自升自航式海洋平臺液壓升降系統(tǒng)設(shè)計與仿真

自升自航式海洋平臺液壓升降系統(tǒng)設(shè)計與仿真魏卓;李德堂;陳樹坤;茍瀚儒;劉文靜;方懂平【摘要】為突破升降系統(tǒng)設(shè)計制造的關(guān)鍵技術(shù)，以金海重工公司建造的90m自升式海洋平臺為研究對象，對平臺的液壓升降系統(tǒng)進行設(shè)計計算，利用AMESim軟件對液壓升降系統(tǒng)進行建模仿真，按實際工況設(shè)置各仿真元件的具體參數(shù)以保證仿真準(zhǔn)確性，通過升降試驗進行驗證.仿真結(jié)果和試驗結(jié)果表明:設(shè)計的升降保護裝置可以消除液壓系統(tǒng)故障對升降系統(tǒng)的影響，升降系統(tǒng)響應(yīng)迅速、運行穩(wěn)定，能滿足各工況下的升降需求，可為自升式海洋鉆井平臺升降系統(tǒng)的設(shè)計研究提供科學(xué)參考.【期刊名稱】《造船技術(shù)》【年(卷)，期】2018(000)002【總頁數(shù)】6頁(P26-30,46)【關(guān)鍵詞】自升式海洋平臺;升降系統(tǒng);AMESim仿真;升降試驗【作者】魏卓;李德堂;陳樹坤;茍瀚儒瀏文靜;方懂平【作者單位】浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316000;浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316000;金海重工股份有限公司，浙江舟山316291;浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316000;浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江舟山316000;金海重工股份有限公司，浙江舟山316291;舟山巨洋技術(shù)開發(fā)有限公司，浙江舟山316000【正文語種】中文【中圖分類】TH1370引言21世紀(jì)將是海洋經(jīng)濟時代，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計［1］,90%的海底油氣資源都在大陸邊緣的近海區(qū)域，活動式海洋鉆井平臺因其適宜在淺海進行作業(yè)而得到廣泛使用。目前主要在海上使用的4種可移動鉆井平臺分別是坐底式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺、自升式鉆井平臺和鉆井船［2］。其中，自升式鉆井平臺是目前我國海洋石油開發(fā)中使用最多的一種鉆井平臺［4］。自升式鉆井平臺的升降系統(tǒng)主要有2種：齒輪齒條式和液壓油缸頂升式。齒輪齒條式升降的優(yōu)點是升降速度快、操作簡單、易對井位，缺點是齒輪齒條式升降設(shè)備價格貴、制造難度大。由于海洋環(huán)境條件比較復(fù)雜惡劣，平臺升降所需時間的長短對平臺安全性至關(guān)重要，同時有效減少平臺的就位費用，因此新造的自升式鉆井平臺多采用齒輪齒條升降方式［5］。在自升式平臺工作過程中，升降系統(tǒng)［6］不僅支撐平臺在復(fù)雜海洋環(huán)境下保持站立，還驅(qū)動樁腿和平臺相對運動，作為平臺的最關(guān)鍵組成部分，其性能優(yōu)劣直接影響到石油開采的安全和效率。然而，目前國內(nèi)升降系統(tǒng)主要依賴進口，關(guān)鍵設(shè)備和技術(shù)掌握在國夕卜廠商手中，嚴(yán)重制約著我國海洋油氣的開發(fā)［7］。因此，對于自升式海洋鉆井平臺液壓升降系統(tǒng)的設(shè)計研究意義重大。本文以金海重工股份有限公司建造的90m自升式海洋平臺為研究對象，對液壓升降系統(tǒng)進行設(shè)計計算，利用AMESim軟件對液壓升降系統(tǒng)進行仿真，并通過升降試驗來驗證升降系統(tǒng)設(shè)計的合理性。90m自升式海洋平臺升降系統(tǒng)90m自升式海洋平臺是專為近海工程提供鉆修井、完井、測井等輔助服務(wù)的海上油田作業(yè)平臺。該平臺總長78.8m,型寬40m,型深5.8m，作業(yè)水深60m,配有雙舵槳系統(tǒng)，能實現(xiàn)在開采區(qū)域自航。