海洋鉆機(jī)質(zhì)量重心控制的重要性及方法

王安義王維旭張 鵬胡 楠楊秀菊

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心 寶雞721002）

船舶安全與技術(shù)管理

海洋鉆機(jī)質(zhì)量重心控制的重要性及方法

王安義1,2王維旭1,2張 鵬1,2胡 楠1,2楊秀菊1,2

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心 寶雞721002）

海洋平臺(tái)鉆機(jī)質(zhì)量重心控制對(duì)于鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)、建造有著重要的意義，鉆機(jī)質(zhì)量重心控制的好壞直接決定著項(xiàng)目的成功與否。從海洋平臺(tái)鉆機(jī)質(zhì)量重心控制的重要性、原則、方法、管理流程等方面進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，并給出其在半潛式鉆井平臺(tái)和輔助鉆井平臺(tái)上鉆機(jī)設(shè)計(jì)建造的應(yīng)用實(shí)例。為后續(xù)海洋鉆機(jī)設(shè)計(jì)建造提供指導(dǎo)和參考。

海洋鉆機(jī)；質(zhì)量重心；控制；方法

引 言

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)由淺海走向深海，對(duì)海洋鉆井平臺(tái)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求［1］，而鉆機(jī)又是海洋鉆井平臺(tái)的核心組成部分。鉆機(jī)質(zhì)量重心控制是鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)及建造的重要內(nèi)容之一。鉆機(jī)從基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造再到船廠組裝完成，各個(gè)階段都要對(duì)鉆機(jī)質(zhì)量重心進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)和嚴(yán)格控制并及時(shí)報(bào)告，從而在鉆機(jī)組裝前提前發(fā)現(xiàn)并消除可能出現(xiàn)的有關(guān)質(zhì)量重心的重大問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)在海洋平臺(tái)鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)質(zhì)量重心的控制尚無(wú)系統(tǒng)研究［2］，因此總結(jié)一套用于海洋鉆井平臺(tái)鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量重心控制方法及流程具有重要意義。

1 質(zhì)量重心控制的重要性

鉆機(jī)質(zhì)量重心控制的好壞直接影響鉆井平臺(tái)的甲板可變載荷及平臺(tái)的穩(wěn)性，甚至?xí)绊懙巾?xiàng)目的成功與否。通過(guò)選擇較輕設(shè)備和優(yōu)化鉆機(jī)結(jié)構(gòu)控制鉆機(jī)系統(tǒng)總質(zhì)量可以增加平臺(tái)的可變載荷，減少補(bǔ)給成本，提高持續(xù)鉆井能力［3］；通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)降低鉆機(jī)系統(tǒng)的重心可以提高平臺(tái)的抗風(fēng)載能力以及平臺(tái)的穩(wěn)性。同時(shí)，質(zhì)量重心的控制也決定著海洋鉆機(jī)模塊的吊裝設(shè)計(jì)，一個(gè)依據(jù)質(zhì)量重心控制而進(jìn)行的吊裝設(shè)計(jì)能明顯提高海洋模塊鉆機(jī)安裝作業(yè)效率和安全性。

為了更好的進(jìn)行海洋平臺(tái)鉆機(jī)質(zhì)量重心控制，以半潛式鉆井平臺(tái)鉆機(jī)為例，將其主要系統(tǒng)構(gòu)成及質(zhì)量分布如表1。

表1 海洋鉆機(jī)主要系統(tǒng)構(gòu)成及質(zhì)量t

2 質(zhì)量重心控制的原則

海洋平臺(tái)鉆機(jī)質(zhì)量重心控制可依據(jù)下述原則：

（1）合理估算鉆機(jī)總質(zhì)量，并在各系統(tǒng)、專(zhuān)業(yè)之間進(jìn)行合理分配。在各系統(tǒng)、各專(zhuān)業(yè)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)中，要進(jìn)行充分的系統(tǒng)調(diào)研，準(zhǔn)確掌握同樣水深和鉆深能力的鉆井系統(tǒng)質(zhì)量資料，保證基本設(shè)計(jì)階段對(duì)質(zhì)量的合理估算，避免出現(xiàn)較大偏差。

