Offshore-porauslauttojen kytkimet: Tekninen luotettavuus meren reunalla

Hammaspyöräkytkimessä vääntömomentti välittyy navoissa olevien kruunattujen ulkohammaspyörien kautta, jotka ovat kytkeytyneet ulkoholkin sisähammaspyörien hampaisiin. Evolventtinen hammasprofiili, joka tyypillisesti valmistetaan DIN- tai AGMA-standardien mukaisesti 20 asteen puristuskulmalla, jakaa kuorman useille hammaskontakteille samanaikaisesti, jolloin saavutetaan suuri vääntömomenttitiheys kompaktissa kotelossa. Kruunattu hammasgeometria – jossa hammaspinnat ovat pallomaisesti kevennettyjä suorien sijaan – on keskeinen ominaisuus, jonka ansiosta hammaspyöräkytkimet voivat sietää jopa 1,5 asteen kulmapoikkeaman kytkinpuolikasta kohden aiheuttamatta liiallista reunakuormitusta. Tämä periaate tekee hammaspyöräkytkimistä ensisijaisen valinnan vetolaitteiden ja offshore-lautoilla olevien pyöröpöytien päävetoakseleille, joissa sekä suuri vääntömomentti että jatkuva kulmapoikkeama ovat väistämättömiä.

Levykytkimet toimivat täysin erilaisella mekaanisella periaatteella. Ohuet metallilaminaattilevyt – tyypillisesti austeniittisesta ruostumattomasta teräksestä tai Inconel-seoksesta valmistetut paketit – taipuvat tangentiaalisesti vääntökuormituksen alaisena, mikä luo jousimaisen joustavuuden, joka mukautuu sekä kulma- että aksiaalipoikkeamaan ilman liukuvaa kosketusta. Koska normaalikäytössä ei tapahdu metallien välistä hankausta, levykytkimet eivät aiheuta kulumisjätettä, tarvitsevat voitelua ja niissä ei ole välystä. Nämä ominaisuudet tekevät niistä ensisijaisen ratkaisun tarkkuuskäyttöjärjestelmiin offshore-lautoilla, joissa puhdas toiminta ja välyksen puuttuminen ovat kriittisiä, kuten suuntaporausmoottoreiden testipenkeissä, dynaamisissa asemointipotkurilaitteissa ja merikompressoreissa, joissa värähtelyprofiilia on hallittava tarkasti sekä laitteiden terveyden että akustisten syiden vuoksi.

Porausalustalla voimansiirto ei ole vakiovääntömomenttijärjestelmä. Porausketju kohtaa arvaamattomia muodostuman muutoksia – pehmeästä savikivestä kovaan kalsiittiin – jotka aiheuttavat välittömiä vääntömomentin kääntymisiä ja iskukuormia. Jos nämä impulssit kulkevat vaimentamattomina takaisin voimansiirtoa pitkin, ne voivat haljeta hammaspyörän hampaat, murtaa laakerikehän ja väsyttää moottorin käämit muutamassa viikossa. Joustavat kytkimet, joissa on polyuretaanista, neopreenista tai kumista valmistettuja elementtejä, jotka on sijoitettu voimansiirto- ja käyttölaippojen väliin, tuovat hallittua jäykkyyttä ja vaimennusta. Elementti muotoutuu elastisesti absorboidakseen huippukuormia ja vapauttaa sitten varastoituneen energian vähitellen tasoittaen moottorille toimitettavaa vääntömomentin aaltomuotoa. Elementin kovuuden valinta – mitattuna Shore A -kovuuksina – on kriittinen suunnitteluparametri, joka on sovitettava koko voimansiirron vääntöluonnolliseen taajuuteen, jotta vältetään resonanssin vahvistuminen vaimennuksen sijaan.

