海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)滑移技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452)

隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，為滿(mǎn)足鉆井及修井作業(yè)的需要，大噸位海洋模塊鉆機(jī)不斷投入使用[1]。目前，海洋模塊鉆機(jī)滑移系統(tǒng)采用棘爪式爬行器帶動(dòng)上部模塊滑移[2]，模塊鉆機(jī)基座支撐于滑軌上，鉆機(jī)基座板與滑軌均為船用低合金高強(qiáng)度鋼板，由于支點(diǎn)荷載大、建造誤差、累計(jì)變形以及表面夾雜硬質(zhì)雜質(zhì)等原因，在滑移過(guò)程中滑軌表面容易出現(xiàn)不同程度的劃痕現(xiàn)象。模塊鉆機(jī)在滑移過(guò)程中局部高溫使材料強(qiáng)度發(fā)生變化，鋼-鋼接觸形成的摩擦副在局部強(qiáng)度過(guò)大的情況下極易發(fā)生粘著損傷，造成滑軌表面破壞，通過(guò)在滑軌面涂抹潤(rùn)滑劑減小滑移摩擦力以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式等方法無(wú)法從根本上解決滑軌損傷問(wèn)題。為此，依托渤海海域某平臺(tái)模塊鉆機(jī)設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)劃痕產(chǎn)生的原因和機(jī)理分析，從安全性、經(jīng)濟(jì)性以及適用性等方面考慮，提出在滑移基座和滑軌之間增設(shè)滑移墊板，通過(guò)改變模塊鉆機(jī)滑移摩擦副改善滑移系統(tǒng)摩擦系數(shù)，避免滑軌損傷。

1 滑移系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)形式

海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)鉆井設(shè)備模塊(drilling equipment set，DES)通常由下底座和鉆臺(tái)面兩部分構(gòu)成[3]，見(jiàn)圖1。

圖1 模塊鉆機(jī)DES結(jié)構(gòu)三維模型

DES通過(guò)鉆臺(tái)和下底座雙向滑移覆蓋整個(gè)平臺(tái)井口區(qū)，以完成鉆修井作業(yè)。模塊鉆機(jī)滑軌截面通常為T(mén)型或Π型，上滑軌固定在下底座頂層滑道梁上，用于承擔(dān)鉆臺(tái)的滑移重量，下滑軌焊接固定在平臺(tái)組塊頂層甲板主梁上方，用于承擔(dān)DES模塊的整體滑移重量，見(jiàn)圖2。

圖2 模塊鉆機(jī)基座及滑軌結(jié)構(gòu)三維模型

1.2 液壓系統(tǒng)

模塊鉆機(jī)采用棘爪式爬行器帶動(dòng)模塊鉆機(jī)沿滑軌移動(dòng)，液壓系統(tǒng)包括液壓站、爬行器、操作箱以及相關(guān)管線(xiàn)等構(gòu)成。每套滑移系統(tǒng)包含2個(gè)爬行器，通過(guò)銷(xiāo)軸與基座耳板連接帶動(dòng)鉆機(jī)滑動(dòng)。

2 滑軌劃痕分析

2.1 滑軌劃痕現(xiàn)狀

2008年以來(lái)投產(chǎn)的海洋模塊鉆機(jī)滑軌絕大部分模塊鉆機(jī)滑軌均存在不同程度的損傷情況，且劃痕集中出現(xiàn)在海上安裝調(diào)試階段和鉆井作業(yè)初期，劃痕深度2～10 mm，寬度5～10 mm，長(zhǎng)度不等，更有甚者貫穿整個(gè)滑軌面，對(duì)海上鉆井作業(yè)造成較大影響，典型滑軌劃痕見(jiàn)圖3。

圖3 典型滑軌劃痕

針對(duì)滑軌損傷的類(lèi)型和損傷程度，需要制定針對(duì)性的修補(bǔ)方案，主要有以下2種。

1)對(duì)于表面刮傷、輕度刮傷的滑軌，由于滑軌表面光潔度受到了破壞，為了避免二次損傷，采用打磨的方法，恢復(fù)滑軌表面光潔度。

2)對(duì)于中度刮傷、重度刮傷的滑軌面，已經(jīng)影響到滑軌的正常使用，需要采取打磨、補(bǔ)焊的處理方法，恢復(fù)滑軌表面的平整度。

2.2 原因分析

1)支點(diǎn)反力大。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，鉆井深度逐漸增大，模塊鉆機(jī)的規(guī)模及整體重量提升造成極限井位基座對(duì)滑軌壓強(qiáng)變大。

