（机械电子工程专业论文）导管架调平夹持器齿形爪优化及同步控制技术研究.pdf

导管架调平夹持器齿形爪优化及同步控制技术研究 摘要 近十几年来的全球大型油气田勘探实践表明，陆上油气资源已进入“平台期”， 其产量增长几乎接近峰值，因而各国开始走向海中取油之路，因此海洋油气资源 是未来世界油气资源开发的重要领域。海洋油气资源开发离不开海洋平台，钢质 桩基导管架平台凭借自身的诸多优点而被广泛应用于海洋油气开发中。导管架安 装过程中的调平作业是影响导管架平台海上安装质量的关键环节之一，深水导管 架调平需要一些特殊的机具，其中调平机具系统是调平作业所必需的专用液压机 具，由于其能同时完成夹持和调平两项操作，对提高安装效率、降低海上安装成 本具有重要作用。我国在该领域的研究还处于起步阶段，因此对其关键技术进一 步研究以加快该装备的国产化进程具有现实意义。 本课题来源于中国海洋石油工程股份有限公司综合科研项目“深水导管架安 装液压装具研发”。本文综述了海洋油气平台导管架调平作业系统的国内外应用现 状，评述了该技术的发展和需要进一步研究的问题，针对调平机具系统的夹持和 调平作业这两项关键工序，深入分析了其关键部件一夹持器的齿形夹爪参数、管 桩承载能力及调平力的关系，给出了齿形爪参数确定方法，建立了表征齿彤爪参 数与调平力和管桩承载力关系的数学模型，构建了齿形爪优化的可视化仿真平台， 进一步研究了便于工程应用的长管路调平提升系统数学模型简化方法及其同步控 制技术。 本文根据夹持器齿形爪的受力状态，j 、砭用弹性理论推导了齿形爪截面内任意 点的应力分量表达式，确定了较为合理的齿形爪结构。在此基础上，分析了齿形 爪结构参数对调平力的影响，从齿形爪和管桩材料满足最大应力条件出发，提出 了齿形爪结构参数的确定方法，为齿形爪系列化设计打下了基础。 针对齿形爪结构优化问题，采用一种数值模拟正交试验、支持向量机回归和 改进遗传算法的综合优化方法。首先确定了数值模拟正交试验因素及各因素水平； 其次根据不规则实体的多楔接触问题解法，利用a n s y s 软件建立了齿形爪与导管 桩夹持接触的有限元模型，以齿形爪与管桩问夹持力及其应力作为试验指标，将 得到的不同因素水平组合的有限元分析结果作为训练样本，建立了夹持接触力、 齿形爪应力和管桩应力的支持向量机回归模型，采用另外的预测样本对回归模型 的预测效果进行了验证，结果证明了所建模型的合理性；最后以夹持接触力的回 归模型为目标函数，以齿形爪和管桩应力的回归模型为约束函数，采用改进的遗 传算法对齿形爪结构进行了优化，将优化结果与a n s y s 分析结果进行了对比，结 果表明两者误差小于1 。构建了齿形爪结构优化可视仿真平台，为实际工程应用 哈尔滨工程大学博士学位论文 提供了一种便捷设计方法。 在分析调平机具系统作业特点的基础上确定了系统管路布置形式，基于管路 传输动力学理论，修正了长软管的线性摩擦模型，建立了考虑管路效应的长管路 电液提升系统数学模型，分析了管路效应对系统动态特性的影响。为解决系统模 型参数复杂与求解困难等问题，本着构建工程适用模型的思想，本文利用管路的 质量一弹簧阻尼动力学模型，提出了一种基于模型降阶法的快速建立长管路简化模 型的方法，给出了简化模型公式，与原模型对比分析的结果表明所提出的简化模 型与原模型有很高的近似度。 对并联长管路电液提升系统各通道间运动耦合问题，借鉴最少相关耦合轴数 控制的基本思想建立了并联长管路环交叉耦合同步控制模型。提出了一种改进的 s m i t h 滑模预估控制方法，设计了跟踪误差控制器，并孑一种改进的p i ds m i t h 预 估控制器进行了比较，仿真结果表明所提出控制方法的有效性。采用滑模变结构 控制方法设计了相邻两通道的同步误差控制器。将环交叉耦合控制与等同式同步 控制进行了比较，结果表明了环交叉耦合控制方式应用于并联长管路电液提升系 统同步控制的可行性和有效性。 关键词：导管架调平机具；结构优化；可视化；管路效应；同步控制 导管架调平夹持器齿形爪优化及同步控制技术研究 a b s t r a c t o v e rt h ep a s td e c a d e ，t h ep r a c t i c e so fg l o b a ll a r g eo i la n dg a sf i e l de x p l o r a t i o ns h o wt h a t t h eo n s h o r eo i la n dg a sr e s o u r c e sh a v er e a c h e dap l a t e a u ，a n di t so u t p u tg r o w t hh a sb e e nc l o s e t ot h ep e a k ，s ot h a ta c t i v i t i e sa r et u r n i n gt ot h es e aa n di tw i l lb eas i g n i f i c a n ta r e ao ft h e w o r l d so i la n dg a sr e s o u r c ee x p l o i t a t i o ni nt h ef u t u r e t h eo f f s h o r ep l a t f o r m sa r et h e e