EP-sarjan merikäyttöön tarkoitetut hammaspyöräkytkimet tuottavat nimellisvääntömomentteja 800 Nm:stä jopa 2 800 000 Nm:iin yhdessä kytkimessä, ja niiden huippuylikuormituskapasiteetti on 2,5 kertaa nimellisvääntömomentti jopa 1 000 syklin ajan. Tämän ansiosta ne pystyvät selviytymään pahimmista vääntömomenttitapahtumista, joita esiintyy, kun poranterä osuu kovaan muodostumaan vetolaitteen moottorin toimiessa maksimiteholla – olosuhteista, jotka ovat tuhonneet heikompia kytkimiä ja johtaneet kalliisiin voimansiirron uudelleenrakentamiseen laitoksissa Cromarty Firthin ja Humberin välillä.

Levypakkakytkimissä saavutetaan todellinen välyksen puuttuminen laminaattipakkauksen jatkuvan metallisen kuormitusreitin kautta. Porausjännitteen sijaintitarkkuus on suoraan yhteydessä kytkimen välykseen, mikä tekee tästä ominaisuudesta kriittisen suuntaporaustoiminnassa, jossa kaivonreiän reitin poikkeama mitataan asteen murto-osissa. Nollavälys poistaa myös matalataajuisen kolinan, jota välyksen vaikutuksesta toimivat kytkimet tuottavat vääntömomentin kääntämisen aikana ja joka voi laukaista vääriä tärinähälytyksiä kunnonvalvontajärjestelmissä ja aiheuttaa tarpeettomia seisokkeja.

Erityisesti levykytkimet eivät vaadi määräaikaista voitelua, säännöllistä hammaspyörän hampaiden tarkastusta tai uudelleenvoitelua huoltovälien aikana – tämä on ratkaiseva etu lautoilla, joissa huoltovälien aikataulutus määräytyy sään, porausohjelman ja helikoptereiden saatavuuden mukaan eikä huoltoinsinöörin mieltymysten mukaan. Jotkut Yhdistyneen kuningaskunnan mannerjalustalla toimivat offshore-operaattorit ovat raportoineet levykytkimien käyttöiän yli seitsemän vuotta jatkuvassa käytössä ilman mekaanisia toimenpiteitä, mikä tarkoittaa, että kokonaishuoltokustannukset ovat nolla alkuperäisen sovitustarkastuksen jälkeen.

Offshore-alustat taipuvat. Pohjanmeren myrskyssä puoliksi upotettavan aluksen teräsrakenteinen kansi taipuu mitattavasti aaltokuormituksen alaisena, ja jopa kiinteävaippaisilla alustoilla on perustuspaalujen kausiluonteisia painumia. Tämä rakenteellinen liike välittyy voimansiirron linjaukseen akselin kulma- ja yhdensuuntaissiirtymänä, joka muuttuu ajan myötä eikä sitä voida poistaa pelkästään huolellisella alkulinjauksella. Suuren linjausvirheen omaavat hammaspyöräkytkimet sietävät jopa 3 asteen kulma-arvoja ja jopa 4 mm:n yhdensuuntaissiirtymän, minkä ansiosta voimansiirto pysyy toimintakunnossa alustan liikkeiden aikana, jotka voisivat halkaista jäykät kytkimet ja tuhota tarkan toleranssin omaavat akselitiivisteet.

Vetolaitteisto on nostojärjestelmän sydän, joka vastaa poraputkien työntämisestä porareikään ja sieltä pois sekä satojen tonnien painoisten putkilinjojen asettamisesta. Pääkäyttölaitteet – tyypillisesti 500 kW:sta 4 000 kW:iin tarkoitetut vaihtovirtakäyttöiset nopeusvaihteet – on kytketty rumpuakseliin hammaspyöräkytkimen kautta, jonka on kestettävä sekä suuri staattinen vääntömomentti putken nostamisen aikana että suuri dynaaminen vääntömomentti jarrutuksen aikana putkea ajettaessa. Moottorin ja alennusvaihteiston tuloakselin väliin asennettujen hammaspyöräkytkinten on siedettävä moottorin akselin lämpölaajenemisen aiheuttama aksiaalinen liikkuvuus, joka voi olla 6–8 mm käyttöjakson aikana, ja samalla niiden on käsiteltävä moottorin kiinnityksen taipuman aiheuttamaa kulmapoikkeamaa vääntömomenttireaktiokuormien alla.