2)滑軌面及支撐梁變形大。受所建平臺(tái)規(guī)模影響，組塊主軸間距大，滑軌支撐梁剛度較弱，模塊鉆機(jī)就位后滑軌發(fā)生較大垂向變形，降低滑軌的水平度，鉆機(jī)在滑移過(guò)程中造成滑軌局部應(yīng)力增大。另外，滑軌一般采用T形或Π形結(jié)構(gòu)，其翼緣外側(cè)相對(duì)薄弱，在垂向載荷下易產(chǎn)生較大變形，滑移過(guò)程中造成基座與滑軌的接觸面積減小，局部應(yīng)力增大。

3)建造及安裝精度不足?；壖盎捎萌弁负附?，焊接變形不易控制，容易造成基座板側(cè)翼上翹情況，滑移過(guò)程中局部應(yīng)力過(guò)大。另外，支撐梁的安裝誤差，也會(huì)加劇造成的不利影響。

4)表面清潔、潤(rùn)滑因素[4]。鉆機(jī)建造完成后，在安裝以及在位期間，基座下表面無(wú)法再清理，滑軌表面暴露在外部環(huán)境中清潔度不夠，殘留的硬質(zhì)雜質(zhì)造成滑軌的損傷。鉆機(jī)滑移時(shí)，潤(rùn)滑劑涂抹不到位會(huì)增大滑移摩擦系數(shù)，造成局部摩擦損傷。

2.3 機(jī)理分析

基座底面與滑軌表面是一對(duì)滑動(dòng)摩擦副，模塊鉆機(jī)在滑移過(guò)程中，基座與滑軌之間相互擠壓和搓動(dòng)，不可避免造成滑軌的磨損失效。其中伴隨著復(fù)雜的能量損耗[5]。

1)摩擦副之間存在金屬雜質(zhì)，重載下移動(dòng)時(shí)對(duì)摩擦副材料表面的產(chǎn)生犁溝作用和塑性擠壓變形，造成滑軌的損傷。

2)鉆機(jī)滑移啟動(dòng)時(shí)，基座與滑軌之間油膜尚未形成，造成局部高溫發(fā)生粘著/剪切效應(yīng)，造成滑軌粘著損傷。對(duì)于相同材質(zhì)的摩擦副，互溶性好，極易發(fā)生粘著損傷。

通過(guò)以上分析，由于環(huán)境條件、模塊規(guī)模以及建造精度控制等原因，對(duì)于鋼-鋼接觸的摩擦副，因?yàn)樵O(shè)計(jì)無(wú)法從根本上消除滑移損傷，這是造成滑軌劃痕普遍性的主要原因。

3 滑移系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 滑移墊板材質(zhì)

傳統(tǒng)模塊鉆機(jī)、修井機(jī)結(jié)構(gòu)，在潤(rùn)滑狀態(tài)下鋼-鋼組成的摩擦副的摩擦系數(shù)為0.1～0.2。較輕的修井機(jī)在滑移狀態(tài)總重量為100～300 t，通常采用錫青銅作為滑移墊板，由錫青銅-鋼組成的摩擦副為異性金屬，潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)為0.05～0.10，相對(duì)于鋼-鋼組成的摩擦副可有效降低滑移摩擦力。

模塊鉆機(jī)DES模塊集成度較高，滑移重量為1 300～1 800 t，單點(diǎn)支點(diǎn)反力超過(guò)8 000 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于修井機(jī)載荷，部分滑軌出現(xiàn)劃痕的鉆機(jī)的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

由于硬度及磨損系數(shù)的局限性，錫青銅墊板在重載下只依靠降低摩擦系數(shù)不足以完全避免滑軌的損傷。另外，錫青銅使用壽命較低，海上頻繁更換墊板也會(huì)降低海上鉆井作業(yè)時(shí)效，增加維護(hù)費(fèi)用。

工程塑料合金墊板(MGE)作為重載滑塊廣泛應(yīng)用于橋梁、造船以及石油行業(yè)中[6]，MGE板是以高分子材料為基礎(chǔ)添加稀有金屬合成的聚合物，其承載能力大、抗震能力強(qiáng)，承受沖擊載荷時(shí)能較好的消除軌道不平整造成的局部高壓帶來(lái)的危害，可有效避免滑軌的機(jī)械損傷。

