海洋钻井平台桥式起重机设计.pdf

2 0 1 1年 第 4 O 卷 第 4 期第 3 6 页 石油矿 0I L FI ELD 场机 械 EQUI PMENT 文 章 编 号 1 0 01 3 4 82 2 01 1 0 4 0 0 36 - 0 4 海洋钻井平 台桥式起重机设计 崔学政 ， 刘平全 ， 肖文生 ， 张艳敏 中国石油大学 华东 机电工程学院 ， 山东 东营 2 5 7 0 6 1 摘 要 为 实现 海洋钻 井平 台钻杆 自动传送 ， 设计 了一种桥 式起 重机 ， 由桥 架 、 大 车运 行机 构 、 小车运 行机 构 、 起 升机 构 、 末端 手爪 等组成 ， 安装 在主 甲板 上 ， 采 用 全 液压 驱动 ， 可 实现钻 杆 在猫 道 机 与排 管架之 间的往返传送。具有工作安全可靠、 效率高等优点。 关键词 钻 井平 台 ； 桥 式起 重机 ； 设计 中图分 类号 TE 9 5 2 文献标 识码 A De s i g n o f Ga nt r y Cr a n e f o r Of f s h o r e Dr i l l i ng Pl a t f o r m CUI Xue z he ng， LI U Pi n g qu a n， XI A O W e n s he ng， ZH ANG Ya n ra i n Co l l e gy o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t I n or d e r t o r e a l i z e t he pi p e a ut oma t i c t r a n s f e r r i n g on dr i l l i n g pl a t f o r m s ， a ki n d o f ga nt r y c r a ne i s pr e s e nt e d．I t c o ns i s t s o f b r i d g e s t r u c t ur e， g a n t r y， t r o l l e y， ho s t i ng， ha n d g r i p a n d S O o n． W i t h t h e hy dr a u l i c p r e s s u r e a s p o we r a n d i n s t a l l e d o n ma i n d e c k。 t h e g a nt r y c r a n e c a n t r a n s f e r p i pe be t we e n d e c k a nd c a t wa l k ma c h i ne a nd ha s s o m e f e a t u r e s a s r e l i a bl e p e r f or ma nc e， hi gh e f f i c i e n c y a nd S O 0 n． Ke y wo r d s dr i l l i ng p l a t f or m ； ga nt r y c r a n e； de s i g n 作用逐 渐增 大 ， 因此 在进 行 深 水采 油 树 输 油管 设 计 时， 可通过合理设计输油管与采油树主管或 阀门之 间的距 离来 达 到减小输 油 管最大 应力 的 目的 。 3 采油树输油管最大应力位置在输油管固支 的两端 。为 确保输 油 管 的 强度 满 足 设计 要 求 ， 应 重 点关 注采油 树输 油管两 端 固定 边界 的强度 设计 。 4 虽然 输油 管随水 深 的增 加所 受应 力呈下 降 趋势， 但这并不意味着水越深采油树输油管越安全 。 因为采油 树在 安装 、 维 修等 工况 下 ， 输油 管 内因没有 油气 形成 的 内压 等 的作 用 ， 与正 常生产 时完全 不 同。 此 时随着水 深 的增加 ， 输油管 所受 外压增 加 ， 所 受应 力也 随着增 加 。 参 考 文 献 [ 1 ]薛鸿祥 ． 