Isossa-Britanniassa sijaitsevilla offshore-toiminnoilla, erityisesti Aberdeenin itäpuolella sijaitsevilla Fortiesin ja Buzzardin porauslauttojen työkentillä, korkean kosteuden, satunnaisen meriveden aiheuttaman kannen huuhtoutumisen ja aaltokuormituksen välittämän värähtelyn yhdistelmä luo ainutlaatuisen vaativan ympäristön vaihdekytkimien tiivisteille. Merirasvalla – NLGI-luokka 2, EP-lisäaineet ja suolavesihuuhtelun kestävyys – käytettävien kaksoishuulitiivisteiden määrittäminen sekä kuuden kuukauden välein tapahtuva voitelu suunniteltujen huoltoseisokkien aikana on osoittautunut tehokkaimmaksi strategiaksi kolmen vuoden käyttöiän saavuttamiseksi ilman kytkimen purkamista.

Offshore-lautoilla käytettävät liejupumput kierrättävät porausnestettä porausketjua pitkin ja takaisin rengasmaiseen tilaan jopa 7 000 litran minuuttivirtauksella ja jopa 6 000 psi:n purkauspaineella. Kolmiosainen mäntäpumppu, joka tuottaa kolme painepulssia kampiakselin kierrosta kohden, luo ominaisen sykkivän vääntömomentin tarpeen tuloakselille, mikä voi herättää vääntöresonansseja koko voimansiirrossa, jos kytkimen jäykkyys ei ole oikein sovitettu. Joustavat kytkimet, joissa on polyuretaanielastomeerielementtejä ja sopiva vääntöjäykkyys järjestelmän virittämiseksi pois pumpun nopeuden kolmannesta ja kuudennesta harmonisesta, ovat vakioratkaisu liejupumppujen käyttösovelluksissa Pohjanmeren lautoilla.

Sähkömoottorin ja pumpun vaihdelaatikon välisen kytkimen on myös otettava huomioon merkittävä lämmönnousu, jota tapahtuu, kun 1 500 kW:n moottori lämpenee kylmäkäynnistyksestä täyteen käyttölämpötilaan – prosessi, joka kestää 45 minuuttia ja tuottaa 3–5 mm:n aksiaalisen akselin kasvun. Tähän tarkoitukseen käytetään joko joustavia leukakytkimiä, joissa on kelluva keskiosa, tai hammaspyöräkytkimiä, joissa on välikappalejärjestelyt, käytettävissä olevasta asennuspituudesta ja käyttäjän määrittelemästä huoltostrategiasta riippuen. Ever Power toimittaa mittatilaustyönä valmistettuja kytkimen välikappalesarjoja liejupumppujen jälkiasennuksiin, jotka ovat mitoiltaan yhteensopivia Oilwellin, Gardner Denverin ja National Oilwell Varcon pumppumallien kanssa, mikä eliminoi tarpeen sovitinlaippojen mittatilaustyöstölle Ison-Britannian mannerjalustan asennuksissa.

Yläkäyttöyksikkö liikkuu pystysuunnassa porausporakoneen ohjauskiskoja pitkin pyörittäen poraketjua samalla, kun koko kokoonpano liikkuu ylös ja alas. Käyttömoottorit – yhdestä neljään yksikköä, joiden teho on 450–1 000 kW – on kytketty pyörivään vaihteistoon kytkimien kautta, joiden on otettava huomioon sekä kiskon kulumisesta johtuva kulmapoikkeama että ohjaimen toleranssien kertymisestä johtuva rinnakkaissiirtymä 30–40 metrin liikeradalla. Koska yläkäyttöyksikkö on liikkuva laite, joka kokee iskukuormituksen joka kerta, kun se kytkeytyy uuteen poraputkijalustaan, kytkimen on myös osoitettava poikkeuksellista väsymislujuutta, jotta se kestää miljoonat kytkentäjaksot porauslautan käyttöiän aikana.