圖1為金海重工股份有限公司建造的90m自升式海洋平臺。圖190m自升式平臺1.1平臺升降系統(tǒng)的工作原理及組成平臺拖航至開采區(qū)域后，升降系統(tǒng)驅(qū)動樁腿向下運動插入至海底以支撐平臺，平臺穩(wěn)定后驅(qū)動樁腿相對平臺向上運動，上升至海面以上一定高度以避免海浪沖擊，到達指定高度后鎖緊裝置鎖緊樁腿，使作業(yè)平臺能夠進行安全的鉆井工作。根據(jù)平臺升降工況要求，設(shè)計的液壓升降系統(tǒng)主要包括單向定量泵、溢流閥、單向閥、電磁換向閥、平衡閥組、液壓電機、電動機、制動器、減速器等，液壓電機的扭矩經(jīng)由行星減速機后傳到爬升小齒輪，通過爬升齒輪與鋪設(shè)在樁腿上的齒條的相對運動，實現(xiàn)平臺與樁腿的升降操作。換向閥通過控制電機的正反轉(zhuǎn)從而控制平臺或樁腿的升降。液壓系統(tǒng)工作原理如圖2所示。圖2液壓系統(tǒng)工作原理平臺有4根圓筒形鋼質(zhì)樁腿，樁腿兩側(cè)安裝有兩列齒條，樁腿外側(cè)有導(dǎo)向。單樁配有14個升降單元，通過安裝框架與船體連接。升降單元的數(shù)量由平臺的設(shè)計載荷和舉升能力確定。每個升降單元包括1臺液壓電機及制動器、平衡安全閥組、行星減速機、升降齒輪單元。升降單元通過螺栓安裝在安裝架上，通過調(diào)整上部和左側(cè)的楔形塊，實現(xiàn)安裝過程中調(diào)整升降單元的功能，同時升降單元安裝座安裝處有調(diào)整墊片，可補償由于磨損等引起的齒輪接觸不均勻。升降單元三維圖如圖3所示。圖3液壓升降單元1.2升降保護裝置為使平臺能夠在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中保持穩(wěn)定，升降系統(tǒng)須提供比預(yù)壓載時更大的靜態(tài)風(fēng)暴保持力。驅(qū)動單元始終承受平臺的重量載荷，為保證平臺穩(wěn)定，電機回路采用雙向平衡回路，并設(shè)計制動器與平衡閥組。制動器的位置設(shè)在液壓電機和減速機之間，若某個液壓電機出現(xiàn)故障后，驅(qū)動單元的制動依然可以依靠制動器提供滿足風(fēng)暴載荷的制動扭矩。制動器的液壓油源從每個升降單元通過梭閥引入。其自動釋放壓力設(shè)定除能提供足夠的制動力外，還滿足了平衡閥開啟設(shè)計打開壓力值是制動器設(shè)定自動釋放壓力加上系統(tǒng)背壓的原則，保證了無論提升還是下降動作，在平衡閥開啟前，完全打開制動器，避免系統(tǒng)開啟油壓沒有建立起來時，隨著油壓增大制動器突然打開產(chǎn)生危害。升降保護裝置原理如圖4所示。90m自升式海洋平臺液壓升降系統(tǒng)設(shè)計計算2.1設(shè)計參數(shù)90m自升式海洋平臺液壓升降系統(tǒng)設(shè)計計算參數(shù)如表1所示。圖4升降保護裝置原理表190m自升式海洋平臺液壓系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)參數(shù)[6]單樁腿升降載荷/t樁腿額定升降速度/(m-min-1)平臺額定升船速度/(m-min-1)單樁腿預(yù)壓載升降載荷/t單樁腿風(fēng)暴鎖緊力/t平臺報警停機角度/(°)14001.50.6195028000.5小齒輪的模數(shù)m=50，壓力角a=25°,齒數(shù)為10，減速比i為317,分度圓半徑為0.246m。由單樁腿最大提升力F為1950t,整個自升平臺的升降速度v設(shè)計為0.6m/min，可以得出功率H=Fv=195kW;由v=2nr?n得出對應(yīng)小齒輪轉(zhuǎn)速n為0.738r/min，則減速機最大輸出扭矩T為T=9550x-m(1)2.2液壓系統(tǒng)工作參數(shù)計算2.2.1液壓電機分析升降系統(tǒng)工況可知，預(yù)壓載時電機輸出扭矩及工作壓力最大，故選擇電機此工況時的參數(shù)計算。