s s e n t i a le q u i p m e n t ，a m o n gt h e mt h ep i l e - s u p p o r t e ds t e e lj a c k e t t y p ep l a t f o r mi sw i d e l yu s e d l c v e l i n gj a c k e ti sak e ys t e po fp la t f o r mi n s t a l l a t i o n l e v e l i n go p e r a t i o nf o rd e e p w a t e rj a c k e t n e e d ss o m es p e c i a lt o o l s ，a n dl e v e l i n gt o o ls y s t e mi sas p e c i f i c ：h y d r a u l i ct 0 0 1 d u et ot h e g r i p p i n ga n dl e v e l i n go p e r a t i o n sc a nb ed o i n gs i m u l t a n e o u s l y ，t h et o o li sv e r yi m p o r t a n tt o i m p r o v et h ei n s t a l l a t i o ne f f i c i e n c ya n dr e d u c ec o s t t h es t u d i e sa r e s t i l li nb e g i n n i n gs t a g ei n o u rc o u n t r y , s of u r t h e rr e s e a r c ho ft h et e c h n i q u ei sn e c e s s a r yt os p e e du pi t sn a t i o n a l i z a t i o n t h ep r o j e c tr o o t si nt h ec o m p r e h e n s i v ep r o j e c to fo f f s h o r eo i le n g i n e e r i n gc o l t d “h y d r a u l i ce q u i p m e n td e v e l o p m e n tf o rd e e p w a t e rj a c k e ti n s t a l l a t i o n ”i n t h i s p a p e r , t h e l e v e l i n go p e r a t i n gs y s t e mb o t ha th o m ea n da b r o a da r es u m m a r i z e d ，t h er e s e a r c hp r o g r e s so f t h a t t e c h n i q u ei sr e v i e w e d ，a n dt h ep r o b l e m sw h i c hn e e df u r t h e rs t u d i e da r ed e s c r i b e d a i m i n ga tt w ok e yt e c h n o l o g i e so fl e v e l i n gt o o l ss y s t e m ，g r i p p i n ga n dl e v e l i n g ，t h ei n t e r n a l r e l a t i o n sb e t w e e nt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h eg r i p p e r st o o t h e dg r i p p i n gj f l wa n dl e v e l i n g f o r c ea n db e a r i n gc a p a c i t yo fs t e e lp i l ea r es t u d i e df u r t h e ri nt h i s p a p e r , t h em e t h o dt o d e t e r m i n et h e s ep a r a m e t e r si so b t a i n e d ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e ld e s c r i b i n gt h o s ei n n e r r e l a t i o n si sb u i l t ，t h eo p t i m i z a t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mf o rt o o t h e dg r i p p i n gj a wi sc o n s t r u c t e d ， t h es i m p l i f i e dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i