自升式钻井平台悬臂梁纵向锁紧装置设计.pdf

2 0 1 3年第4 1 卷第3期 石 油机械 CHI NA P ET R0L EUM MACHI NERY ． ． 海洋石油装备 自升式钻 井平 台悬臂 梁纵 向锁 紧装置设计 蒙 占彬 张爱恩 李泽民 尹树孟 畅元江 1 ．中国石油大学 华东海洋油气装备与安全技术研究中心2 ．胜利石油管理局钻井工艺研究院 摘要 在对 自升式钻井平 台悬臂梁结构特点进行研究的基础上，提 出采用齿条锁紧方式进行 悬臂梁的锁紧，以防止平 台在倾斜等意外情况下悬臂 梁发生滑移坠海事故。然后采用有 限元分析 软件 A B A Q U S进行锁 紧齿条受力分析，并在此基础上进行锁紧齿条设计参数的敏感性分析 ，重点 研 究了锁紧齿条宽度 、压力角、齿数、模数和齿根倒角半径对锁 紧状态下齿条受力 的影响。研 究 结果表 明，增加齿条宽度 、对齿根进行倒圆角处理、增加齿条模数均可 以改善齿条的受力并提高 强度，锁紧齿条 的齿数不应超过 5个 ，压力角以2 0 。 为宜。 关键词 自升式钻井平台；悬臂梁 ；锁紧装置；齿条；敏感性；A B A Q U S 中图分类号 T E 9 5 1 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 5 7 8 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 1 5 De s i g n o f t he Ca nt i l e v e r Ve r t i c a l Lo c k i ng De v i c e o f J a c k u p Dr i l l i n g P l a t f o r m M e n g Z h a n b i n Z h a n g A i ’ e n L i Z e mi n Y i n S h u m e n g C h a n g Y u a n j i a n g 1 ． C e n t e r f o r O ff s h o r e E n g i n e e r i n g a n d S a f e t y T e c h n o l o g y ， C h i n a U n i v e r s i t y o fP e t r o l e u m， Q i n g d a o 2 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e ofD r i l l i n g T e c h n o l o g y ， S h e n g l i P e t r o l e u m A d m i n i s t r a t i o n A b s t r a c t O n t h e b a s i s o f r e s e a r c h o n t h e d e s i g n f e a t u r e o f c a n t i l e v e r b e a m o f j a c k u p d r i l l i n g p l a t f o r m， i t w a s f o r mu l a t e d t h a t t h e l o c k i n g me t h o d wi t h r a c k s wa s us e d t o l o c k t h e c a n t i l e v e r i n o r d e r t o p r e v e n t i t f r o m s l i p p i n g a n d c r a s h i n g i n t o t h e s e a i n a c c i d e n t s s u c h a s p l a tf o r m t i l t i n g ． T h e n ， t h e fi n i t e e l e me n t s o f t w a r e A B A Q U S w a s a d o p t e d t o a n a l y z e t h e f o r c e o f l o c k i ng r a c k s ． On t h e b a s i s o f t h i s，t h e s e ns i t i v i t y a n a l y s i s o f l o c k i n g r a c k d e s i g n p a r a me t e r s wa s c o n d uc t e d ． Th e s t u d y f o c u s e d o n t h e e f f e c t s o f l o c k i n g r a c k