表1 模塊鉆機(jī)重量參數(shù)表

MGE板性能參數(shù)見(jiàn)表2。海洋模塊鉆機(jī)支點(diǎn)位置最大壓強(qiáng)為5～12 MPa，見(jiàn)表1，MGE墊板可承受壓強(qiáng)大于65 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。鉆機(jī)滑移潤(rùn)滑劑采用鋰基脂，屬于油性材料，摩擦系數(shù)為0.016～0.03，可減小摩擦力約3倍。從磨損系數(shù)及老化壽命考慮，可以滿(mǎn)足海洋模塊鉆機(jī)20～30年的設(shè)計(jì)壽命?？梢?jiàn)，MGE板的強(qiáng)度、性能、壽命均滿(mǎn)足使用要求。

表2 MGE墊板性能參數(shù)表

3.2 滑移系統(tǒng)優(yōu)化

海洋模塊鉆機(jī)上、下滑軌及基座結(jié)構(gòu)形式類(lèi)似，均為基座板下表面與滑軌上表面相接觸通過(guò)液壓爬行器帶動(dòng)上部模塊滑移，取下底座滑移系統(tǒng)做優(yōu)化方案介紹。

滑移系統(tǒng)優(yōu)化方案即在基座與滑軌之間增設(shè)MGE墊板，通過(guò)墊板與滑軌面滑動(dòng)進(jìn)行滑移工作。由于MGE板存在摩擦損傷可能性，保守考慮設(shè)計(jì)為可更換式，采用高強(qiáng)螺栓將其固定于基座板上，隨基座一同沿滑軌滑移?；|板與滑軌設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖4。

圖4 下底座滑移墊板設(shè)計(jì)方案示意

模塊鉆機(jī)采用滑移墊板在位工作時(shí)流程：通過(guò)螺栓將鎖緊板、間隙板和MGE墊板緊固與下底座基座板上，確保墊板與基座固定牢固。

模塊鉆機(jī)采用滑移墊板滑移工作時(shí)流程：在滑移之前在間隙板與鎖緊板之間增設(shè)插入板，將各功能板通過(guò)螺栓固定，確?；茐|板與下底座基座板固定牢固，插入板作用為滑移時(shí)鎖緊板與滑軌翼緣板下表面不接觸，避免滑移時(shí)增大滑移摩擦力，最后，利用爬行器拖拉滑移。

3.3 海洋鉆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊鉆機(jī)通常采用海上吊裝安裝或者隨組塊一同浮托法安裝2種模式，如果采用吊裝安裝，下底座滑移墊板需要在模塊鉆機(jī)海上安裝就位后再安裝。對(duì)于上滑軌墊板，可在陸地建造是進(jìn)行安裝，不考慮安裝頂升作業(yè)。另外，如果滑移墊板磨損量過(guò)大，影響鉆井作業(yè)，需要對(duì)墊板進(jìn)行更換，針對(duì)墊板的安裝及更換需要結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的方案。

3.3.1 下底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

墊板安裝及更換需要將DES模塊頂起，模塊鉆機(jī)下底座為門(mén)形框架結(jié)構(gòu)，上部模塊載荷通過(guò)4個(gè)主立柱傳遞至滑軌，從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，頂升點(diǎn)只能設(shè)置在靠近主立柱的主梁上，見(jiàn)圖5。

圖5 下底座原結(jié)構(gòu)頂升方案

由于此梁主要作用為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)框架立面剛度，而承受局部頂升載荷，其抗彎能力不足。基于增設(shè)墊板方案對(duì)海洋模塊鉆機(jī)結(jié)構(gòu)調(diào)整最小、適用性最高的原則，對(duì)支撐梁做加強(qiáng)，加強(qiáng)方案見(jiàn)圖6。

圖6 下底座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)頂升方案

加強(qiáng)方案中每個(gè)支腿設(shè)有2個(gè)頂升位置，根據(jù)API RP 2A[7]，采用SACS軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)做頂升計(jì)算，最大頂升位移與液缸能力見(jiàn)表3。

表3 下底座墊板安裝頂升方案數(shù)據(jù)表

單腿頂升最大位移為25 mm，小于墊板厚度50 mm。2腿同時(shí)頂升的方案均滿(mǎn)足安裝要求，由于長(zhǎng)軸向剛度較大，頂升時(shí)結(jié)構(gòu)吸收變形較小造成基座傾斜角度較大受力不均，對(duì)基座局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要較高。短軸向頂升由于跨距較大，頂升變形通過(guò)結(jié)構(gòu)吸收，基座受力面始終在主滑軌上，所以從千斤頂能力及受力情況分析推薦選用短軸向2腿頂升安裝方案。