新型深海 多柱桁架式 平 台及立 管结构 疲劳性 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] E 7 ] [ 8 ] 研究[ D ] ． 上海 上海交通大学 ， 2 0 0 8 ． 朱 江 ， 周 文胜． 中国近 海油 气 田区域开 发 战略思 考 [ J ] ． 中国海上油气 ， 2 0 0 9 ， 2 1 6 3 8 0 - 3 8 2 ， 3 8 7 ． 袁鹏斌 ， 郭生武 ， 吕拴 录． 低合 金高强 度油管 应力导 向 氢致开裂腐蚀 失效分析[ J ] ． 腐蚀 与防护 ， 2 0 1 0 ， 3 1 5 40 7 4 1 4． GB 1 5 O ～ 1 9 9 8 ， 钢制压力容器[ s ] ． 北京科技 大学 ， 东北 大学． 材料力 学 [ M] ． 4版． 北 京 高 等 教 育 出版 社 ， 2 0 0 8 2 1 9 2 2 1 ． Ch r i s t e r A H ． A r e v i e w of d e l a y t i me a na l ys i s f o r mod e l l i n g p l a n t ma i n t e n a n c e [ G] ． Os a k i S ． S t o c h a s t i c mo d e l s i n r e l i a bi l i t y a nd ma i nt e n a nc e ．Be r l i nS pr i n ge r ， 2 00 2 8 9 11 7 ． 赵吉 ， 姜 民政 ， 李 春 红 ． 埋 地 输 油 管 在 线 大 修 应 力 应 变分析_ J ] ． 石 油矿 场机 械 ， 2 0 0 4 ， 3 3 1 7 7 8 0 ． 张兆德 ， 赵玉玲 ， 韩清 国． 基于 弹塑性分 析 的海 底管拆 除数值模拟[ J j ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 1 1 7 2 2 ． 收 稿 日期 2 0 1 0 1 0 0 9 基金项 目 国家高技术研 究发 展计划 8 6 3计划 “ 深水半潜式钻井船设计 与建造关 键技 术” 部分成果 2 0 0 6 AA0 9 A1 0 4 作者简介 崔学政 1 9 6 1 一 ， 男 ， 山东安丘人 ， 教授 ， 硕士， 主要从事机械设计 及理论 、 石油机械设计教学 和科研工作 ， E ma i l e u i x z h d p u ． e d u ． c n。 第 4 O卷第 4期 崔 学 政 ， 等 海 洋 钻井 平 台 桥 式 起 重 机 设 计 钻 杆 自动传 送 系统 包括 甲板 起 重机 和钻 杆 输 送设 备 2部 分 ， 可实 现钻 杆及 其他 钻 具 以下 统称 钻 杆 在 甲板 与钻 台之 间 的往返 传送 上 。采用 的 甲板 起重 机类 型有 折臂 起重 机 、 悬 臂起 重 机 、 门桥 式起 重机 等 。 针 对 深 水 大 型钻 井 平 台设 计 了一 种 桥 式 起 重 机 ， 该 起重 机通 过 大 车 运行 机 构 和小 车运 行 机 构 的 水平 运动 以及 起 升机 构 的垂 直 上 下 移 动 ， 可实 现 起 重机 在三 维空 间 的坐 标 定 位 功 能 ； 通 过 末 端 手 爪 实 现对 钻杆 的取 放 ； 采 用全 液 压驱 动 ， 所有 操作 均 可遥 控 实 现L 6 j 。 1总体 和 主 要 结 构 该 桥式 起 重机 包 括 桥 架 和 起 重 机 2部 分 [ 7 ] ， 总 体 结构 如 图 1 。 1 小 车机构 ； 2 ～大车机构 ； 3 一桥架 4末 端 手 爪 ； 5 起 升机 构 图 1 桥 式 起 重 机 总 体 结 构 4 1 ． 1 桥架 桥 架 由型 钢焊 接而 成 ， 表面 采用 防腐 处 理 ， 通 过 焊 接或 螺 栓 连 接 等 方 式 固 定 安 装 在 钻 井 平 台 甲板 上 ， 上 面安装 有 大 车 导 轨 和 齿 条 。