（2）在滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的前提下，減輕主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。在材料訂貨階段，應(yīng)盡可能選擇規(guī)范及國(guó)標(biāo)許可范圍內(nèi)負(fù)公差的板材、型材和管材；在設(shè)計(jì)階段，采用不同的計(jì)算方法，合理設(shè)計(jì)，減少構(gòu)件尺寸。

（3）在鉆機(jī)系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)過(guò)程中，要簡(jiǎn)化流程設(shè)計(jì)，參考相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)滿足基本的功能即可。如果沒(méi)有相應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)，則盡可能采用最簡(jiǎn)單的流程以滿足用戶(hù)的要求即可。管路連接方式在滿足系統(tǒng)要求情況下，選擇質(zhì)量較輕的連接方式。盡可能減少管路接頭，以減少質(zhì)量。

（4）在滿足基本功能的前提下，通過(guò)專(zhuān)業(yè)協(xié)調(diào)，優(yōu)化管線和電纜走向設(shè)計(jì)，使管線和電纜走向布置更合理，盡量縮短管線和電纜的布置長(zhǎng)度，從而達(dá)到質(zhì)量控制的目的。

（5）在滿足使用要求的前提下，在鋪板、踏板、走道設(shè)計(jì)時(shí)采用玻璃鋼格柵代替鋼板，在允許的管路上采用玻璃鋼管或者其他較輕材質(zhì)的材料代替鋼管［4］；各種設(shè)備支座也盡可能簡(jiǎn)潔。

（6）對(duì)鉆機(jī)系統(tǒng)中大型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量進(jìn)行重點(diǎn)控制，如井架、鉆臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)等；同時(shí)對(duì)大型設(shè)備的質(zhì)量進(jìn)行重點(diǎn)控制，如鉆井絞車(chē)、鉆井泵、頂驅(qū)等。

（7）對(duì)于鉆機(jī)配套的外購(gòu)設(shè)備，在滿足基本功能的前提下，除了可靠的質(zhì)量外，應(yīng)盡量選用較輕的設(shè)備。同時(shí)，在外購(gòu)協(xié)議中把設(shè)備質(zhì)量作為一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)，并規(guī)定在超出合同約定質(zhì)量時(shí)的處罰措施，避免設(shè)備供應(yīng)商為提高競(jìng)爭(zhēng)力而有意低估設(shè)備質(zhì)量。在設(shè)備配套方面，盡量把功能相同的設(shè)備集成設(shè)計(jì)為整體撬塊型式，既節(jié)約空間又減輕質(zhì)量，如液壓系統(tǒng)、高低壓空氣系統(tǒng)等。

（8）鉆機(jī)配套的外購(gòu)設(shè)備入廠檢驗(yàn)時(shí)需進(jìn)行稱(chēng)重［5］，重新確認(rèn)設(shè)備的質(zhì)量重心。對(duì)理論質(zhì)量超過(guò)500 kg的設(shè)備進(jìn)行逐件稱(chēng)重，對(duì)理論質(zhì)量小于500 kg的批量設(shè)備按照30%的比例進(jìn)行選擇性稱(chēng)重，但是最少稱(chēng)重件數(shù)不能少于兩件。

（9）項(xiàng)目執(zhí)行的整個(gè)周期定期編制質(zhì)量控制報(bào)告，隨時(shí)跟蹤設(shè)計(jì)、制造階段質(zhì)量的變化。編制質(zhì)量控制報(bào)告需要有詳細(xì)的鉆機(jī)系統(tǒng)配套的設(shè)備清單、鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和總布置圖。一般情況下，質(zhì)量控制報(bào)告需要分系統(tǒng)（或分模塊）和專(zhuān)業(yè)分別統(tǒng)計(jì)質(zhì)量和重心，并在每一版的質(zhì)量控制報(bào)告中說(shuō)明質(zhì)量變化情況和整個(gè)質(zhì)量的變化趨勢(shì)。

