一种钻井平台升降塔机加工方法的研究

一种钻井平台升降塔机加工方法的研究 摘要：现在流行的钻井平台大都采用升降马达、齿轮/齿条的啮合使得整个平台升至距海面的某个特定的位置上，并利用锁紧装置将其固定，达到作业要求的条件，这就要求升降塔的机加工精度必须达到设计的要求。由于升降塔的体积均比较庞大，整体进行机加工的资源严重受限（资源、成本），而且运输等其他因素同时受制，对制造厂带来严重制约，故极力需要另外新的一种工艺来打破这种局限性。本研究提供一种新的加工工艺，如何利用制造厂已有的机加工设备来加工超出其能力的升降塔构件，介绍如何利用二次划线来定位机加工面，使得翻身前后的机加工面能够保持在同一平面内，完成加工工作。 关键词：钻井平台，升降塔，主动轮，从动轮，过渡轮，机加工 中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号： 0 引言 一艘用于海上石油和天然气勘探、开采工程作业的钻井装置，适合于世界范围内1591.4米水深以内各种海域环境条件下的钻井作业。该钻井船具有较强的海上作业能力，最大作业水深91.4米时最大钻井可变载荷为3500吨，最大钻井作业深度可达到9144米。 该钻井平台配备27套升降装置，每套升降装置包括主动轮、过渡轮、从动轮、变速箱、电机和刹车装置等。升降装置负责提升整个船体于特定的高度上以克服海面上的风、波、浪、流对船体的影响，所以要求升降装置具有较强的升降能力。判断升降装置能否正常工作的一个关键因素就是升降装置的支撑构件，简称升降塔的加工精度必须满足设计的要求。 1 升降装置概述 升降装置将提供升降动力，使得整个平台沿着桩腿上下升降。每个桩腿（共3个桩腿）有三个升降塔基础，每个升降塔基础共有3套升降单元呈垂直分布，每套升降单元由一个电机/变速箱带动一个主动轮，通过过渡轮，带动从动轮，使得主动轮与从动轮对称转动，实现在桩腿的齿条上升降。为了使每个升降塔基础的6个升降齿轮能够达到设计指定的受力状况，对于升降塔的机加工精度要求就非常高。 1-主动轮2-过渡轮3-从动轮4-电机/变速箱 2 升降装置加工要求 该升降装置的机加工难点： 对于该升降装置的主动轮与从动轮，因每个轮有三个受力圆环落在升降塔上，这就要求升降塔的这三个支撑圆环（a，b，c）必须是同心的。 因为主动轮是通过过渡轮带动从动轮，那么主动轮与从动轮，主动轮与过渡轮，过渡轮与从动轮的中心距必须得到保证。 三套升降单元共同受力使得船体在桩腿齿条上进行升降，那么该三套升降单元之间的间距必须得到保证，因为齿条的齿距是一样的。 3 升降装置加工步骤 在经过大量的数据核实，通过与设计方进行深入的沟通了解，对升降装置的运行原理，以及可能发生的状况进行深入的探讨，带着这些数据，采取了下述步骤完成机加工工作。 a. 在所述升降塔相对机床呈卧式的情形下，根据同一系列的圆孔之间要求的间距尺寸对第一加工表面进行铣加工，所述第一加工表面包括从/主动轮支撑圆孔的全部端面和主/从动轮支撑圆孔的部分端面； b. 将所述升降塔旋转180度调头，在机床同样的铣加工范围内对主/从动轮支撑圆孔的未加工端面进行铣加工，以获得基准平面； c. 以所述基准平面为基准，画出用于对多组系列支撑圆孔进行符合精度要求的镗孔加工的标记； d. 在所述升降塔相对机床呈立式的情形下，依据所述标记，对部分组的主动轮系列支撑圆孔、过渡轮系列支撑圆孔和从动轮系列支撑圆孔进行镗孔加工； e. 