旋转环梁楔块式液压升降装置设计.pdf

20 11年 第 5期 第 4 O卷 第 4 5页 石油矿 o I L FI ELD 场 机械 EQUI P MENT 2 0 1 1 ， 4 0 5 4 5 ～4 9 文 章 编 号 1 0 01 3 4 8 2 2 0l1 0 5 0 0 4 5 0 5 旋转环梁楔块式液压 升降装置设计 孙 友 义 ， 侯 金 林 ， 张晖 1 ． 中海 石油 中国 有 限公 司 北 京 研 究 中心 ， 北 京 1 0 0 0 2 7； 2 ．中国 石 油 大 学 北 京 博 士后 流 动站 ， 北 京 1 0 2 2 4 9 摘 要 为降低投 资 风险 ， 海上 边 际油 田开发要 求采 油平 台具备 可移 动 、 自安装 功能 。为此 ， 研 发 了一 种 新型 的旋转 环 梁楔块 式液 压升 降装置 。该 装置 由上挟 桩 器、 下抉桩 器、 锁桩 器 、 升 降油缸 、 回转 油 缸 、 固桩 筒和桩腿 组 成 ， 通 过升 降 油缸 的伸 缩运 动 实现 平 台的 升 降 ， 通 过 回转 油缸 的伸 缩 运动 实现 与桩腿 的锁 紧和解锁 。该 装置 具有 安全 可靠 、 造价 经济 、 技 术 国产化 、 可拆 卸重 复使 用等特 点 。 关键 词 边 际油田 ； 可移动 式 自安 装 平 台； 液压 升降装 置 ； 旋转环 梁 ； 楔 块 中图分类 号 TE9 5 1 文献标 识码 A De s i g n o f Ro t a t i n g Ri n g a n d We d g e Ty pe Hy d r a u l i c J a c k i n g S y s t e m SUN You y i ～， HOU J i n l i n ， ZHANG Hui 1 ． CNOOCRe s e a r c h I n s t i t u t e ， Be i j i n g 1 0 0 0 2 7 ， Ch i n a； 2 ． Po s t d o c t o r a l Ue s e a r c h S t a t i o n， C h i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Be i j i n g 1 0 2 2 4 9 ， Ch i n a Ab s t r a c t I n or d e r t O r e du c e i nv e s t me n t r i s k， n e w p r od uc t i o n pl a t f o r m s wi t h mo v i n g a n d s e l f i n s t a l l i n g f u nc t i o ns a r e r e q u i r e d f or o f f s ho r e m a r g i n a l o i l f i e l d s d e v e l o p i ng ． To i m p l e me n t t he mo v i n g a nd s e l f i ns t a l l i n g f un c t i on s of t he ne w t y pe pl a t f o r m s ， a ne w r o t a t i ng r i ng a n d we d ge t y pe hy d r a u l i c j a c k i n g s y s t e m wa s d e s i g n e d ． Th e s y s t e m c o n s i s t s o f t h e t o p a n d l o w p i l e p i n c h i n g d e v i c e s ， pi l e l o c k i ng de v i c e s ， l i f t i n g a nd r ot at i ng hy d r a u l i c c y l i n de r s ， t he p i l e r e i n f o r c i ng ba r r e l 。 