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自升式平臺是海洋石油勘探、開采以及油田服務(wù)的重要工程裝備。在石油資源日益枯竭的今天，更加突顯出開發(fā)研究自升式平臺的重要性。升降和鎖緊系統(tǒng)是自升式平臺的關(guān)鍵部件，起調(diào)節(jié)和固定樁腿與船體相對位置的作用。升降系統(tǒng)主要用于插樁、拔樁、升船、降船、預(yù)壓載等調(diào)節(jié)樁腿和平臺相對位置的工況；鎖緊系統(tǒng)主要用于拖航、鉆井作業(yè)以及風(fēng)暴自存等固定樁腿和船體相對位置的工況。鎖緊系統(tǒng)可靠與否直接影響到平臺的安全和使用效果，對其進(jìn)行載荷計算和有限元分析是設(shè)計新平臺鎖緊機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)和必要條件。
自升式平臺剛出現(xiàn)時候，并沒有鎖緊系統(tǒng)，升降系統(tǒng)同時起調(diào)節(jié)和固定樁腿與船體相對位置的作用，完成平臺升降、預(yù)壓載、插拔樁、鉆井作業(yè)和風(fēng)暴自存等工況。隨著齒輪齒條傳動的升降系統(tǒng)被自升式平臺采用，自升式平臺的應(yīng)用也逐步向深海區(qū)發(fā)展，平臺體的體積和重量越來越大，對升降系統(tǒng)的要求也就越來越高。為了提高平臺作業(yè)的安全性，增大作業(yè)范圍，保護(hù)升降系統(tǒng)，由此開發(fā)出鎖緊系統(tǒng)，也就是用于保持自升式平臺在升起狀態(tài)和(或)在平臺漂浮狀態(tài)時鎖緊固定平臺體與樁腿的機(jī)械系統(tǒng)。鎖緊系統(tǒng)主要包括獨(dú)立的動力源、控制系統(tǒng)和機(jī)械鎖緊裝置，是在自升式平臺或樁腿升起后，使用傳動機(jī)構(gòu)將鎖緊裝置的齒條與樁腿齒條嚙合固定，在平臺和樁腿之間建立剛性連接，隨后將作用在升降裝置上的平臺重量及環(huán)境、作業(yè)載荷部分或全部轉(zhuǎn)移到鎖緊裝置。鎖緊系統(tǒng)在拖航工況下主要承擔(dān)樁腿重量，在鉆井作業(yè)、風(fēng)暴自存工況下主要承擔(dān)船體重量，使得升降機(jī)構(gòu)在拖航、鉆井作業(yè)以及風(fēng)暴自存工況下不承擔(dān)載荷，以達(dá)到保護(hù)重載齒輪軸和齒輪箱，延長其使用壽命，大幅提高平臺在風(fēng)暴自存工況下的安全性和可靠性的目的。目前，鎖緊機(jī)構(gòu)主要有兩種實(shí)現(xiàn)形式。
圖中所示鎖緊機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用在JU2000系列平臺上。其工作原理是：左右兩個鎖緊單元水平方向上的螺旋升降機(jī)絲桿伸出，分別將兩個六齒楔塊推人齒條板齒槽并與之嚙合，然后垂直方向上的螺旋升降機(jī)絲桿伸出頂住齒形楔塊，使船體和樁腿的齒條形成固定連接。螺旋升降機(jī)通過液壓馬達(dá)驅(qū)動，且具有自鎖功能。當(dāng)所有的螺旋升降機(jī)和齒形楔塊都移動到位以后，平臺載荷依舊由升降機(jī)構(gòu)的重載齒輪軸承擔(dān)，為了將載荷從升降機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移到鎖緊機(jī)構(gòu)上來，需要通過多次瞬時釋放升降系統(tǒng)的剎車片，或者通過斷續(xù)給升降電動機(jī)脈沖信號，逐步將平臺載荷轉(zhuǎn)移到鎖緊機(jī)構(gòu)上，這樣做的目的是減輕載荷轉(zhuǎn)移時對樁腿以及船體產(chǎn)生的沖擊。