電機扭矩預(yù)壓載工況：已知預(yù)壓載時單個減速機所需扭矩T1為343kN-m，減速機減速比i取317,減速機機械效率n取90%，則預(yù)壓載工況時，單個電機最大輸出扭矩為t1=T1/(ixq)=1198.4N-m電機排量初選工作壓力P1為25MPa，電機最大輸出扭矩計算公式為(2)已知預(yù)壓載工況時，單個電機最大輸出扭矩t1為1198.4N-m,取電機容積效率V為98%，電機機械效率nm為92%，則電機最小排量為.9mL/r⑶電機選型平臺升降時系統(tǒng)為高壓小流量，系統(tǒng)處于功率最大工況，樁腿升降時為低壓大流量，此時系統(tǒng)功率不足總功率一半，如果電機排量固定，則液壓系統(tǒng)總流量須基于樁腿升降速度計算，平臺升降時將有大部分流量富余，會帶來液壓泵、閥、管路等成本的增加。因此，結(jié)合實際工況及上述計算結(jié)果，查詢現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，選取SAI品牌雙變量電機BD2-350/175。⑷所選電機參數(shù)排量：Va347mL/r~Vb173mL/r;額定壓力：25MPa;峰值壓力：36MPa。2.2.2主液壓泵(1)電機轉(zhuǎn)速平臺升降工況：已知平臺升降時減速機轉(zhuǎn)速V1為0.3235r/min，減速機減速比i為318,則平臺升降時，電機轉(zhuǎn)速為Va=V1xi=102.9r/min(4)樁腿升降工況：已知平臺升降時減速機轉(zhuǎn)速V2為0.7762r/min，減速機減速比i為318,則平臺升降時電機轉(zhuǎn)速為（6）5山/I眼乙^=vxaxa=O'W山/JOSVT^A虱皺叩由'叩中帶V基彝'〃［山ES乙區(qū)八喜抿查巧壑底日喜螭螂爰（S）008乙009乙8坷",IS^（I-U!LU-J）/E$JWW（l-uinid）/?^^%N/q?剔割明內(nèi)/%可舞舞「勺山）/喜抿暮辱登巧壑乙莘近坦乙莘此暮辱登巧壑暨喜匐0本I由翱鮮OS^dlH爵（皆SSOdNVQysnvsW'辛瞿咄工蠣爰導(dǎo)弱'皆皇身距限阜'辛查朝茸的:％巧羽工蠣爰導(dǎo)弱暮辱朝壑（V）（8）呻/1￡,海螭盜\「/窖蠣爰面'%匕6區(qū)EU食麝渣&登潴'喜驟辛瞿些孟￥窖蠣爰風(fēng)吊茸艮郢部盅彝朝壑（￡）（匕）U!山/IZ'xqAxqA=qd區(qū)喜駛「漕瞿坦朗割任導(dǎo)擊面'%86區(qū)祝食麝渣瓢由'〃1山EZI區(qū)"喜非fl#中7ujiu/J89切乙區(qū)q/\虱皺叩由明割瓦號擊'uim/iii單區(qū)期虱割瓦鼬毋舞腰底日：KT^WK（9）uiuj/-|￡-xeAxeA=ed區(qū)喜駛「漕瞿坦朗割瓦與擊面'%86區(qū)TlJ食麝渣瓢由'〃1山ZVE區(qū)"喜非fl#由7ujiu/J670T區(qū)e/\虱皺叩由明割瓦號擊'uim/iiis-o區(qū)期虱割瓦與擊舌/底日：咄工割瓦與擊喜蟀瞿驥（乙）（S）U!tu/J89%=!x乙/\=q/\滿足工況需求。2.2.3制動器分析系統(tǒng)工況及參數(shù)可知，樁腿風(fēng)暴鎖緊時制動扭矩最大，此時減速機制動扭矩T4為490000N-m，已知減速機減速比i為318,則制動器最小制動扭矩為?m（10）查詢現(xiàn)有產(chǎn)品，選擇SAI品牌F21D制動器，其最大制動扭矩為1800N-m，制動壓力為3.5~6.0MPa，制動腔工作容積為AV=33mL,滿足工況要求。AMESim仿真運用AMESim軟件對系統(tǒng)仿真分析進行系統(tǒng)建模、選擇子模型、設(shè)置參數(shù)、運行仿真4個步驟，建模過程中可以忽略系統(tǒng)管道的影響［7］。因此，在不影響整體液壓系統(tǒng)性能的前提下，由于各個樁腿之間的液壓升降單元是并聯(lián)連接的，運動互不干涉，可將該平臺的液壓升降系統(tǒng)進行簡化（取單樁腿上的7個升降單元），以便更好地分析。3.1液壓系統(tǒng)仿真模型按照液壓升降系統(tǒng)的原理，利用仿真軟件AMESim液壓應(yīng)用庫HYD和HCD中的液壓元件模型塊建立系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。圖5液壓系統(tǒng)仿真模型3.2AMESim仿真參數(shù)AMESim仿真參數(shù)如表3所示。