自升式钻井平台桩腿锁紧齿条的力学分析.pdf

一 3 6 一 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年 第 3 8卷 第 1 0期 设计计算 自升式钻 井平台桩腿锁 紧齿条 的力学分析 马 邦勇 张海云 陈 欣 张树 宝 海洋石油工程股份有限公 司 摘要 为 了得到 自升式钻井平台桩腿锁 紧齿条各个齿牙上载荷分布规律 对锁紧状态下齿条 啮合受力情况进行分析 同时对单个齿牙不 同部位 的应力情况进行分析对 比 结果表 明 自升式 钻井平台锁 紧状态下锁紧齿条各个齿牙的受载是不均匀的 啮合段两端 齿牙承载要大于 中段齿牙 的承载 由于应力集 中等因素的影响 单个齿牙不同部位的承载也是不均匀的 齿根受压侧部位 应力最大 齿根受拉侧和齿面上 的应力较小 可以通过改变齿条齿牙 的压力角 节距等参数 以及 齿根倒圆半径来 改善齿条不同齿牙承载不均匀现象 同时可以解决齿根的应力集中问题 关键词 自升式钻井平台 桩腿 锁紧齿条 应力 力学分析 0 引 言 随着海洋石油工业的飞速发展 各种形式 的钻 井平台蓬勃兴起 白升式钻井平台在深海钻采工程 中占据举足轻重的地位 3 自升式钻井平 台由于 其稳定性好 运移性好 适用水较深以及经济性好 的特点而被广泛应用 桩腿锁紧装置是为了提高平 台在风暴条件下的 自存能力而设计的装置 其通过 锁紧齿条与桩腿齿条啮合进行锁紧 来保证平 台在 设计载荷作用下的安全性 因此桩腿锁紧齿条是 自 升式钻井平台上很关键的部件 其性能的优劣直接 关系到工程的成败 笔者拟在此对锁紧状态下齿条 啮合受力情况进行分析 以便得到锁紧齿条上 的载 荷分 布 规 律 为 今后 锁 紧齿 条 的设 计 提 供一 些 指 导 1 锁紧状态下锁紧齿条 的受力分析 1 1 自升 式钻 井平 台桩腿 锁紧 装置 自升式钻井平台一般有 9套桩腿锁紧装置 分 布于 3条桩腿的 9个主齿条上 桩腿锁紧装置安装 于围井内提升装置 和桩腿下导板 之间的船体短梁 上 以此为基础可以从桩腿齿条两侧对桩腿进行锁 紧 锁紧装置结构如图 1 所示 通过操作顶部和底 部螺杆装置以及辅助的侧 向油缸 可以将桩腿锁紧 块嵌入桩腿齿条 并固定 待全船的 9套锁紧装置 都完成上述操作后 整个钻井平 台就锁紧在 3条桩 腿的齿条上 图 1 桩腿锁 紧装置结构示意 图 1 一底部螺杆装 置 2 锁紧齿条 3 一侧 向 油 缸 4 一 顶 部螺 杆 装 置 5 一 桩腿 齿条 1 2 锁紧状态下锁紧齿条的轴 向载荷分布 在锁紧状态下 锁紧齿条上承受 的上部载荷由 相互啮合 的齿牙分担 要研究该状态下锁紧齿条载 荷 的分布情况 首先分析锁紧齿条轴向载荷的分布 情况 图 2所示 为受轴 向力 F作用下 的齿条 啮合 的 轴 向力分布示意图 取图中最下端一齿的啮合处为 坐标原点 以锁紧齿条为研究对象 将各齿上分担 的力简化为集 中力 则有 H F 1 F F 1 式中n 啮合齿数 F 第 n个齿受到的力 N 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 0期 马邦勇等 自升式钻 井平 台桩腿锁 紧齿条的 力学分析 图 2齿 条啮 合 轴 向力 的 分 布 示 意 图 假设在 力作用下 位置处齿条垂直截 面上 的轴向力为 F 锁紧齿条 坐标处垂直截面上 的轴向力为 F 则有 F F 一 F 口 Fl F n x p F一 F F 2 式 中p 齿条 的节距 另外 根据作用力和反作用力的关系可知 F F F 3 如果取 F 对 的导数为 q 即 q d F d x q 称 为轴 向力 