海洋平台结构作业——自升式海洋平台升降结构

常见自升式海洋平台升降结构对比分析

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目录

一、自升式平台简介 (3)

二、现有常见升降结构 (4)

1、圆柱型桩腿一单环梁液压升降装置 (4)

2、方壳型桩腿—双环梁液压升降装置 (6)

3、桁架型桩腿一齿轮齿条升降装置 (7)

三、升降系统的对比 (8)

1、桩腿结构形式对比 (8)

2、触底形式对比 (9)

3、升降装置对比 (10)

4、动力源对比 (11)

一、自升式平台简介

自升式平台是一种海上活动式钻井装备，目前是我国海洋石油勘探中使用最多的一种钻井平台，由于其作业稳定性好和定位能力强，在大陆架海域的油气勘探开发中居极其重要的地位。自升式平台主要由平台主体、桩腿、升降锁紧装置、钻井装置(包括动力设备和起重设备)以及生活楼(包括直升飞机平台)等组成。平台在工作时用升降装置将平台主体提升到海面以上，使之免受海浪冲击，依靠桩腿的支撑稳定的站立在海底进行钻井作业。完成任务后，降下平台主体到海面，拔起桩腿并将其升至拖航位置，即可拖航到下一个井位作业。因此，支撑升降系统的结构对自升式海洋工作平台的安全有着至关重要的作用。自升式平台的工作状态如图一所示。

图一

二、现有常见升降结构

支撑升降系统作为自升式平台中的核心部分，在平台的设计建造中历来受到高度重视，其性能的优劣直接影响到平台的安全和使用效果。最常用的升降装置是齿轮齿条式和顶升液压缸式。具体可见下表

壳体桩腿是封闭型桩腿，其桩腿截面有圆形和方形两种形式；桁架式桩腿截面有三角形和四方形两种形式。不同截面形状的桁架式和壳体式桩腿与不同类型的升降驱动方案相互组合，衍生出多种能够实现升降平台功能的支撑升降系统类型。

1、圆柱型桩腿一单环梁液压升降装置

销子、销孔和项升液压缸是一种升降装置。系统原理图如图二。

图二

每一桩腿有两组液压动作的插销和一组顶升液压缸。当装在环梁上的一组环梁销插入到桩腿的销孔中时，一组顶升液压缸的同步动作即可使环梁及销子带动桩腿(或平台主体)升降一个节距，然后进行换手：将锁紧销推入到桩腿的销孔中，退出环梁销，液压缸和环梁复位，下一个工作循环开始。其升桩和下桩如图三。

图三

2、方壳型桩腿—双环梁液压升降装置

方壳型桩腿及双环梁液压升降装置的设计是借鉴“五月花”号风机安装船的设计思想。该船支撑升降系统由桩腿及电力液压升降装置组成；升降原理与销孔式液压升降原理相同，优于销孔式的特点是箱型桩腿设计成齿孔式结构，避免了再沿桩腿纵向开孔，提高了桩腿强度；而双环梁液压升降装置相对于单环梁升降速度更快，效率更高；抓取动作分别由双环梁的主次抓取横梁及主次抓取油缸实现：其采用4个主升降液压缸带动的主环梁和4个次升降液压缸带动的次环梁交替完

成桩腿的升降运动，正常工作时，4个液压缸处于支撑状态，另4个处于提升或下降平台状态。其结构如下图四，下桩升桩步序如图五。

图四

图五

3、桁架型桩腿一齿轮齿条升降装置

图六为F&G公司设计的三角形桁架桩腿齿轮齿条支撑升降系统

图六

该型支撑升降系统广泛应用于MODII、SUPERMODII、JU2000等系列自升式平台上，是目前主流的结构形式。其整体结构主要包括固桩架1、升降装置2、桁架桩腿3、锁紧装置4与导向5等，驱动方式为电机驱动。齿条沿桩腿弦杆对立铺设，即附设于同一根弦杆的两侧，使齿轮动作时由于压力角和 4摩擦力引起的水平分力可以互相抵消。升降装置上安装有小齿轮，小齿轮与齿条啮合并由电动机经减速齿轮箱驱动。在平台主体漂浮于水面的状态下，驱动齿轮可以实现升降桩腿，当桩靴触底时，驱动齿轮则可实现平台主体升降。升降装置的上面和下面各设有缓冲垫(橡胶缓冲器)，以缓和力的冲击作用，改善平台主体、升降装置及桩腿等的受力状况。

三、升降系统的对比

1、桩腿结构形式对比

壳体式桩腿结构简单，刚性大，制造容易，相对桁架式桩腿占船体面积小，但其受风浪面积大，一般适用于海面60米以内浅水海域。如果工作水深再增加，用壳体式桩腿已经不够经济，主要原因是波浪力随桩腿尺度增加而大大增大，桩腿重量也大大增加，但也有的壳体式桩腿工作水深达90m甚至115m。对于壳体结构桩腿，销孔式和齿孔式升降原理是一样的，但齿孔式桩腿可以避免在结构上开孔，提高桩腿的强度。

相比而言，桁架式桩腿由于透空，受风面积小，桩腿上的波浪力和海流力也大大减少，可减小船体重量，提高甲板有效载荷。但桁架式桩

腿的公差非常小，桩腿这样大的部件在建造中要保持在这些小机械零件公差的范围内，制造就很困难，且材料强度要求和造价都非常高，适用于60米以上深水海域。新一代自升式平台桁架桩腿多采用超高强度钢，大壁厚小管径壁厚比的主弦管与支撑管，以减小水阻力与波浪载荷。对比结果如表一。

2、触底形式对比

桩腿底部的结构可以采用插桩型、箱型、沉垫型等，如图七所示。插桩型桩腿直接插入海底，用桩腿支撑整个船体，站立在海上作业，它适用于海底土壤较硬的海域。箱型桩靴可以增大海底支承面积，提高承压能力，兼顾了海底软硬地基的可能性，减少桩腿插入海底的深度；减小桩腿插入海底深度的意义不仅在于减小所需桩腿长度，更重要的是提高了插桩和拔桩作业的安全性，尤其是对软性地基土的情况；桩靴中设有喷冲装置，有利于拔桩作业；桩靴的平面形状有圆形、方形、多角形等。沉垫型桩腿下部带整体沉垫，船体用沉垫坐在海上作业，沉垫能有效地传递并分配桩腿载荷，它适于海底较平坦且海底土壤承载力较低的情况；沉垫和船体的重量保证船体的抗倾和抗滑稳性，且增大接触面积，从而提高了船体稳定性，但其相对易发生漂移。

图七

3、升降装置对比

安装在桩腿和平台主体交接处的升降装置在驱动时能够实现桩腿和平台主体的相对上下运动。此外，升降装置驱动电机制动器工作时也可以把平台主体固定于桩腿某一位置，此时垂直方向上的力主要由升降装置承受，水平方向上的力则由固桩装置传递给平台主体。

齿轮齿条式升降装置升降速度快，且可连续升降；控制简单，操作性能良好，并有平稳地连续运动的能力，只要加大驱动装置的动力，升降的速度就能提高；同步性能好，可直接依靠齿轮齿条微动将平台调平，适合于移位比较频繁的平台。但是它需要庞大而复杂的变速机构、体积大，对齿轮和桩腿上的齿条材料和制造工艺要求高，造价高，它常用于深水自升式平台。

顶升液压缸升降装置的工作是间断的，每次只能升降一个节距，每节距1m左右，升降时需要倒手，操作比较麻烦，升降速度较齿轮齿条式慢，对液压阀件要求较高，制造成本也可能较高。但它不需要复杂