自升式钻井平台锁紧装置分析与调试技术研究
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条固定，螺杆液压驱动 具备动态负荷转移功能 除液压马达，液压缸的驱动使用中压系 统外，还配有一套采用二次增压原理的高 压系统，用于驱动负荷转移装置 除液压马达，液压缸的驱动使用中压系 统外，还配有一套采用二次增压原理的高 压系统，用于驱动负荷转移装置
2 锁紧装置组成及工作原理
锁紧装置投入使用后，通过锁紧齿条与桩腿齿条啮合，可将平台重量、环境、作业载荷由升降系统转 换为锁紧，从而达到在恶劣海况及钻井作业等工况下提高作业安全、作业能力和保护升降系统的目的。锁
设桩腿某弦管载荷转移前扭矩读数为 Ti1 ，转移后扭矩读数为 Ti2 ，则实际近似转移量 ΔTi 为：
则钻井船锁紧装置近似动态转移量为：
Δ Ti = Ti1 − Ti 2
6
T = ∑ ΔTi i =1
4.2 锁紧装置动态载荷转移试验步骤
在试验中主要分为载荷动态转移与解锁两大步骤。 （1）载荷动态转移 （a）锁紧前，确认装置预锁紧状态，为对比试验效果，记录 3 条桩腿升降系统初始齿轮载荷扭矩； （b）启动增压油缸，使液压系统压力达到试验所需值； （c）保持顶部活塞杆高压系统压力不变，启动锁紧装置顶部螺杆，实现顶部螺杆跟随，使螺杆紧固 顶部传动总成楔块，并通过楔块的水平分力实现水平方向的锁紧齿条固定，操作完毕后记录 3 条桩腿所有 升降系统齿轮载荷扭矩； （d）锁紧装置高压系统卸压，待卸载完毕后记录 3 条桩腿所有升降系统齿轮载荷扭矩； （e）为监测顶部螺杆跟随实际效果，试验保持 1～2 h，记录 3 条桩腿所有升降系统齿轮载荷扭矩。
Analysis and Commissioning Technique Study of Locking
System for the Jack-up Drilling Platform
SUN Guangbin, JI Xiaodong, WANG Xengcheng,
SHI Haitao, ZENG Wenyang
3 预锁紧与解锁调试方法
结合锁紧装置特点及工作原理，制定了详细的预锁紧与解锁调试方案。该方案基本检验出锁紧装置安 装尺寸、液压系统稳定性、锁紧单元常规动作等方面是否满足设计及使用要求，该方案与动态载荷转移试 验方案一并获中国船级社 CCS、美国船级社 ABS 批准。简要的预锁紧与解锁的调试步骤为：
（1）艏部 A 弦管左侧锁紧 （a）油泵 1#或 2#选择。 （b）启动液压站。 （c）电磁阀 DT1 动作，拔销油缸缩回，防滑解锁。 （d）电磁阀 DT4 动作，底部楔块下降（DT3 动作），调整锁紧块位置对正齿条。 （e）电磁阀 DT6 动作，拔销油缸伸出，锁紧齿条与桩腿齿条啮合。操作电磁阀顶部楔块动作。 （f）电磁阀 DT7 动作，顶部油缸下降，顶部楔块与锁紧块啮合。
向下载荷保持 力/（MT/套）
≥2000
动态载荷转移 能力（/ MT/套）
≥800
2.1 锁紧装置组成
一套锁紧装置主要包括液压泵系统、锁紧单元及电气系统 3 部分。 （1）液压系统：包括液压泵系统由液压泵站、阀组、管系等。 （2）锁紧单元：为一套机械装置，是安装于围井内提升装置和桩腿下导板之间的船体短梁上，以此
自升式钻井平台锁紧装置分析与调试技术研究
孙广斌 ，姬晓东，王鹏程，史海涛，曾文阳
（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）
摘要：自升式钻井船锁紧装置可保护升降系统，提高平台作业安全及作业能力。国外锁紧装置研究比较成熟，近 年来，为满足国家海洋工程设备国产化发展需要，国内公司积极研发新型的自升式钻井船锁紧装置并取得了一定 的应用成果。主要介绍了 200 英尺自升式钻井船所采用的国内研发锁紧装置，介绍其结构组成及工作原理，根据 装置工作原理制定了详细的设备调试方案，并重点研究了装置动态载荷转移试验方法。根据现场实际应用，制定 的调试方案行之有效，满足设备检验要求，方案获中国船级社 CCS、美国船级社 ABS 批准。最后通过调试，总 结出国产设备操作简便，性能优良，载荷转移量基本接近理论计算值，各项试验参数均满足设计要求。 关键词：自升式钻井船；锁紧装置；调试
(Offshore Oil Engineering Co Ltd, Tianjin 300452, China)