（10）及時(shí)采取減重措施。當(dāng)質(zhì)量控制報(bào)告顯示鉆機(jī)整個(gè)質(zhì)量明顯超出合同規(guī)定的質(zhì)量時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取整改措施，確保質(zhì)量控制在允許的范圍內(nèi)。

3 質(zhì)量重心控制的方法

（1）鉆機(jī)總質(zhì)量可分子系統(tǒng)或者子模塊（海洋模塊鉆機(jī)）進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，以便建造方在設(shè)計(jì)、建造階段對(duì)子系統(tǒng)或者子模塊進(jìn)行有效的質(zhì)量重心控制。

（2）同時(shí)各子系統(tǒng)或者子模塊又按照主結(jié)構(gòu)、舾裝、設(shè)備、管系、電氣（電纜和電氣設(shè)備及儀表）、空調(diào)通風(fēng)等專(zhuān)業(yè)分別進(jìn)行詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，以便建造方在設(shè)計(jì)、建造階段對(duì)各專(zhuān)業(yè)進(jìn)行有效的質(zhì)量重心控制。

（3）舾裝專(zhuān)業(yè)質(zhì)量包括除主結(jié)構(gòu)外的附屬結(jié)構(gòu)以及梯子、平臺(tái)、欄桿、鋪臺(tái)、設(shè)備支座等。

（4）設(shè)備質(zhì)量包括設(shè)備本身、連接螺栓或銷(xiāo)軸等。

（5）管系專(zhuān)業(yè)質(zhì)量包括各系統(tǒng)和設(shè)備間的管路、管夾、管支架、跨接軟管、安裝螺栓等。

（6）電氣專(zhuān)業(yè)質(zhì)量包括電纜、電纜卡、電纜托架、電氣設(shè)備、儀表、燈具、安裝螺栓等。

（7）采用三維設(shè)計(jì)軟件，對(duì)主結(jié)構(gòu)、設(shè)備進(jìn)行精確模擬，為其他專(zhuān)業(yè)搭建平臺(tái)；加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)間協(xié)調(diào)，同步開(kāi)展管系、電氣、空調(diào)通風(fēng)專(zhuān)業(yè)三維設(shè)計(jì)，并通過(guò)軟件計(jì)算質(zhì)量重心。

（8）將各子系統(tǒng)或者子模塊（海洋模塊鉆機(jī)）質(zhì)量重心分專(zhuān)業(yè)匯總到Excel表格中，基于力和力矩平衡原理，計(jì)算出鉆機(jī)總的質(zhì)量重心。

4 質(zhì)量重心控制的管理流程

質(zhì)量重心控制工作貫穿于鉆機(jī)設(shè)計(jì)建造的整個(gè)過(guò)程，涉及到項(xiàng)目管理、設(shè)計(jì)、采購(gòu)、建造、組裝調(diào)試各個(gè)方面，一般分為設(shè)計(jì)階段、制造階段和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段。由于涉及的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域眾多，影響質(zhì)量變化因素也多，因此，鉆機(jī)的質(zhì)量控制是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。質(zhì)量控制管理流程如下頁(yè)圖1所示。

對(duì)于質(zhì)量控制管理流程中是否符合合同要求或者是否在可控范圍內(nèi)，與合同書(shū)規(guī)定的指標(biāo)要求或者用戶(hù)的要求有很大關(guān)系。不同平臺(tái)對(duì)鉆機(jī)質(zhì)量控制的要求不同，浮式鉆井平臺(tái)鉆機(jī)質(zhì)量控制的范圍一般不超出鉆機(jī)總重的5%；固定式鉆井平臺(tái)或者對(duì)于需要安裝模塊鉆機(jī)進(jìn)行鉆修井的生產(chǎn)平臺(tái)而言，對(duì)質(zhì)量控制要求更加嚴(yán)格，其鉆機(jī)質(zhì)量控制的范圍一般控制在3%以?xún)?nèi)。