ce x e c u t i v es y s t e mw i t hl o n g p i p e l i n ei sr e s e a r c h e d ，w h i c hi sc o n v e n i e n tt oa p p l yt oe n g i n e e r i n g ，a n dt h es y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o ls t r a t e g yo ft h ep a r a l l e ll o n gp i p e l i n el e v e l i n gs y s t e mi sp r e s e n t e d b ya n a l y z i n gf o r c ec o n d i t i o no ft h et o o t h e dg r i p p i n gj a w , t h es t r e s sc o m p o n e n t s e x p r e s s i o n sa ta n yp o i n ti nt h et o o t h sn o r m a ls e c t i o na r ed e r i v e da d o p t i n ge l a s t i ct h e o r y , a n d ar e a s o n a b l es t r u c t u r ei sd e d u c e df r o ma n a l y s i sr e s u l t s o nt h a tb a s i s ，t h ee f f e c to fs t r u c t u r e p a r a m e t e r so nt h el e v e l i n gf o r c ei sa l s od i s c u s s e d a n db a s e do nt h et h o u g h to ft h et o o t h e d g r i p p i n gj a wa n dp i l em a t e r i a l sm e e t i n gt h eg r e a t e s ts t r e s sc o n d i t i o n s ，t h em e t h o d st h a tm a y b eu s e dt od e t e r m i n et h ek e yp a r a m e t e r sa r eg i v e n ，w h i c hw i l lm a k eaf o u n d a t i o nf o rt h e s e r i a ld e s i g no fg r i p p i n gj a w f o rs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no ft h eg r i p p i n gj a w ，ac o m p r e h e n s i v eo p t i m i z a t i o na p p r o a c h i s p r e s e n t e d ，w h i c hi n c o r p o r a t e s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 哈尔滨工程大学博士学位论文 o p t i m i z a t i o nm e t h o d ，t h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n er e g r e s s i o n a n dt h ei m p r o v e dg e n e t i c a l g o r i t h m f i r s t l y , t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tf a c t o r sa n dt h e i rl e v e l so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a r ec o n f i r m e d t h e na c c o r d i n gt ot h es o l u t i o nm e t h o df o rm u l t i p l ew e d g e sc o n t a c tp r o b l e mo f t h ei r r e g u l a re n t i t i e s ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc l a m p i n gc o n t a c tb e t w e e n g r i p p i n gj a wa n d p i l ei se s t a b l i s h e db yu s i n ga n s y ss o f t w a r e ，a n dt h ef i n i t ea n a l y s i sr e s u l t sf o rd i f f e r e n tl