自升式鉆井平臺(tái)樁腿半圓板壓制工藝研究

張曜

（韶關(guān)市中機(jī)重工股份有限公司，廣東 韶關(guān) 512000）

隨著人類對(duì)油氣資源開發(fā)利用的深化，油氣勘探開發(fā)從陸地延伸到海洋。因此，鉆井工程作業(yè)也必須在浩瀚的海洋中進(jìn)行。在海上進(jìn)行油氣鉆井施工時(shí)，幾百噸重的鉆機(jī)要有足夠的支撐和放置的空間，同時(shí)還要有鉆井人員生活居住的地方，海上石油鉆井平臺(tái)就擔(dān)負(fù)起了這一重任。自升式鉆井平臺(tái)，又稱為樁腳式鉆井平臺(tái)，是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的鉆井平臺(tái)。自升式鉆井平臺(tái)可分為3 大部分：船體、樁腳和升降機(jī)構(gòu)。隨著海洋石油開發(fā)需求的進(jìn)一步增長，自升式鉆井平臺(tái)可以在滿足經(jīng)濟(jì)性的前提下，向更深水域發(fā)展。

鉆井平臺(tái)所用的樁腿由于服役環(huán)境惡劣，特別是樁腿舷管舷管半圓板半圓板形狀復(fù)雜、要求低溫環(huán)境下有高強(qiáng)度、高韌性，并要求有良好的焊接性能，又因國外對(duì)我國實(shí)施技術(shù)封鎖，致使樁腿舷管半圓板長時(shí)間未能實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。經(jīng)過多年的潛心研究開發(fā)，韶關(guān)中機(jī)重工股份有限公司利用鋼板壓制樁腿舷管用半圓板，并通過了CCS、ABS 的認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

1 原材料的選用及質(zhì)量控制

壓制樁腿舷管用半圓板要求在-40℃時(shí)具有良好的強(qiáng)度及韌性，要求有良好的焊接性能，同時(shí)要求半圓板壁厚均勻。根據(jù)實(shí)際工況要求，我們選用了ASTM A154-F 熱軋鋼板。為了滿足產(chǎn)品最終使用性能要求，對(duì)半圓板用原材料質(zhì)量進(jìn)行控制。

表1 A514-F 原料鋼板分析結(jié)果

1.1 化學(xué)成份

根據(jù)該鋼種所使用的工況環(huán)境及性能要求，重點(diǎn)考慮在低溫條件下（-40℃、-60℃）的強(qiáng)度和沖擊韌性，材料在海水中的耐腐蝕性、焊接性能以及良好的機(jī)加工性能，最終確定化學(xué)成分范圍，并對(duì)原料鋼板成分進(jìn)行入廠檢驗(yàn)，見表1。

表 中，N ≤60ppm，H ≤3ppm，O ≤25ppm,Cu ≤0.25,CEV ≤0.75

為確保半圓板的加工工藝要求及在惡劣工況下性能要求，結(jié)合制造成本考慮，我們特意將材料中Ni、Mo 元素含量控制在中上線，將P、S、H、O 等五害元素的含量控制在最低水平，同時(shí)加入適量的有利于細(xì)化晶粒的元素V、Al。

1.2 低倍組織檢查

原材料鋼板入廠后，除進(jìn)行化學(xué)成分檢查外，還需要進(jìn)行低倍組織檢查。在鋼板橫截面酸浸低倍組織試片上，不得有目視可見的白點(diǎn)、縮孔殘余、分層、裂紋、夾雜、翻皮和皮下氣泡等缺陷，允許存在不大于2.0 級(jí)的中心疏松。

1.3 表面質(zhì)量和尺寸

對(duì)入廠鋼板表面進(jìn)行檢查，應(yīng)保證其不得有夾雜、結(jié)疤及表面裂紋等缺陷，同時(shí)測量鋼板尺寸，尺寸應(yīng)滿足半圓板倍尺要求。對(duì)于表面存在的輕微裂紋進(jìn)行修磨處理，修磨深度應(yīng)不大于2mm，并保證修模順滑。

2 半圓板生產(chǎn)工藝設(shè)定

為保證半圓板壁厚的均勻一致，我們采用鋼板壓制工藝。但采用鋼板熱壓制工藝生產(chǎn)的半圓板，在加熱調(diào)質(zhì)后半圓板舷寬大小不一致、半圓板彎曲度很大，后工序校直十分空難，因此，國外生產(chǎn)的半圓板長度一般小于4000mm，在樁腿焊接時(shí)進(jìn)行拼接。我們通過多次試制總結(jié)，并對(duì)壓制模具優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用“中溫壓制成型工藝”，生產(chǎn)的半圓板尺寸一致，直線度好，大大降低了校直難度，可以生產(chǎn)7000mm 以上半圓板，大大提高了半圓板生產(chǎn)及樁腿焊接效率，同時(shí)大大提高了材料利用率。半圓板壓制工藝流程如下：

鋼板入廠檢驗(yàn)—鋼板熱切割—鋼板打磨—鋼板調(diào)質(zhì)—加熱壓制—去應(yīng)力回火—取樣檢查—表面噴砂—超聲波檢查—銑坡口—成品檢查。

3 半圓板壓制生產(chǎn)過程中的控制要點(diǎn)