分布强度 是单位 啮合长 度上的轴向力 于是在啮合长度 的齿条上有 F g d F q d 分布在某一齿上的轴向力为 P I g d x 4 5 6 由上式可知 只要求 出 q 即可求 出每一 齿上的力 设单位长度上锁紧齿条单位面积齿面侧面的法 向作用力 为 P 对 于齿 条来说 P 和 q 存在以下关系 P q B Hc o s j e 7 式中 压力角 曰 齿条厚度 m 一 齿 高 m 1 3锁紧状态下锁紧齿条的变形分析 啮合的齿条在承受载荷时除了因齿牙弯曲而产 生的挠曲外 还有各种原因产生的弹性变形 但两 者的齿总是相互啮合在 一起 齿 条 的节距 总是相 等 因此啮合的齿条必须满足一定的变形条件 才 能相互啮合在一起 根据这一原理可以得出承载下 齿条啮合的变形协调方程 齿条的弹性变形 如 图 3所 示 在 轴 向力 F的 作用下 锁紧齿条本体和桩腿齿条本体均产生拉应 鐾 0 与 L 互 L 2 l 图 3 齿 条 的 弹 性 变形 示 意 图 1 一锁 紧齿条 2 一桩腿齿 条 力和拉伸变形 6 和 6 为锁紧齿条本体和桩腿齿 条本体 的变形 量 以后 用脚注 b代表锁 紧齿条本 体 用脚注 P代表桩腿齿条本体 齿牙在侧面法 向力的作用 下 产生 弯曲 剪切 和牙根位 移等变 形 6 和 为锁紧齿 和桩腿 齿 的总变形量 其 中 0 和 6 0 表 示在 0处 的变形量 6 和 6 表示在 处 的变形量 根据变 形协调条件 应满足 6 6 0 0 6 6 6 6 整理后写成 6 一6 6 6 一 6 0 6 0 8 位置处 锁 紧齿条本体和桩腿齿条本体 的变 形量分别为 6 Jc d 9 J l 1 0 位置的齿牙上 锁 紧齿牙和桩腿齿牙的变形 量分 别 为 6 m P p A E 1 1 6 P p A E 1 2 式中E E 锁紧齿条和桩腿齿条材料 的弹性 模量 P a 锁紧齿条本体和桩腿齿条本体 的 横截面面积 1T I A A 无量纲系数 它们是只决定于齿 条啮合的几何参数 将式 8 1 2 整理后可得 一 3 8一 石 油机械 2 0 1 0年第3 8卷第 1 O期 去 去 一 彘 邶 1 3 令 I 1 E A 1 E 6 A 6 l P A E p A 6 E 6 B H c o 则式 1 3 可改写为 一 F x 一 g 0 小 1 4 将上式对 求导 得 一 g 1 5 对上式求导 并令 1 6 则有 q 一 q 0 1 7 该式即为啮合的齿条通过轴向力分布强度描述 的变形协调方程 考虑式 1 5 和式 1 7 的边界条件 为 0时 F 0 0 q 0 一F T E 6 A 6 时 F L F q L T E p A 再对式 1 7 进行求解 得到啮合齿 的轴 向 力的分布强度为 1 由式 1 8 可知 q 是一个关于 的双 曲余弦函数 4 因为 q 0 所 以 q 的 分布曲线为两头高 中间低的形状 从而导致了各 啮合齿受力的不均匀性 如图4所示 图4 啮合段 齿条 的轴 向力分布 强度示意 图 2 锁紧状态下锁紧齿条单个齿牙的 直力分损 啮合的齿条在承受载荷时单个齿牙上不同部位 的受力情况是不 同的 假设某一齿牙上承受 F的 集 中载荷 为 了分析单个齿牙 不同部位的受力状 态 将模型进行简化 见图5 将集 中载荷 F等效 为 和 F 的作用使齿牙上产生弯矩 使齿条本体上产生弯矩 选取齿牙上 3个典 型位置 即齿根受 拉侧上 的点 o 齿根受 压侧点 b 齿面上的点 C 来分析其应力状态 图 5锁 紧齿条单个齿牙受力模 型简图 2 1 n点和 b点的应力比较 点和 b点因 F 的作用产生的弯曲应力为 6 和 6 两者大小相 