海洋鉆修機滑移軌道損傷分析及滑移裝置優化

趙 暕，丁 輝，張 超，邊守臣

(1.中海油服油田生產事業部 天津300459；2.中海油天津分公司 天津300459)

隨著中海油渤海油田大噸位海洋鉆修機的不斷投入使用，有多臺海洋鉆修機滑移軌道出現了表面刮傷、輕度劃傷、深度刮傷及重度撕傷等問題[1]，嚴重影響了海洋鉆修機的滑移操作和運維管理工作。因此，迫切需要研究海洋鉆修機滑移軌道表面損傷的原因，并提出改進措施。

通過對海洋鉆修機滑移軌道的表面損傷情況、滑移裝置的結構形式及滑移系統的摩擦力等進行分析，并從可靠性、經濟性等方面進行評價，提出了滑移裝置摩擦副和摩擦方式優化措施，切實解決了海洋鉆修機滑移系統損傷問題，提升了系統的使用壽命。

1 海洋鉆修機滑移軌道損傷統計

海洋鉆修機平臺滑移軌道主要有“工”型和“T”型2 種結構形式，滑移軌道的翼板上開設對稱的步行孔，腹板和筋板焊接于平臺主結構。海洋鉆修機下底座安裝于滑移軌道上，通過由液壓油缸、棘爪式步行器、液壓控制閥件等組成的海洋鉆修機滑移裝置實現整機移動。

對近20年來投入使用的45 臺海洋鉆修機的滑移軌道進行統計發現，大噸位的海洋鉆修機滑移軌道表面損傷機率較高，如表1 所示。

2 海洋鉆修機滑移軌道損傷分析

2.1 滑移軌道損傷原因分析

海洋鉆修機下底座滑靴與滑移軌道是一對滑動摩擦副，不可避免地產生滑動磨損。通常將滑動摩擦副的磨損歸結為擦傷、過度磨損、裂紋、疲勞、腐蝕、咬死、膠合、脫殼、熱脆失效、微動磨損等形式[2]。海洋鉆修機滑移軌道產生損傷的原因主要有：①滑移軌道是鋼結構焊接件，無法避免存在焊接變形和制造誤差，滑移軌道表面不平是產生滑移軌道損傷的主要原因；②滑移軌道上涂抹潤滑油脂，但滑移軌道上無防護，各種金屬顆粒、鐵銹等雜質，加大滑移軌道的磨損機率；③隨著海洋鉆修機噸位的不斷增大，滑動摩擦副的正壓力不斷增大，在海洋鉆修機滑移不斷推進時，摩擦力的影響也不斷增大。

表1 海洋鉆修機滑移軌道損傷統計Tab.1 Damage statistics of sliding track of offshore drilling and workover rig

針對以上分析，在無法進一步改進海洋鉆修機滑移軌道結構形式和使用環境的情況下，可以通過研究海洋鉆修機滑移系統的摩擦機理或摩擦方式，盡可能地降低摩擦對滑移軌道的損傷。

2.2 滑動摩擦力分析

N.P.Suh 于1981年在Wear 雜志上發表摩擦機理新的觀點，他認為摩擦阻力來源于表面微凸體變形阻力、刻槽阻力、粘著阻力3 個方面，并通過大量的試驗予以驗證。影響兩個相互接觸表面間的摩擦力大小(用摩擦系數表示)的因素很多，有兩個相互接觸的表面間的正壓力、表面粗糙度、主(從)動件、運動副材料、表面氧化膜和污染膜的分布、厚薄及化學性質、表面間的剪切力等[3]。

本文不探討海洋鉆修機滑移摩擦力的影響因子，而根據庫倫定律推斷不同型號海洋鉆修機的滑動摩擦力，如表2 所示。

表2 各型號海洋鉆修機摩擦力Tab.2 Friction of various types of offshore drilling and workover rig