Abstract: The jack-up drilling platform can protect the jack-up system and improve the operational safety and capabilities of platforms. Locking system has been studied more mature abroad. In recent years, domestic companies actively developed the new locking system and have achieved a certain application of the results, to meet the development needs of domestic of national marine engineering equipment. The composing and working principle of locking system for 200-feet jack-up drilling platform were introduced. Then develop the detailed commissioning program according to the working principle. And also highlights the test program or dynamic load transfer and the test data were analyzed. According to the application, the commissioning program can be effective and meet the inspection requirements. It also was approved by China Classification Society CCS and American Bureau of Shipping ABS. Finally, the device has simple operation and excellent performance through the commissioning. Load transfer capacity was close to theoretical values and the test parameters meet design requirements. Keyworks: jack-up drilling platform, locking system, commissioning
4 动态载荷转移调试方案分析
4.1 调试方案
锁紧装置动态载荷转移调试方案流程图见图 2。 动态载荷转移试验中，必须了解到锁紧装置在各压力状态下的动态载荷转移量，以便调试人员实时监 控设备情况，应对突发事件。但在现场无法直接读取载荷转移数值，必须借助间接的方式。根据锁紧装置 的工作原理，锁紧装置是将升降装置上的平台重量及环境、作业载荷转移到锁紧装置上，故通过升降系统 的各桩腿齿轮扭矩读数可间接获得信息。
4
准备工作 启动钻井船发电系统 锁紧装置供电，完成预锁紧状态
否
检查桩腿预锁紧
是否完成？
是
升降装置 600 V 供电，记录初始齿 轮扭矩读数
国外锁紧装置产品比较成熟。近年来，为满足国家海洋工程设备国产化发展需要，国内公司积极研发 新型的自升式钻井船锁紧装置并取得了一定的应用成果。国内自主研发的产品与 F&G 公司生产的锁紧装 置相比，主要区别如表 1[2]。
中海油服在海油工程（青岛）场地已建造完毕并交付使用的的 4 艘 200 英尺自升式钻井船桩腿锁紧装 置采用的是国内公司自主研发的新型装置。结合该设备结构及原理，制定出详细的调试方案，并实际对设 备进行现场调试和各项功能试验。试验结果表明，新型装置相比国外同类设备，操作更为简便，各型性能 指标均满足设计要求。
2
为基础可以从桩腿齿条两侧对桩腿进行锁定，具体组成见图 1。 （3）电气系统：由泵站主电箱、分电箱、液压阀箱等组成。
图 1 锁紧单元结构组成
2.2 锁紧装置工作原理
锁紧装置主要工作过程包括预锁紧与解锁、载荷动态转移 2 步。 （1）预锁紧与解锁 预锁紧是通过调整顶部螺杆与底部螺杆的位置，使锁紧齿条与桩腿齿条处于合适的啮合位置，然后通 过侧向推力油缸将锁紧齿条嵌入桩腿齿条内，最后通过上部螺杆将锁紧齿条固定的工作过程。解锁过程与 锁紧过程相反。 （2）动态载荷转移 国外设备不具备载荷动态转移功能，常规锁紧后通过释放升降装置刹车，将平台重量由升降装置承重 转移到锁紧装置上，但这种方式会对桩腿齿条造成较大的振动和冲击。通过装置的动态负荷转移，可应用 不同的推力，将平台部分或全部重量平稳的从升降装置转移到桩腿齿条上。 具体工作原理为当围井内锁紧齿条都处于预锁紧状态时，启动增压油缸，使顶部油缸产生推力，推动 活塞杆向下部移动，并通过楔块顶住已嵌入齿条内的锁紧块。通过力的传递，平台的重量就通过负荷转移 油缸—活塞杆—楔块—锁紧块传递到桩腿齿条上，载荷转移的多少取决于负荷转移油缸的推力。随后跟随 顶部螺杆，使螺杆端部与楔块紧密贴合，负荷转移油缸卸压，平台重量通过螺母螺杆副的自锁原理稳定的 转移到桩腿齿条上。
