Как работают муфты в приводных системах морских буровых установок
Основные материалы, используемые в муфтах морского класса.
Выбор материалов для компонентов морских соединительных муфт определяется иерархией требований: соотношение прочности к весу, коррозионная стойкость, усталостная долговечность при циклических нагрузках, температурная стойкость и ремонтопригодность в полевых условиях. Условия Северного моря — с его сочетанием солевых брызг, влажности, углеводородов и загрязнения буровым раствором — особенно агрессивны для черных металлов, не имеющих надлежащей защиты поверхности.
В производстве морских муфт наиболее часто используются следующие материалы, каждый из которых выбирается для удовлетворения конкретных требований к эксплуатационным характеристикам в условиях трансмиссии:
Легированная сталь (42CrMo4)
Наиболее распространенный в отрасли материал для ступиц и втулок зубчатых муфт. После закалки и отпуска сталь 42CrMo4 достигает предела прочности на растяжение более 1000 МПа и обладает превосходной усталостной стойкостью. Используется в лебедках, муфтах верхнего привода и приводных валах грязевых насосов, где требуется непрерывная работа с высоким крутящим моментом. Обычно подвергается фосфатированию с маслом или никелированию для защиты от коррозии в морских условиях.
Нержавеющая сталь (316L)
Выбран для использования в качестве открытых соединительных элементов на палубном оборудовании и системах подъема морской воды. Сталь марки 316L обладает превосходной устойчивостью к точечной и щелевой коррозии по сравнению со стандартными аустенитными марками, что делает ее предпочтительным выбором для муфт в лебедках для развертывания подводных аппаратов, приводах насосов охлаждения морской водой и других компонентах, непосредственно контактирующих с соленой атмосферой.
Полиуретановые/полиамидные элементы
Эластомерные элементы в виде пауков и дисков в муфтах кулачкового и дискового типов обеспечивают основную функцию виброизоляции и поглощения несоосности. Полиуретановые марки предпочтительны для эксплуатации в условиях низких температур в Северном море (до -40 °C), поскольку они сохраняют гибкость и устойчивость к усталости в условиях, когда резиновые смеси становятся хрупкими и трескаются. Эти элементы разработаны как расходные материалы, заменяемые в полевых условиях, что обеспечивает экономичное техническое обслуживание.
Высокопрочная пружинная сталь
Высокоуглеродистая пружинная сталь (обычно марки 65Mn или 60Si2MnA), используемая в элементах пружинных соединений типа «змейка», обеспечивает сочетание высокой прочности на растяжение, контролируемой эластичности и превосходной усталостной стойкости, необходимых для циклических нагрузок, наблюдаемых в буровом оборудовании. Пружины типа «змейка» равномерно распределяют контактное напряжение по всей своей длине, снижая пиковое давление в любой точке контакта и значительно увеличивая срок службы по сравнению с традиционными конструкциями с резиновыми блоками.
Основные технические преимущества муфт морского класса
Почему инженеры-конструкторы силовых установок на буровых платформах в Северном море выбирают прецизионные муфты для критически важных приводов?
▲
Допуск на несоосность
Зубчатые и пружинные муфты компенсируют угловое смещение до 1,5° и параллельное смещение до 0,5 мм, поглощая неизбежные изгибы палубы на полупогружных и самоподъемных буровых установках без передачи изгибающих моментов на соседние подшипники.
🛠
Высокая плотность крутящего момента
Зубчатые муфты с корончатыми зубьями обеспечивают плотность крутящего момента в несколько раз выше, чем аналогичные эластомерные конструкции, передавая крутящий момент от 500 Н·м до более 2 000 000 Н·м в версиях большого диаметра, используемых для приводов поворотных столов и редукторов верхнего привода. Эта компактная конструкция высокой грузоподъемности незаменима на буровых установках, где пространство на палубе оборудования ограничено.
🛡
Амортизация ударных нагрузок
Крутильные ударные воздействия — такие как отскок долота при бурении в твердых породах или внезапные скачки нагрузки при срабатывании тормоза лебедки — приводят к пиковым значениям крутящего момента, в несколько раз превышающим значения в установившемся режиме. Гибкие муфты с контролируемой жесткостью на кручение смягчают эти пики до того, как они достигнут обмоток двигателя или планетарных колес редуктора, предотвращая образование усталостных трещин в последующих компонентах.
