浅谈自升式海洋钻井平台齿轮条爬升与锁紧系统设计

浅谈自升式海洋钻井平台齿轮条爬升与锁紧系统设计

摘要：自升式海洋钻井平台齿轮条爬升与锁紧系统是取得海洋中石油的设备装置中的关键组成部分，分析设计自升式海洋钻井平台齿轮齿条的升降装置与锁紧系统在海中作业的功能，在这个基础上根据现有情况对平台进行改善优化。了解齿轮齿条爬升与紧锁系统的基本工作原理、自升式海洋钻井平台设计方向，为目前海中石油资源的拓展方向提供强大的基础机械能力。

关键词：自升式海洋钻井平台;齿轮条爬升;锁紧系统

1.基本原理

工作平台、桩腿、爬升系统与锁紧系统、控制装置、钻井装置（包括动力设备和起重设备）、以及生活区（包括直升飞机平台）这几个部分是自升式海洋钻井平台的主要组成部分。目前，常用的平台为三桩腿自升式海洋钻井平台，其中的关键零件是位于三桩腿上的爬升系统和锁紧装置，这两者的设计性能优劣会对自升式海洋钻井平台的工作效率、开发石油成果等造成很大的影响，因而我们主要从这两个方面去考虑优化目前所使用的海洋作业机械。

电动机、齿轮齿条爬升结构、桩腿等几个部分构成自升式海洋钻井系统的爬升装置。

下面爬升系统的工作原理的解析：在电动机提供动力的情况下齿轮沿着齿条的运动，带动海洋钻井平台在桩腿上做缓慢爬升的运动，爬升到任何所需要到达的工作位置;然后锁紧系统通过锁紧齿条与桩腿齿条啮合进行锁紧，从而将甲板上重量和运行时的载荷转移到海底的平面，桩腿和平台的上升和下降都依赖于爬升系统而且在正常工作状态及遭遇天气严重巨变状态下支撑船体甲板及相关设备，它有很大的刚度和载重范围使得绝大部分的桩腿受压传至主弦管形成的各向轴向力达到最小程度，易于达到以降低水阻力来增加工作水深度，自升式钻井平台得以进入更深及海况更恶劣的海域工作。当到达油井的规定位置以后我们可以利用爬升系统将船体升离水面从而为石油的提取做好准备，在提取石油结束后将船体缓慢降回海平面，再利用爬升系统将桩腿升起来使平台重新恢复成漂浮状态然后再拖拉到下一个油井位置开始作业。

电动机、复位装置、固定搁置装置、锁紧卡爪等几个部分组成了锁紧系统。

以下锁紧系统的工作原理分析：当爬升系统带动平台上升或下降到规定位置时电动机自动停止工作并且启动自锁功能，使平台固定在规定的位置上，到达规定位置后，锁紧系统的锁紧功能自发开始启动，前端位置上的卡爪在液压缸的推动下与桩腿齿条相互啮合，上下楔型块会发生相对闭合的运动牢牢地夹紧卡爪，与此同时，通过卡爪、桩腿将整个钻井平台的重量转移到海平面上;当钻井平台需要更改作业位置时，因为卡爪和齿条还是处于啮合的锁紧状态，因而需要先解锁才可以再次移动平台。相对于于爬升系统来说锁紧系统的主要是通过卡爪与桩

腿上的齿条啮合与分离来控制桩腿的定位状态。

2.方案设计方向

2.1爬升系统的设计

基于上面对原理的了解，可对以下几方面的爬升系统进行设计。

2.1.1动力结构方面

爬升系统的驱动装置由开始的单个电动机带动齿轮运动发展到现在的一轴二输出（一个电动机带动两个小齿轮，优化以后的动力装置既提高了平台工作时的工作效率，又降低了消耗的能源和机器建造的成本。

比较一轴二输中两个小齿轮分布位置不同的情况下的优缺点，综合考虑选择最优方案。

2.1.2齿轮的齿面接触应力分析

考虑到了齿轮相互之间的不同接触角度会对钻井平台的整个运行的顺畅程度的影响，每一组的齿轮都以不同的接触角度接触从而实验出最佳的效果。

齿轮和齿轮条间的接触力大小：接触力度过大容易损坏齿轮和齿条从而导致作业运行的终止。接触力过小不能取得最好的工作效率，不利于工作的质量。

2.1.3运用三维方法构建模型

现在采用三维空间方法研究自升式海洋钻井平台齿轮条爬升与锁紧系统的比较少，但是不可否认这种方法能更全面和直观。对于装置可能遇到问题的提前检验有很好的效果。

2.2锁紧装置的设计

2.2.1控制程序

海洋作业的频繁性、交变频繁地使用会使装置出现延缓、错位、卡死等问题。现在的海洋作业中锁紧和解锁的时间占据很大的比例，有效地解决程序控制问题将大大提高作业的可行性和效率性。

2.2.2动态负荷转移功能

动态负荷转移功力是自升式海洋钻井平台承受海洋风暴的尺度，以及在极限状态下的的可靠性。可采取以下试验步骤，其中每一步之后都要做好数据记录。

检查装置预锁紧状态再锁紧。

启动增压油缸，当压力达到所需值时停止。

启动锁紧装置锁定。

紧装置高压系统的卸压。

实验时间控制在1-2小时，这是得到实际效果的最佳持续时间。

2.2.3自动复位装置

卡爪与齿条相互啮合后，位置多多少少都会有稍许的偏移。在拉出时需要恢复到原来位置，不然逐次偏累积后位置会越偏越远，自动复位装置灵敏度越高对于频繁的海上作业越能提高作业的效率。

3.总结

齿轮齿条升降装置以及齿条锁定系统是自升式海洋钻井平台的两种主要方式。重量、体积都很大的自升式海洋钻井平台的爬升速度不能过快（一旦出现故障重力惯性易导致脱轨）锁紧要牢固（稳固的平台是一切海中作业的基础）。对自升式海洋钻井平台各方面的设计均是为了提高平台作业安全及作业能力，根据现在作业的应用，保证效率的提高。通过各个方面的机械调试，得到操作更简便，性能优良，能消除装置在解锁时的卡死等的海上作业自升式海洋钻井平台。

参考文献：

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[3]刘纯青.自升式海洋钻井平台锁紧装置国产化前景[J].石油和化工设备，2012，11：24-27.

[4]王运龙.自升式钻井平台方案设计技术研究[D].大连理工大学，2008.