表 1 国内自主研发锁紧装置与 F&G 公司锁紧装置对比
内容 结构形式 动态载荷转移 液压系统
系统优点
F&G 公司锁紧装置 相互独立的 2 副垂直螺杆和 2 副水平螺 杆保持对锁紧齿条固定，螺杆液压驱动
不具备动态负荷转移功能
单回路中压系统，结构简单
上下部螺杆传动机构结构简单
国内自主研发 2 副垂直螺杆推动楔形块达到对锁紧齿
3
（g）电磁阀 DT9 动作，顶部螺杆下降，顶部螺杆与楔块啮合。 （h）电磁阀 DT4 动作，底部楔块下降，底部楔块下降与锁紧块间距 30mm。 （i）预警压力到 11MP，停止顶部楔块下降。 （2）艏部 A 弦管右侧锁紧 （a）电磁阀 DT11 动作，拔销油缸缩回，防滑解锁。 （b）电磁阀 DT14 动作，底部楔块下降（DT13 动作），调整锁紧块位置对正齿条。 （c）电磁阀 DT16 动作，拔销油缸伸出，锁紧齿条与桩腿齿条啮合。操作电磁阀顶部楔块动作。 （d）电磁阀 DT17 动作，顶部油缸下降，顶部楔块与锁紧块啮合。 （e）电磁阀 DT19 动作，顶部螺杆下降，顶部螺杆与楔块啮合。 （f）电磁阀 DT14 动作，底部楔块下降，底部楔块下降与锁紧块间距 30mm。 （g）预警压力到 11MP，停止顶部楔块下降。 （3）艏部 B、C 弦管依次重复上述（1）、（2）步操作。 （4）2#、3#桩腿依次重复上述（1）、（2）、（3）步操作。 （5）解锁过程与上述过程相反。
作者简介：孙广斌（1982—），男，海洋石油工程股份有限公司，助理工程师，海洋工程专业；联系地址：天津市塘沽区渤 海石油路 688 号 595 信箱建造公司调试部，邮编：300450，E-mail: sungb@mail.cooec.com.cn
1
1 前言
自升式钻井船属于海上移动式平台，由于其定位能力强和作业稳定性好，在大陆架海域的油气勘探开 发中居重要地位[1]。早期设计的自升式钻井船没有安装桩腿锁紧装置，随着对海洋工程安全性要求的逐步 提高，桩腿锁紧装置目前已被多数自升式钻井船设计采纳[2]。
紧系统退出使用过程中则平台载荷由锁紧转换为升降[3]。200 英尺自升式钻井船锁紧装置主要技术参数见
表 2。 表 2 锁紧装置主要技术参数
项目 参数
主系统额定 压力/MPa
11百度文库
主系统最大 压力/MPa
16
高压系统额 定压力/MPa
51
高压系统最 大压力/MPa
110
向上载荷保持 力/（MT/套）
≥3200
2 锁紧装置组成及工作原理
锁紧装置投入使用后，通过锁紧齿条与桩腿齿条啮合，可将平台重量、环境、作业载荷由升降系统转 换为锁紧，从而达到在恶劣海况及钻井作业等工况下提高作业安全、作业能力和保护升降系统的目的。锁
设桩腿某弦管载荷转移前扭矩读数为 Ti1 ，转移后扭矩读数为 Ti2 ，则实际近似转移量 ΔTi 为：
则钻井船锁紧装置近似动态转移量为：
Δ Ti = Ti1 − Ti 2
6
T = ∑ ΔTi i =1
4.2 锁紧装置动态载荷转移试验步骤
在试验中主要分为载荷动态转移与解锁两大步骤。 （1）载荷动态转移 （a）锁紧前，确认装置预锁紧状态，为对比试验效果，记录 3 条桩腿升降系统初始齿轮载荷扭矩； （b）启动增压油缸，使液压系统压力达到试验所需值； （c）保持顶部活塞杆高压系统压力不变，启动锁紧装置顶部螺杆，实现顶部螺杆跟随，使螺杆紧固 顶部传动总成楔块，并通过楔块的水平分力实现水平方向的锁紧齿条固定，操作完毕后记录 3 条桩腿所有 升降系统齿轮载荷扭矩； （d）锁紧装置高压系统卸压，待卸载完毕后记录 3 条桩腿所有升降系统齿轮载荷扭矩； （e）为监测顶部螺杆跟随实际效果，试验保持 1～2 h，记录 3 条桩腿所有升降系统齿轮载荷扭矩。
Analysis and Commissioning Technique Study of Locking
System for the Jack-up Drilling Platform
SUN Guangbin, JI Xiaodong, WANG Xengcheng,
SHI Haitao, ZENG Wenyang
3 预锁紧与解锁调试方法
结合锁紧装置特点及工作原理，制定了详细的预锁紧与解锁调试方案。该方案基本检验出锁紧装置安 装尺寸、液压系统稳定性、锁紧单元常规动作等方面是否满足设计及使用要求，该方案与动态载荷转移试 验方案一并获中国船级社 CCS、美国船级社 ABS 批准。简要的预锁紧与解锁的调试步骤为：
（1）艏部 A 弦管左侧锁紧 （a）油泵 1#或 2#选择。 （b）启动液压站。 （c）电磁阀 DT1 动作，拔销油缸缩回，防滑解锁。 （d）电磁阀 DT4 动作，底部楔块下降（DT3 动作），调整锁紧块位置对正齿条。 （e）电磁阀 DT6 动作，拔销油缸伸出，锁紧齿条与桩腿齿条啮合。操作电磁阀顶部楔块动作。 （f）电磁阀 DT7 动作，顶部油缸下降，顶部楔块与锁紧块啮合。