🔧
Простота обслуживания на морских платформах
Конструкция с разъемными втулками и сменные вставки позволяют проводить плановое техническое обслуживание сцепного устройства силами ремонтных бригад платформы без демонтажа подключенного оборудования. Это значительно сокращает трудозатраты на плановые остановки для технического обслуживания и исключает необходимость мобилизации специализированных бригад подрядчиков из Абердина или Ставангера для выполнения плановых работ по обслуживанию сцепного устройства.
✔
Коррозионная стойкость
Ступицы из легированной стали с фосфатной обработкой и эпоксидным покрытием в сочетании с крепежными элементами из нержавеющей стали обеспечивают срок службы, необходимый для работы на британском континентальном шельфе. Испытания на солевое распыление, выдерживающие более 500 часов до начала коррозии, гарантируют, что муфты останутся функциональными и пригодными для осмотра в течение типичного интервала инспекций в 3–5 лет, установленного в соответствии с режимами инспекций платформ, разработанными Управлением по охране труда и технике безопасности Великобритании.
📈
Широкий диапазон рабочих температур
Оборудование для морского бурения должно надежно работать при температурах окружающей среды от -20°C во время зимних штормов в Северном море до +60°C в закрытых машинных отделениях. Муфты с полиуретановыми гибкими элементами, рассчитанными на этот диапазон температур, в сочетании с термообработанными корпусами из легированной стали, обеспечивают стабильные крутильные характеристики без колебаний жесткости, которые ухудшают виброизоляцию в конструкциях, чувствительных к температуре.
Таблица технических и эксплуатационных параметров.
В таблице ниже приведены основные технические характеристики основных типов муфт, используемых на морских буровых платформах. Данные представляют собой типичные значения из каталога среднего диапазона; компания Ever Power предлагает услуги по индивидуальному проектированию с учетом требований к крутящему моменту и размерам, специфичных для конкретного проекта.
Сценарии применения: муфты во всех приводных системах на морских буровых платформах
Вращающийся стол — это традиционный способ вращения бурильной колонны на обычной буровой установке, и он остается активной системой привода даже на многих платформах, оснащенных верхним приводом, в качестве резервного или для операций по спуску обсадной колонны. Мощность передается от дизель-электрического силового модуля через редуктор к вращающемуся столу посредством зубчатой муфты большого диаметра, способной обеспечивать постоянный крутящий момент в диапазоне от 50 000 до 400 000 Н·м в зависимости от мощности установки.Сценарий применения 2: Муфта двигателя верхнего привода
Современные морские буровые установки используют верхний привод — моторизованный приводной узел, перемещающийся по направляющим вышки и вращающий бурильную колонну сверху, — вместо того, чтобы полагаться исключительно на установленный на полу поворотный стол. Верхние приводы приводятся в движение частотно-регулируемыми двигателями переменного тока или гидравлическими двигателями, при этом особенно сложной задачей является соединение между выходным валом двигателя и входным валом редуктора верхнего привода. Соединение должно выдерживать высокие пиковые крутящие моменты при соединении и разъединении бурильных труб, а также справляться с колебательными боковыми нагрузками, возникающими из-за раскачивания подвижного блока в условиях сильного волнения моря.Сценарий применения 3: Муфты привода грязевого насоса
Буровые насосы — как правило, двухпоршневые или трехпоршневые насосы мощностью от 1000 до 2200 л.с. на единицу — циркулируют буровой раствор по бурильной колонне, по поверхности бурового долота и обратно по затрубному пространству к поверхности. Эти насосы работают непрерывно во время активного бурения, и их муфты привода должны выдерживать пульсирующий крутящий момент, характерный для поршневых насосов, а также справляться с переходными процессами пускового момента, возникающими при перезапуске насоса в условиях противодавления.
Пружинные муфты типа «змея» особенно эффективны в системах с грязевыми насосами, поскольку характеристика прогрессивной жесткости пружинного элемента означает, что муфта становится жестче на кручение по мере увеличения крутящего момента — точно соответствуя поведению, необходимому для контроля усиления пульсаций насоса в трансмиссии. На буровых установках, работающих в районе Солан и Квад 205/206 к западу от Шетландских островов, где длительные буровые кампании означают, что насосы могут работать неделями без перерыва, увеличенный срок службы смазки и герметичная конструкция корпуса высококачественных зубчатых муфт оказались критически важными для достижения целевого среднего времени между плановыми интервалами технического обслуживания.
