOSS品牌H1P250規(guī)格電比例變量泵。液壓泵參數(shù)如表2所示。

表2 液壓泵參數(shù)

(5) 系統(tǒng)額定流量

已知液壓泵排量v為251.7 mL/r，選擇4級(jí)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速V為1 480 r/min，則系統(tǒng)額定流量為

Q=v×V×4=2 235 L/min(9)

滿足工況需求。

2.2.3 制動(dòng)器

分析系統(tǒng)工況及參數(shù)可知，樁腿風(fēng)暴鎖緊時(shí)制動(dòng)扭矩最大，此時(shí)減速機(jī)制動(dòng)扭矩T4為490 000 N·m，已知減速機(jī)減速比i為318，則制動(dòng)器最小制動(dòng)扭矩為

查詢現(xiàn)有產(chǎn)品，選擇SAI品牌F21D制動(dòng)器，其最大制動(dòng)扭矩為1 800 N·m，制動(dòng)壓力為3.5～6.0 MPa，制動(dòng)腔工作容積為ΔV=33 mL，滿足工況要求。

3 AMESim仿真

運(yùn)用AMESim軟件對(duì)系統(tǒng)仿真分析進(jìn)行系統(tǒng)建模、選擇子模型、設(shè)置參數(shù)、運(yùn)行仿真4個(gè)步驟，建模過(guò)程中可以忽略系統(tǒng)管道的影響[7]。因此，在不影響整體液壓系統(tǒng)性能的前提下，由于各個(gè)樁腿之間的液壓升降單元是并聯(lián)連接的，運(yùn)動(dòng)互不干涉，可將該平臺(tái)的液壓升降系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化(取單樁腿上的7個(gè)升降單元)，以便更好地分析。

3.1 液壓系統(tǒng)仿真模型

按照液壓升降系統(tǒng)的原理，利用仿真軟件AMESim液壓應(yīng)用庫(kù)HYD和HCD中的液壓元件模型塊建立系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

圖5 液壓系統(tǒng)仿真模型

3.2 AMESim仿真參數(shù)

AMESim仿真參數(shù)如表3所示。

表3 AMESim系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置

3.3 仿真分析

0 s時(shí)，信號(hào)輸入為+20，電磁閥左端接通，電機(jī)推動(dòng)平臺(tái)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，平臺(tái)處于上升工況。10 s內(nèi)上升位移為0.083 m，與0.5 m/min的預(yù)設(shè)升降速度相近，滿足需求。10～15 s時(shí)，信號(hào)輸入為0，電磁閥系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，平臺(tái)位移曲線呈直線，在平臺(tái)由上升變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)的過(guò)程中系統(tǒng)未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，表明系統(tǒng)平衡回路的鎖緊效果很好。15～25 s時(shí)，平臺(tái)處于下降工況。圖6為電磁換向閥控制信號(hào)，圖7為平臺(tái)升降位移。

圖6 電磁換向閥控制信號(hào)

圖7 平臺(tái)升降位移

如圖8所示：0～0.4 s內(nèi)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩迅速上升，表明系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快；0.5 s電機(jī)輸出扭矩達(dá)到最大值，0.5 s～10 s電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出扭矩處于穩(wěn)定狀態(tài)；電機(jī)最大輸出扭矩為1 404.52 N·m，大于計(jì)算書中要求的最大扭矩1 198.4 N·m；電機(jī)轉(zhuǎn)速為185.44 r/min，在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，選取的液壓電機(jī)的輸出扭矩可以滿足升降要求。

圖8 液壓電機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速

根據(jù)計(jì)算可知平臺(tái)在風(fēng)暴自存條件下所需的制動(dòng)扭矩最大，選型結(jié)果為制動(dòng)的最大制動(dòng)扭矩選擇為1 800 N·m，大于1 540 N·m，制動(dòng)壓力為10～60 bar。建立草圖模型如圖9所示，系統(tǒng)仿真得出曲線如圖10和圖11所示。

