樊敦秋,崔希君,曹宇光,2

(1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營,257017;

2.中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東東營,257061) *

自升式平臺(tái)齒輪齒條升降系統(tǒng)受力分析

樊敦秋1,崔希君1,曹宇光1,2

(1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營,257017;

2.中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東東營,257061)*

齒輪齒條升降機(jī)構(gòu)是自升式平臺(tái)的重要承載機(jī)構(gòu),在各種工作狀態(tài)下起到支撐船體及相關(guān)設(shè)備的作用,并長時(shí)間承受重外載荷作用。以三樁腿齒輪齒條升降式自升式平臺(tái)為模型,從樁腿內(nèi)力分析出發(fā),研究齒輪齒條升降機(jī)構(gòu)受力,從而為升降單元安全評(píng)價(jià)、壽命評(píng)估等提供支持。

自升式平臺(tái);升降單元;受力分析

自升式鉆井平臺(tái)在經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展后,在工作水深、抗風(fēng)暴能力、可變載荷、鉆井能力和操作性能等方面取得了巨大進(jìn)步[1-5]。自升式平臺(tái)由于具有用鋼量少、造價(jià)低、水上完井及在各種海況下幾乎都能持續(xù)作業(yè)和效率高等優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)外海洋勘探和開發(fā)、特別是在近海海洋石油開發(fā)中發(fā)揮了巨大作用[6]。

升降系統(tǒng)(如圖1所示)作為自升式平臺(tái)中的關(guān)鍵部分及重要的承載部件,在工作狀態(tài)、升降狀態(tài)及風(fēng)暴自存狀態(tài)等多種工況下都必須支撐船體及相關(guān)設(shè)備,并承擔(dān)外載荷,長時(shí)間處于承受重載的狀態(tài),因此其強(qiáng)度是關(guān)系整個(gè)平臺(tái)安全性能的一個(gè)重要因素,在平臺(tái)的設(shè)計(jì)制造中歷來受到高度重視。常見的升降系統(tǒng)有齒輪齒條式和液壓頂升式。齒輪齒條式升降系統(tǒng)由于具備升降速度快、操作簡單、易對(duì)井位等突出優(yōu)點(diǎn),因此在新造的自升式平臺(tái)中被廣泛采用[7]。齒輪齒條式升降系統(tǒng)一般由多個(gè)升降單元構(gòu)成,均勻分布在各樁腿兩側(cè),升降單元數(shù)量與承載能力根據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)載荷來確定,平臺(tái)所承受的載荷通過升降單元內(nèi)的齒輪與固定于樁腿上的齒條嚙合傳遞給樁腿,因此每條樁腿所承受的載荷亦即該樁腿上所固定的升降單元所承受的載荷。受多種因素影響,各樁腿上所承受的載荷是不均勻的。本文以目前國內(nèi)廣泛采用的三樁腿齒輪齒條升降式自升式平臺(tái)為原型,分析各樁腿在自重、可變載荷和風(fēng)載作用下的受力,以此確定各升降單元所承受的載荷及平臺(tái)的傾斜角度,從而為升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)、壽命評(píng)估等奠定基礎(chǔ)。

圖1 齒輪齒條升降系統(tǒng)

1 平臺(tái)自重及可變載荷作用下受力分析

三樁腿自升式平臺(tái)型長為L,型寬為B,艏樁與艉樁間距為L1,兩艉樁間距為B1。建立如圖2所示平面坐標(biāo)系,在此坐標(biāo)系下,三樁腿分別位于D(x1, y1),E(x2,0),F(x1,-y1)。

由于平臺(tái)自身重力與可變載荷的合力難以保證處于各樁腿所圍成多邊形區(qū)域的形心,因而必然造成一定程度的偏載,使得各樁腿上齒輪齒條機(jī)構(gòu)受力不均。對(duì)于本文所研究的三樁腿平臺(tái),假設(shè)其自重及可變載荷合力為 G,作用于c(xc,yc,zc)(c的坐標(biāo)和合力G可通過統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算),則根據(jù)平臺(tái)靜力平衡可知

式中,Z軸為xoy平面的法線方向;My為各力對(duì)y軸的扭矩;Mx為各力對(duì)x軸的扭矩,展開得

式中,RD、RE、RF分別為樁腿D、E、F所承受的載荷,解方程得

圖2 三樁腿自升式平臺(tái)樁腿位置

2 風(fēng)載作用下受力分析

除去平臺(tái)自重和可變載荷,作用于平臺(tái)上的風(fēng)載荷也使齒輪齒條升降系統(tǒng)受力增加。將平臺(tái)各樁腿沿固樁架頂部和底部截開,取平臺(tái)主體部分作為研究對(duì)象,如圖3所示,依據(jù)規(guī)范[8]計(jì)算風(fēng)載及風(fēng)傾力矩即可求得上下表面的內(nèi)力。需要說明的是,圖4中所截取部分即為齒輪齒條發(fā)生嚙合的部分。

圖3 風(fēng)載作用下樁腿上的內(nèi)力

假設(shè)風(fēng)向?yàn)樗椒较?垂直于樁腿),與平臺(tái)軸線成任意夾角入射,建立如圖3所示坐標(biāo)系,x軸方向沿著風(fēng)向,y軸垂直于平臺(tái)主體沿樁腿方向。內(nèi)力由剪力與彎矩組成,代表平臺(tái)樁腿其他部分對(duì)截取部分的作用。圖4中,QS、MS代表截取部分上表面的剪力和彎矩;QX、MX代表截取部分下表面的剪力和彎矩;M為升降系統(tǒng)輸出齒輪與齒條嚙合所產(chǎn)生的力的豎直分量所合成的力矩;F為齒輪齒條嚙合時(shí)所產(chǎn)生力的水平分量,考慮所截取部分的平衡,可得如下平衡方程,即