墊板更換只需要單支腿頂升，考慮極限井位帶立根與不帶立根2種頂升工況，相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4?？紤]滑移墊板磨損量及千斤頂操作的風(fēng)險(xiǎn)性，推薦選用單腿不帶立根頂升方案，當(dāng)墊板磨損量達(dá)到10 mm需更換墊板。

表4 下底座墊板更換頂升方案數(shù)據(jù)表

針對(duì)下底座頂升位置，由于頂升重量較大，根據(jù)AISC規(guī)范要求[8]，采用ANSYS軟件做局部強(qiáng)度校核，局部應(yīng)力見(jiàn)圖7。

圖7 下底座局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

主體結(jié)構(gòu)及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)均采用船用高強(qiáng)板材，屈服強(qiáng)度為355 MPa，考慮0.8倍安全系數(shù)，許用應(yīng)力為284 MPa，經(jīng)校核加強(qiáng)結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力為257.7 MPa，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.3.2 鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鉆臺(tái)面為平面框架結(jié)構(gòu)，4個(gè)基座布置在與上滑軌平行的主梁上，類(lèi)似基座結(jié)構(gòu)，將頂升位置設(shè)置在該梁上，在頂升位置增設(shè)加強(qiáng)筋板即可滿(mǎn)足頂升強(qiáng)度要求，見(jiàn)圖8。

圖8 鉆臺(tái)面頂升方案

鉆臺(tái)考慮單腿及2腿頂升，且各分為帶立根和無(wú)立根2種工況計(jì)算，相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

考慮滑移墊板磨損量及千斤頂操作的風(fēng)險(xiǎn)性，推薦選用單腿不帶立根頂升方案，當(dāng)墊板磨損量達(dá)到10 mm需更換墊板。另外，考慮到墊板磨損對(duì)管接口、梯道以及貓道連接等方面的影響，上下兩層墊板磨損累積量不易超過(guò)15 mm。

表5 鉆臺(tái)頂升方案數(shù)據(jù)表

4 應(yīng)用實(shí)例

渤海某油田新建一座平臺(tái)采用模塊鉆機(jī)鉆井的開(kāi)采方式。將新型滑移系統(tǒng)應(yīng)用于該鉆機(jī)設(shè)計(jì)中，上滑軌滑移墊板在建造場(chǎng)地安裝就位，下滑軌墊板在海上現(xiàn)場(chǎng)采用短軸依次頂升安裝，安裝過(guò)程平穩(wěn)、精準(zhǔn)。MGE墊板安裝現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖9。

圖9 MGE墊板安裝現(xiàn)場(chǎng)

由于模塊鉆機(jī)滑軌劃痕普遍出現(xiàn)在海上安裝調(diào)試及鉆機(jī)作業(yè)初期，通過(guò)對(duì)該階段鉆機(jī)應(yīng)用效果的觀(guān)察，涂抹潤(rùn)滑劑后滑移過(guò)程無(wú)異響、滑軌表面無(wú)劃痕。同時(shí)由于摩擦系數(shù)大幅減小，滑移啟動(dòng)及移動(dòng)更加平穩(wěn)。下滑軌應(yīng)用效果見(jiàn)圖10。

圖10 下滑軌應(yīng)用效果

5 結(jié)論

1)從實(shí)際應(yīng)用效果看，增設(shè)滑移墊板后滑軌表面光滑無(wú)損傷，墊板的硬度低于鋼材，硬質(zhì)夾渣被墊板吸收從而避免滑軌的損傷。另外，由于滑移摩擦系數(shù)大幅降低，減少啟動(dòng)時(shí)粘結(jié)力，滑移啟動(dòng)瞬間運(yùn)行更加平穩(wěn)，無(wú)頓挫感，體現(xiàn)了該工程合金塑料墊板摩擦性能的優(yōu)越性。

2)以往的研究主要是從滑軌結(jié)構(gòu)形式出發(fā)，增加滑移結(jié)構(gòu)的剛度、保證滑移接觸面積，減少局部應(yīng)力集中，減輕滑軌的損傷，而沒(méi)有從根本上解決滑軌損傷問(wèn)題。本文從摩擦機(jī)理出發(fā)，通過(guò)改善摩擦副的性能避免滑軌損傷，墊板的磨損可通過(guò)更換保證持久性，實(shí)際應(yīng)用表明該方法效果更加明顯。

3)該方案的成功應(yīng)用減少模塊鉆機(jī)大量的海上修補(bǔ)作業(yè)工作，降低海上生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，提高生產(chǎn)效率。近年來(lái)，海洋模塊鉆機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本方案可為后期模塊鉆機(jī)滑移系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考和實(shí)際應(yīng)用保證，具有推廣價(jià)值。