Лебедка представляет собой крупный барабанно-тормозной узел, который регулирует вес долота во время бурения и поднимает бурильную трубу в скважину и поднимает ее обратно во время операций по подъему и опусканию. На современных глубоководных полупогружных буровых установках — таких, как те, которые эксплуатируются компаниями Total Energies или BP на их месторождениях к западу от Шетландских островов — привод лебедки может включать три или более мощных двигателя переменного тока, приводящих в движение через редуктор-распределитель один большой вал барабана. Соединение между каждым двигателем и редуктором-распределителем должно компенсировать небольшие перепады скоростей между двигателями без передачи больших корректирующих моментов, поэтому предпочтительным вариантом являются гибкие муфты с регулировкой крутящего момента.Сценарий применения 5: Системы компенсации качки и натяжения.
Активные системы компенсации качки на плавучих буровых установках противодействуют вертикальному движению судна в условиях волнения, предотвращая отрыв бурового долота от пласта или его ударное столкновение с ним при каждом цикле волнения. В этих системах используются большие гидравлические цилиндры или компенсаторы с электроприводом для перемещения подвижного блока в противодействии качке установки, а приводные двигатели активных систем соединены с гидравлическими насосами или шариковинтовыми приводами через прецизионные муфты, которые должны реагировать на быстрые изменения направления без люфта, колебаний или податливости, которые могли бы ухудшить точность компенсации.
Требования к муфтам в приводах компенсации качки существенно отличаются от требований к обычным подъемным механизмам: первостепенное значение имеет жесткость на кручение, тогда как способность компенсировать несоосность имеет второстепенное значение, учитывая точность выравнивания, достижимую в заводских компенсаторных установках. Дисковые муфты с практически нулевым люфтом и высокой жесткостью на кручение являются предпочтительным компонентом в этой сложной задаче, и их все чаще используют британские подрядчики по подводному проектированию в Абердине, Уике и Инвернессе, которые разрабатывают следующее поколение инструментов для проведения работ по вскрытию скважин и консервации скважин в Северном море.
Каротаж и работы по ремонту скважин с использованием проволочного троса — при которых измерительные инструменты, перфораторы и эксплуатационные пакеры опускаются в эксплуатационные сквалы по проволочному тросу — требуют лебедочных приводных систем, способных плавно контролировать как опускание, так и подъем со скоростью от нескольких метров в минуту до нескольких сотен метров в минуту. Соединение между двигателем привода лебедки и редуктором барабана должно выдерживать такие широкие диапазоны скоростей без заеданий, крутильных колебаний или пульсаций скорости, которые могли бы привести к ложным срабатываниям системы контроля натяжения троса при перегрузке.Рекомендуемые товары для морского бурения
Два прецизионных соединительных элемента, разработанных для сложных условий эксплуатации морских трансмиссий.
Пружинная муфта серии JSA обеспечивает превосходное гашение вибраций и компенсацию несоосности благодаря взаимозацепляющемуся элементу из высокоуглеродистой пружинной стали, намотанному между двумя фланцами ступицы с зубчатыми краями. Ее прогрессивный профиль жесткости на кручение делает ее особенно эффективной в приводах поршневых насосов, вспомогательных системах лебедок и приводах компрессоров — везде, где пульсирующие или ударные крутящие моменты требуют гашения до того, как достигнут чувствительного оборудования, расположенного ниже по потоку. Доступны размеры от 18 мм до 450 мм, с полной настройкой размеров и материала для эксплуатации в морских условиях.
Универсальная муфта серии SWC передает крутящий момент на большие угловые отклонения — до 35° на каждый шарнир — что делает ее оптимальным решением для применений, где приводной вал должен менять направление, например, между силовым модулем, установленным в машинном отделении, и удаленно расположенным компонентом буровой установки на буровой площадке. Цельностальная конструкция карданного шарнира выдерживает крутящий момент до 1 250 000 Н·м в больших размерах, с коваными крестовинами из легированной стали 35CrMo и подшипниковыми узлами скольжения, разработанными для непрерывных рабочих циклов, встречающихся в морских системах передачи энергии. В стандартной комплектации доступны фланцевые размеры, совместимые со стандартными схемами крепления болтов DIN и ISO Великобритании и Европы.