e v e l c o m b i n a t i o no ft h o s ef a c t o r sa r eo b t a i n e do nc o n d i t i o nt h a tc o n t a c tp r e s s u r eb e t w e e n g r i p p i n g j a wa n dp i l ea n d t h e i rs t r e s s e sa r et a k e na st h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n ti n d e x e s o nt h a tb a s i s ， t h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n er e g r e s s i o nm o d e l so fc o n t a c tp r e s s u r e ，g r i p p i n gj a ws t r e s sa n d p i l es t r e s sa r es e tu p ，a n dt h ef o r e c a s t i n ga c c u r a c yo fr e g r e s s i o nm o d e la r ev e r i f i e db ya n o t h e r p r e d i c t i o ns a m p l es e t ，w h i c hs h o w st h a tt h e s em o d e l sa r ev a l i d i t y u s i n gt h er e g r e s s i o nm o d e l o fc o n t a c tp r e s s u r ea sat a r g e tf u n c t i o na n dt h a to fg r i p p i n gj a wa n dp i l ea sc o n s t r a i n t f u n c t i o n s ，a no p t i m a lt o o t hs t r u c t u r eo fg r i p p i n gj a wi so b t a i n e db y a d o p t i n gak i n do f i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m ，a n dt h ec o m p a r a t i v er e s u l tb e t w e e no p t i m a lv a l u e sa n d c a l c u l a t e do n e so fa n s y si n d i c a t e st h a tt h ee r r o ri sl e s st h a n1 i na d d i t i o n ，av i s i b l e s i m u l a t i o np l a t f o r mo fs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o ni sd e s i g n e df o r t h et o o t h e dg r i p p i n gj a ws oa st o o f f e rac o n v e n i e n tm e t h o df o r t h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e b ya n a l y z i n gl e v e l i n go p e r a t i o nf e a t u r e s ，t h ep i p e l i n ea r r a n g e m e n tf o r mi sd e t e r m i n e d a n dal i n e a rf r i c t i o nm o d e lo fl o n gh o s ei sr e v i s e db a s e do nt r a n s m i s s i o np i p e l i n ed y n a m i c s t h el e v e l i n gs y s t e mm a t h e m a t i cm o d e lc o n s i d e r i n gp i p e l i n ee f f e c ti sd e r i v e da n dt h ee f f e c t s o ns y s t e md y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d t oh a n d l et h ep r o b l e mt h a tt h em o d e lh a s v e r yc o m p l e xp a r a m e t e r sa n d isd i f f i c u l tt os o l v e ，i nl i n ew i t ht h et h o u g h to fc o n s t r u