鄭萬里，張彩瑩，李 歡，羅 強，王博芳，張 波，張 坤

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

在進行深海鉆井作業(yè)時，鉆井平臺或鉆井船會隨著波浪進行縱蕩、橫蕩、升沉、縱搖、橫搖和艏搖6個自由度的運動。升沉運動對平臺影響最大，使得鉆柱隨浮式鉆井平臺進行升沉運動，導致鉆頭與井底之間的鉆壓發(fā)生變化，降低了鉆井效率，增加了成本，影響鉆井作業(yè)的順利進行。同時，升沉運動也會影響B(tài)OP等水下設備安裝連接的準確性和可靠性，引發(fā)設備碰撞事故。因此，浮式鉆井平臺或鉆井船上需要配備一套升沉補償裝置，用以減小升沉運動對鉆井作業(yè)的不利影響。海洋作業(yè)的升沉補償系統(tǒng)的研究開始于20世紀70年代，早期多采用氣液的被動式升沉補償系統(tǒng)。后期為提高效率，減小能耗，設計了主動補償系統(tǒng)[1-4]。目前，鉆柱升沉補償裝置的技術一直被國外發(fā)達國家壟斷，主要生產(chǎn)廠家為NOV、MH等國外公司。按照結構形式和安裝位置分，鉆柱升沉補償裝置可分為天車鉆柱升沉補償裝置、游車鉆柱升沉補償裝置、補償鉆井絞車、死繩端補償裝置等。天車鉆柱升沉補償裝置位于井架頂端，不在井架內(nèi)游動，補償載荷大，且方便維護保養(yǎng)，應用較為廣泛。

我國對海洋油氣鉆采裝備的研究起步較晚，缺乏天車鉆柱升沉補償系統(tǒng)的研究和技術積累。目前，還沒有完全由我國自主設計并進行總體配套的浮式鉆井平臺天車補償裝置的應用案例。國內(nèi)主要是中國石油大學[5]、廣東工業(yè)大學[6]等高校進行了理論性的基礎研究。寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械公司)自2009年開始對鉆井平臺和鉆柱升沉補償裝置進行研究[7-10]，先后承擔了國家863項目“深水鉆機與鉆柱自動化處理關鍵技術研究”、國家工信部“浮式鉆井補償系統(tǒng)研制”等多個項目。

為了總結和提煉鉆柱升沉補償裝置的最新研究進展及成果，指導國內(nèi)鉆柱升沉補償產(chǎn)品的設計開發(fā)，以寶石機械公司設計開發(fā)的DC450/900-T型天車鉆柱升沉補償裝置為基礎，詳細說明了其總體結構、工作原理、主要技術參數(shù)研究、子系統(tǒng)設計、關鍵部件設計及力學分析，為后續(xù)進行大載荷天車補償裝置的國產(chǎn)化研制，攻占深水補償類市場打下堅實的基礎。

1 總體結構

DC450/900-T型天車鉆柱升沉補償裝置結構如圖1所示，采用被動補償和主動補償聯(lián)合控制的半主動補償形式。

1—主動缸支撐座；2—上連接架；3—片架總成；4—主動補償油缸；5—導軌；6—擺臂機構；7—浮動天車總成；8—天車架；9—導向輪；10—支架總成；11—被動補償油缸；12—伺服閥；13—隔離閥組；14—主動補償液壓站；15—被動補償液壓站；16—主氣閥控制柜備用氣瓶組；17—蓄能器；18—主氣閥；19—增減壓控制柜；20—備用氣瓶組；21—工作氣瓶組；22—空壓機。