常 规 桥 式 起 重 机 采 用导 轨轮 式驱 动 起 重 机 大 车 ， 由操 作 人 员 手 动 操 控 ； 海洋 钻 井平 台起 重 机 对 所 传 送 钻 杆 位 置 精 度 要 求 较高 ， 采用 自动化及 半 自动 化操 作 方式 ] ， 其 导 轨 仅用 来支 承起 重 机 自重 及 载荷 ， 起 重 机 大 车 驱 动采 用齿 轮齿 条机 构 ， 齿条 固定 在桥 架 上 。 1 ． 2起 重机 起 重 机 由大车 机 构 、 小 车机 构 、 起升 机 构和 末端 手爪组 成 。大 车机 构 的横 向运 动可 将钻 杆 运送 到猫 道 机 两侧 ； 小 车机 构 的 纵 向运 动 可实 现 甲板 多 排 钻 杆 与猫 道机 之 间 的传 送 ； 起 升机 构 的上 下 移 动可 实 现 钻杆 垂直 送 离猫 道机 。大 车 机 构 、 小 车 机 构 和 起 升 机构 联合 运 动可 实现 起重 机末 端 机械 手 爪 的 x y z 三维 坐标 定位 功能 ， 确保 末 端 手 爪 可 到 达 其 工 作 范 围 内的任 何位 置 。 1 ． 2 ． 1 大 车 机 构 起 重机 大 车机构 包括 本 体及 运 行 机 构 左 、 右 2 套 相 同 ， 如 图 2 。主要 包括 主梁 、 端 梁 、 支 腿 和底 梁 及小 车 轨道 ， 各 梁 均 为 箱 形 结 构 ， 采 用 钢 板 焊 接 而 成 。主 梁顶 部安 装有 导轨 ， 用来 引 导 支承小 车 车轮 ； 底部 安装 有齿 条 ， 通 过 该 齿 条 与 小 车齿 轮 的 啮合 实 现小 车 机构 的纵 向移 动 。 1 支腿 ； 2 一底梁 ； 3 一 主梁 ； 4端梁 ； 5小车轨道 图 2 起 重 机 大 主 体 结 构 大 车运 行机 构 主要 由大 年车轮 、 大 车驱 动 总成 、 限位 装 置等 组 成 ， 如 图 3 。车 轮通 过 轮 轴 和 支 座 安 装在 大 车底 梁上 ， 车 轮只 承担 重力 载荷 ， 不具 有驱 动 能力 。大车 驱动 总成 通过 铰制 孑 L 螺 栓安 装在 底梁 机 座上 ， 动力输 出小 齿 轮 与 桥 架 上 的齿 条 啮合 实 现 大 车 的运行 。大车 驱 动 总成 主要 包 括 高 速 液 压 马 达 、 湿式 多 盘液压 制 动 器 、 行 星 齿 轮 减速 器 和 输 出小 齿 轮 。这种 驱 动组 合 形式 具 有 动作 迅 速 、 便 于 制 动 和 控制 等优 点 ， 可使 起重 机迅 速启 动 和停止 。 1 大 车 底 梁 ； 2 大 车 车 轮 ； 3 限 位 装 置 ； 4大 车 驱 动 总 成 图 3 起 重 机 大 车 运 行 机 构 为 避免 因海 上 风 力 等 因 素 导致 起 重 机 翻 落 ， 设 计 了 限位装 置 ， 安装 在起 重机 大车 底梁 上 ， 主要 由壳 3 8 石 油矿 场机 械 2 0 1 1 年 4月 体 、 形导轨 、 滚 轮 等 组 成 ， 如 图 4 。壳 体 固定 在 大 车 底梁 上 ， 限位轴通 过铰 制孔螺 栓安装 在 壳体上 ， 滚轮 与 限位轴之 间采 用 滑动 轴 承 连接 ， 并 由轴 肩 和套 圈 限定 其轴 向移动 。工 作 时 随 同起 重 机 的移 动 ， 滚 轮 外圈 与形导 轨始终 保 持 滚 动接 触 ， 以避 免 大车 滚 轮 因风力 、 振动 等 因素 脱离 主导轨 而造成 事故 。 1 ～壳体 ； 2 一型导轨 ； 3 一 限位轴 ； 4 -- 一 滚轮 ； 5 ～ 大车导轨 ； 6 ～大 车车轮 ； 7 一大车底梁 图 4起重机限位装 置 1 ． 2． 2小 车 机 构 起重 机 小 车机 构 承载 自重 及 起 升载 荷 ， 能 够在 满 载的情 况下沿 主梁 纵 向移 动 。