c t i n ga s u i t a b l ee n g i n e e r i n gm o d e l ，t h i sp a p e rp r e s e n t saf a s tm o d e l i n gm e t h o do fl o n gp i p e l i n eb y u s i n gas p r i n g - d a m p e r - m a s sm o d e lb a s e do nm o d e lr e d u c t i o na n dt h es i m p l i f i e df o r m u l ai s g i v e n c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lm o d e l ，t h es i m p l i f i e do n eh a sb e t t e ra p p r o x i m a t i o n f o rt h em o v e m e n tc o u p l i n gb e t w e e nd i f f e r e n tc h a n n e l so ft h el e v e l i n gs y s t e mw i t hl o n g p i p e l i n e si np a r a l l e l ，ac i r c u l a rc r o s s c o u p l i n gs y n c h r o n o u sc o n t r o lm o d e li ss e tu pb a s e do n t h ei d e ao ft h em i n i m u mn u m b e ro fc o r r e l a t i v ea x i sc o n t r 0 1 a ni m p r o v e ds m i t hs l i d i n gm o d e p r e d i c t i o nc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e dt od e s i g nat r a c k i n ge r r o rc o n t r o l l e ra n dc o m p a r i s o n w i t ha l li m p r o v e dp i ds m i t hp r e d i c t o ri n d i c a t e st h a tt h e a p p r o a c hi s e f f e c t i v e t h e s y n c h r o n i z a t i o ne r r o rc o n t r o l l e ro ft w oa d j a c e n tc h a n n e l si sd e s i g n e db ye m p l o y i n gs l i d i n g m o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lm e t h o d t h er e s u l t so f c o m p a r i s o n w i t ha n e q u a l s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls h o wt h a tt h es y n c h r o n o u sc o n t r o ls t r a t e g yu s e di n t h ep a r a l l e l l e v e l i n gs y s t e mw i t hl o n gp i p e l i n e si sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e k e y w o r d s ：j a c k e tl e v e l i n gt o o l ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ；v i s u a l i z a t i o n ；s y n c h r o n o u sc o n t r o l 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 油气资源被人们形象地称为“工业的血液”，不仅是工农业生产和人们日常生 活中最重要的能源，同时又是国防的重要战略物资。随着陆上新发现油田的逐渐 减少，人们将目光投向海洋，全球海洋面积是陆地面积的两倍，海底蕴藏着非常 丰富的油气资源，在近十年发现的大型油气田中，海洋领域约占6 0 。据美国地 质训查局( u s g s ) 评估，世界( 不含美国) 海洋待发现石油资源量5 4 8 亿吨，待 发形天然气资源量7 8 5 万亿j 、方米，分别占世界待发现油气资源总量的4 7 和 4 6 1 。因此，海洋油气开发越来越受到世界各国的重视，全球已有1 0 0 多个国家 在进行海上油气勘探，并且不断向深海发展，预计到2 1 世纪中叶，海洋油气资源 开发在油气行业中将占据更重要的地位。 