被動補償系統(tǒng)主要由被動補償油缸、活塞式蓄能器、被動補償液壓站、主氣閥、隔離閥組、工作氣瓶組、備用氣瓶組、主氣閥控制柜、增減壓控制柜和空壓機等組成；主動補償系統(tǒng)主要由主動補償油缸、主動補償液壓站、伺服閥和電控系統(tǒng)等組成。DC450/900-T型天車鉆柱升沉補償裝置位于井架頂端，補償裝置的支架總成通過螺栓與井架頂端相連。鉆井作業(yè)時，補償裝置基本功能包括補償功能和鎖緊功能，補償裝置的鎖緊油缸回縮，使得浮動天車總成和天車架脫開，在補償油缸活塞缸的伸縮運動過程中，完成補償裝置的補償動作；補償裝置鎖緊油缸伸出，使得浮動天車總成和天車架連為一體，從而關閉補償功能，完成補償裝置的鎖緊，適應最大提升載荷[10-11]。

2 工作原理

當補償精度要求不高時，只需要開啟被動補償功能，海洋平臺隨著海浪上升時，井架帶動支架總成和天車架上升，與天車架固連的被動補償油缸缸筒也隨之上升。由于浮動天車總成通過銷軸與被動補償油缸活塞桿連接，浮動天車總成在慣性力作用下會短時間保持靜止狀態(tài)。該過程相當于被動補償油缸的活塞桿做回縮運動，被動補償油缸中油液進入到活塞式蓄能器中積蓄能量。當海洋平臺隨著海浪下降時，天車架下沉，被動補償油缸缸筒也隨之下沉，浮動天車總成由于慣性力作用會短時間保持靜止狀態(tài)。該過程相當于被動補償油缸的活塞桿做伸出運動，活塞式蓄能器中油液被壓入到被動補償油缸中，從而釋放能量[3]。在此過程中，通過調(diào)節(jié)氣瓶壓力來應對不同的補償載荷。

當補償精度要求較高時，被動補償和主動補償同時開啟，補償系統(tǒng)處于半主動狀態(tài)。此時，主動補償油缸通過特殊設計的主動缸支撐座垂直立在上連接架頂部，在主動補償控制柜中安裝有升沉傳感器，可以測量船體相對于海底的三維速度。同時在主動補償液缸上裝有位置傳感器。將上述2個測量數(shù)據(jù)輸入到計算機，計算機通過一套邏輯控制算法，向伺服閥發(fā)出控制指令，伺服閥動作，主動補償液壓站將液壓油注入到主動補償油缸的上端或下端，使活塞運動，通過活塞桿將拉力或推力施加在浮動天車總成上，維持其相對于海床的位置不變。

3 主要技術參數(shù)

DC450/900-T型天車鉆柱升沉補償裝置是按照API 4F和API 8C標準設計制造。目標平臺的最大作業(yè)水深3 000 m，最大鉆井深度10 000 m。該鉆井系統(tǒng)的最大鉆柱質(zhì)量為300 t，考慮動載系數(shù)影響，設計補償載荷為4 500 kN。查閱我國南?！按箫L”惡劣環(huán)境下的海況參數(shù)，利用動力學分析基本方法，形成了鉆井平臺的升沉位移理論計算方法[12]，如果波浪具有x的位移，則帶動鉆井平臺產(chǎn)生y的位移，鉆井平臺的升沉位移如圖2所示。

圖2 鉆井平臺的升沉位移示意

假設鉆井平臺集中質(zhì)量為M，吃水線處平臺與海水接觸面積為A，在無波浪時，平臺自重力與浮力相等，因此在計算時不考慮鉆井平臺的重力和初始浮力。由牛頓第二定律可得鉆井平臺升沉運動的基本方程(忽略平臺與波浪相互運動的阻力)如式(1)。最終確定最大補償行程為7.62 m，最大補償速度為1.3 m/s。

(1)

式中：M為船體的集中質(zhì)量，kg；ρw為海水的密度，kg/m3；c為阻尼系數(shù)，N·s/m；g為重力加速度，g=9.8 m/s2；A為平臺吃水線處與海水接觸面積，m2；h為平臺甲板在相對坐標系中的高度，m；H為水面在相對坐標系中的高度，m。