Компания Ever Power располагает современным предприятием высокоточной обработки, оснащенным многоосевыми токарными станками с ЧПУ, зубофрезерными и зубошлифовальными станками, а также полностью интегрированной линией термообработки, способной обрабатывать компоненты с внутренним диаметром от 20 мм до внешнего диаметра 600 мм. Каждая ступица и втулка зубчатой передачи после термообработки подвергаются профильной шлифовке для достижения точности профиля зубьев в пределах допусков DIN 5480 класса 6 — спецификации, которая обеспечивает плавное и бесшумное зацепление и равномерное распределение нагрузки по всей ширине контакта зубьев даже в условиях динамического смещения, характерного для эксплуатации на морских платформах.
История успеха клиента: модернизация самоподъемной буровой установки в Северном море, Абердин
North Atlantic Drilling Services Ltd.
Абердин, Шотландия · Эксплуатация самоподъемных буровых установок в Северном море · Программа планового технического обслуживания на 2024–2025 годы
Компания North Atlantic Drilling Services Ltd., штаб-квартира которой находится в Абердине и которая эксплуатирует флот из шести самоподъемных буровых установок по долгосрочным контрактам с операторами Северного моря, в ходе ежегодного обзора флота в 2023 году выявила повторяющуюся закономерность отказов муфт. На двух из их установок муфты привода грязевых насосов выходили из строя раньше запланированного 18-месячного цикла замены, что приводило к незапланированным остановкам, каждая из которых в среднем длилась 11 часов для устранения неполадок — при эксплуатационных расходах, оцениваемых более чем в 60 000 фунтов стерлингов за каждый инцидент, с учетом коэффициентов простоя буровых установок и задержек в программе бурения скважин.
Существующие муфты представляли собой стандартные промышленные кулачковые соединения, указанные производителем оборудования, с использованием резинового элемента, который демонстрировал преждевременное усталостное растрескивание, вызванное низкими температурами окружающей среды на буровой установке во время зимних работ в Северном море. Резиновая смесь становилась хрупкой при длительном нахождении при минусовых температурах, теряла свою гибкость и не могла поглощать крутящие ударные импульсы от цилиндров трехпоршневого насоса, что приводило к быстрому распространению трещин и неожиданному выходу элемента из строя.
Команда по закупкам и проектированию компании North Atlantic обратилась в Ever Power по рекомендации технического специалиста, ранее работавшего с компанией над проектом замены муфты редуктора на буровой установке с гибкими трубами в Грейт-Ярмуте. Инженеры Ever Power изучили технические характеристики трансмиссии, данные о нагрузке из системы мониторинга состояния буровой установки и профили рабочих температур и рекомендовали переход на пружинную муфту серии JSA с элементами из пружинной стали 60Si2MnA — марки, рассчитанной на температуру до -40°C без потери эластичности.
Компания Ever Power изготовила партию из 24 сменных муфтовых узлов, соответствующих размерам вала буровой установки, с расположением болтов на фланцах, совпадающим с существующими корпусами привода насоса, что позволило произвести прямую замену без каких-либо модификаций насосной установки или крепления двигателя. Все узлы были доставлены в Абердин в течение трех недель после размещения заказа, в комплекте с сертификатами испытаний материалов и отчетами о проверке размеров, оформленными для включения в файл оборудования буровой установки, одобренный DNV GL.
После установки на двух буровых установках во время их следующих плановых доковых ремонтов на объекте Nigg Energy Park в Кромарти-Ферт, данные мониторинга за последующие 14 месяцев показали отсутствие отказов муфт. Плановый интервал замены был увеличен с 18 до 30 месяцев на основании результатов проверки, проведенной во время первого планового осмотра, что позволило сэкономить около 180 000 фунтов стерлингов в год на всех двух буровых установках за счет сокращения затрат на простои и уменьшения запасов запасных частей.
★★★★★
«Пружинные муфты JSA полностью решили проблему выхода из строя в зимний период, которая у нас была с предыдущими резиновыми зажимными муфтами. Спустя четырнадцать месяцев обе буровые установки по-прежнему используют оригинальные соединительные элементы, и осмотр не выявил никаких признаков усталости. Только увеличенный интервал технического обслуживания сэкономил нам гораздо больше, чем стоимость модернизации. Техническая команда Ever Power быстро поняла нашу проблему и предложила решение, которое явно идеально подходило для данного применения».
