Waar zwenkaandrijvingen werken op een offshore boorplatform
Een offshore boorplatform — een jack-up, semi-submersible of boorschip — maakt gebruik van zwenkaandrijving planetaire tandwielkasten Op meerdere locaties binnen de boor- en materiaalverwerkingssystemen. Elke locatie brengt een andere combinatie van koppel, snelheid, omgeving en veiligheidsclassificatie met zich mee, maar ze delen allemaal de gemeenschappelijke uitdagingen van corrosie door zeewater, golfslag en beperkte toegang voor onderhoud.
Offshore-kolomkranen draaien op het platformdek om boorpijpen, casing, apparatuur en lading van bevoorradingsschepen te hanteren. De zwenkaandrijving moet continu in zoutnevel kunnen werken en lasten van 20 tot 150 ton kunnen verwerken met een radius van 20 tot 50 meter. Zwenkkoppel: 30.000 tot 120.000 Nm. De kraan is de levensader van het platform: als deze niet kan zwenken, kan het platform geen voorraden ontvangen of pijpen verwerken.
De iron roughneck (geautomatiseerde pijpsleutel) en het pijpreksysteem gebruiken zwenkaandrijvingen om de boorpijp tussen het rek, de loopbrug en het midden van de put te positioneren. Deze aandrijvingen werken in de gevaarlijke zone 1 – direct boven de boorgatwand waar koolwaterstofgas aanwezig kan zijn. Zwenkkoppel: 5.000 tot 25.000 Nm. ATEX- of IECEx-certificering is verplicht.
Sommige boorsystemen gebruiken zwenkaandrijvingen voor het indexeren van de draaitafel of voor het beheer van de servicelus van de bovenaandrijving – het positioneren van de koppelapparatuur van de boorstreng rond het middelpunt van de put. Deze aandrijvingen werken onder de hoogste trillingsbelastingen op het platform, die via de boorstreng en de boortorenconstructie worden overgebracht. Zwenkkoppel: 10.000 tot 40.000 Nm.
De BOP-transporter en de teststump-systemen gebruiken zwenkaandrijvingen om de 100 tot 400 ton wegende blowout preventer-stack te roteren tijdens onderhoud en testen. Dit zijn de zwaarste lasten die een zwenkaandrijving op het platform te verduren krijgt, maar ze worden slechts zelden gebruikt (elke 2 tot 4 weken). Zwenkkoppel: 80.000 tot 200.000 Nm.
Zwenkaandrijving voor offshore-toepassingen. Elk onderdeel moet bestand zijn tegen continue zoutnevel, dynamische belasting door golven en explosieve atmosferen – gelijktijdig, gedurende 20 tot 30 jaar.
Golfbeweging — De dynamische basis die gyroscopische en inertiële belastingen toevoegt aan elke zwenkbeweging
Op land roteert een zwenkaandrijving een last tegen de zwaartekracht en wrijving in. Op een offshore platform roteert de zwenkaandrijving een last tegen de zwaartekracht, wrijving én de traagheidskrachten die door de beweging van het platform worden gegenereerd. Wanneer het platform 3 meter omhoog (verticaal) beweegt in een golfperiode van 10 seconden, ondervindt elke massa op het platform een versnelling van ongeveer 0,3 g. Dit betekent dat het effectieve gewicht van een kraanlast van 50 ton met 15 ton toeneemt tijdens de opwaartse beweging en met 15 ton afneemt tijdens de neerwaartse beweging.