等 方 向相反 口点 和 b点因 的作用产生 的压应 力为 和 6 两者大小 相 等 a点和 b点因 F 的作用产生 的弯曲应力为 6 和 6 两者方向相同 但大小是不同的 因为 F 在 点产生的弯矩要大于 b点的弯矩 通过对比可 以分析得到 6 6 2 2 0点和 C 点的应力比较 从图 5可以看 出 F 在 口点的弯矩大于 C点 因此产生 的弯曲应力 6 6 a点和 b 点 的应力情 况对 比见 表 1 表 1 n点和 b点的应 力情 况对 比 故可 以得 出 o b c 3点 的应力 值有 以下关 系 6 6 B 这样 就造成 0点 的应 力集中系数小于 b 点的应力集中系数 导致 了 n点 2 0 1 0年第3 8卷第 1 0期 马邦勇等 自升式钻井平台桩腿锁紧齿条的力学分析 的等效应力要小于 b点的等效应力 通过上述分析可知 单个齿牙不 同部位 的应力 也是不同的 应力最大部位为啮合段两端 的齿牙的 齿根受压侧部位 大于齿根受拉侧和齿面上 的等效 应力 变 形前 形后 图 6 锁 紧齿条单 个齿牙受力 变形 图 3 改善锁紧状态下锁紧齿条 的载荷情 况 的措施 根据上述分析可知 锁紧机构和桩腿齿条啮合 锁紧时 锁 紧齿条 的各个齿 牙受力情 况是不均 匀 的 且每个齿条的各个部位受力也是不均匀的 设 计锁紧齿条时 应该尽量使啮合时齿条的各个齿牙 受力均匀 并且尽量减小齿根部位应力集 中 3 1 改善锁紧齿条各个齿牙受力的不均匀性 锁紧齿条各个齿牙上应力 的不均匀性是 由各个 齿牙上承受的集中力的不均匀引起的 由前面 的分 析可知 轴向力分布强度 q 是一个关于 的双 曲余弦函数 其分布曲线为两头高 中间低的形状 对 q 求导并取绝对值可得 I q I s s h s r L 2 一 二 l 19 l 1 E A E 6 6 f j l L J l 要使锁紧齿条的各齿载荷分布 比较均匀 必须 使 q l尽量小 由上式可知 必须减小参数 由式 1 6 可得 A A P A p E A bE p p 6 6 分 析式 2 0 可知 要减小 的值 改 善啮 合齿牙 的载荷分布情况 可 以通过改变齿牙本身的 形状参数来达到平均各齿载荷 的目的 具体措施如 下 适 当增大齿 牙的啮合压 力角 即减 小 c o 的值 选取适当的齿牙高度和厚度 比 在保证强 度的前提下 使 B H值尽量小 适 当增大齿条 的 节距 P 使 的值减小 3 2 改善啮合齿牙各个部位受力的不均匀性 通过分析可知 对于啮合 的齿牙 齿根受压侧 由于应力集中产生 了很大的应力 可以通过适当增 大齿根处倒 圆半径 的办法来改善 齿根部位 的应 力 集中 4 结 论 1 自升式钻井平 台锁紧状态下锁 紧齿 条各 个齿牙的受载是不均匀 的 啮合段两端齿牙承载要 大于中段齿牙的承载 2 由于应 力集 中等 因素影 响 单个齿 牙不 同部位 的承载也是不均匀的 齿根受压侧部位应力 最大 齿根受拉侧和齿面上的应力较小 3 可以通 过改变齿条 齿牙 的压力 角 节距 等参数 以及齿根倒圆半径来改善齿条不同齿牙承载 不均匀现象 同时可以解决齿根的应力集 中问题 参考文献 1 陈宏 李春祥 自升式钻井平台发展综述 J 中国海洋平 台 2 0 0 7 2 2 1 0 1 6 2 汪张棠 赵建亭 自升式钻井平台在我国海洋油气 勘探开发 中的应用 和发展 J 船舶 2 0 0 8 2 1 1 0一l 5 3 王泉 自升式钻井平台升降装置强度安全可靠性 分析 J 石油矿场机械 2 0 0 2 3 1 4 1 5 4 高连新 金烨 套管 连接螺纹 的受力 分析 与改善 措施 J 上海 交 通 大学 学 报 2