DC450/900-T型天車鉆柱升沉補償裝置的主要技術參數(shù)為：

最大補償載荷 4 500 kN

最大靜載荷 9 000 kN

最大補償行程 7.62 m

最大補償速度 1.3 m/s

最大操作氣壓 21 MPa

主動補償能力 260 kN

主動補償最大工作壓力 35 MPa

4 主要子系統(tǒng)簡介

4.1 機械系統(tǒng)

根據(jù)最大作業(yè)水深3 000 m，最大鉆井深度為10 000 m超深水鉆井系統(tǒng)的構成，DC450/900-T天車鉆柱升沉補償裝置設計為直立油缸驅(qū)動天車補償型式。補償裝置的支架總成通過螺栓固連在井架頂端，天車架固連在支架總成上。片架總成通過螺栓固連在天車架上，片架總成頂部固接有上連接架，上連接架和天車架之間并排豎置有4根導軌，呈“口”字型布置。浮動天車總成位于上連接架和天車架之間，并沿著4根導軌上下移動。浮動天車總成下端與被動補償油缸總成相連。被動補償油缸由并排豎直放置的2個液壓缸組成，并通過銷軸分別與浮動天車總成連接。被動補償油缸的缸筒通過法蘭固接在天車架上。主動補償油缸的缸筒通過主動缸支撐座倒立豎直放置并固接在上連接架上。主動補償油缸的活塞桿朝下，并通過銷軸與浮動天車總成相連。被動補償油缸總成與主動補償油缸分別與動力控制機構相連接。天車架的一側分別設置有快繩搖臂總成、快繩導向總成，天車架的另一側分別設置死繩搖臂總成和死繩導向總成?？炖K搖臂總成和死繩搖臂總成分別與浮動天車總成相連接。浮動天車總成通過鋼絲繩與游車相連接，該鋼絲繩還分別與快繩導向總成、快繩搖臂總成、死繩搖臂總成和死繩導向總成相連接。

本補償裝置機械系統(tǒng)主要特點和創(chuàng)新性主要表現(xiàn)為：采用補償缸直驅(qū)結構形式，相比較斜缸布置，液缸直驅(qū)形式能夠減少補償缸活塞偏磨，結構簡單，便于維修保養(yǎng)；主動補償缸裝于頂部，減少空間占用；采用特殊設計四連桿搖臂機構，優(yōu)化擺臂夾角與連桿長度，減少鋼絲繩在滑輪上的磨損，提高了鋼絲繩使用壽命。

4.2 液氣系統(tǒng)

以液壓系統(tǒng)為動力源，采用2個活塞桿向上伸出的并排豎直布置的被動補償液壓缸和1個活塞桿向下伸出的豎直倒置的主動補償缸。被動補償液壓缸有桿腔通過管路相互連通后與低壓蓄能器相連。被動補償液壓缸無桿腔通過油管互相連通后與隔離閥連接，隔離閥通過管路與活塞式蓄能器油液側相通，活塞式蓄能器氣體側通過管路與工作氣瓶相連。主動補償缸無桿腔與有桿腔油口通過管路與補償控制伺服閥連通。補償控制伺服閥通過管路與主動補償液壓站出口連通。

4.3 控制系統(tǒng)設計

伺服閥、隔離閥、主動補償液壓站電機分別與控制單元連接?？刂茊卧謩e與平臺升沉檢測裝置、位移傳感器、壓力傳感器A、壓力傳感器B連接。位移傳感器檢測主動補償液壓缸活塞位移，壓力傳感器B檢測主動補償缸無桿腔壓力，壓力傳感器A檢測主動補償缸有桿腔壓力。