從表1 和表2 可知：海洋鉆修機滑移軌道的損壞率隨滑移裝置滑動摩擦力的增大而不斷提高。

3 海洋鉆修機滑移裝置優化設計

3.1 滑移裝置摩擦副優選設計

海洋鉆修機滑移裝置摩擦副為鋼-鋼，在潤滑條件下摩擦系數為0.05～0.1，當選擇黃銅-鋼作為摩擦副時，潤滑條件下摩擦系數為0.03，摩擦力將顯著降低，如表2 所示。

當選擇黃銅-鋼作為摩擦副時，HXJ180/HXJ225海洋鉆修機的滑動摩擦力可降低至 90 kN，與HXJ90/HXJ112 海洋鉆修機在鋼-鋼作為摩擦副條件下的摩擦力相當，說明選擇摩擦系數較小的摩擦副可以減少或避免滑移軌道的損傷。

海洋鉆修機滑移裝置摩擦副改造方案如圖1 所示。在不改造原海洋鉆修機滑移裝置結構的基礎上，在下底座滑靴與滑移軌道之間加一塊黃銅板，并將黃銅板采用壓板螺栓與滑靴固定。

圖1 海洋鉆修機滑移裝置摩擦副改造方案Fig.1 Modification scheme of friction pair of sliding device for offshore drilling and workover rig

3.2 滑移裝置摩擦方式優選設計

通過摩擦副的優選設計可大幅度降低摩擦力，但從表2 可知：HXJ315 海洋鉆修機的滑動摩擦力高于105 kN，因此滑移軌道仍存在損傷的可能。

滾動摩擦副在工程技術中與滑動摩擦副一樣被大量采用。隨著車輪的發明，人們已比較樸素地理解到它與滑動摩擦有著本質的區別[4]。眾所周知，在其他條件相同的情況下，克服滾動摩擦力使物體運動需要的力比克服滑動摩擦力所需要的力小得多，一般情況下，滾動摩擦阻力只有滑動摩擦的1/40 到1/60。因此，如將HXJ315 海洋鉆修機滑移裝置改為滾動滑移方式，可以將摩擦力降至30～50 kN。

海洋鉆修機滾動滑移裝置方案如圖2 所示，該裝置由滾柱箱、推移油缸、千斤頂油缸、壓板螺栓組及液壓源等組成。當海洋鉆修機需要滑移時，利用千斤頂油缸將海洋鉆修機整體頂升，將滾動滑移壓板組螺栓固定，通過推移油缸推動海洋鉆修機在滾柱箱上進行滑移。

圖2 海洋鉆修機滾動滑移裝置方案Fig.2 Scheme of rolling slip device for offshore drilling and workover rig

3.3 現場應用

2014年10月至2015年6月，中海油渤海灣SZ36-1D/E/G 平臺新建了3 臺HXJ180 海洋鉆修機，2015年5月，中海油渤海灣LD10-1C 平臺新建了1 臺HXJ225 海洋鉆修機，以上4 臺海洋鉆修機均增加了滑移墊板。2014年12月，中海油渤海灣曹妃甸油田新建了1 臺4 000 m 海洋鉆修機，采用了滾動滑移裝置。經過一年多的使用，以上5 臺海洋鉆修機滑移軌道未出現一次軌道損壞問題，現場操作可靠、使用便捷、滑移平穩。

當海洋鉆修機滑移時，滾動滑移裝置的推移油缸工作壓力僅為3.6～4 MPa，而增加滑移墊板的步行油缸工作壓力為6～7 MPa，說明滾動滑移裝置的使用效果明顯優于改變摩擦副的滑移方式。

4 結 論

盡管現場應用表明滾動滑移裝置的效果更優越，但其設計、制造成本高于滑移墊板75%以上，而且后期設備維護成本也較高。因此，從經濟角度考慮，建議結合實際需求，針對不同噸位的海洋鉆修機對摩擦副進行合理優選。

2014年，中石化石油工程機械有限公司研制的鉆機步進式移運裝置成功應用于焦頁 28#平臺ZJ50D 叢式鉆機上[5]，另外，輪軌式移動裝置也已成功應用于部分的叢式鉆機上，但對于海洋鉆修機來說，新的移動裝置對滑移軌道的結構形式和承重基礎提出了更高的要求，有待于廣大海洋鉆修機的設計工程師進行更深入的研究。