起 重机 小车 机构 主 要由小车底部车体、 小车顶部车体和小车运行机构 组成 。小 车底 部 车体 安 装在 主梁 底 部 ， 驱 动部 分 安 装 在底 部车 体 上 ， 如 图 5 。液 压 马 达 通 过 蜗 杆 减 速 器 带动 2个 驱 动齿 轮 与 固定 在 主 梁 底 部 的齿 条 啮 合 ， 实现起重 机小 车的纵向移动 ， 2个惰轮无驱 动 力 ， 仅起支 撑作 用 。 由于蜗 杆 传 动具 有 反 向 自锁 功 能 ， 驱动机 构不 另设制 动器 ， 小 车 马达停转 后会 立刻 停止 ， 不会因为小车惯性而窜动 。蜗杆传动 自锁还 可 以防止小 车 因风 载 、 船 体 摇 摆 、 重 力 等 因 素 自行 移动 。 1 一蜗杆 ； 2 一小 车马达； 3 蜗轮轴 ； 4 一驱动齿轮 ； 5 - - 惰轮 ； 6 一小车底部 车体 图 5 起 重 机 小 底 部 车体 小 车 顶部 车体 的 4个 支 重 车 轮 不 具 有 驱 动 能 力， 在小车顶部车体上安装有起升机构 ， 顶部车体与 底 部车体 可通 过侧 板 刚性 连接 。 1 ． 2 ． 3 起 升 机 构 起重 机起 升机构 由起 升驱 动机构 和起升 导 向机 构 2 部 分 组成 。起 升驱 动机 构 如 图 6 ， 液压 马达 通 过蜗 杆蜗 轮传动 驱 动 两侧 的 圆 锥齿 轮 ， 经 过 联轴 器 驱动 2个 圆柱齿 轮 ， 圆柱齿 轮 与 起 升导 杆 两侧 的齿 条啮合 ， 实现 起升 导杆 的上下 移动 ， 齿条 固定在起 升 导 杆上 ， 起升机 构 充分 利 用 了 蜗杆 传 动 反 向 自锁 功 能 ， 在升 降过程 中可在任 意位置 迅速停 止 ， 不会使起 升 导杆 自动下 落 。起 升导 向机 构是为 保证 钻杆垂直 平稳起 降而设计 的 如 图 7 ， 在 齿轮 齿条 驱 动下 ， 起 升导杆 在支 架 内上下移 动 。为避 免导杆 与支架 内壁 摩 擦接 触 ， 支架上 安装有 导 向滚轮 和导 向惰轮 ， 导 向 惰 轮为 无动力 圆柱 齿轮 。 1 _ - 小车顶部车体 ； 2 起 升马达； 3 --一 蜗杆 ； 4 一蜗轮轴 ； 5 、 6 - _ - 锥齿轮 ； 7 一联 轴器 ； 8 一起升驱动齿轮 ； 9 一支重车轮 6 起重机起升驱动机构 2 1 1 一 顶 郜车 体 ； 2 一 起 升 驱 动 齿 轮 ； 3 一起 升 支 架 ； 4 一导 向惰轮 ； 5 一齿条 ； 6 一起 升导杆 ； 7 -- 上导向滚轮； 8 一 下导向滚 轮； 9 一联轴器 图 7起重机起升导向机构 第 4 O卷第 4期 崔 学 政 ， 等 海 洋 钻 J 十 平 台 桥 式 起 重 机 设 1 ． 2 ． 4末 端 手 爪 为实 现 起 重机 对 各 类 管 具 的 抓取 ， 设计 了 2种 末 端机 械 手爪 。 1 预 紧式机 械手 爪 如 图 8 回转机 构 可 以 使 夹持 于爪 整体 绕 轴 线 转 动 ； 调 平 液 压 缸 可 调 整 于 爪倾斜 角 度 ， 方 便手 爪抓 放 钻杆 ； 夹 持液 压缸 可 以实 现 夹持 手指 的开 启 、 合 ， 实 现 抓 放 钻杆 功 能 ； 预 紧 液压 缸 通过 平行 四边 形机 构将 预 紧力 作用 于被 夹 持 钻杆 ， 以避免 在 移送 过 程 中 因风 力 、 振 动 、 钻 杆 的 惯 性力 等 因素导 致 钻杆从 手爪上 脱落 。该 手 爪 可 以实 现较 大 直径 范 围的 管子 抓 取 ， 而 不 需要 频 繁 更换 机 械于 爪 ， 抓取 较小 直径 的钻杆 时 ， 可 以一次 抓取 多个 钻杆 1 叫转 机 构 ； 2 一 训 平 液 压 缸 ； 3支 架 ； 4颅 紧 液 压 缸 5夹持液压缸 ； 6 火持 于指 ； 7平行 冈边形机构 图 8 预 紧式 机 械 于 爪 2 锁定 式机 械手 爪 如 图 9 町满 足 大 直径 管具 包括套管等 的抓取 。