5 質(zhì)量重心控制的應(yīng)用

（1）在半潛式鉆井平臺(tái)上的應(yīng)用。鉆機(jī)系統(tǒng)作為半潛式鉆井平臺(tái)的核心組成部分，嚴(yán)格按照海洋平臺(tái)鉆機(jī)質(zhì)量重心控制的原則、方法、管理流程編制詳細(xì)的質(zhì)量重心控制報(bào)告，最終把鉆機(jī)總質(zhì)量控制在目標(biāo)范圍內(nèi)。目標(biāo)平臺(tái)配置雙井架鉆機(jī)。在鉆機(jī)基本設(shè)計(jì)階段，為了降低鉆機(jī)的重心，可通過(guò)將立根盒布置從鉆臺(tái)面移到井架外部，底部布置在平臺(tái)的下甲板上，其立根的重心可降低15 m以上；同時(shí)可采用隔水管立放布置的方式，其底部布置在下甲板上，達(dá)到降低隔水管存放區(qū)域重心的目的。在進(jìn)行鉆機(jī)底座在平臺(tái)上的承載基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)嚴(yán)格質(zhì)量重心計(jì)算以及分析軟件的模擬，計(jì)算出各個(gè)承載基礎(chǔ)的支反力大小，用于指導(dǎo)承載基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

圖1 質(zhì)量控制管理流程圖

（2）在輔助鉆井平臺(tái)上的應(yīng)用。輔助鉆井平臺(tái)由支持平臺(tái)和模塊鉆機(jī)組成。模塊鉆機(jī)質(zhì)量重心控制是整個(gè)輔助鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)建造的重要內(nèi)容。在鉆機(jī)模塊方案劃分設(shè)計(jì)時(shí)，按照支持平臺(tái)主吊機(jī)的起吊能力，來(lái)確定單個(gè)模塊的最大質(zhì)量，從而確定模塊鉆機(jī)子模塊數(shù)量，最終把模塊鉆機(jī)分為17個(gè)子模塊，單個(gè)模塊最大質(zhì)量不超過(guò)170 t。在吊裝設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)質(zhì)量控制報(bào)告，提取每個(gè)模塊的質(zhì)量重心，并結(jié)合海洋吊裝作業(yè)環(huán)境，設(shè)計(jì)子模塊吊裝方案，確定每根鋼絲繩受力大小，選取合適的吊索具。在鉆機(jī)滑移系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)質(zhì)量控制報(bào)告，提取相應(yīng)模塊的質(zhì)量重心，根據(jù)力和力矩平衡原理，準(zhǔn)確計(jì)算滑移操作工況下滑移部分的質(zhì)量重心，確定頂升油缸支腳處的支反力，從而選取合適的頂升滑移油缸和推移油缸。

6 結(jié) 論

（1）海洋平臺(tái)鉆機(jī)質(zhì)量重心控制對(duì)于海洋鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)、建造具有重要意義，項(xiàng)目的成功與否直接取決于鉆機(jī)質(zhì)量重心控制的好壞。

（2）鉆機(jī)質(zhì)量重心控制工作貫穿于鉆機(jī)設(shè)計(jì)建造的整個(gè)過(guò)程涉及到項(xiàng)目管理、設(shè)計(jì)、采購(gòu)、建造、組裝調(diào)試等各個(gè)階段，只有每個(gè)階段都嚴(yán)格按照質(zhì)量重心控制的原則、方法和管理流程實(shí)施，整個(gè)質(zhì)量控制工作才能達(dá)到良好效果。

（3）不同平臺(tái)對(duì)鉆機(jī)質(zhì)量控制的要求不同，鉆機(jī)質(zhì)量控制的范圍最大不超過(guò)其總重的5%。鉆機(jī)質(zhì)量越接近目標(biāo)質(zhì)量，就越能增大平臺(tái)的可變載荷，從而減少補(bǔ)給成本，提高持續(xù)鉆井能力。

（4）鉆機(jī)質(zhì)量重心控制可用于指導(dǎo)不同海洋鉆機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)、承載基座設(shè)計(jì)、模塊劃分設(shè)計(jì)、吊裝設(shè)計(jì)以及滑移系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)等各個(gè)階段。

［1］ 工信部. 海洋工程裝備制造業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃［R］. 2012.