a n d t he p i l e l e g． The p l a t f or m i s l i f t e d a nd l owe r e d b y t h e c on c e r t i n a m o t i on of l i f t i ng h y dr a u l i c c y l i n d e r s ， a n d t he p i l e i s l oc ke d a nd unl oc ke d by t he c o nc e r t i n a mot i on o f r ot a t i n g h yd r a ul i c c yl i nd e r s ． The s ys t e m whi c h ha s t he c ha r a c t e r i s t i c s of s a f e a nd r e l i a bl e o pe r a t i on， e c o n o m i c a l C OS t ， t e c h no l o gy n a t i on a l i z a t i on， r e mov a b i l i t y a n d r e u s a b i l i t y， i s o f gr e a t s i g ni f i c a nc e f o r t he of f s ho r e ma r g i n a l o i l f i e l d s d e v e l o p i ng ． Ke y wo r d s ma r g i n a l o i l f i e l d； mo v a b l e a n d s e l f i n s t a l l i n g p l a t f o r m； h y d r a u l i c j a c k i n g s y s t e m； r o t a t i ng r i n g； we d ge 我 国 目前有很 大一 部分 海 上发现 油 田属 于边 际 油 田 ， 即用 常规技 术开 发没 有经济 效益 。如何 经 济 、 有效地 开发 这些边 际油 田 ， 是 当前 海洋 石 油 工 程领 域科研 工作 的重点 之一[ 1 ] 。“ 蜜蜂式 ” 采油模 式 是一 种开 发边 际 油 田非 常 具有 吸 引力 的开 发模 式 ] ， 该 模 式利用 可移 动的 生产储 油装 置对 多个边 际油 田进 行 开发 ， 由多个 小油 田共 同 分担 一 套工 程 设施 的投 资 ， 可有效 提高 边际油 田开 发 的经 济效益 。 针对 海上边 际油 田“ 蜜蜂 式” 开发模式 对新 型工 程设施 的特 殊要 求 ， 中国海 洋 石 油总 公 司开展 了可 移动式 自安 装平 台的研 发工作 。可 移动式 自安装 平 台具有 可移动 、 可重 复使 用 、 可 自安装 、 施 工 方便 、 功 收 稿 日期 2 0 1 0 1 2 0 8 基 金项 目 中 国 海 洋石 油 总公 司综 合 科 研 项 目 2 0 0 8 KJ B Z 一 0 5 作者简介 孙友义 1 9 8 3 一 ， 男 ， 山东东营人 ， 博士 ， 2 0 0 9年毕业于中国石油 大学 华东 机械设计及理论专业 ， 主要从 事海洋 工 程 研 究 与 没计 工 作 ， E ma i l s u n y y 4 c n o o c ． c o rn． c n。 石 油 矿 场 机 械 能齐全 、 对 周边 设 施 依 赖 性 低 等 优 点 ， 可 有 效 降低 边 际 油 田开发 的 工 程 投 资 风 险 j 。升 降 装 置 是 实 现这种 新 型 平 台 可 移 动 与 自安 装 功 能 的 关 键 装 置 。现 有 的平 台升 降 装 置 主要 有 齿 轮 齿 条式 升 降 装 置和 插销 式液 压 升降装 置 2种 。对 于边 际油 田开发 ， 这 2种 装 置 的 主 要 问题 是 造 价 高 且 不 可 拆 卸重 复 使 用 ， 为 此 研 发 了 一 种 新 型 的旋 转 环 梁 楔块 式 液 压 升 降 装 置 。该 装 置 具 有 工 作 安 全 可 靠 、 造价 经 济 、 技 术 国 产 化 等 特 点 ， 且 在 1座平 台 安装 就位 后 可拆 卸 并 用 于 其 他 平 台 的 移 位 作 业 ， 从 而进 一 步 降 低 了工 程 设 施 投 资 ， 对 于 推 动 边 际 油 田开 发具 有重 要 意义 。 1 组成 与工作原理 升 降装置 主要 由桩腿 、 固桩 系统 包括锁桩 器与 固桩器 和升降系 统 包括上 挟桩器 、 下挟桩器 、 固桩 筒 、 升降油 缸与 回转油缸 组 成 ， 如 图 l ， 从 功 能上 又 可 分为机械 、 液 压 和控 制 3类 系统 。 