调平液压缸可调整机械 丁爪 的倾斜 角 度 ， 夹 持 手 指 可 以沿 着 支 架 在 锁 定 液 压 缸 的推 动下 进行 一 定 距 离 的移 动 ， 以适 应 不 同长 度 管具 的要 求 。工 作 时 ， 调整 回转 机 构 与调 平 液 压 缸 使 2夹持 予指 与 管 具 中心 线 重 合 ， 锁 定 液 压 缸 内 移 ， 2个 央持 手指 的指 尖进 入 管 具 内孔 ， 实 现对 管 具 的抓取 。 1 一 火 持 丁指 ； 2 -锁 定 液 压 缸 ； 3支 架 一 末 端 挡 板 ； 5一凋 平 液 缸 图 9 锁 定 式 机 械 手 爪 2主 要 技 术 参 数 安 全工 作载 荷 大 车移 动速度 小车 移 动速度 起 升 速度 最大 起升 高度 桥 架 尺寸 长 宽 高 传送 管材 直径 3 特 点 5 0 kN 0 ． 4 0 m／ S 0 ． 2 5 m／ S 0 ． 2 5 m／ S 1 2 m 5 0 m 2 5 m 1 2 m O6 0 ． 3～ o5 0 8 ． 0 F ilm 2 ％～ 2 0英寸 1 可 以借 鉴 通用 桥式 起重 机 的相关 成熟 设计 制 造经 验 。 2 定 位方 式 相对 简单 ， 便 于实 现 自动化 控制 。 4 结语 桥 式起 重机 或折 臂起 重 机 与 自动化猫 道 机作 为一 套钻 杆传 送 系统 ， 在 国外 已用 于实 际生 产 ， 是 一 种较 为成 熟 的配 套 设 计 方 案 。具 有 安 全 可 靠 、 工 作 效 率 高等 优点 。另外 ， 对 传送 钻杆 用 桥 式 起 重 机 进 行 改进 设 计后 ， 呵成 为 隔水 管 自动传 送 系统 。 参 考 文献 [ 1 ]D a v i d ， R e i d ． Th e D e v e l o p me n t o f Au t o ma t e d Dr i l l i n g R i g s E R] ． D a l l a s Va r c o i n t e r n a t i o n a l ， I n c ． ， I A I C ／ S P E Dr i l l i ng Con f e r e n c e， 1 9 98． [ 2 ] 刘 平全 ， 崔学 政 ， 董 磊． 钻 片平 俞钻杆排 放方 式对 比 及 其 内动 化 操 作 系 统 [ J ] ． 小 闰海 洋 平 台 ， 2 0 1 0 ， 2 5 1 51 - 56 ． [ 3 ] 刘 文庆 ， 崔学政 ， 张富强． 钻杆 自动排 放 系统 的发展及 典型结构 E J ] ． 油矿场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 1 1 7 4 7 7 ． E 4 3 崔学政 ， 刘文庆 ， 肖文生 ， 等． 海洋钻井平 俞 立柱式排管 机设 } t - [ J ． 石油矿场机械 ， 2 o 1 o ， 3 9 1 4 5 4 9 ． E s ] 崔学政 ， 张富强 ， 肖义牛 ， 等． 海洋钻井平 台折臂起 重机 没i f E J ] ． 油矿 场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 】 2 8 3 1 ． [ 6 ]Ha n s e n M D， Eg i l l Ab r a h a ms e n ． I mp r o v i n g S a f e t y Pe r f o r ma n c e Th r o u g h R i g Me c h a n i z a t i o n[ R] ．Ams t e r d a m， F h e Ne t h e r l a n d s SP E／ I ADC Dr i l l i n g C o n f e r e nc e， 20 01 ． [ 7 ] 严 大考 ， 郑 兰 霞． 起 重机 械 [ M] ． 郑州 郑 州 大学 出版 衬 ， 2 0 0 3 1 9 1 - 2 0 9 ．