一種海上鉆井船燃燒臂的設計

李海青 劉華君 張 玉

（1.山東省機械設計研究院，濟南 250031；2.青島天時海洋石油裝備有限公司，青島 266108）

深海鉆井作業常采用浮式鉆井船或半潛式鉆井平臺。和其他浮式鉆井裝置相比，鉆井船所受阻力小，航行速度快，對可變載荷的變化較不敏感。另外，鉆井船的排水量和船內空間大，能承載較多的鉆井機械設備、物資、石油等物品，大大減少了對海洋工程輔助船舶的依賴。但是，甲板使用面積相對鉆井平臺較小，對風浪等海洋環境因素引起的動態響應敏感，整體穩性差，在惡劣環境條件下工作適應性差，設計與操作不當易引起事故[1-2]。鉆井船在特定海況下試井工作時，當海風從燃燒器向平臺方向吹時，燃燒器燃燒原油、天然氣等易燃混合氣體散發的大量熱能輻射到船上。當熱輻射強度高于6.3 kW·m-2時，會對在熱輻射區域作業人員身體健康造成傷害[3]。海上石油天然氣生產平臺上燃燒臂直接應用到鉆井船時，因鉆井船搖擺幅度大，相比平臺其靜傾角和動傾角角度較大，會增加傾翻的危險，造成試井故障或停工。文章運用發明問題解決理論（Theory of the Solution of Inventive Problems，TRIZ）的功能模型分析、因果鏈分析和技術沖突矩陣等工具，分析求解鉆井船的燃燒臂的相關參數，設計出一種適用于鉆井船的基座式回轉變幅燃燒臂。

1 TRIZ 問題模型

1.1 功能模型分析

鉆井船燃燒臂組件包括臂架、燃燒器、噴淋器、輸送原油和天然氣或其他易燃混合氣體的管道1 以及與噴淋器連接的輸送水的管道2。引入超系統組件鉆井船、人、燃燒火焰以及風，分析燃燒臂各組件間的相互作用關系，得到如圖1 所示的功能模型圖?？梢钥闯?，當風從燃燒器一側向平臺吹時，熱輻射區會產生偏移，使船上的工作人員處在熱輻射區范圍內，造成熱輻射傷害。

圖1 燃燒臂功能模型

1.2 因果鏈分析

因果鏈分析是對問題產生結果的原因進行逐級分析，并繪制邏輯圖，從而在邏輯圖中找出最薄弱環節進行技術創新。由圖2 因果鏈分析圖可知，導致平臺上工作人員熱輻射傷害的原因有兩個：一是臂架頂部距離平臺的長度不足；二是風向問題，當風向與燃燒器到平臺的方向一致時，會引起熱輻射傷害。其中，第一個原因屬于系統內部原因，第二個原因屬于系統外部原因。外部原因無法改變，需要從系統內部解決。

圖2 因果鏈分析圖

2 TRIZ 問題解決

2.1 技術矛盾法

針對臂架頂部距離平臺長度不足的問題，可以采取增加臂架長度的辦法。但是，增加臂架長度，會引起傾覆力矩增大，增加整個設備質量和不可靠性，產生技術矛盾。改善的參數為No.4 靜止物體的長度，惡化的參數為No.27 可靠性。根據TRIZ 矛盾矩陣，得到如表1 所示的創新原理。

表1 矛盾矩陣表

利用發明原理No.15 動態化原理的第3 條“如果一個物體是靜止的，使之變為運動的或可改變的”[4]，可在臂架底部一端和固定裝置之間通過油缸連接，使臂架可以進行變幅運動。

2.2 物理矛盾法

針對因果鏈分析中的第2 個原因，當風與燃燒器到平臺的方向一致時引起熱輻射傷害，如果燃燒器不在當前位置，則風與燃燒器到平臺的方向不再一致，那么熱輻射區將不會再向平臺偏移，不會對平臺上的工作人員造成傷害。但是，當風向改變時，燃燒器又可以在當前位置。因此，可采用物理矛盾法解決。物理矛盾是針對技術系統中一個矛盾因素，提出相反要求形成的矛盾[5]，一般采用分離原理解決。文章采取時間分離法，在臂架底部安裝可帶動臂架轉動的回轉支承。當風與燃燒器到平臺的方向一致時，轉動臂架，使安裝在臂架頂部的燃燒器繞回轉臺轉動，從而改變燃燒器到平臺的方向發生，使其與風向不再一致。

2.3 方案總結

綜合技術方案，設計一種基座式回轉變幅燃燒臂。燃燒臂底部為基座，基座安裝在甲板上，基座上面安裝有回轉支承，回轉支承上安裝有旋轉柱。臂架底部一端通過轉軸與旋轉柱連接，另一端通過變幅油缸連接。液壓泵站、變幅液壓鎖緊機構、回轉液壓鎖緊機構、控制臺、回轉機構都安裝在旋轉柱上?；剞D支承與回轉機構配合驅動臂架做回轉運動，變幅油缸通過液壓控制使臂架做變幅運動。

3 具體設計方案

根據方案設計新的燃燒臂，如圖3 所示?；饕B接船和燃燒臂，起到承上啟下的作用。旋轉柱上安裝臂架、液壓站、回轉支承、變幅油缸、液壓鎖和控制臺等組件，是燃燒臂的核心部分。旋轉柱和基座通過回轉支承連接。臂架采用鋼桁架結構，具有風阻系數小、承載能力大、剛度好等優點。臂架上安裝燃燒器、噴淋系統和輸送管路等組件。液壓鎖包括變幅鎖定機構和回轉鎖定機構，可對臂架在設定角度處鎖定，以防止風速較大時臂架對回轉機構和變幅機構的沖擊。圖4 為燃燒臂變幅圖，角度變幅范圍為0°～30°。圖5 為燃燒臂回轉圖，可在0°～150°回轉。

圖3 基座式回轉變幅燃燒臂整體結構

圖4 燃燒臂最大變幅角度

圖5 燃燒臂最大回轉角度

新開發燃燒臂有5 個優點。第一，通過基座連接燃燒臂本體和鉆井船的設計形式，不僅接口形式簡單安裝方便，而且可通過改變基座形式滿足各種船體接口，可以通過改變基座的高度滿足工作海況。第二，馬達+減速機回轉機構通過減速機的小齒輪驅動回轉支承，使燃燒臂可正反向平穩旋轉，且可以根據回轉編碼器的反饋信息控制馬達，使臂架準確旋轉到工作位置。這種方式比油缸回轉方式精確度高，且定位更方便。第三，油缸變幅機構可以使臂架在垂直平面平穩旋轉。變幅油缸安裝單向平衡閥，可以防止臂架發生自由下落，有效保護臂架。第四，液壓鎖緊機構可以對臂架水平和垂直旋轉到工作位置時進行自動鎖定，有效防止在大風情況下臂架搖擺幅度變大對回轉減速機和變幅油缸造成損害，避免發生臂架脫落。第五，在工作海況下，可以防止燃燒臂隨船晃動對減速機和變幅油缸造成沖擊。

4 結語

文章將TRIZ 應用于鉆井船燃燒臂設計，通過功能模型圖與因果鏈分析，得出特定情況下熱輻射對船上工作人員產生傷害的原因，繼而通過技術矛盾法和物理矛盾法得出新的燃燒臂設計方案。新設計的燃燒臂適用于鉆井平臺，已在CMHI-182、H1305 H1297等鉆井船上使用，且反饋使用效果良好。