Wanneer het platform met dezelfde periode 5 graden kantelt (hoekbeweging), ondervindt de kraanarm – die zich op 30 meter van het draaipunt bevindt – een laterale versnelling die naast het statische moment ook een dynamisch kantelmoment genereert. Dit door de golven veroorzaakte dynamische moment oscilleert met de golfperiode en wordt continu opgeteld bij en afgetrokken van het benodigde draaimoment in stationaire toestand.
| Zeestaat | Heave (m) | Toonhoogte (graden) | Dynamische beladingsfactor | Toename van het draaimoment |
|---|---|---|---|---|
| Rustig (Hs < 1 m) | 0,5 – 1,0 | 1 – 2 | 1.05 – 1.10 | +5 tot +10% |
| Matig (Hs 2 – 4 m) | 2 – 4 | 3 – 6 | 1.15 – 1.30 | +15 tot +30% |
| Ruw (Hs 4 – 8 m) | 4 – 8 | 6 – 10 | 1.30 – 1.60 | +30 tot +60% |
Waarom op land gebaseerde dimensioneringsformules offshore-aandrijvingen ondergedimensioneerd zijn: De door golven veroorzaakte dynamische belastingfactor voegt 15 tot 601 TP3T toe aan het benodigde zwenkkoppel in vergelijking met dezelfde belasting en radius op land. Een zwenkaandrijving die op land geschikt is voor een hijs van 80 ton bij een radius van 30 meter (ongeveer 23.500 Nm) is ondergedimensioneerd voor dezelfde hijs bij dezelfde radius op een platform in een gematigde zee – de dynamische factor verhoogt het benodigde koppel tot 27.000 tot 30.500 Nm. Zwenkaandrijvingen voor offshore toepassingen moeten worden beoordeeld met behulp van de dynamische belastingfactoren van DNV of API voor de specifieke zeeomstandigheden ter plaatse, en niet met de statische berekening op land.
De zwenkaandrijving op een offshoreplatform moet zowel de stationaire belasting als de door golven veroorzaakte dynamische belasting aankunnen, waardoor het totale benodigde koppel met 15 tot 60% toeneemt in vergelijking met dezelfde werking op land.
ATEX en explosieve atmosfeer: de eis die alles verandert aan materiaal- en ontwerpkeuzes.
Op een offshore boorplatform worden de boorvloer en de omliggende gebieden geclassificeerd als gevaarlijke atmosfeerzone 1 of 2 volgens ATEX (Europese Richtlijn 2014/34/EU) of IECEx (internationaal equivalent). In deze zones kunnen explosieve gas-luchtmengsels aanwezig zijn tijdens normale werkzaamheden (Zone 1) of onder abnormale omstandigheden (Zone 2). Alle apparatuur die in deze zones werkt – inclusief zwenkaandrijvingen – moet zodanig ontworpen zijn dat ontsteking van de explosieve atmosfeer wordt voorkomen.
De buitentemperatuur van de behuizing van de zwenkaandrijving mag de zelfontbrandingstemperatuur van de aanwezige gassen niet overschrijden – doorgaans 200 tot 300 graden Celsius voor koolwaterstofgassen (temperatuurklasse T3 of T4). Deze limiet moet worden gehandhaafd onder de meest ongunstige bedrijfsomstandigheden: maximaal koppel, maximale omgevingstemperatuur en maximale zonnestraling. Het thermische ontwerp van de behuizing, het rendement van de tandwielen en het type smeermiddel hebben allemaal invloed op de maximale oppervlaktetemperatuur.
Als een onderdeel van de zwenkaandrijving wordt blootgesteld aan de gevaarlijke atmosfeer (zoals de tandwieloverbrenging tussen het rondsel en de kroonwiel), mogen de gebruikte materialen geen vonken produceren door wrijving, impact of mechanisch falen. Standaard koolstofstaal op koolstofstaal kan wel vonken produceren. ATEX-gecertificeerde tandwieloverbrengingen vereisen mogelijk vonkvrije rondselmaterialen (koper-nikkellegeringen, bepaalde bronssoorten) of een volledige omhulling van de tandwieloverbrenging in een explosieveilige behuizing. De omhulling (Exd – explosieveilig) is de meest gangbare oplossing voor zwenkaandrijvingen op boorplatformen.