向下载荷保持 力/（MT/套）
≥2000
动态载荷转移 能力（/ MT/套）
≥800
2.1 锁紧装置组成
一套锁紧装置主要包括液压泵系统、锁紧单元及电气系统 3 部分。 （1）液压系统：包括液压泵系统由液压泵站、阀组、管系等。 （2）锁紧单元：为一套机械装置，是安装于围井内提升装置和桩腿下导板之间的船体短梁上，以此
自升式钻井平台锁紧装置分析与调试技术研究
孙广斌 ，姬晓东，王鹏程，史海涛，曾文阳
（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）
摘要：自升式钻井船锁紧装置可保护升降系统，提高平台作业安全及作业能力。国外锁紧装置研究比较成熟，近 年来，为满足国家海洋工程设备国产化发展需要，国内公司积极研发新型的自升式钻井船锁紧装置并取得了一定 的应用成果。主要介绍了 200 英尺自升式钻井船所采用的国内研发锁紧装置，介绍其结构组成及工作原理，根据 装置工作原理制定了详细的设备调试方案，并重点研究了装置动态载荷转移试验方法。根据现场实际应用，制定 的调试方案行之有效，满足设备检验要求，方案获中国船级社 CCS、美国船级社 ABS 批准。最后通过调试，总 结出国产设备操作简便，性能优良，载荷转移量基本接近理论计算值，各项试验参数均满足设计要求。 关键词：自升式钻井船；锁紧装置；调试
(Offshore Oil Engineering Co Ltd, Tianjin 300452, China)
Abstract: The jack-up drilling platform can protect the jack-up system and improve the operational safety and capabilities of platforms. Locking system has been studied more mature abroad. In recent years, domestic companies actively developed the new locking system and have achieved a certain application of the results, to meet the development needs of domestic of national marine engineering equipment. The composing and working principle of locking system for 200-feet jack-up drilling platform were introduced. Then develop the detailed commissioning program according to the working principle. And also highlights the test program or dynamic load transfer and the test data were analyzed. According to the application, the commissioning program can be effective and meet the inspection requirements. It also was approved by China Classification Society CCS and American Bureau of Shipping ABS. Finally, the device has simple operation and excellent performance through the commissioning. Load transfer capacity was close to theoretical values and the test parameters meet design requirements. Keyworks: jack-up drilling platform, locking system, commissioning
4 动态载荷转移调试方案分析
4.1 调试方案
锁紧装置动态载荷转移调试方案流程图见图 2。 动态载荷转移试验中，必须了解到锁紧装置在各压力状态下的动态载荷转移量，以便调试人员实时监 控设备情况，应对突发事件。但在现场无法直接读取载荷转移数值，必须借助间接的方式。根据锁紧装置 的工作原理，锁紧装置是将升降装置上的平台重量及环境、作业载荷转移到锁紧装置上，故通过升降系统 的各桩腿齿轮扭矩读数可间接获得信息。
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准备工作 启动钻井船发电系统 锁紧装置供电，完成预锁紧状态