Джеймс Форсайт · Главный инженер-механик
Компания North Atlantic Drilling Services Ltd., Абердин
★★★★★
«Больше всего нас впечатлила готовность компании Ever Power предоставить сертификаты испытаний материалов и отчеты о проверке размеров в точном формате, необходимом для нашей документации на оборудование DNV GL. Правильное оформление этих документов часто является самой сложной частью закупок на морских платформах, и Ever Power справилась с этим без необходимости наших дополнительных запросов. Сами муфты явно изготовлены по высоким стандартам — жесткие допуски, превосходная чистота поверхности и никаких проблем с установкой».
Сара Маккензи · Менеджер по закупкам
Компания North Atlantic Drilling Services Ltd., Абердин
★★★★★
«Трехнедельная поставка партии муфт нестандартных размеров в Абердин — это действительно впечатляет. Поставщик муфт изначально обещал нам шесть-восемь недель, что означало бы задержку докования буровой установки, чтобы избежать эксплуатации в течение летней кампании с изношенными элементами муфт. Компания Ever Power смогла уложиться в сроки, и цена оказалась значительно лучше. С тех пор мы добавили их в наш список проверенных поставщиков всех муфт для всего флота».
Дункан Рид · Начальник буровой установки
Компания North Atlantic Drilling Services Ltd., Абердин
Часто задаваемые вопросы
Ответы на наиболее часто задаваемые британскими инженерами-специалистами по морским буровым установкам вопросы выбора соединительных элементов для буровых установок.
Какие типы муфт чаще всего используются в трансмиссиях буровых установок на шельфе Северного моря в Великобритании?
Наиболее распространенными типами муфт на буровых установках в британском секторе Северного моря являются зубчатые муфты для высокомоментного вращающегося оборудования, такого как грязевые насосы и приводы поворотных столов, пружинные муфты, где приоритетными являются гашение вибраций и работа при низких температурах, универсальные муфты SWC, где неизбежны большие угловые смещения между ведущим и ведомым валами, и дисковые муфты в прецизионных приложениях, включая приводы компенсации качки и высокоскоростные приводы компрессоров. Выбор зависит от величины крутящего момента, скорости, степени несоосности, диапазона температур окружающей среды и допустимого уровня крутильной податливости в конкретной проектируемой системе привода.
Сколько обычно стоит изготовленная на заказ муфта редуктора, соответствующая требованиям для работы на морских платформах, при заказе у поставщика, лояльного к Великобритании, такого как Ever Power?
Стоимость изготовленных на заказ муфт морского класса значительно варьируется в зависимости от диаметра отверстия, крутящего момента, характеристик материала, необходимых сертификатов и сроков поставки. В качестве общего ориентира, комплекты пружинных муфт малого диаметра (50–100 мм) со стандартной документацией начинаются от нескольких сотен фунтов стерлингов за пару, в то время как стоимость зубчатых муфт большого диаметра для приводов грязевых насосов или лебедок с полными сертификатами материалов DNV GL или Bureau Veritas может составлять от нескольких тысяч до десятков тысяч фунтов стерлингов в зависимости от размера и сложности. Наиболее надежный способ получить точную цену — это напрямую связаться с компанией Ever Power, предоставив техническую документацию на вашу трансмиссию, чтобы получить конкретное ценовое предложение.
Какой поставщик соединительных муфт в Великобритании может предоставить муфты, соответствующие стандарту ATEX, для опасных зон 1 на морской буровой платформе?
Компания Ever Power имеет опыт проектирования и производства соединительных узлов, отвечающих требованиям для использования в классифицированных опасных зонах на морских платформах, включая газовые группы Зоны 1 и 2 в соответствии с Директивой ATEX 2014/34/EU и ее британским аналогом после Brexit, UKEX (британские правила по безопасности и метрологии продукции и т. д. (поправка и т. д.) (выход из ЕС)). Ключевые конструктивные особенности соединительных узлов, соответствующих требованиям ATEX, включают в себя искробезопасные защитные материалы (обычно алюминиевый сплав или стеклопластик), контролируемую температуру поверхности, остающуюся ниже класса T опасной зоны, и варианты защиты от статического электричества. Свяжитесь с инженерной командой Ever Power, предоставив чертежи классификации опасной зоны вашей платформы, чтобы получить соответствующее предложение по конструкции соединительного узла.