Een Exd-gecertificeerde zwenkaandrijving omsluit het gehele tandwielmechanisme en de motor in een behuizing die is ontworpen om een interne explosie te weerstaan zonder vlammen naar de buitenlucht over te brengen. De wanddikte van de behuizing, de afmetingen van de flensopening en het aanhaalmoment van de bevestigingsmiddelen moeten allemaal voldoen aan IEC 60079-1. Dit voegt 20 tot 401 TP3T toe aan het gewicht en de kosten van de behuizing in vergelijking met een standaard niet-ATEX-aandrijving. De behuizing moet vóór levering worden getest op een druk van 1,5 keer de maximale explosiedruk.
Drie specifieke storingsmodi voor zwenkaandrijvingen bij offshore boorinstallaties
De loopbaan van het draailager – het geharde stalen oppervlak waarop de lagerkogels of -rollen lopen – is het meest corrosiegevoelige onderdeel van de draaiaandrijving op zee. Zoutnevel dringt door de lagerafdichting heen en vermengt zich met het smeervet. Chloride-ionen in het zout water veroorzaken putcorrosie op het oppervlak van de loopbaan. Elke put wordt een spanningsconcentratie die zich onder de rolbelasting uitbreidt tot vermoeiingsafschilfering. In tegenstelling tot draaiaandrijvingen op land (waar corrosie gedurende 10 tot 20 jaar verwaarloosbaar is), kunnen loopvlakken van lagers op zee al binnen 3 tot 5 jaar zichtbare putcorrosie vertonen zonder voldoende corrosiewerend smeervet en onderhoud van de afdichting.
Elke golfcyclus voegt een dynamische koppelcomponent toe aan de belasting van de zwenkaandrijving — 5 tot 10 seconden per cyclus, 6 tot 12 cycli per minuut, 24 uur per dag. Gedurende een jaar continu gebruik ondervinden de tandwielen 3 tot 6 miljoen extra spanningscycli door alleen al de golfbeweging — veel meer dan het aantal cycli van de eigenlijke zwenkbewegingen. De door golven veroorzaakte vermoeidheid is van lage amplitude maar met een hoge frequentie — de meest schadelijke combinatie voor geharde tandwieloppervlakken. Standaard berekeningen van tandwielvermoeidheid op land onderschatten de levensduur van de tanden met 30 tot 50% als de door golven veroorzaakte belasting niet wordt meegenomen.
De explosieveilige (Exd) behuizing is afhankelijk van nauwkeurig bewerkte flensopeningen om interne ontsteking te voorkomen. Deze openingen moeten gedurende de gehele levensduur binnen de maattolerantie van IEC 60079-1 blijven. Zoutcorrosie, thermische cycli en mechanische impact door routinematige platformwerkzaamheden kunnen de flensopeningen vergroten tot buiten de gecertificeerde afmetingen. Zodra de opening de maximaal toegestane waarde overschrijdt, is de behuizing niet langer gecertificeerd om een interne explosie te voorkomen en wordt de aandrijving een potentiële ontstekingsbron in de atmosfeer van Zone 1. Deze degradatie is van buitenaf niet zichtbaar en kan alleen worden vastgesteld door middel van een dimensionale inspectie van de flensopening tijdens een geplande inspectie.
Boven: Productiefaciliteit van Korea Ever-Power. Onder: Testcentrum — offshore aandrijvingen ondergaan corrosietests volgens maritieme normen, ATEX-behuizingsdrukverificatie en dynamische koppelsimulatie vóór levering.
Draaibare planetaire tandwielkast voor offshore boorplatformen — Veelgestelde vragen
Korea Ever-Power levert planetaire tandwielkasten voor zwenkaandrijvingen van offshore boorplatformen met DNV-dynamische belastingswaarden, C5-M maritieme coatings en ATEX-vlamvertragende opties van 5.000 tot 200.000 Nm. Geef uw platformtype en apparatuurtoepassing op voor een specificatie die geschikt is voor maritiem gebruik.
Redacteur: Cxm