控制單元采用具有模數(shù)處理能力的工業(yè)計算機。主動補償缸有桿腔的壓力傳感器A和無桿腔的壓力傳感器B檢測主動補償缸壓力，反饋給控制單元?？刂茊卧幚碓撔畔⒑螅l(fā)出信號，調(diào)節(jié)比例溢流閥，使變量泵輸出的油液壓力始終高于主動補償缸油口壓力1個恒定值，構成電反饋負載敏感機構。

鉆柱升沉補償系統(tǒng)電控系統(tǒng)還負責監(jiān)視整個裝置的運行狀態(tài)，包括系統(tǒng)工作壓力、控制閥門開關狀態(tài)等，當系統(tǒng)出現(xiàn)異常時及時提示設備操作人員。補償裝置電控系統(tǒng)包括：控制器、接口模塊、人機交互面板(HIM)、物理開關等，為方便司鉆操作，在司鉆房內(nèi)提供操作面板，可完成隔離閥開/關、隔離閥常開/常關、增加氣壓、減小氣壓等操作。補償裝置電控系統(tǒng)提供補償裝置載荷大小、氣動系統(tǒng)(空壓機、氣瓶組、主氣閥)壓力、液壓系統(tǒng)(補償油缸、蓄能器、液壓站)壓力、補償油缸及蓄能器位置、液壓站油箱液位等監(jiān)視值?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖3所示。

5 關鍵部件運動及力學分析

5.1 擺臂機構優(yōu)化設計

擺臂機構由2組桿件和導向輪組成，在天車左右兩側對稱布置，其中與浮動天車相連的稱為連桿，安裝在天車梁鉸接支座上的稱為搖桿[13-15]。擺臂機構的設計參數(shù)根據(jù)實際工況確定為：最大補償位移為7.62 m，補償載荷為4 500 kN。根據(jù)擺臂機構的工作原理及相似理論，將擺臂機構簡化為偏置搖桿滑塊機構，如圖4所示，OA桿為搖桿，長度為a。AB桿為連桿，長度為b。偏心距為e，s為滑塊位移，s′為滑塊的初始位置?；瑝K運動過程中，為保證機構傳力性能良好，應使傳動角的最小值γ≥40°，故對于本天車補償裝置中的搖桿滑塊機構而言，其在運動時承擔著整個鉤載的重力，故在不改變現(xiàn)有結構的條件下，根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)經(jīng)驗，其最小傳動角應盡量保持在40～50°。

圖3 DC450/900-T型天車鉆柱升沉補償裝置控制系統(tǒng)框圖

圖4 擺臂機構運動原理

由余弦定理可得：

e2+(s+s0)2=a2+b2-2abcosγ

(2)

由式(2)可知，增大偏心距e和滑塊位移s，可以增大傳動角γ。

根據(jù)設計參數(shù)，初始位置選取為:s′=1 550 mm，e=3 003 mm。A點位于滑塊行程連線的垂直平分線處附近，這樣可以保證滑塊從最小行程運動到最大行程時，搖桿也擺動了一個行程周期。搖桿的長度a從3 900 mm以100 mm的長度遞增到6 000 mm這22個擺臂位置時，擺臂機構擺角和搖桿長度的關系如圖5所示。

小擺角有利于減少鋼絲繩在滑輪上相對運動而造成的鋼絲繩磨損。擺角太小會造成連桿和搖桿長度增加，使得整體質(zhì)量加大，造成成本過高。根據(jù)天車梁和滑輪尺寸并基于結構緊湊性的考慮，最終確定搖桿長度a=5 200 mm，連桿長度b=4 750 mm。

圖5 搖臂夾角與搖桿長度關系

5.2 片架導軌力學分析

天車片架導軌是保障天車正常運動的部件之一，其位于井架最頂端，受風載與平臺搖擺時傳遞到其上的大鉤載荷的共同作用。如果片架導軌發(fā)生變形，會顯著影響天車升沉補償裝置的正常運動。天車導軌三維模型如圖6所示。天車導軌材料為Q355D鋼，彈性模量206 GPa，泊松比0.3，z向性能21%。