wi d t h，p r e s s u r e a n g l e，t o o t h n u mbe r ，mo d u l u s a n d r o o t c h a mf e r r a d i u s o n r a c k f o r c e i n t h e l o c k i n g s t a t e ． T h e r e s e a r c h fi n d i n g s s h o w t h a t i n c r e a s e o f r a c k wi d t h， fi l l e t t r e a t - me n t o f r a c k r o o t a n d i nc r e a s e o f r a c k mo d u l u s c a n i mp r o v e t he r a c k f o r c e a s we l l a s i t s s t r e ng t h ． Th e t o o t h n u mb e r o f l o c k i n g r a c k s h o u l d b e n o mo r e t h a n 5 a n d i t i s p r o p e r t o s e l e c t p r e s s u r e a n g l e a s 2 0 。 ． Ke y wo r d s j a c k - u p d r i l l i n g p l a t f o r m；c a n t i l e v e r ；l o c k i n g d e v i c e ；r a c k ；s e n s i t i v i t y ；A B A Q U S 等 一 。 0 引 言 自升式钻井平台是近海油气勘探 中使用最广泛 的钻井装置 ，悬臂梁位于 自升式钻井平台的尾部甲 板上 ，是井架 、钻 台和钻台底座等的承载结构 ，由 2条主梁及连接它们的平 台和桁架组成 。 自升式钻 井平 台的悬臂梁设计已取得不断的改进和发展 ，主 要表现在悬臂梁 的移动形式上 。根据移动形式的不 同，悬 臂 梁 主 要 分 为 常 规 型 、 一 】 ， 型 和 旋 转 型 常规悬臂梁系统为钻台的纵向移动系统，其主 体 由2根组焊 H形钢或箱形 梁构 成 ，中间连接 以 多根 H形钢 的横梁 ，在悬臂梁的下方外侧部位设 有移动推板 ，其上设有移动机构，悬臂梁纵移时采 用 H i l ma n滚轮机构 ，由悬臂梁在滚珠上 的滚动代 替滑动，减少摩擦。由液缸 的伸缩来带动悬臂梁 的 前后移动 ，在悬臂梁前端设有销孔 ，在拖航时可 以 用销子进行固定。现今 自升式平台上采用最广泛的 悬臂梁滑移方案有棘爪推移方式 、油缸销轴推移方 基金项 目中国石化集团石油工程先 导项 目 “ 自升式平台井架滑移锁止技术先导试验 ” S GI 1 0 7 4 。 2 0 1 3年第4 1卷第 3期 蒙占彬等自升式钻井平台悬臂梁纵向锁紧装置设计 经分析 ，啮合 的齿条在承受载荷时单个齿牙上不 同 部位 的受力情 况是不 同的 ，图 6中， 6 。 ， 即在单个齿牙上 ，应力最大部位为啮合段齿牙的齿 根受压侧部位 ，齿根受拉侧和齿面上的等效应力相 对较小。 1 ． 4 应力集中 单个齿牙在承受载荷后的变形情况如图7所示 。 图7 单个齿牙在承 受载荷后 的变形 F i g ． 7 D e f o r ma t i o n o f s i n g l e t o o t h a f t e r l o a d i n g 图中， A和／ _ B分别是齿牙左侧和齿牙右侧 与齿条本体 的夹角 。在变形前 厶4／_ B；齿牙受 压变形后 厶4变大 ， 变小 ，厶4大于 ；这 样就造成 。点的应力集中系数小于 b点的应力集 中 系数 ，从而导致了 0点的等效应力要小于 b点的等 效应力。 2 悬臂梁纵向锁紧装置有限元分析 2 ． 1 纵向锁紧装置有限元分析参数 在平台突然发生倾斜时 ，驱动齿条与锁紧齿条 之间相对位置、相对方向不发生改变，驱动齿条与 锁紧齿条之间始终处于紧密啮合 的过程 ，主要变化 是驱动齿条与锁紧齿条接触力增大。假设悬臂梁质 量为 m，平台倾斜角度为 0 ，则驱动齿条与锁紧齿 条之间突然承受载荷 主要为 m g s i n O ，其 中载荷 以 正弦曲线形式实现递增 。若悬臂梁伸出平 台质量为 1 2 0 0 t ，共需 2套纵 向锁紧装置 ，假设悬臂梁最大 倾斜角度为 1 5 。 ，则单个纵向锁紧齿条 承受的最大 载荷为 Fm g s i n O ／ 21 2 0 0 9 ． 8s i n l 5 。 0 ． 5 1 5 2 8 ． 8 k N。 