将所述升降塔旋转180度调头，在机床同样的镗孔加工范围内对剩余部分组的主动轮系列支撑圆孔、过渡轮系列支撑圆孔和从动轮系列支撑圆孔进行镗孔加工。 优选地,步骤d和步骤e包括： 先加工过渡轮系列支撑圆孔，然后定位基准孔，再利用所述基准孔并根据与过渡轮系列支撑圆孔之间的圆心距的要求，依次加工从动轮系列支撑圆孔和主动轮系列支撑圆孔；上述加工过程从最外端的组开始依次进行，直至完成所述部分组的镗孔加工。 优选地,所述机加工方法还包括以下步骤： f. 采用研磨的方式对加工部位进行微量机加工以调整表面精度。 本研究技术效果是： 根据本研究，采用一次性机加工范围较小的机床，首先，在升降塔相对机床呈卧式的情形下,根据同一系列的支撑圆孔之间要求的间距尺寸对升降塔上一个层面的支撑圆孔进行铣加工，完成后将升降塔旋转180度调头，则未加工完的支撑圆孔的端面也可在机床同样的铣加工范围内进行加工，铣完后就了获得基准平面；然后，利用基准平面画出用于镗孔加工的标记；接下来，在升降塔相对机床呈立式的情形下，先对升降塔上一个层面的部分组的系列支撑圆孔进行镗孔加工，完成后将升降塔旋转180度调头，则未加工的组的系列支撑圆孔也可在机床同样的镗孔加工范围内进行加工。这样，就实现了用只能一次性加工较小尺寸的机床来加工大体积的升降塔的目的，降低了对机加工机床的要求。 4 具体加工步骤 以下通过实施例结合附图对本研究进行进一步的详细说明。 4.1 请参考图1-2，一种实施例中的钻井平台升降塔5沿其高度方向（即升降方向）并列排布有3组主动轮系列支撑圆孔1、过渡轮系列支撑圆孔2和从动轮系列支撑圆孔3，每1组对应1套升降单元，为每1套升降单元设有3层支撑板（齿轮箱的一部分），各组支撑圆孔中的主动轮系列支撑圆孔、过渡轮系列支撑圆孔各有3个支撑圆孔，分别位于其中1层支撑板上，过渡轮系列支撑圆孔有2个支撑圆孔，分别位于靠外侧的2个支撑板上。1组系列支撑圆孔对应于1套升降单元，其中，主动轮系列的3个支撑圆孔用于支撑升降单元中的主动轮1（由电机/变速箱4驱动），从动轮系列的3个支撑圆孔用于支撑升降单元中的从动轮3，过渡轮轮系列的3个支撑圆孔用于支撑升降单元中的过渡轮。 4.2 请参考图3-5b，钻井平台升降塔的机加工方法包括以下工序： 4.2.1获得基准面。 该工序包括如下基本步骤： 步骤S1. 在升降塔相对机床呈卧式的情形下，根据同一系列的圆孔之间要求的间距尺寸对第一加工表面进行铣加工，第一加工表面包括从动轮支撑圆孔的全部端面和主动轮支撑圆孔的部分端面，或者包括主动轮支撑圆孔的全部端面和从动轮支撑圆孔的部分端面。 步骤S2. 将升降塔旋转180度调头，在机床同样的铣加工范围内对主动轮支撑圆孔或从动轮支撑圆孔的未加工端面进行铣加工，以获得基准平面。 一种实施例中，呈卧式加工的升降塔分为两层加工面，下层的第一加工表面覆盖3系列从动轮支撑圆孔、3系列过渡轮轮支撑圆孔的整体和3系列主动轮支撑圆孔的部分，该工序优选包括以下流程： a. 以升降塔齿轮箱腹板为基准，以设定的圆孔端面加工量为参照，用经纬仪找正。 b. 如图4a所示，粗铣、半精铣下层的1列3系列支撑圆孔的端面，每1系列包括第一至三个支撑圆孔a、b、c，优选保证第二个和第三个支撑圆孔b、c的间距尺寸为5783（单位mm，下同）。 c. 