3.1 壓制模具設(shè)計(jì)

用鋼板在中溫（500 ～600℃）條件下壓制半圓板，工藝難點(diǎn)是如何保證壓制后半圓板弧度、舷寬滿足要求。壓制模具是保證半圓板最終形狀的重要因素，因此，設(shè)計(jì)合理上下模具的形狀及配合尺寸是能否壓制出合格半圓板的前提。

3.2 熱處理工藝設(shè)計(jì)

在確定原材料成分后，設(shè)計(jì)合適的熱處理工藝是保證半圓板最終性能合格的唯一途徑。中溫壓制是在鋼板先調(diào)質(zhì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，壓制時(shí)鋼板產(chǎn)生塑形變形，影響調(diào)質(zhì)鋼板性能。因此，在設(shè)計(jì)鋼板調(diào)質(zhì)工藝時(shí)，應(yīng)充分考慮后續(xù)熱加工對(duì)性能的影響。

3.3 半圓板性能的一致性

鋼板調(diào)質(zhì)及壓制加熱使用臺(tái)車時(shí)電阻爐，屬于分區(qū)控制溫度。為保證半圓板各部位性能的一致性，采用高精度PLC溫控模塊，且對(duì)臺(tái)車爐進(jìn)行爐溫均勻性檢測，確保各區(qū)爐溫偏差≤6℃。

3.4 壓制加熱溫度設(shè)定

采用中溫壓制時(shí)，加熱溫度不僅對(duì)半圓板曲率影響很大，而且對(duì)半圓板壓制出模后的彈性反彈量影響很大，因此，選擇合適的加熱溫度是半圓板制造工藝能否成功的關(guān)鍵要點(diǎn)。

4 實(shí)物質(zhì)量檢驗(yàn)

我們本次生產(chǎn)的是CJ46型自升式鉆井平臺(tái)樁腿半圓板，尺 寸 規(guī) 格 有Ф520mm×25mm×7299mm、Ф520mm×28mm×7299mm 兩種,半圓板截面尺寸見圖1。按照客戶《CJ46 型自升式鉆井平臺(tái)樁腿主舷管半圓板壓制加工技術(shù)協(xié)議》、《適用于焊接的高屈服強(qiáng)度淬火加回火合金鋼板》及ABS 船級(jí)社相關(guān)規(guī)范和推薦標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半圓板進(jìn)行檢測評(píng)定。檢測項(xiàng)目包括幾何尺寸、力學(xué)性能、超聲波探傷、表面質(zhì)量、磁粉探傷等。

4.1 幾何尺寸

經(jīng)過對(duì)20 件成品半圓板的尺寸檢查，半圓板外圓弧與R260 的標(biāo)準(zhǔn)樣板比較，最大間隙小于1.5mm，舷寬尺寸為491±2mm，完全滿足技術(shù)協(xié)議要求。半圓板A、B、C 三條母線的彎曲度小于3mm(測量方法：在半圓板兩端頭墊10mm 等高塊，為此等高塊為支點(diǎn)拉緊鋼絲線，保證鋼絲線與半圓板母線平行，每間隔500mm 測量鋼絲線到半圓板表面的距離,所有測量數(shù)據(jù)中最大與最小的差值即為直線度)，彎曲度完全滿足技術(shù)協(xié)議要求。

4.2 力學(xué)性能

在半圓板厚度中心沿縱向取樣，如圖1 所示。拉力性能試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)圓形試樣，試樣直徑為Ф12.5mm，標(biāo)距為50mm，在室溫下進(jìn)行拉伸測試；沖擊試驗(yàn)采用10×10×50mm試樣，開標(biāo)準(zhǔn)V 型缺口，在-40℃保溫5min 后測試。力學(xué)性能測試結(jié)果見表2。

圖1 半圓板截面圖

表2 力學(xué)性能

從力學(xué)性能測試結(jié)果看，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、端面收縮率及硬度均保持在合理區(qū)間內(nèi)，屈強(qiáng)比為0.88 左右，-40℃沖擊值有很大富裕空間，說明半圓板有良好的強(qiáng)度、韌性，半圓板有很好的質(zhì)量可靠性。

4.3 超聲波探傷

根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求，半圓板需要逐件進(jìn)行100%UT 探傷檢查，按ASTM/A578 C 級(jí)驗(yàn)收，對(duì)20 件成品半圓板表面探傷檢查，均沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，滿足技術(shù)協(xié)議要求。

4.4 磁粉探傷

根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求，對(duì)半圓板坡口面進(jìn)行100%MT 檢查，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM A577，經(jīng)過對(duì)20 件成品半圓板坡口檢查，沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，滿足技術(shù)協(xié)議要求。

5 結(jié)語

（1）通過小批量試驗(yàn)生產(chǎn)，充分證明采用鋼板中溫壓制工藝制造樁腿半圓板方案可行，而且生產(chǎn)的半圓板長度可超過8000mm，生產(chǎn)效率大大提高。

（2）采用鋼板中溫壓制生產(chǎn)的半圓板，保證了半圓板壁厚的一致性。同時(shí)因中溫壓制的半圓板直線度好，校直時(shí)變形量小，半圓板在樁腿焊接時(shí)沒有反彈變形，提高樁腿焊接效率。