对纵向锁紧装置建模 ，赋以材料属性 ，单元划 分，加载后再用 A B A Q U S 提供的求解器进行求解， 通过后处理模块显示其求解结果 。建模 的初始参数 为 齿条 的齿模 数 为 5 0 m m，压 力角 1 5 。 ，齿高 1 1 2 ． 5 mm，齿 宽 1 2 7 mm。所 用材料 为 A 5 1 4，是 A S T M标准下 的经淬火 与 回火 的高强度 可焊接 钢 板 ，最小屈服强度 6 9 0 MP a 。对齿牙部分 网格划分 较细，其他部分可相对粗一些 ，这样既保证 了求解 精度 ，又节约计算时间。对装置定义边界条件和载 荷之后 ，即可提交分析作业 ，计算后即可提取后处 理结果 J 。 2 ． 2 纵 向锁紧装置有限元分析 驱动齿条与锁紧齿条整体应力分布云图如图 8 所示 图 8驱动齿条与锁 紧齿条整 体应 力分布云图 F i g ． 8 D i s t ri b u t i o n n e p h o g r a m o f o v e r a l l s t r e s s o f d riv e r a c k a n d l o c k i n g r a c k 将驱动齿条与锁紧齿条接触 的3个齿分别标记 为 1号齿 、2号齿及 3号齿 。在驱动齿条与锁紧齿 条整体应力分布云图中，在平台倾斜角度为 1 5 。 的 情况 下 ，最 大 Mi s e s应 力 发生 在 1号 齿 的齿 根 部位。 1～ 3号驱动齿条齿接触面 的应力变化规律如 图 9所示。由图可以看出，其应力曲线形状均具有 两头高、中间低 的特点 ，即齿顶齿根承载要大于齿 侧 中段的承载 ，齿牙两侧啮合面的承载要大于齿牙 内部的承载 ，这 与理论计算 中齿牙力 分布强 度 q 的马鞍形分布曲线一致 。 图 9齿接 触 面 压 力 分 布 图 F i g ． 9 S t r e s s d i s t r i b u t i o n d i a g r a m o f t o o t h c o n t a c t f a c e 各齿内部水平应力分布规律如 图 1 0所示。由 图 1 0可以看 出，应力分布曲线在接近齿根处急剧 上升，对比数值得出齿条齿根弯曲压应力远大于齿 根弯曲拉应力 ，验证了理论分析 中齿根受压侧应力 大于齿根受拉侧这一规律。考虑到所用材料为 A 5 1 4 ，抗拉强度范 围 7 7 09 3 0 MP a ，最小屈服强 度 6 9 0 MP a ，强度满足要求。 一 6 6一 石 油机械 2 0 1 3年第 4 1卷第 3期 图 1 O 齿 内部水平应力分布 图 F i g ． 1 0 Ho r i z o n t a l s t r e s s d i s t ri b u t i o n d i a g r a m wi t h i n t o o t h 3 纵 向锁紧装置齿条设计参数敏感性 分析 由前述分析可知 ，当齿条在啮合接触时 ，应力 较大的部位 出现在 啮合接 触面上和齿根部位。因 此 ，若要提高齿条强度，应 当采取措施增强其齿面 接触强度和齿根 弯曲强度 。下面研究齿宽 、压力 角 、啮合齿数 、模数 、齿根倒角半径 、模数 、压力 角对锁紧齿条强度的影响 ⋯。 3 ． 1 齿条宽度对锁紧齿条强度的影响 不同齿 宽条件下 1号 齿接触 面应力分 布如 图 1 1 所 示。在 相 同载荷 、材料及边 界条件 情况下 ， 齿条宽度 t 由 1 2 7 mm增加到 1 6 7 mm，对比分析不 同齿宽条件下 1 号齿接触面应力 ，可见其呈明显递 减趋势，平均应力 降幅达 2 3 ％，表 明增加齿条宽 度可在很大程度上提高齿条 的强度 。 1 2 0 1 0 0 母 山 蒌 8 0 R 捌 6 0 4 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 O 沿路径 方 向长度／ mm 图 1 1 不 同齿宽条件下 1号齿接触 面应 力分布 Fi g ．1 1 St r e s s a n a l y s i s o f No ．1 t o o t h c o n t a c t f a c e u n d e r d i f f e r e n t t o o t h w i d t h s 3 ． 2 压力角对锁紧齿条强度的影响 不同压力角下齿接触面最大应力与平均应力如 图 1 2所示 。由图可知 ，随着压力角 的增大 ，齿根 部位变宽，齿顶部位变窄，驱动齿条与锁紧齿条整 体应力分布有一定的改善，齿根部位应力有一定程 度 的下降，齿顶部位初始有一定程度 的下降 ，然而 压力角继续增大则会加剧齿顶的受力 ，并导致应力 急剧增大 ，研究表明压力角取 2 O 。 比较合适。 3 ． 3 齿数对锁 紧齿条强度的影响 在保持其他条件不改变的情况下，建立多齿啮 合的锁紧装置模型，多齿啮合下齿条应力分布云图 如 图 1 3所示 。 