Levykytkimistä on tullut hallitseva valinta moottorin ja vaihteiston välisiin ylävetoliitoksiin, koska ne yhdistävät suuren vääntömomentin kapasiteetin, huoltovapaan toiminnan ja mahdollisuuden tarkastaa visuaalisesti – levypakan halkeama tai väsymismurtuma aiheuttaa näkyviä muodonmuutoksia, jotka voidaan havaita rutiinitarkastuksissa ilman purkamista. Tämä on suoraan linjassa Yhdistyneen kuningaskunnan terveys- ja turvallisuusviranomaisen (Health and Safety Executive) turvallisuuskriittisiä pyöriviä laitteita koskevien ohjeiden kanssa, jotka edellyttävät säännöllisiä tarkastusjärjestelmiä voimansiirron komponenteille offshore-laitoksissa, jotka toimivat Offshore Installations and Wells (Design and Construction, etc.) Regulations -määräysten mukaisesti. HSE-ohjeet, jotka Aberdeenissa toimivat vaatimustenmukaisuus- ja suunnittelutiimit ymmärtävät hyvin, luovat tehokkaasti spesifikaatioiden mukaiset suositukset komponenteille, jotka tukevat ei-invasiivista tarkastusta.

Jokaisella offshore-alustalla on sähköntuotantojärjestelmä – tyypillisesti kolmesta kuuteen dieselgeneraattoria, joiden teho on 1 500–5 000 kW – joka syöttää sähköä kaikille poraus- ja hyötykäyttöjärjestelmille. Dieselmoottori käyttää generaattoria kytkimen kautta, jonka on vaimennettava mäntämoottorin vääntöepätasaisuudet ja samalla estettävä värähtelyn pääsy generaattoriin ja vaikuttamasta jännitteen säätöön ja käämityksen väsymiseen. Tässä sovelluksessa vaaditaan vääntöjoustavia kytkimiä, joissa on tarkasti mitoitetut elastomeerielementit. Vääntöjäykkyys on laskettava yhdessä generaattorin roottorin inertian ja moottorin sytytysjärjestyksen kanssa sen varmistamiseksi, että järjestelmän vääntöluonnolliset taajuudet ovat käyttönopeusalueen ulkopuolella.

Hätäkäyttöiset dieselgeneraattorit, joiden on SOLAS-meriliikennesäännösten mukaisesti käynnistyttävä ja saavutettava täysi kuormitus 30 sekunnin kuluessa, asettavat lisävaatimuksia kytkimelle: kytkimen on kestettävä jopa viisinkertaiset kylmäkäynnistysmomentit normaaliin nimellismomenttiin verrattuna, jotka syntyvät, kun kylmä moottori käynnistyy esikuormitettua virtakiskoa vasten. Tässä tehtävässä käytetään joskus kytkinrakenteita, joissa on murtotappi tai vääntömomentin rajoitusominaisuudet. Ne suojaavat generaattorin käämejä mekaaniselta ylikuormitukselta suunnitellun vikatilan kustannuksella, joka voidaan vaihtaa nopeasti – tyypillisesti 20 minuutin kuluessa koulutetun teknikon toimesta – ilman, että pääkytkinkokoonpanoa tarvitsee irrottaa.

Pohjanmeren tai Atlantin rajaseudun lisenssien omaavien brittiläisten energiayhtiöiden operoimilla lautoilla generaattorikoneiston kytkentäspesifikaatiossa viitataan tyypillisesti API 671 -standardiin (Special Purpose Couplings for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services) hallitsevana standardina, joka edellyttää tehdasvaa'an olevan G 1.0 tai paremman, materiaalitestaustodistukseen jäljitettävän mittadokumentaation sekä kaikkien voideltujen onteloiden hydrostaattisen tai painekokeen ennen toimitusta. Ever Powerin laadunhallintajärjestelmä on rakennettu täyttämään API 671 -dokumentaatiovaatimukset vakiotarjouksena eikä premium-lisäosana, mikä lyhentää vaatimustenmukaisuuden kannalta kriittisten offshore-kytkintilausten hankinta-aikaa.