根据2 0 1 1 年8 月工业和信息化部公布的数据显示，我国原油对外依存度首次 超过美国达到5 5 2 ，超过5 0 的国际警戒线，并且以当前我国油气产量增长幅 度来看，预计到2 0 2 0 年我国对外依存度将超过6 0 ，将严重影响国家能源安全。 因此，在2 0 1 1 年中国海洋油气钻采与工程装备高峰论坛上有专家指出，未来几十 年我国原油产量的增幅依然有限，有效开发利用海洋油气资源是一个必然选择【2 1 。 我国拥有3 0 0 万平方公里海疆，油气资源十分丰富。根据国土资源部油气资源战 略研究中心和中国石油大学( 北京) 联合发布的新一轮全国油气资源评价结果， 我国海洋石油资源量为2 4 6 亿吨，占全国石油资源总量的2 3 ；海洋天然气资源 量为1 6 万亿立方米，占全国天然气总量的3 0 。近1 0 年来，我国新增石油产量 的5 3 来自海洋，2 0 1 0 年更是达到8 5 。但是目前我国海洋石油平均探明率仅为 1 2 3 ，海洋天然气平均探明率为1 0 9 ，均远远低于世界平均水平，而且海洋油 气资源的7 0 又蕴藏于深海区域。因此海洋油气开发，特别是深海油气勘探与开 发是我国未来能源产业发展的战略重点。 海洋资源的开发离不开海上设施与装备，随着海洋油气资源勘探与开发的迅 速发展，海洋平台作为一种海洋工程结构物得到了广泛的应用，它为海上钻井作 业、海洋施工、采油、观测等活动提供了海上生活与作业的场所。海洋平台按其 结构特性和工作状态可分为固定式、活动式和半固定式三大类，其中固定式平台 由于其整体稳定性好，刚度较大，受季节和气候的影响较小，抗风暴的能力强等 优点，在海洋石油资源开发中得到普遍应用。在固定式平台中，导管架平台结构 简单、安全可靠、造价低廉、适应性强，是目前世界近海油气田开发中使用最广 哈尔滨工程大学博士学位论文 泛的一种平台结构，目前在3 0 0 m 水深条件下，9 0 以上的平台都采用了导管架式 固定平台。这种平台大都是钢质桩基平台，通常采用4 8 条腿的结构，一般由上 部结构、导管架、桩基三个部分组成，如图1 1 所示【4 1 。 图1 1 海洋导管架平台 f i g 1 1o f f s h o r ej a c k e tp l a t f o r m 上部结构由上下层平台甲板和层问桁架或立柱构成，主要承受作业装备、人 员工作及生活设施和其它负载等，如图1 2 所示。 生活钻井、修井 机组块 ，譬瓷爹迄殴 一4 图1 2 导管架平台上部结构 f i g 1 2t h eu p p e rs t r u c t u r eo fa no f f s h o r eja c k e tp l a t f o r m 导管架主体是由若干竖向立柱和横向及斜向联接的钢管焊接成的空间钢质桁 架结构，是海洋石油平台的固定基础，为平台的海上施工提供条件。桩基为钢质 管状结构件，从套筒或导管腿内打入海底，主要承受平台纵向载荷并将其传递到 主着力层上。 作为海洋石油天然气开发的基础性设施，海洋平台的设计、建造和安装是海 洋油气开发中至关重要的环节，其建造和安装水平在一定程度上标志着海上油气 的开发水平。世界上第一座设备齐全的钢质导管架平台于1 9 4 7 年被安装在美国路 2 第1 章绪论 易斯安那州墨西哥湾c o u i s s a n a 海域，工作水深6 m ，随后诞生了第一座双层甲板 平台，1 9 5 5 年又产生了第一座3 0 m 水深的平台，并且首次使用了裙桩。随着导管 架平台设计、建造、安装技术的不断成熟，其安装逐渐扩展到更深水域，1 9 9 1 年 s h e l l 公司在墨西哥湾b u l l w i n k l e 油田安装的导管架平台工作水深达到了4 1 2 4 m 。 目前世界上有1 0 0 多个国家在进行海底石油资源开采，有近千座海上石油钻井平 台分布在世界各大洋。 我国海洋石油工业起步较晚，第一座导管架式平台在1 9 6 6 年成功安装在渤海 湾，目前安装的平台主要是导管架式平台，主要分布在滩海、浅海和近海等区域， 如锦州9 - 3 、文昌1 3 1 2 、陆丰1 3 2 、春晓、惠州2 1 1 、番禺等导管架式海洋平台。 近年来，我国海洋平台装备制造能力取得了长足的发展，目前已具有设计和制造 浅海固定式海洋平台的能力，但与发达国家近百年的发展历史相比仍存在很尺差 距，一些比较先进的海洋工程装备国产化率不高，关键技术和设备几乎全部由国 外厂商垄断。此外，我国3 0 0 m 以上水深的海域有1 5 3 万平方公里，目前只开发了 不到1 0 ，而我国深水石油开发尚在起步阶段，因此提高海洋工程装备国产化率 是实施深海战略的首要任务。我国“十二五”规划纲要中已把海洋工程装备制造 列为新兴产业之一并将大力扶持，并且“十二五”海洋工程装备发展规划对海洋 工程装备做出了明确要求，而且特别指出要争取实现深海海洋工程装备的国产化 突破。 由于海洋自然环境的不可预见性，海底地形变化较大，加之海洋平台结构复 杂和体积庞大，使得平台的安装异常复杂。目前，大型深水导管架常用的海上安 装方法有两种：，一是吊装，二是滑移下水。| 云论采用哪种安装方法，导管架在打 桩期间常会出现倾斜现象，如锦州2 0 2 m u q 导管架平台在辽东湾海域安装时，当 吊扣全部松开后，导管架发生了严重倾斜，其顶面位置最高点与最低点之差达到 2 2 7 m i 引。