图 1 2不同压 力角下 1号齿接 触面最大应 力与平均应力 Fi g ．1 2 Ma x i mum s t r e s s a n d a v e r a g e s t r e s s o f No ．1 t o o t h c o n t a c t f a c e i n d i f f e r e n t p r e s s u r e a n g l e s 魄位 MP a 图 1 3 多齿 啮 合 下 齿 条 应 力 分布 云 图 F i g ．1 3 Ra c k s t r e s s d i s t r i b u t i o n n e p h o g r a m i n mu l t i t o o t h me s h 将前 5个齿编号 ，对其接触面接触应力进行对 比分析 ，结果如 图 1 4所示 。从 图可以看 出接触 面 应力呈 明显递减趋势。分析知 4号 、5号齿最大的 接触应力相对前面几个齿承受的载荷来说较小 ，从 而可忽略 5号齿后面的齿牙承载 。正由于此 ，考虑 到成本问题和海洋平台作业空间的限制，建议不采 用增加齿数的方法来提高齿条强度。 图 1 4 1 ～ 5号啮合齿接触面应力分析 Fi g ．1 4 S t r e s s a n aly s i s o f No ．1 t o 5 me s hi n g t o o t h c o n t a c t f a c e 3 ． 4 模数对锁紧齿条强度的影响 驱动齿条 1号齿接触面应力分布规律如 图 l 5 所示，随着模数 m 的增加 ，齿高 、齿距 、齿厚 、 2 0 1 3年第4 1卷第3期 蒙占彬等自升式钻井平台悬臂梁纵向锁 紧装置设计 一 6 7一 齿槽宽均变大 ，齿条 与齿条之 间啮合 面积也就增 加 ，锁紧装置齿条接触面的最大应力 明显下降，齿 条强度相对会提高 ，承载能力增强。 3 ． 5 齿根倒角对锁紧齿条强度的影响 为了降低齿根弯曲压应力 ，对驱动齿条及锁紧 齿条齿根部位进行倒圆角处理 ，分别建立倒角半径 R为 5 、1 0、l 5和 2 0 m m的齿条装配模型。驱动齿 条 1 号齿非接触 面应力分布规律如图 1 6所示 ，随 着倒角半径的增大，1 号齿齿根部位最大应力值 出 现减小的趋势 ，更重要 的是应力集 中现象明显减 少 ，尖角逐渐消失 ，应力集 中的减少很大程度上提 高了齿条的强度。 日 图 1 5 驱 动齿条 1号齿接 触面应 力分布规律 F i g ． 1 5 S t r es s di s t r i bu t i o n l a w o f No ．1 t o o t h c o nt a c t f a c e o f dr i v e r a c k 图 1 6驱动齿条 1号齿非接 触面应力分布规律 Fi g ．1 6 St r e s s d i s t r i b u t i o n l a w o f No ．1 t o o t h n o n． c o n t a c t f a c e o f d riv e r a c k 4 结 论 开展了自升式钻井平台悬臂梁锁紧装置的设计 与分析 ，提出采用齿条锁紧的方式进行悬臂梁的锁 紧 ，通过 C A D、P r o ／ E完成了对 自升式钻井平 台悬 臂梁纵向锁紧装置的初始参数设计及三维建模 ，然 后采用 A B A Q U S软件对锁 紧、驱动齿 条建模并进 行强度分析，最后进行了锁紧齿条设计参数的影响 因素分析。研究结果表明，增加齿条宽度 、对齿根 进行倒 圆角处理 、增加齿条模数均可 以改善齿条的 受力并提高强度 ，锁紧齿条 的齿数不应超过 5个 ， 压力角 以 2 0 。 为宜 。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] 参考文献 李昊 ．自升式平台悬臂梁设计工具研究 [ D]． 大连大连理工大学，2 0 0 7 ． 陆文发，李林普，高明道 ．近海导管架平台 [ M]． 北京 海洋出版社 ，1 9 9 2 3 7 4 0 ． 刘宇，颜廷俊，魏辽 ，等 ．海洋作业平台悬臂 粱强度计 算与试 验分 析研究[ J ]．石 油机 械， 2 0 1 2 ，4 0 5 5 3 5 6 ． 迟愚，段德祥 ，王言峰，等 ．自升式悬臂粱钻井 平 台选 型技 术分 析 [ J ]．石 油机械 ，2 0 1 1 ，3 9 1 0 1 3 61 4 0 ． 王龙庭 ，梁会高 ，徐兴平 ．国外 自升式悬臂梁钻井 平台结构特点 [ J ]．海洋石油，2 0 0 9 ，2 9 4 8 9 9 3． 高连新 ，金烨 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