在實(shí)施解鎖操作時，首先通過多次給升降電動機(jī)傳遞脈沖信號的方式，將載荷逐步轉(zhuǎn)移給升降機(jī)構(gòu)，而當(dāng)鎖緊機(jī)構(gòu)不再承擔(dān)平臺載荷后，分別收回螺旋升降機(jī)絲桿，再由楔塊回收油缸將楔塊牽拉回初始位置，用楔塊安全插銷將齒形楔塊固定在固樁架上以防止因誤操作對楔塊和齒條造成的損害，至此完成解鎖操作。
圖中所示鎖緊機(jī)構(gòu)是CJ46系列平臺鎖緊機(jī)構(gòu)的改進(jìn)形式，其工作原理如下：在鎖緊操作時，先通過側(cè)向水平油缸和上、下部的螺桿組件推動齒形楔塊與齒條板嚙合，并進(jìn)行預(yù)夾緊。預(yù)夾緊工序完成后，啟動液壓系統(tǒng)中的高壓系統(tǒng)，通過上部油缸推動頂部楔塊下行，緊緊抵住齒形楔塊，直到油缸產(chǎn)生的總推力大于船體總重量，將平臺載荷部分由升降機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移到油缸上。啟動上部螺桿組件，使螺桿向下伸出與頂部楔塊接觸。油缸緩慢卸壓，將載荷逐漸加載到頂部螺桿上，完成載荷轉(zhuǎn)移。此時，船體的重量經(jīng)過固樁架、上部螺桿組件、楔塊、齒形楔塊傳遞到樁腿齒條上。進(jìn)行解鎖操作時，升降機(jī)構(gòu)的剎車裝置處于制動狀態(tài)，啟動上部油缸，使油缸產(chǎn)生的總推力大于船體的重量，平臺載荷大部分由上部螺桿轉(zhuǎn)移到油缸上，回收上部螺桿，由油缸承擔(dān)所有載荷。然后液壓系統(tǒng)緩慢泄壓，使頂部油缸上的載荷逐步轉(zhuǎn)移到升降機(jī)構(gòu)上，完成解鎖操作。
第一種鎖緊機(jī)構(gòu)較多使用在JU2000系列(400英尺)鉆井平臺上，也是比較常用的一種鎖緊方式。其優(yōu)點(diǎn)主要有：鎖緊機(jī)構(gòu)比較簡單，液壓系統(tǒng)為單回路中壓系統(tǒng)，維護(hù)方便。其缺點(diǎn)為：在載荷轉(zhuǎn)移過程中會產(chǎn)生較大噪音，沖擊較大，升降電動機(jī)剎車片迅速磨損。另外，在齒形楔塊與齒條板之間、螺旋升降機(jī)螺桿與螺母之間容易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。第二種鎖緊機(jī)構(gòu)是CJ系列平臺(300英尺-450英尺)鎖緊機(jī)構(gòu)的改進(jìn)形式。CJ系列平臺(300英尺-450英尺)鎖緊機(jī)構(gòu)是電機(jī)驅(qū)動，而改進(jìn)后變?yōu)橐簤候?qū)動。這種鎖緊方式優(yōu)點(diǎn)是：具有動態(tài)載荷轉(zhuǎn)移的功能，通過油缸對楔塊加壓，使鎖緊機(jī)構(gòu)能主動轉(zhuǎn)移升降機(jī)構(gòu)的載荷，且載荷轉(zhuǎn)移非常平穩(wěn)，噪音較小，能夠較大程度上消除卡死現(xiàn)象。另外，鎖緊與解鎖過程用時較短，能夠節(jié)約時間成本。缺點(diǎn)是：需增加一套高壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)變得復(fù)雜。
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