Puoliksi upotettavat porausalukset ja porausalukset käyttävät dynaamisia paikannusjärjestelmiä pysyäkseen paikallaan porausreiän yläpuolella ilman ankkureita. Ohjauspotkurien käyttölaitteet – tyypillisesti kuudesta kahteentoista atsimuuttiyksikköä, joiden teho on 2 000–5 500 kW – vaativat päämoottorin ja ohjauspotkurivaihteiston välisessä liitoksessa kytkimet, jotka yhdistävät suuren vääntömomentin, ei välystä ja sujuvan voimansiirron. DP-ohjausjärjestelmä havaitsee kaikki ohjauspotkurien käyttöketjun mekaaniset epäsäännöllisyydet tai vääntömomentin aaltoilut aluksen ei-toivotuksi liikkeeksi, mikä laukaisee korjaavia työntökomentoja, jotka tuhlaavat energiaa ja lisäävät mekaanista kulumista koko ohjauspotkurijärjestelmässä.

Luokan 3 dynaamisen paikannuksen standardien mukaiset levykytkimet ovat vakiintunut ratkaisu tähän sovellukseen. Niiden vääntöjäykkyys tarjoaa ennustettavan, lineaarisen siirtofunktion moottorin vääntömomentin ja potkurin vääntömomentin välillä, jota DP-säätöalgoritmit voivat mallintaa tarkasti. Välyksen puuttuminen poistaa epälineaarisuuden, jota muutoin esiintyisi potkurimoottorin suunnanvaihdoissa. Brittiläiset MCA:n (Maritime and Coastguard Agency) tutkimusvaatimusten alaiset alusten operaattorit määrittelevät levykytkimien rakenteet, joissa on itsenäiset kuormitusreitit – mikä tarkoittaa, että kaksoislevykytkimen kaksi levypakettia kuljettavat kumpikin täyden suunnitellun vääntömomentin itsenäisesti, joten yhden levypaketin vikaantuminen ei johda propulsion menetykseen. Tämä on luokan 2 ja luokan 3 DP-järjestelmien redundanssivaatimusten mukaista.

Ever Power toimii 60 000 neliömetrin tarkkuuskonepajassa, joka on varustettu CNC-hammaspyörähiontakoneilla, viisiakselisilla työstökeskuksilla ja ISO 10360 -standardien mukaisesti kalibroiduilla koordinaattimittauskoneilla. Valmistustoimintaa tukee ISO 9001:2015 -sertifioitu laatujärjestelmä, ja yli 150 pätevästä insinööristä koostuva suunnittelutiimi tarjoaa kytkentävalintoja, vääntöanalyysejä ja API 671 -dokumentaatiota offshore-hankintatiimeille vakiopalveluina.

Räätälöintimahdollisuus on Ever Powerin erottava ominaisuus, joka tekee siitä ensisijaisen kumppanin offshore-projekteissa, joissa vakiotuoteluettelon tuotteet eivät riitä. Suunnittelutiimi käsittelee rutiininomaisesti epästandardisoituja reikien halkaisijoita ja kiilauria, OEM-vaihteiston kiinnityskuoren rajoittamia erikoismittoja, ruostumattomasta teräksestä valmistettuja holkkeja ja seosteräksisiä napoja yhdistäviä kokoonpanoja, nopeasti vaihdettavia patruunoita, jotka mahdollistavat osien vaihdon offshore-kentällä alle 30 minuutissa ilman erikoistyökaluja, sekä ISO 12944 -standardin luokan C5-M mukaisia ​​korroosionestosuojapaketteja täydellisiin meriympäristöihin. Yli 3 000 offshore- ja teollisuusprojektin referenssisalkussaan ja yli 68 patentilla, jotka kattavat kytkentäsuunnittelun innovaatiot, Ever Power tarjoaa sekä suunnittelun syvyyttä että valmistuskuria, jota offshore-hankintainsinöörit odottavat Tier 1 -komponenttitoimittajalta.