展開得

解得

將任意方向風(fēng)載荷沿 u軸和v軸方向分解,其中v軸為平臺(tái)軸線方向(正向與圖2中 x軸方向一致),u軸為兩艉樁沿線方向(正向與圖2中 y軸方向相反),分別計(jì)算在風(fēng)載荷沿此2方向分量作用下各樁腿上齒輪齒條升降系統(tǒng)上所產(chǎn)生的附加力。

在風(fēng)載沿 u軸分量作用下,假設(shè) D、E、F三樁腿齒輪齒條升降系統(tǒng)上產(chǎn)生的附加力分別為(如圖4所示),根據(jù)受力及樁腿分布特點(diǎn)可列如下平衡方程,即

式中,Mv=Mcosα,求解得

圖4 風(fēng)載沿u軸分量作用下樁腿內(nèi)力

在風(fēng)載沿 v軸分量作用下,假設(shè) D、E、F三樁腿齒輪齒條升降系統(tǒng)上產(chǎn)生的附加力分別為 F″D、F″E、F″F(如圖5所示),根據(jù)受力及樁腿分布特點(diǎn)可列如下平衡方程,即

式中,Mu=Msinα。

求解得

綜合可得2分力共同作用在齒輪齒條上所產(chǎn)生的附加載荷為

其中,正號(hào)表示齒輪齒條上的壓力增加;負(fù)號(hào)表示壓力減少。

圖5 風(fēng)載沿v軸分量作用下樁腿內(nèi)力

3 自重可變載荷以及風(fēng)載共同作用下各樁腿受力

由于各樁腿材料均處于線彈性階段,故各樁腿受力等于將自重及可變載荷作用下與風(fēng)載作用下的受力線性相加,即

4 各樁腿受力不均導(dǎo)致的平臺(tái)傾斜角度計(jì)算

由上述分析可知,各樁腿在自重、可變載荷及風(fēng)載荷共同作用下受力分別為 PD、PE、PF,假設(shè)各樁腿在各自載荷作用下的縮短量分別為ΔlD、ΔlE、ΔlF,則

式中,H1為平臺(tái)下部樁腿長度,m;E為材料彈性模量,GPa;A為樁腿橫截面積,m2。

為了便于分析,重新建立如圖6所示平臺(tái)主體平面坐標(biāo)系,因此平臺(tái)上 D、E、F的初始空間坐標(biāo)分別為(0,B1/2,0),(0,-B1/2,0),(L1,0,0)?？紤]到各樁腿在壓力作用下縮短變形,因此 D,E,F三點(diǎn)在樁腿變形后的新坐標(biāo)分別變?yōu)?0,B1/2,-ΔlD),(0,-B1/2,-ΔlE),(L1,0,-ΔlF)。

故變形后得

故平臺(tái)所在平面的法線方程為

故平臺(tái)所在平面的平面方程為

化簡得

圖6 樁腿位置

5 結(jié)論

本文以三樁腿自升式平臺(tái)為模型,分析了在自重、可變載荷和風(fēng)載荷共同作用下各樁腿的受力情況。由于在多種工況下各樁腿受力即為與各樁腿上齒條相嚙合的升降單元受力,因此,利用本研究的結(jié)論結(jié)合相應(yīng)平臺(tái)升降單元的數(shù)量及其分布即可推算單個(gè)升降單元所承受的載荷,為升降單元安全評(píng)價(jià)和壽命評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。本文所推導(dǎo)的平臺(tái)傾斜角度計(jì)算方法也可以確定平臺(tái)在不同工況下的傾斜程度,為適時(shí)調(diào)整作業(yè)載荷提供依據(jù)。

[1] 陳 宏,李春祥.自升式鉆井平臺(tái)的發(fā)展綜述[J].中國海洋平臺(tái),2007,22(6):1-6.

[2] 趙洪山,劉新華,白立業(yè).深水海洋石油鉆井裝備發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2010,39(5):68-74.

[3] 侯福祥,張永紅,王 輝,等.深水鉆井關(guān)鍵裝備現(xiàn)狀與選擇[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2009,38(10):1-4.

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Force Analysis of Pinion and Rack Jacking System of Three Legs Jack-up Platform

FAN Dun-qiu1,CUI Xi-jun1,CAO Yu-guang2
(1.Drilling Technology Institute,Shengli Petroleum B ureau,Dongying257017,China;2.College of Transport&Storage and Civil Engineering,China University ofPetroleum,Dongying257061,China)

The pinion and rack jacking system is the most important bearing apparatus of the jackup platform.It has to support the platform itself,equipments on it and external loads.Thus the jacking system bears heavy load for long time.In this paper,the most commonly used three legs jack-up platform was selected for analyzing the load acted on the jacking system,by means of internal force of the legs.Results of the research can be used for the safety evaluation and life prediction of the jacking units.

jack-up platform;jacking unit;force analysis

1001-3482(2010)12-0027-04

TE951

A

2010-06-12

樊敦秋(1968-),男,山東日照人,高級(jí)工程師,主要從事海洋工程科研設(shè)計(jì)工作,E-mail:fandunqiu@126.com。