根据海上安装技术规范要求，导管架安装后应具有相当高的水平度，若 打桩后导管架倾斜度超出设计规范的要求( 通常要求倾斜度59 ) 即为安装质量事 故【6 】。因此，导管架的调平作业在导管架安装过程中非常重要，若导管架就位后 发现倾斜，必须先将导管架调平后再进行打桩，在打桩期间也必须对导管架进行 调平，以避免桩内产生过大的弯曲应力。对于重量较小的浅水导管架，当海床倾 斜度较大时，一般采用浮吊进行调平作业，根据作业实际情况不同，通常有两种 调平方式【7 。纠：一种是采用两台对面布置的浮吊进行作业，一台浮吊负责导管架的 调平作业，另一台浮吊负责插桩、打桩作业，如图1 3 所示，在调平完毕后安装皇 冠板以便将导管架固定到钢桩上。另一种是采用一台浮吊单独作业，在裙桩套筒 内安装卡桩器，如图1 4 所示。当实施调平作业时，先用卡桩器将水平度最低点的 钢桩以外的某个或某几个钢桩卡紧锁定，然后用浮吊吊起导管架水平度最低点来 实现调平，当最低点钢桩打桩到位后将其锁定，再将最高点钢桩打桩到位，期间 3 哈尔滨工程大学博士学位论文 由测量配合共同完成，调平示意如图1 5 所示。 图1 3 两台浮吊实现导箭架调平 图1 4 裙桩卡桩器 f i g 1 3t h el e v e l i n go p e r a t i t ) no fa no f f s h o r ef i g 1 4t h es k i r tp i l eg r i p p e ro fa n j a c k e tb yt w of l o a t i n gc r a n e s o f f s h o r ej a c k e t a 放大视图 图1 5 单台浮吊实现导管架调平 f i g 1 5t h el e v e li n go p e r a t i o no fa no f f s h o r eja c k e tb yas i n g l ef l o a t i n gc r a n e 相对于浅水导管架来说，深水导管架属于重型导管架，由于浮吊起吊能力的 限制，对于深水重型导管架平台的调平就不能采用上述方法，因此需要一些特殊 的机具系统来辅助作业，如水下卡桩器、导管架调平机具等，两者构成了导管架 调平作业系统。目前我国尚无自主研发的产品化的调平作业系统，海洋工程企业 在导管架平台安装过程中所使用的调平作业系统都是从国外购置或租用的，需雇 佣外方操作人员，这无疑使得海洋平台安装成本大大提高。随着我国导管架平台 安装数量的增加，对深海和较深海安装机具的需求快速增加，因此研制具有自主 知识产权的导管架调平系统对于降低我国海上平台安装成本，保证工程顺利进行 具有十分重要意义。 4 第1 苹绪论 1 2 深水导管架调平作业系统国内外研究与应用概况 1 2 1 深水导管架调平作业概述 导管架安装要根据安装水深和导管架类型的不同而选择不同的方法，如立式 吊装下水法、滑移下水法、漂浮法等，但总体安装过程都要经过装船、拖航、下 水、扶正、坐底、打桩、调平和灌浆等连续作业内容，导管架的调平贯穿于插桩、 打桩作业过程中【1 。当导管架就位后，在打桩前要对海底状况进行核实，如发现 导管架倾斜则须先进行调平，确认导管架达到平稳状态后，再将桩垂直吊起进行 插桩作业；每次插桩作业后，打桩作业前须对导管架水平度进行测量，检查其倾 斜状况，以确定调平方案和打桩顺序，导管架调平一般要经过数次作业才能完成。 由于浮吊起吊能力的限制，深水导管架的训平作业需要使用专用的调、f 机具 系统，无论采用何种类型的调平机具，其系统构成基本相同，都由夹持器、调平 器及电液执行系统构成。通过夹持器的夹持作用使调平机具与导管桩和裙桩套筒 之间建立稳固的连接，以保证调平器的动作能够稳定进行。调平器是由若f 液压 缸并联构成的提升机构，在电液执行系统的控制下提升导管架最低点的垂直高度。 调平机具系统的直接作业对象是裙桩套筒和导管桩，为防止调平作业前导管桩与 套筒产生相对运动，通常采用卡桩器配合作业，这样避免了浮吊联合作业，从而 降低了作业系统的复杂性和作业成本。无论采用何种类型的调平机具进行导管架 调平，其调平过程大体相同，下面以夹持式调平机具为例阐述导管架的调平过程， 其作业步骤如1 6 所示。 图1 6 调平机具作业过程示意 f i g 1 6t h ei l l u s t r a t i o no fl e v e l i n gt o o lo p e r a t i n gp r o c e s s ( 1 ) 在完成导管架打桩作业后，确认要调平的管脚，令该脚上的卡桩器动作 以夹紧钢桩，使导管架与钢桩暂时固定； ( 2 ) 起重船先将调平机具竖直吊起并移至导管架上方，然后缓慢下放至需要 调平的管脚内的导管桩上，再沿导管桩慢慢地下放至套筒中，由下夹持器实现调 5 哈尔滨工程大学博士学位论文 平机具与套筒的固连； ( 3 ) 调平机具液压缸活塞杆完全伸出，上夹持器夹紧导管桩，至此实现了导 管桩、调平机具和套筒三者的连接，套筒上的卡桩器夹爪松开： ( 4 ) 调平机具液压缸活塞杆收缩，带动套筒相对导管桩产生上升运动，从而 抬升导管架水平位置最低的一角，当实现了所要求的水平度后，再次启动套筒上 的卡桩器，然后将调平机具吊离导管桩以进行后续的灌浆操作，从而实现导管桩 与套筒的永久固联。 