否
检查桩腿预锁紧
是否完成？
是
升降装置 600 V 供电，记录初始齿 轮扭矩读数
国外锁紧装置产品比较成熟。近年来，为满足国家海洋工程设备国产化发展需要，国内公司积极研发 新型的自升式钻井船锁紧装置并取得了一定的应用成果。国内自主研发的产品与 F&G 公司生产的锁紧装 置相比，主要区别如表 1[2]。
中海油服在海油工程（青岛）场地已建造完毕并交付使用的的 4 艘 200 英尺自升式钻井船桩腿锁紧装 置采用的是国内公司自主研发的新型装置。结合该设备结构及原理，制定出详细的调试方案，并实际对设 备进行现场调试和各项功能试验。试验结果表明，新型装置相比国外同类设备，操作更为简便，各型性能 指标均满足设计要求。
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为基础可以从桩腿齿条两侧对桩腿进行锁定，具体组成见图 1。 （3）电气系统：由泵站主电箱、分电箱、液压阀箱等组成。
图 1 锁紧单元结构组成
2.2 锁紧装置工作原理
锁紧装置主要工作过程包括预锁紧与解锁、载荷动态转移 2 步。 （1）预锁紧与解锁 预锁紧是通过调整顶部螺杆与底部螺杆的位置，使锁紧齿条与桩腿齿条处于合适的啮合位置，然后通 过侧向推力油缸将锁紧齿条嵌入桩腿齿条内，最后通过上部螺杆将锁紧齿条固定的工作过程。解锁过程与 锁紧过程相反。 （2）动态载荷转移 国外设备不具备载荷动态转移功能，常规锁紧后通过释放升降装置刹车，将平台重量由升降装置承重 转移到锁紧装置上，但这种方式会对桩腿齿条造成较大的振动和冲击。通过装置的动态负荷转移，可应用 不同的推力，将平台部分或全部重量平稳的从升降装置转移到桩腿齿条上。 具体工作原理为当围井内锁紧齿条都处于预锁紧状态时，启动增压油缸，使顶部油缸产生推力，推动 活塞杆向下部移动，并通过楔块顶住已嵌入齿条内的锁紧块。通过力的传递，平台的重量就通过负荷转移 油缸—活塞杆—楔块—锁紧块传递到桩腿齿条上，载荷转移的多少取决于负荷转移油缸的推力。随后跟随 顶部螺杆，使螺杆端部与楔块紧密贴合，负荷转移油缸卸压，平台重量通过螺母螺杆副的自锁原理稳定的 转移到桩腿齿条上。
表 1 国内自主研发锁紧装置与 F&G 公司锁紧装置对比
内容 结构形式 动态载荷转移 液压系统
系统优点
F&G 公司锁紧装置 相互独立的 2 副垂直螺杆和 2 副水平螺 杆保持对锁紧齿条固定，螺杆液压驱动
不具备动态负荷转移功能
单回路中压系统，结构简单
上下部螺杆传动机构结构简单
国内自主研发 2 副垂直螺杆推动楔形块达到对锁紧齿
3
（g）电磁阀 DT9 动作，顶部螺杆下降，顶部螺杆与楔块啮合。 （h）电磁阀 DT4 动作，底部楔块下降，底部楔块下降与锁紧块间距 30mm。 （i）预警压力到 11MP，停止顶部楔块下降。 （2）艏部 A 弦管右侧锁紧 （a）电磁阀 DT11 动作，拔销油缸缩回，防滑解锁。 （b）电磁阀 DT14 动作，底部楔块下降（DT13 动作），调整锁紧块位置对正齿条。 （c）电磁阀 DT16 动作，拔销油缸伸出，锁紧齿条与桩腿齿条啮合。操作电磁阀顶部楔块动作。 （d）电磁阀 DT17 动作，顶部油缸下降，顶部楔块与锁紧块啮合。 （e）电磁阀 DT19 动作，顶部螺杆下降，顶部螺杆与楔块啮合。 （f）电磁阀 DT14 动作，底部楔块下降，底部楔块下降与锁紧块间距 30mm。 （g）预警压力到 11MP，停止顶部楔块下降。 （3）艏部 B、C 弦管依次重复上述（1）、（2）步操作。 （4）2#、3#桩腿依次重复上述（1）、（2）、（3）步操作。 （5）解锁过程与上述过程相反。
作者简介：孙广斌（1982—），男，海洋石油工程股份有限公司，助理工程师，海洋工程专业；联系地址：天津市塘沽区渤 海石油路 688 号 595 信箱建造公司调试部，邮编：300450，E-mail: sungb@mail.cooec.com.cn
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1 前言
自升式钻井船属于海上移动式平台，由于其定位能力强和作业稳定性好，在大陆架海域的油气勘探开 发中居重要地位[1]。早期设计的自升式钻井船没有安装桩腿锁紧装置，随着对海洋工程安全性要求的逐步 提高，桩腿锁紧装置目前已被多数自升式钻井船设计采纳[2]。
紧系统退出使用过程中则平台载荷由锁紧转换为升降[3]。200 英尺自升式钻井船锁紧装置主要技术参数见
表 2。 表 2 锁紧装置主要技术参数
项目 参数
主系统额定 压力/MPa
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主系统最大 压力/MPa
16
高压系统额 定压力/MPa
51
高压系统最 大压力/MPa
110
向上载荷保持 力/（MT/套）
≥3200