Isossa-Britanniassa toimivat hankintatiimit voivat hyödyntää Ever Powerin toimitusketjun logistiikkainfrastruktuuria aikakriittisissä offshore-toimituksissa. Aberdeen Dycen logistiikkakeskukseen ja Humbersiden rahtiterminaaliin on omat toimitusreitit, jotka kattavat Pohjanmeren tärkeimmät operatiiviset tukikohdat. Tehtaalta kannelle -toimitusajat vakiomallisilla offshore-kytkentävaihtoehdoilla ovat 6–8 viikkoa tilausvahvistuksesta, ja rekisteröityneille asiakkaille, joilla on puitesopimukset, toimitusaika lyhenee 3–4 viikkoon.

Ever Powerin joustava palkkikytkin on tarkasti valmistettu, yhdestä kappaleesta valmistettu kierreleikattu rakenne, joka on koneistettu kiinteästä, erittäin lujasta alumiini- tai ruostumattomasta teräksestä. Kierrepalkin geometria tarjoaa hallittua vääntöjoustavuutta – kulmapoikkeama sallii 5 astetta ja yhdensuuntaissiirtymä 0,5 mm – pitäen samalla välyksen nollana koko käyttöiän ajan. Tämä tekee siitä erityisen sopivan offshore-servomoottorijärjestelmiin, enkooderikäyttöihin ja dynaamisiin paikannustakaisinkytkentäantureihin, joissa välystä ja hystereesiä ei voida sietää. Kompakti, kevyt rakenne ja huoltovapaa käyttö tekevät siitä houkuttelevan ratkaisun kaikkialla, missä asennustilaa on rajoitetusti ja huoltoon pääsy on rajoitettua.

Näytä tuote →

Ever Power -levykytkin on suunniteltu vaativiin nopeisiin ja vääntömomenttisiin offshore-sovelluksiin, joissa voiteluvapaa toiminta ja tarkat vääntöominaisuudet ovat ehdottomia vaatimuksia. Austeniittisesta ruostumattomasta teräksestä tai Inconel-levypakoista monipulttikokoonpanossa valmistettu kytkin välittää vääntömomentin puhtaan metallisen taivutuksen kautta ilman kosketuskulumista, välystä ja säännöllistä voitelua. Laminaattipakkauksen geometria mahdollistaa 1 asteen kulmapoikkeaman elementtiä kohden ja plus tai miinus 4 mm:n aksiaalisen liikkuvuuden. Saatavilla yksi- ja kaksilevyisinä välikappalekokoonpanoina, ja mukautetuilla välikappalepituuksilla voidaan täyttää API 686 -standardin mukaiset in-situ-pumppujen huoltovaatimukset. API 671 -luokitus, täydellinen dokumentaatio pyynnöstä.

Näytä tuote →

”Ever Powerin toimittama vääntöanalyysi oli yksityiskohtaisempi kuin mikään, mitä olimme nähneet edelliseltä toimittajaltamme. He tunnistivat resonanssiongelman, jota olimme jahdanneet 18 kuukautta, yhdessä teknisessä tarkastuksessa. Vaihtokytkimet ovat toimineet ongelmitta asennuksen jälkeen – todella vaikuttavaa teknistä tukea.”

”Valitsimme Ever Power -levykytkimet kahden Shetlandin rannikolla työskentelevän porauslautan ylävetojärjestelmän jälkiasennukseen. API 671 -dokumentaatiopaketti oli täydellinen ensimmäisellä lähetyskerralla, eikä laatu- ja työturvallisuustiimiltämme tullut kyselyitä – pelkästään se säästi meiltä kolmen viikon edestakaisen keskustelun edellisen toimittajan kanssa. Tuotteen suorituskyky on ollut täsmälleen laskelmien mukainen.”

”Ever Powerin valmistama mittatilaustyönä tehty välikappaleen kytkentä generaattorin jälkiasennusta varten toimitettiin neljässä viikossa ja asennettiin ilman muutoksia moottorin tai laturin kiinnikkeisiin. Generaattorin liittimien tärinätasot laskivat 62% alkuperäiseen kytkentään verrattuna, eikä asennuksen jälkeisen puolentoista vuoden aikana ole ollut yhtäkään mekaaniseen tärinään liittyvää jännitteen epävakautta. Hinta oli erittäin kilpailukykyinen eurooppalaisiin vaihtoehtoihin verrattuna.”