圖9 制動(dòng)器的仿真模型

圖10 制動(dòng)扭矩與控制壓力關(guān)系

圖11 制動(dòng)器完全開啟所需要的時(shí)間曲線

由圖10和圖11可知，在系統(tǒng)油壓還未建立，平衡閥未打開時(shí)，制動(dòng)器能在1 s內(nèi)打開，并提供最高的制動(dòng)扭矩1 800 N·m。其自動(dòng)釋放壓力設(shè)定除了能提供足夠的制動(dòng)力外，還滿足平衡閥開啟設(shè)計(jì)打開壓力值是制動(dòng)器設(shè)定自動(dòng)釋放壓力加上系統(tǒng)背壓的原則，保證了無(wú)論是提升還是下降動(dòng)作，在平衡閥開啟前，完全打開制動(dòng)器，從而滿足設(shè)計(jì)要求。

4 升降試驗(yàn)對(duì)比

平臺(tái)升降試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)90 m自升式鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)和樁腿結(jié)構(gòu)的安裝狀況及操作性能，試驗(yàn)將分為以下4個(gè)階段進(jìn)行。

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4.1 第1階段——最大預(yù)壓載

這一階段檢驗(yàn)平臺(tái)在最大預(yù)壓載狀態(tài)下升降系統(tǒng)的保持能力以及插樁區(qū)域地質(zhì)的負(fù)荷能力。平臺(tái)最小氣隙為1英尺(最大潮高)。每個(gè)升降齒輪的負(fù)荷達(dá)到大約100 t，整個(gè)平臺(tái)的提升重量要求達(dá)到5 600 t。預(yù)壓載狀態(tài)參見壓載計(jì)算。

4.2 第2階段——壓載升降平臺(tái)

這一階段檢驗(yàn)在一定的壓載狀態(tài)下升降系統(tǒng)的提升能力。當(dāng)每個(gè)齒輪的負(fù)荷達(dá)到大約560 t，平臺(tái)的提升重量達(dá)到20 167 t時(shí)，平臺(tái)須從第1階段的狀態(tài)下向上提升8英尺。

4.3 第3階段——正常上升平臺(tái)

這一階段檢驗(yàn)正常工作狀態(tài)下升降系統(tǒng)的工作能力。當(dāng)每個(gè)齒輪的負(fù)荷達(dá)到大約431 t，平臺(tái)的提升重量達(dá)到15 513 t時(shí)，平臺(tái)須從第2階段的狀態(tài)下向上提升8英尺(約2.44 m)。

4.4 第4階段——上升平臺(tái)至樁腿的頂部

這一階段檢驗(yàn)齒條板、齒輪、導(dǎo)向板的對(duì)位情況，以及電機(jī)剎車片、升降系統(tǒng)、電機(jī)的安全監(jiān)測(cè)器等功能是否有效。平臺(tái)需要升到樁腿的最頂端，然后下降平臺(tái)并保持合適的氣隙(高潮狀態(tài)下約500 mm)。在平臺(tái)上升狀態(tài)下平臺(tái)的總體負(fù)荷應(yīng)達(dá)到大約5 600 t。

升降試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的升降系統(tǒng)可以滿足各種工況的升降要求，運(yùn)行穩(wěn)定。

5 小 結(jié)

本文以金海重工股份有限公司的90 m自升式海洋平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)平臺(tái)的液壓升降系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，使用AMESim軟件對(duì)其進(jìn)行建模，對(duì)多個(gè)升降工況進(jìn)行仿真分析，按實(shí)際工況設(shè)置各仿真元件的具體參數(shù)以保證仿真準(zhǔn)確性，最后通過(guò)升降試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的升降保護(hù)裝置可以消除液壓系統(tǒng)故障對(duì)升降系統(tǒng)的影響，升降系統(tǒng)響應(yīng)迅速、運(yùn)行穩(wěn)定，能滿足各工況下的升降需求，可以為自升式海洋鉆井平臺(tái)升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究提供科學(xué)參考。

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