将上层的1列3系列支撑圆孔按此基准也加工一部分端面，作为调头时二次找正的基准。 d. 调头升降塔已加工的上下面，移动机床床身以百分表找水平（参考中心轴线），找正并加工出整体平面作为基准面。 4.2.2画线 该工序包括如下基本步骤： 步骤S3.以所述基准平面为基准，画出用于对多组系列支撑圆孔进行符合精度要求的镗孔加工的标记。 较优地，步骤S3具体包括以下流程： a. 以基准面为基准，参考铆焊工序中心线，划出齿轮箱四周垂直线及每组孔的正反面“十字线”，做样铳标志，供镗孔和后续船台合拢定位用。 b. 在圆孔端面做出孔的尺寸检查线，打样铳报检。 4.2.3 镗孔 该工序包括如下基本步骤： 步骤S4. 在所述升降塔相对机床呈立式的情形下，依据所述标记，对部分组的主动轮系列支撑圆孔、过渡轮系列支撑圆孔和从动轮系列支撑圆孔进行镗孔加工；和 步骤S5.将所述升降塔旋转180度调头，在机床同样的镗孔加工范围内对剩余部分组的主动轮系列支撑圆孔、过渡轮系列支撑圆孔和从动轮系列支撑圆孔进行镗孔加工。 本实施例中，呈立式加工的升降塔分上、中、下三层加工层，每一层对应一组主动轮系列支撑圆孔、过渡轮系列支撑圆孔和从动轮系列支撑圆孔，该工序优选包括以下流程： a. 以已加工平面及各孔中心线、垂直线找正，包括托架与孔中心找正。 b. 首先加工下层的过渡轮系列支撑圆孔，其包括2个同一尺寸的支撑圆孔，尺寸例如为220（表示直径）并在其端面加工出280*11的限位槽。 c. 将镗杆、刀盘放进下层的从动轮系列支撑圆孔（此时为毛孔）内，机床按归圆线找正并装好刀杆，镗第一个从动轮支撑圆孔至要求尺寸，例如1438.92至1440H10，保证与过渡轮支撑圆孔的圆心距9360.7mm的公差，再镗第二、三个从动轮支撑圆孔，尺寸例如为970H8、440H8，一系列三孔一刀成型后报检。 d. 将机床移开，抽出刀杆，放进旁边的主动轮系列毛孔内，机床归到已镗好的孔位，用百分表找正,再用机床自身数显表并参考归圆孔线，移位到孔中心内。 e. 找正后，镗第一个主动轮支撑圆孔至要求尺寸，例如1168.92至1170H10，保证与过渡轮支撑圆孔的圆心距803.40.7mm公差，再镗第二、三个主动轮支撑圆孔，尺寸例如为970H8、440H8，一系列三孔一刀成型后报检。 f. 下层三孔一组加工后，提升托架调至中层孔与立轴中心，加工工序同上。 g. 部分组即中、下层的6个孔镗完报检合格后，工件调头，镗上层的即剩余部分组的孔。装夹、加工工序同上。 h. 整体镗孔合格后，在平面上，以齿轮法兰为准配钻孔、攻丝。 优选地，对每组的第三个主、从动轮支撑圆孔a的孔反面（需加工面）采用镗排拉面方法加工成型。 可以进一步采用研磨的方式进行微量机加工调整表面精度，从而达到高精度设计要求。 在经过大量的数据核实，镗孔后三套升降单元之间的距离可以给与2mm的误差，这是因为每套升降的电机均有预紧功能，而且三套电机可以独立成系统，再者，桩腿齿条的齿距误差也为2mm。 5 附图说明 图1为用来装配3套升降装置的升降塔的立体示意图； 图2为升降装置的主动轮、从动轮与升降塔的俯视装配示意图； 图3为本研究机加工方法的流程图； 图4a-4b为本研究对升降塔的支撑圆孔孔端面进行铣加工的状态图； 图5a-5b为本本研究对升降塔的支撑圆孔进行镗孔加工的状态图。 图1 图2 图3 图4a图4b 图5a 图5b第 9 页 共 9 页