［2］ 朱傳超，李志壘. 海洋工程船舶建造過(guò)程中的重量重心控制［J］.中國(guó)造船，2013，54（增刊1）：280-283.

［3］ 安國(guó)亭，盧佩瓊. 海洋石油開(kāi)發(fā)工藝與設(shè)備［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2001.

［4］ 黎理勝，徐文珊，陳萬(wàn)宏，等. 鈦合金在鋁合金艦船海水管路系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.船舶，2016（3）：27-33.

［5］ 姜偉，孫建軍，何保生，等．GB/T29549.2—2013海上石油固定平臺(tái)模塊鉆機(jī) 第2部分：建造［M］．中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013：16．

信息 動(dòng)態(tài)

金海重工與MARIC簽訂20.8萬(wàn)噸散貨船設(shè)計(jì)合同

日前，金海重工股份有限公司與中國(guó)船舶及海洋設(shè)計(jì)研究院（MARIC）在上海簽訂了20.8萬(wàn)噸散貨船設(shè)計(jì)合同，金海重工首席技術(shù)官金起熙和MARIC副院長(zhǎng)沈偉平分別代表雙方簽約。金海重工相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和MARIC民船部相關(guān)同志參加了簽約儀式。

金海重工20.8萬(wàn)噸散貨船設(shè)計(jì)是MARIC在之前成功開(kāi)發(fā)的該船船型基礎(chǔ)上的進(jìn)一步優(yōu)化，滿足了最新的規(guī)范規(guī)則要求，特別是最新的結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)共同規(guī)范（H-CSR）要求。通過(guò)對(duì)全船布置、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)上的優(yōu)化升級(jí)，做到安全性與經(jīng)濟(jì)型兼顧，并積極響應(yīng)相關(guān)環(huán)保要求，使MARIC在20.8萬(wàn)噸散貨船設(shè)計(jì)上，繼續(xù)保持與同類(lèi)型船在艙容、載重量、油耗、航速等方面的優(yōu)勢(shì)。

該項(xiàng)目是繼2016年30萬(wàn)噸VLCC項(xiàng)目設(shè)計(jì)合同后，金海重工與MARIC展開(kāi)的又一重大項(xiàng)目合作，也是繼MARIC的20.8萬(wàn)噸綠色節(jié)能散貨船在五家船廠開(kāi)花結(jié)果后，再一次獲得船東、船廠的認(rèn)可和青睞。

金海重工20.8萬(wàn)噸散貨船設(shè)計(jì)合同的成功簽約，將進(jìn)一步鞏固MARIC在大型散貨船型設(shè)計(jì)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

Signifi cance and method of control of center of mass for off shore rig

WANG An-yi1,2WANG Wei-xu1,2ZHANG Peng1,2HU Nan1,2YANG Xiu-ju1,2
(1. Baoji Oilfi eld Machinery Co., Ltd., Baoji 721002, China; 2. National Oil & Gas Drilling Equipment Research Center, Baoji 721002, China)

It is important for the design and construction of the off shore platform drilling rig to control its center of mass, which directly determines the success or failure of the project. This paper carries out the systematic analysis in terms of the importance, principles, methods and management procedures of the control of the center of the mass for the off shore platform rig. It also presents the practical applications in the design and construction of the drilling rig on the semi-submersible drilling platform and the auxiliary drilling platform. It can provide guidance and reference for the design and construction of the off shore platform drilling rig.

off shore rig; center of mass; control; method

U674.38+1，TE951

A

1001-9855（2017）02-0085-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.02.085

工信部“第七代超深水鉆井平臺(tái)（船）創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)”——“鉆井包集成及部分關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用研究”項(xiàng)目（工信部聯(lián)裝[2016]24號(hào)）。

2016-11-21；

2017-01-03

王安義（1983-），男，碩士，工程師。研究方向：海洋油氣鉆機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。王維旭（1978-），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：石油鉆機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。張 鵬（1980-），男，工程師。研究方向：石油鉆機(jī)及流程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。胡 楠（1982-），男，碩士，工程師。研究方向：海洋油氣鉆機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。楊秀菊（1983-），女，碩士，工程師。研究方向：石油鉆機(jī)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。