海洋平臺模塊鉆機滑移技術優化設計

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(中海油能源發展裝備技術有限公司 設計研發中心，天津 300452)

隨著海洋石油工業的發展，為滿足鉆井及修井作業的需要，大噸位海洋模塊鉆機不斷投入使用[1]。目前，海洋模塊鉆機滑移系統采用棘爪式爬行器帶動上部模塊滑移[2]，模塊鉆機基座支撐于滑軌上，鉆機基座板與滑軌均為船用低合金高強度鋼板，由于支點荷載大、建造誤差、累計變形以及表面夾雜硬質雜質等原因，在滑移過程中滑軌表面容易出現不同程度的劃痕現象。模塊鉆機在滑移過程中局部高溫使材料強度發生變化，鋼-鋼接觸形成的摩擦副在局部強度過大的情況下極易發生粘著損傷，造成滑軌表面破壞，通過在滑軌面涂抹潤滑劑減小滑移摩擦力以及優化結構型式等方法無法從根本上解決滑軌損傷問題。為此，依托渤海海域某平臺模塊鉆機設計，通過對劃痕產生的原因和機理分析，從安全性、經濟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滑移墊板，通過改變模塊鉆機滑移摩擦副改善滑移系統摩擦系數，避免滑軌損傷。

1 滑移系統

1.1 結構形式

海洋平臺模塊鉆機鉆井設備模塊(drilling equipment set，DES)通常由下底座和鉆臺面兩部分構成[3]，見圖1。

圖1 模塊鉆機DES結構三維模型

DES通過鉆臺和下底座雙向滑移覆蓋整個平臺井口區，以完成鉆修井作業。模塊鉆機滑軌截面通常為T型或Π型，上滑軌固定在下底座頂層滑道梁上，用于承擔鉆臺的滑移重量，下滑軌焊接固定在平臺組塊頂層甲板主梁上方，用于承擔DES模塊的整體滑移重量，見圖2。

圖2 模塊鉆機基座及滑軌結構三維模型

1.2 液壓系統

模塊鉆機采用棘爪式爬行器帶動模塊鉆機沿滑軌移動，液壓系統包括液壓站、爬行器、操作箱以及相關管線等構成。每套滑移系統包含2個爬行器，通過銷軸與基座耳板連接帶動鉆機滑動。

2 滑軌劃痕分析

2.1 滑軌劃痕現狀

2008年以來投產的海洋模塊鉆機滑軌絕大部分模塊鉆機滑軌均存在不同程度的損傷情況，且劃痕集中出現在海上安裝調試階段和鉆井作業初期，劃痕深度2～10 mm，寬度5～10 mm，長度不等，更有甚者貫穿整個滑軌面，對海上鉆井作業造成較大影響，典型滑軌劃痕見圖3。

圖3 典型滑軌劃痕

針對滑軌損傷的類型和損傷程度，需要制定針對性的修補方案，主要有以下2種。

1)對于表面刮傷、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，恢復滑軌表面光潔度。

2)對于中度刮傷、重度刮傷的滑軌面，已經影響到滑軌的正常使用，需要采取打磨、補焊的處理方法，恢復滑軌表面的平整度。

2.2 原因分析

1)支點反力大。隨著生產技術的發展，鉆井深度逐漸增大，模塊鉆機的規模及整體重量提升造成極限井位基座對滑軌壓強變大。

2)滑軌面及支撐梁變形大。受所建平臺規模影響，組塊主軸間距大，滑軌支撐梁剛度較弱，模塊鉆機就位后滑軌發生較大垂向變形，降低滑軌的水平度，鉆機在滑移過程中造成滑軌局部應力增大。另外，滑軌一般采用T形或Π形結構，其翼緣外側相對薄弱，在垂向載荷下易產生較大變形，滑移過程中造成基座與滑軌的接觸面積減小，局部應力增大。

3)建造及安裝精度不足。滑軌及基座均采用全熔透焊接，焊接變形不易控制，容易造成基座板側翼上翹情況，滑移過程中局部應力過大。另外，支撐梁的安裝誤差，也會加劇造成的不利影響。

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

2.3 機理分析

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

1)摩擦副之間存在金屬雜質，重載下移動時對摩擦副材料表面的產生犁溝作用和塑性擠壓變形，造成滑軌的損傷。

2)鉆機滑移啟動時，基座與滑軌之間油膜尚未形成，造成局部高溫發生粘著/剪切效應，造成滑軌粘著損傷。對于相同材質的摩擦副，互溶性好，極易發生粘著損傷。

通過以上分析，由于環境條件、模塊規模以及建造精度控制等原因，對于鋼-鋼接觸的摩擦副，因為設計無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 滑移系統優化設計

3.1 滑移墊板材質

傳統模塊鉆機、修井機結構，在潤滑狀態下鋼-鋼組成的摩擦副的摩擦系數為0.1～0.2。較輕的修井機在滑移狀態總重量為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，潤滑狀態下摩擦系數為0.05～0.10，相對于鋼-鋼組成的摩擦副可有效降低滑移摩擦力。

模塊鉆機DES模塊集成度較高，滑移重量為1 300～1 800 t，單點支點反力超過8 000 kN，遠遠大于修井機載荷，部分滑軌出現劃痕的鉆機的相關參數見表1。

由于硬度及磨損系數的局限性，錫青銅墊板在重載下只依靠降低摩擦系數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降低海上鉆井作業時效，增加維護費用。

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

表1 模塊鉆機重量參數表

MGE板性能參數見表2。海洋模塊鉆機支點位置最大壓強為5～12 MPa，見表1，MGE墊板可承受壓強大于65 MPa，滿足設計要求。鉆機滑移潤滑劑采用鋰基脂，屬于油性材料，摩擦系數為0.016～0.03，可減小摩擦力約3倍。從磨損系數及老化壽命考慮，可以滿足海洋模塊鉆機20～30年的設計壽命。可見，MGE板的強度、性能、壽命均滿足使用要求。