目标 平 台 为 4 桩腿平台， 共需配置 4个升降装置， 单个升降装置的 设计举 升力为 1 5 0 0 0 k N。 围 z 升 降装 置 成 1 ． 1机械 系统 升降装 置的机 械 系统 由桩腿 、 锁桩 器 、 固桩器 、 上挟桩 器 、 下挟 桩器 和固桩筒组成 。 桩腿 由桩管 和 楔 块组 成 。桩 管外 径 3 m， 外 部 焊接有楔 块 ， 每 层楔 块 数量 为 1 2个 ， 2层 楔块 之 间 问距为 0 ． 4 11 1_ 。平 台 与桩 腿 通 过 锁 桩 器 接 合 和 分 离 ， 升降装 置与桩 腿通 过上 、 下挟 桩 器接合 和 分离 ， 接 口的形状和尺寸均为与桩腿间隙配合的矩形槽。 锁桩 器与上 、 下 挟桩器均采 用旋 转环梁 楔块结 构 ， 主 要 由上 、 下 固定 环梁和转动环 梁组成 ， 其 与桩腿 的接 合 和分 离通过 回转 油缸 的伸缩 运动带动转动环 梁绕 桩腿 回转并与楔块 配合 实现 。 锁桩 器 与平 台焊 接 在 一起 。固桩 器 为 楔 形结 构 。固桩 系统的功 能是 固定 平 台与 桩腿 ， 其 中锁桩 器 传递垂 向载荷 ， 固桩 器 传递水 平 载荷 。平 台就位 后 ， 固桩系统不 可拆卸 。 固桩 简与平 台 甲板通 过连 接法 兰 和螺 栓连 接 ， 上挟桩 器与 固桩筒 焊接 ， 上 、 下 挟桩器通过升 降油缸 连接 。升降系统通 过升降油缸 的伸缩运动实 现平台 的升降 。平台举升 时 ， 桩腿支撑下挟 桩器 ， 升 降油缸 举 升力通过 上挟桩器 、 固桩筒传递 至平台 甲板 ； 平 台 下 降时 ， 平 台重力 A固桩 筒 、 上挟桩器 、 升降油缸 、 下 挟桩器传递至桩腿。平台就位后， 升降系统可拆卸， 其 与平 台的接 口为连接法 兰。 1 ． 2 液压系统 液压 系统 由液 压泵 站 、 执 行元 件 升降 油缸 、 回 转 油缸 、 控 制元件 分 流器 、 平衡 阀、 电磁换 向阀、 单 向阀 、 调压 阀等 和管路 组 成 ， 如 图 2 。每套 升 降装 置共 有 8个升 降油缸和 8 个 回转油缸 上 、 下挟桩器 和 2 个 锁桩器各 配置 2个 回转 油缸 。升 降油缸 和 回转 油缸分 别 由液 压泵站供 油。为保证升 降油缸 同 步伸缩 ， 在 液压 回路 中设 置 了同 步分 流马 达 。为 防 止 平 台 自高位无控 制地 加速 下 落 ， 在 液压 回路 中设 计 了平衡 阀 ， 该阀还 可在 液压 系统 发 生故 障时 将平 台锁紧在任意位置 。 1 ． 3控制 系统 控制 系统 由传感 器 、 工控机 、 P I C、 控 制 电器 、 电 源和智能 数字仪表 等组 成 ， 具有 4方面功能 。 1 数 据采 集 。采 集平 台 的水平 度 、 升 降装 置 的举 升力和 油缸的行程 。 2 数据传输 、 显示。可对实时数据进行传输、 显示 、 记录和历史 查询 。 3 控制 。包 括控制升 降油缸实现控 制平 台升 降 、 控制 回转油缸 实现 平 台或 升降 装置 与桩 腿 的锁 紧与解锁 、 升降油缸 与 回转油 缸互 锁 、 2个挟 桩器 之 间 回转油 缸互锁 、 应急 急停等功能 。 4 报 警 。包 括 油缸到 位报 警 、 平 台水平 度报 警以及载荷报 警 。 第 4 O卷第 5期 孙友义 ， 等 旋转环梁楔块式液压升降装置设计 4 7 I 一 Ⅳ井桩管 t‘ ’。。。。。’。。。。 。。。 I I l 升降油缸I - 8 升降油缸 I 齿轮 ⋯ 平衡 阀 I 一 Ⅳ井桩管 雾 雾 出 上 挟下 挟 锁 锁 同 EI 桩 器 目 器 1 桩器2 匠 E 马 油缸 B 日 E 幽 静电 液 换 向 阀 电磁 换 DV 节流裁止阀 同 罐 齿 轮 式 同 步 分 流 马 达 I 莲 L 一 狻 卸 荷 阀 。 I } j占 审 囝f I l l ； l 1 { l 。 } I l 1 ． 4 工作原 理 控制 阀液压站 升 降油缸液压站 回转油缸液压站 图 2升 降 装 置 液 压 系 统 原 理 平 台 的升降 由升 降系统 实现 。平 台举升 工作 流 桩 腿 上挟桩器 升降油缸 下挟 桩 器 程如 图 3 。 a初始状态 b上挟桩 器解锁 c 升降油缸伸出d上挟桩器锁 紧 e下挟桩器解锁 f升降油缸缩回 g下挟 桩器锁紧 图 3 平 台举 升工作原理 块 第 4 O 卷第 5 期 孙友义 ， 等 旋转环梁楔块式液压升降装置设计 4 9 图 5 升 降 装 置 工 程 样 机 j 试 验 平 台 在样机试 验 中 ， 试 验平 台升 降平稳 ， 升 降装置 样 机 工作 安全 可靠 。