1) 恒載工況。

由于補償裝置進行補償操作時，天車、游車以及片架導軌的自重力是恒定不變的，此時僅考慮這3個恒定載荷的作用，這種工況被稱為恒載工況。進行有限元分析計算時，可將以上恒定載荷視為集中載荷，加載到導軌有限元模型的中部。

圖6 天車片架導軌三維模型

DC450/900-T型天車鉆柱升沉補償裝置所配天車質(zhì)量為14 900 kg，則其重力Gt為146.02 kN。游車系統(tǒng)自重力通過如下公式計算：

Gy=(0.04～0.05)Qmax

(3)

其中，Qmax為補償系統(tǒng)最大鉤載9 000 kN，則得出游車系統(tǒng)重力為360 kN，補償裝置片架導軌承受的恒定載荷為：

Gh=Gt+Gy

(4)

2) 最大鉆柱重力工況。

在不考慮鉆井液懸浮力時，鉆桿到達最大鉆井深度時，全部鉆桿的重力之和為最大鉆柱重力工況：

Qstamx=qstLg

(5)

式中：qst為鉆柱的質(zhì)量，這里設為30 kg/m；L為鉆井深度，井架設計最大鉆井深度為10 000 m。

3) 最大鉤載工況。

鉆探系統(tǒng)能承受的最大力為最大鉤載工況。該補償裝置的最大鉤載為9 000 kN，用Qmax表示，在進行有限元分析計算時，可將最大鉤載看做集中載荷加載到天車上。

4) 風載荷。

作用于補償裝置片架導軌上的風力載荷為風載荷，片架導軌上的總風力為單個片架、導軌上作用的風力向量之和估算得出[16]。在進行風載計算時，要考慮片架導軌上最大應力變形的風向。根據(jù)該導軌的結構特點分析，最后確定正面迎風和側面迎風為計算風向。

在實際工程應用中，一般把片架導軌所受的風載荷分為平均風載和脈動風載。片架導軌的靜力分析風載荷為平均風載荷，片架導軌任一高度處的風力載荷可表示為：

P=WAwβ

(6)

式中：P為片架導軌風載荷，kN；W為作用于片架導軌上的計算風壓，kPa；β為片架導軌風振系數(shù)，根據(jù)相關資料可取1.89；Aw為迎風面積，即片架導軌結構件外表面垂直于風向的投影面積，m2。

在工程實際計算中，風壓的計算需要根據(jù)片架導軌結構的不同進行計算[16]。由于風作用在片架導軌迎風面上，其高度變化系數(shù)KZ受片架導軌高度的影響；結構體型系數(shù)K與各井架自身的結構體型等外貌相關，在確定基本風壓的基礎上，可以得出計算風壓的計算公式如下：

W=W0KzK

(7)

式中：W0為基本風壓，kPa；Kz為高度變化系數(shù)；K為井架結構體型系數(shù)。

綜合上述各種工況下的載荷，片架導軌受到的最大載荷來源于DC450/900-T型天車鉆柱升沉補償裝置在鎖緊狀態(tài)下的最大靜載荷。

6 結論

1) DC450/900-T型天車鉆柱升沉補償裝置是按照API 4F和API 8C設計。由于該補償裝置為超深水類補償裝置，風浪流環(huán)境較為惡劣，補償裝置主要參數(shù)的確定方法較為關鍵。

2) 通過建立天車補償裝置擺臂機構簡化模型，分析擺臂夾角與搖桿長度的關系，確定了搖桿和連桿的最佳長度。分析認為：通過增大擺臂機構偏心距e和滑塊位移s，可以增大傳動角γ。

3) 開展了片架導軌結構力學研究，分析得出片架導軌受到的最大載荷來源于鎖緊狀態(tài)下的最大靜載荷，可以利用以上載荷分析不同工況下片架導軌的強度。