Сколько времени занимает получение коммерческого предложения от Ever Power на изготовление нестандартной муфты для буровой установки, работающей в Абердине или на континентальном шельфе Великобритании?
Для простых запросов на изготовление муфт по индивидуальному заказу, где указаны полные размеры вала, данные о крутящем моменте и требования к скорости, инженерная команда Ever Power обычно предоставляет технический обзор и предварительную оценку стоимости в течение 24–48 рабочих часов. Более сложные проекты, требующие анализа крутильных колебаний, анализа методом конечных элементов или согласования с классификационным обществом, могут потребовать от трех до пяти дней для подготовки полного технического и коммерческого предложения. Срочные запросы для действующих буровых установок могут быть отмечены как запросы AOG/приоритетные запросы для ускорения процесса подготовки коммерческого предложения.
Как лучше выбрать между зубчатой муфтой и пружинной муфтой для привода грязевого насоса на шельфе Великобритании, учитывая стоимость, производительность и требования к техническому обслуживанию?
Выбор между зубчатой муфтой и пружинной муфтой для привода морского грязевого насоса зависит, главным образом, от трех факторов: диапазона рабочих температур, требований к виброизоляции и предпочтений в отношении смазки. Зубчатые муфты обеспечивают более высокую плотность крутящего момента и более длительный срок службы при температуре окружающей среды выше 0°C, но требуют регулярной смазки для поддержания смазки в местах контакта зубьев. Пружинные муфты работают всухую — смазка не требуется — а их прогрессивная жесткость пружины обеспечивает превосходную виброизоляцию от пульсаций насоса, что делает их особенно подходящими для буровых установок в Северном море, где зимние температуры регулярно опускаются ниже надежного рабочего диапазона для зубьев шестерен, смазываемых консистентной смазкой. Для буровых установок, работающих круглый год на севере британского континентального шельфа, пружинная муфта обычно обеспечивает более низкую общую стоимость за весь срок службы, несмотря на более высокую первоначальную цену за единицу.
Где я могу найти надежный прайс-лист или каталог муфт морского класса для буровых установок с доставкой в Абердин и другие порты Великобритании?
Компания Ever Power не публикует прайс-лист на муфты, предназначенные для использования на морских платформах, поскольку различия в диаметрах, крутящем моменте, марках материалов и требованиях к сертификации в зависимости от области применения на морских платформах означают, что для каждого проекта расчет стоимости производится индивидуально, чтобы обеспечить соответствие спецификациям и конкурентоспособные цены. Наиболее эффективный подход для закупочных команд в Абердине, Грейт-Ярмуте, Данди или любом другом портовом городе Великобритании — это отправка данных о размерах вала и условиях эксплуатации приводного механизма непосредственно в отдел продаж Ever Power по адресу [email protected]. Команда подготовит индивидуальное техническое предложение и коммерческое предложение, соответствующие вашим конкретным требованиям и графику проекта.
Как определить, какой размер универсальной муфты серии SWC необходим для лебедки моей морской буровой установки, если известны входной крутящий момент и размеры вала?
Выбор универсальной муфты серии SWC для привода лебедки начинается с расчета расчетного крутящего момента путем умножения номинального крутящего момента двигателя на коэффициент запаса прочности, который для приводов лебедок в морских условиях обычно составляет от 2,0 до 3,0 и учитывает пусковой момент, ударные нагрузки при отпускании тормоза и динамические нагрузки, связанные с волновым движением буровой установки. Диаметр отверстия требуемой муфты определяется диаметром вала и предпочтительным способом соединения (шпоночный паз, шлицевое соединение или посадка с натягом). Инженерная команда Ever Power может помочь с расчетами выбора и порекомендует наиболее подходящий размер и конфигурацию муфты SWC на основе предоставленных вами данных.
Готовы подобрать подходящую муфту для вашей морской буровой установки?
Отправьте в компанию Ever Power ваши требования к трансмиссии, и вы получите подробное техническое и коммерческое предложение в течение 48 часов.
отредактировано gzl