表2 MGE墊板性能參數表

3.2 滑移系統優化

海洋模塊鉆機上、下滑軌及基座結構形式類似，均為基座板下表面與滑軌上表面相接觸通過液壓爬行器帶動上部模塊滑移，取下底座滑移系統做優化方案介紹。

滑移系統優化方案即在基座與滑軌之間增設MGE墊板，通過墊板與滑軌面滑動進行滑移工作。由于MGE板存在摩擦損傷可能性，保守考慮設計為可更換式，采用高強螺栓將其固定于基座板上，隨基座一同沿滑軌滑移。基座、墊板與滑軌設計方案見圖4。

圖4 下底座滑移墊板設計方案示意

模塊鉆機采用滑移墊板在位工作時流程：通過螺栓將鎖緊板、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。

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

3.3 海洋鉆機結構設計

模塊鉆機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海上安裝就位后再安裝。對于上滑軌墊板，可在陸地建造是進行安裝，不考慮安裝頂升作業。另外，如果滑移墊板磨損量過大，影響鉆井作業，需要對墊板進行更換，針對墊板的安裝及更換需要結合結構特點設計相應的方案。

3.3.1 下底座結構優化

墊板安裝及更換需要將DES模塊頂起，模塊鉆機下底座為門形框架結構，上部模塊載荷通過4個主立柱傳遞至滑軌，從結構特點出發，頂升點只能設置在靠近主立柱的主梁上，見圖5。

圖5 下底座原結構頂升方案

由于此梁主要作用為增強結構框架立面剛度，而承受局部頂升載荷，其抗彎能力不足。基于增設墊板方案對海洋模塊鉆機結構調整最小、適用性最高的原則，對支撐梁做加強，加強方案見圖6。

圖6 下底座加強結構頂升方案

加強方案中每個支腿設有2個頂升位置，根據API RP 2A[7]，采用SACS軟件對整體結構做頂升計算，最大頂升位移與液缸能力見表3。

表3 下底座墊板安裝頂升方案數據表

單腿頂升最大位移為25 mm，小于墊板厚度50 mm。2腿同時頂升的方案均滿足安裝要求，由于長軸向剛度較大，頂升時結構吸收變形較小造成基座傾斜角度較大受力不均，對基座局部結構強度要較高。短軸向頂升由于跨距較大，頂升變形通過結構吸收，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，相關計算結果見表4。考慮滑移墊板磨損量及千斤頂操作的風險性，推薦選用單腿不帶立根頂升方案，當墊板磨損量達到10 mm需更換墊板。

表4 下底座墊板更換頂升方案數據表

針對下底座頂升位置，由于頂升重量較大，根據AISC規范要求[8]，采用ANSYS軟件做局部強度校核，局部應力見圖7。

圖7 下底座局部結構應力云圖

主體結構及加強結構均采用船用高強板材，屈服強度為355 MPa，考慮0.8倍安全系數，許用應力為284 MPa，經校核加強結構Von Mises應力為257.7 MPa，滿足規范要求。

3.3.2 鉆臺結構優化

鉆臺面為平面框架結構，4個基座布置在與上滑軌平行的主梁上，類似基座結構，將頂升位置設置在該梁上，在頂升位置增設加強筋板即可滿足頂升強度要求，見圖8。

圖8 鉆臺面頂升方案

鉆臺考慮單腿及2腿頂升，且各分為帶立根和無立根2種工況計算，相關計算結果見表5。

考慮滑移墊板磨損量及千斤頂操作的風險性，推薦選用單腿不帶立根頂升方案，當墊板磨損量達到10 mm需更換墊板。另外，考慮到墊板磨損對管接口、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15 mm。

表5 鉆臺頂升方案數據表

4 應用實例

渤海某油田新建一座平臺采用模塊鉆機鉆井的開采方式。將新型滑移系統應用于該鉆機設計中，上滑軌滑移墊板在建造場地安裝就位，下滑軌墊板在海上現場采用短軸依次頂升安裝，安裝過程平穩、精準。MGE墊板安裝現場見圖9。

圖9 MGE墊板安裝現場

由于模塊鉆機滑軌劃痕普遍出現在海上安裝調試及鉆機作業初期，通過對該階段鉆機應用效果的觀察，涂抹潤滑劑后滑移過程無異響、滑軌表面無劃痕。同時由于摩擦系數大幅減小，滑移啟動及移動更加平穩。下滑軌應用效果見圖10。

圖10 下滑軌應用效果

5 結論

1)從實際應用效果看，增設滑移墊板后滑軌表面光滑無損傷，墊板的硬度低于鋼材，硬質夾渣被墊板吸收從而避免滑軌的損傷。另外，由于滑移摩擦系數大幅降低，減少啟動時粘結力，滑移啟動瞬間運行更加平穩，無頓挫感，體現了該工程合金塑料墊板摩擦性能的優越性。

2)以往的研究主要是從滑軌結構形式出發，增加滑移結構的剛度、保證滑移接觸面積，減少局部應力集中，減輕滑軌的損傷，而沒有從根本上解決滑軌損傷問題。本文從摩擦機理出發，通過改善摩擦副的性能避免滑軌損傷，墊板的磨損可通過更換保證持久性，實際應用表明該方法效果更加明顯。

3)該方案的成功應用減少模塊鉆機大量的海上修補作業工作，降低海上生產運營成本，提高生產效率。近年來，海洋模塊鉆機的應用越來越廣泛，本方案可為后期模塊鉆機滑移系統設計提供技術參考和實際應用保證，具有推廣價值。