表3AMESim系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置電動機轉(zhuǎn)速1450r/min單向定量泵轉(zhuǎn)速1450r/min，排量375mL/r溢流閥壓力20MPa三位四通電磁閥最大流量500L/min，相應(yīng)壓降0.1MPa，阻尼比1.8換向閥信號源0~10s為+20null（閥處于左位）10~15s為0（閥處于中位）15~25s為-20null（閥處于右位）液壓電機轉(zhuǎn)速1400r/min，排量300mL/r3.3仿真分析0s時，信號輸入為+20，電磁閥左端接通，電機推動平臺正向轉(zhuǎn)動，平臺處于上升工況。10s內(nèi)上升位移為0.083m，與0.5m/min的預(yù)設(shè)升降速度相近，滿足需求。10-15s時，信號輸入為0，電磁閥系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，平臺位移曲線呈直線，在平臺由上升變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)的過程中系統(tǒng)未出現(xiàn)明顯的波動，表明系統(tǒng)平衡回路的鎖緊效果很好。15-25s時，平臺處于下降工況。圖6為電磁換向閥控制信號，圖7為平臺升降位移。圖6電磁換向閥控制信號圖7平臺升降位移如圖8所示：0-0.4s內(nèi)電機的轉(zhuǎn)速和輸出扭矩迅速上升，表明系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快；0.5s電機輸出扭矩達到最大值，0.5s-10s電機轉(zhuǎn)速和輸出扭矩處于穩(wěn)定狀態(tài)；電機最大輸出扭矩為1404.52N-m,大于計算書中要求的最大扭矩1198.4N-m;電機轉(zhuǎn)速為185.44r/min，在電機額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，選取的液壓電機的輸出扭矩可以滿足升降要求。圖8液壓電機輸出扭矩和轉(zhuǎn)速根據(jù)計算可知平臺在風(fēng)暴自存條件下所需的制動扭矩最大，選型結(jié)果為制動的最大制動扭矩選擇為1800N-m,大于1540N-m，制動壓力為10-60bar。建立草圖模型如圖9所示，系統(tǒng)仿真得出曲線如圖10和圖11所示。圖9制動器的仿真模型圖10制動扭矩與控制壓力關(guān)系圖11制動器完全開啟所需要的時間曲線由圖10和圖11可知，在系統(tǒng)油壓還未建立，平衡閥未打開時，制動器能在1s內(nèi)打開，并提供最高的制動扭矩1800N?m。其自動釋放壓力設(shè)定除了能提供足夠的制動力外，還滿足平衡閥開啟設(shè)計打開壓力值是制動器設(shè)定自動釋放壓力加上系統(tǒng)背壓的原則，保證了無論是提升還是下降動作，在平衡閥開啟前，完全打開制動器，從而滿足設(shè)計要求。4升降試驗對比平臺升降試驗的主要目的是檢驗90m自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)和樁腿結(jié)構(gòu)的安裝狀況及操作性能，試驗將分為以下4個階段進行。[][]4.1第1階段——最大預(yù)壓載這一階段檢驗平臺在最大預(yù)壓載狀態(tài)下升降系統(tǒng)的保持能力以及插樁區(qū)域地質(zhì)的負(fù)荷能力。平臺最小氣隙為1英尺（最大潮高）。每個升降齒輪的負(fù)荷達到大約100t，整個平臺的提升重量要求達到5600t。預(yù)壓載狀態(tài)參見壓載計算。4.2第2階段——壓載升降平臺這一階段檢驗在一定的壓載狀態(tài)下升降系統(tǒng)的提升能力。當(dāng)每個齒輪的負(fù)荷達到大約560t，平臺的提升重量達到20167t時，平臺須從第1階段的狀態(tài)下向上提升8英尺。4.3第3階段——正常上升平臺這一階段檢驗正常工作狀態(tài)下升降系統(tǒng)的工作能力。當(dāng)每個齒輪的負(fù)荷達到大約431t，平臺的提升重量達到15513t時，平臺須從第2階段的狀態(tài)下向上提升8英尺（約2.44m）。4.4第4階段——上升平臺至樁腿的頂部這一階段檢驗齒條板、齒輪、導(dǎo)向板的對位情況，以及電機剎車片、升降系統(tǒng)、電機的安全監(jiān)測器等功能是否有效。平臺需要升到樁腿的最頂端，然后下降平臺并保持合適的氣隙（