1 2 2 国外导管架调平系统发展现状 1 水下卡桩器发展现状 依据目前公开的资料装看，荷兰i h ch a n d l i n gs y s t e m s 、英国c r u x 、印度i r m 和美国o i ls t a t e sm c s 等公司的导管架平台安装作业相关产品的使用较为广泛， 其中c r u x 公司和i r m 公司在导管架调平系统方面的主要相关产品是导管架卡桩 器，而i h ch a n d l i n gs y s t e m s 和o i ls t a t e sm c s 公司生产的调平系统技术最成熟， 应用也最广泛。这些公司生产的调平系统虽各有特点，但总体来说卡桩器的结构 形式基本相同，都采用多个夹紧液压缸在环状夹持本体上以放射状形式均匀分布， 在夹紧液压缸端部安有齿形爪，夹持过程中夹紧液压缸伸出使得齿形爪“咬紧” 导管桩表面，并不断提供动力以维持夹持力。目前的专桩器齿形爪主要有两种齿 形：一种是锯齿，如i r m 公司、c r u x 公司和o i ls t a t e sm c s 公司生产的卡桩器， 如图1 7 图1 9 所示【1 1 1 3 1 ，前两者能提供的夹持力范围从5 0 t 至3 0 0 0 t ，后者能提 供的夹持力范围从1 0 0 t 到2 0 0 0 t ，我国海上平台建设中购买的卡桩器大部分都是 后者生产的。另外种是环形齿，如i h ch a n d l i n gs y s t e m s 公司生产的卡桩器， 其最大夹持能力可达2 5 0 0 t ，我国春晓油田导管架安装使用的卡桩器就是该公司生 产的，如图1 1 0 所示【1 4 l 。 图1 7i r m 膏桩器 f i g 1 7i r mja c k e tp i l eg r i p p e r 图1 8c r u x 卡桩器 f i g 1 8c r u xja c k e tp i l eg r i p p e r 第1 章绪论 图1 9o i ls t a t e s 卡桩器图1 1 0i h c 卡桩器 f i g 1 9o i ls t a t e sj a c k e tp i l eg r i p p e rf i g 1 1 0i h cj a c k e tp i l eg r i p p e r 2 调、f 机具发展现状 在导管架调平机具技术领域，荷兰的i h ch a n d l i n gs y s t e m s 公司和美国的o i l s t a t e sm c s 公司一直处于领先地位，i h ch a n d l i n gs y s t e m s 公司所生产的调平机具 有单臂式和夹持式两种形式，o i ls t a t e sm c s 公司主要生产钩扣式调平机具。 ( 1 ) 单臂式调平机具。i h ch a n d l i n gs y s t e m s 公司传统的调平机具就采用这 种结构形式，其工作原理类似于内吊装器，如图1 1 1 所示【1 4 】。调平时机体坐于桩 顶将钢桩乍紧，液压缸驱动夹钳伸出夹紧导管架上的套筒，然后回缩从而实现调 平。此类机具结构简单，除用于导管架调平外，也可用于陆上结构物的调平提升， 但其调平能力较小。 ( 2 ) 夹持式调平机具。夹持式调平机具有上下两个夹持机构和一个中间提升 机构，夹持机构工作原理类似j ：卡桩器。当作业时，上夹持机构的齿爪向内伸出 夹持导管桩，下夹持机构坐于套筒上，齿爪向外伸出胀紧套筒，在完成导管桩与 套筒的连接后，中间提升机构动作，使套筒与导管桩产生相对运动实现调平，如 图1 1 2 所示【1 4 】。此类机具调平能力远大于单臂调平机具。 甄：磊爹鬻 图1 1 1 单臂式凋平机具 图1 1 2 夹持式调平机具 f i g 1 1 1o n e - a r m e dl e v e l l i n gt o o lf i g 1 1 2l e v e l l i n gt o o lw i t hg r i p p e r s ( 3 ) 钩扣式调平机具。钩扣式调平机具与单臂调平机具一样，作业时需要坐 7 哈尔滨工程大学博士学位论文 于导管桩顶部，不同的是它有多个由并联液压缸构成的提升臂，每个臂端都装有 钩锁系统，通过钩锁过程实现调平机具与裙桩套筒的对接，然后液压缸回缩，使 钩子带着套筒和整个导管架向上提升，如图1 1 3 所示【1 3 1 。调平作业时，由于全部 重量都作用在钩子上，但受套筒内间隙等因素影响，钩子的尺寸不能太大，因此 该类型机具的调平能力要低于夹持式，且结构也相对复杂些。 一 图1 1 3l a t c h l o k 调平机具 f i g 1 1 3l a t c h l o kl e v e l l i n gt o o l 1 2 3 国内导管架调平系统研究状况 目前我国导管架安装中所用的调平系统都是向国外公司购买的，我国尚无产 品化的自主知识产权的导管架调平系统。国内研究调平系统的科研机构不多，目 前只有哈尔滨工程大学、天津大学和中国海洋石油工程股份有限公司的科研人员 在从事相关研究。哈尔滨工程大学海洋智能机械研究所承担了中国海洋石油工程 股份有限公司“深水导管架安装液压装具”研究项目，完成了卡桩器、钩扣式和 夹持式调平机具的原理设计，设计了夹持式调平机具的实验样机，如图1 1 4 所示。 图1 1 4 调平机具实验样机 f i g 1 1 4e x