样机 试验 表 明升降装 置 的功能 和 性 能 良好 ， 且 验证 了装 置 的可拆 卸 性 ， 满 足 可移动 式 自安装平 台的功 能 要求 。此外 ， 样机 制 造 采 用 的 机 械 、 液压 、 控制 系 统材 料 和 元 器 件全 部 实 现 国产化 ， 实 现 了该装置 技术 国产 化 的 目标 ， 并 大 幅度 降 低 了 建造 成本 。 4 拆装方案与互换使用可行性分析 升 降装置 总质 量约 1 4 5 t ， 需 要使用 浮 吊对 升 降 装 置整体 进 行 拆 装 。如 图 6 ， 升 降装 置 的整 体 拆 装 需要 1台 吊臂 长 7 0 m、 吊高 6 0 m， 起 吊质 量 2 0 0 t 的浮 吊 ， 另需 1艘拖 轮对 浮 吊进 行拖 拉 、 抛锚定 位 和 起锚 等工 作 。此外 ， 升 降装置局 部结 构 的拆装 ， 例 如 连接 法 兰螺栓 的拆装 、 液 压软管 的拆 装 、 电控线 缆接 头 的拆装 ， 需要 专业工 人进 行作 业 。 图 6升 降 装 置 吊 装 不 恿 升 降装 置 的互 换使 用可行 性 指 的是 在经 济上 可 行 ， 即 ， 多座 平 台共 用 1套升 降装 置 相 比各 自独 用 1 套 升 降装 置要 在经 济上 具有优 势 。升 降装置 的投 资 分 为制造 投资 与使 用 投 资 2部 分 ， 其 中制 造 投 资包 括 可拆卸 部分 升 降系统 投资 和 固定 部 分 楔块 、 固 桩 系统 投 资 2部分 ； 使用 投资 包括拆 装 费用和 设备 保 养维 护费 用 2部分 。可移 动式 自安装 平 台设 计 寿 命 为 2 5 a 。根 据平 台不 同 的移 位频 率 ， 对 不 同数量 的平 台各 自独用 l 套 升降装 置与共 用 1套升 降装置 的投 资进行 对 比分 析 ， 分 析 结 果 如 图 7 。 图 7中纵 坐 标指 的是 共用 l 套升 降装 置相 比独用 1套升 降装 置 时平 均每 座 平 台 的节 省 投 资 额 。可 以看 出， 平 台 平 均移位周期2 a 时 ， 2座以上平 台共用 1 套升降装 置 即可在经济上具有优 势 。分析表 明 ， 对 于用 于边 际 油 田开发 的移动不频繁 的可移动式 自安装平 台 ， 升降 装置 的拆 卸互换使用具有 良好的经济性 。 0 、 妞 ～ 船 虹 图 7 升降装置 互换使用经济性分析 5 结 论 通过 有 限元 强 度 分析 与 工程 样 机试 验 证 实 ， 旋 转环梁楔块式液压升降装置具有工作安全可靠 、 可 拆 卸 、 技术 国产化 、 造 价较 低 等 优 点 ， 可经 济 有 效地 实现 可移动 式 自安装平 台甲板或 桩腿 的升降 。通过 经济性 分析 证实 ， 对 于 用 于边 际 油 田开发 的移 动不 频 繁 的可移 动式 自安装 平 台 ， 该 新 型 升 降装 置 的拆 卸 互换 使用 具有 良好 的经 济 性 ， 可 进一 步 降 低 工程 设 施投 资 。这种新 型 升降装 置对 于推动 海上边 际油 田开发 具有 重要意 义 。 参 考 文 献 [ 1 ]方华灿． 我 国海上 边际油 田采油平 台选 型浅谈 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 0 5， 3 4 1 2 4 2 6 ． [ 2 ] 曲兆光 ， 王 章领 ， 丁 九亮． 渤海 边 际油气 田开 发“ 蜜 蜂 式” 采 油 设施 方 案研 究 [ J ] ． 中国 海 匕油气 ， 2 0 0 7 ， 1 9 5 35 3 3 56 ． [ 3 ] 侯金林． 筒型基 础式多功 能平 台概 念研究 c 3 ／ ／中国 石 油 学 会 ． 2 0 1 0年 中 国 石 油 学 会 海 洋 工 程 工 作 部 工 作 年会 和技术交 流会． [ 4 ] 彭鼎 ， 张乐． 海 上白升式平台电动升降装 置的研究 [ J ] ． 中国海洋平台 ， 2 0 0 7 ， 2 2 2 4 4 4 7 ． [ 5 ] 田海庆 ， 李德 堂． 胜 利开发三号采 油平 台液压升 降系统 设 计 E J 3 ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 0 4， 3 3 6 8 0 8 2 ．