海洋钻修机滑轨标准化研究及应用

2013-10-29关双会

石油工程建设 2013年1期

关双会

（中海油能源发展股份有限公司油田建设工程分公司，天津 300452）

0 引言

随着海洋石油生产平台稳产增产技术[1]的发展及无钻修机设备的边际油气生产平台[2]的大量出现，为解决海洋钻修机设备资源不足问题，可搬迁式海洋钻修机跨平台安装方法得到推广。海洋钻修机搬至非所属平台安装时，与平台的最主要关联部件是平台滑轨，其设计通常不能与新搬迁的在役海洋钻修机支撑腿滑靴结构相匹配，需要对平台滑轨进行改造才能符合安装连接要求。

海洋石油平台所配置的海洋钻修机来源于国内外不同的生产厂商[3]，不同生产厂商所提供的钻修机设备结构设计不尽相同，虽整体结构大都分为井架总成、下底座总成、上底座总成[4]三大部分，但是其结构设计细节存在显著差异。其中钻修机平台滑轨部分的设计就有着明显的不同，仅此部分所存在的设计差异，就给海洋平台钻修机设备资源共享带来极大的不便。对于平台滑轨设计，完全可在设计初期就要求设备提供方按标准化要求进行。实现平台滑轨标准化设计可极大地方便海洋钻修机设备资源的共享[5]，进而可有效缓解海洋平台钻修机设备资源不足的问题。下面针对海洋平台固定式钻修机[6]的平台滑轨情况进行阐述。

1 海洋钻修机平台滑轨现有结构形式及截面数据

1.1 H型滑轨

1.1.1 H型滑轨主要数据及与平台承载梁连接形式

海上平台现有的钻修机H型滑轨结构形式如图1所示，其主要设计参数如表1所示。

图1 H型滑轨示意

H型滑轨与平台主承载梁结构的连接形式如图2所示，系由下翼板与平台承载梁上翼板焊接而成。安装H型滑轨的主要生产平台，如渤海油田的QK17-2、QK17-3、QK18-1等，建成投产时间相对较早。

1.1.2 H型滑轨制作与安装的优缺点

H型滑轨整体传递力的性能及稳定性能较好，但是在平台上安装时其形位公差的调整存在难度。依据相关标准及使用要求，滑轨安装后自身及整体平面度公差需控制在5 mm以内，以保证修井机大钩的正常井口对中功能需求，此时由于其下部为较宽的翼板结构，无论切割还是修磨都会存在很大的困难。图3所示为某海上平台改造加装H型滑轨，需要填充垫片才能达到平面度调整要求。这种作法有局限性，且存在设计及工艺上的不足。因而，此种形式的滑轨结构，目前已不再用于平台滑轨设计。

表1 海上平台钻修机H型滑轨主要设计参数

图2 H型滑轨与平台承载梁安装截面示意

图3 H型滑轨与平台结构连接平面度调整

1.2 T型滑轨

1.2.1 滑轨截面设计数据

现行T型滑轨结构形式如图4所示，对中国海洋石油渤海油田的海上在役平台滑轨调研数据的统计结果如表2所示。由表2可以看出不同生产厂商所设计的滑轨截面结构基本相近，只是在细节尺寸方面有所不同。

图4 T型滑轨示意

1.2.2 滑轨加强筋板布置

目前T型结构平台滑轨加强筋板的布置形式有两种，如图5所示，其中图5（a）为常规筋板分布形式，图5（b）为典型筋板分布形式。根据不同的海洋钻修机支反力计算数据对二者进行强度分析，其结构强度均满足承载要求，但以图5（a）所示的结构形式最为经济实用。滑轨加强筋板的布置形式对滑轨的通用性影响不大，其布置形式不影响滑轨的设计标准化。

1.2.3 T型滑轨制作与安装的优缺点

T型结构滑轨与H型结构滑轨相比较，在构件强度符合要求的前提条件下，主要有以下几点不同：

（1）T型结构平台滑轨制作时用料及焊接加工制作工作量较H型结构滑轨减少近50%。

（2）在调整由于滑轨自身制造时存在的形位公差及海洋平台滑轨承载梁建造及安装后形成并存在的形位公差时，T型滑轨较H型滑轨容易实现，T型滑轨具有更好的调整性能。

（3）T型导轨较H型滑轨在平台上更加容易实现海上安装。H型滑轨安装较T型滑轨有更严格的平台原始形位公差的限制要求。平台形位公差超限的情况下，H型滑轨安装工作很难进行。

图5 T型滑轨筋板布置

通过以上几点的比较可以看出，T型滑轨较H型滑轨有着强度高、安装性能优越、灵活性强、制作及安装工作量少的优点。正是基于工程应用实践经验，目前在海洋平台上H型滑轨已经很少见。

2 国内外滑轨设计数据比较分析

由于平台滑轨从性质上来说，是属于功能性部件，因此在强度符合要求的前提下，在结构设计上还要与海洋钻修机的滑移功能相适应。海洋平台上现有钻修机配置的滑轨由不同生产厂商提供，其基本设计理念是一致的，但其滑轨细节设计数据各有特色，下面对主要生产厂商的滑轨产品进行详细说明。

2.1 江汉石油管理局第四机械厂

江汉石油管理局第四机械厂为海洋钻修机配套生产的平台滑轨主要为T型结构，但其在不同时期为不同的海洋平台所提供的平台滑轨截面及步行孔分布等设计数据并不完全一致，即使在设备规格型号相同的情况下，其滑轨设计数据也现出一定的不一致情况，其为海洋钻修机所配生产的滑轨设计数据如表3所示。

2.2 南阳二机石油装备（集团）有限公司

河南南阳二机石油装备（集团）有限公司是国内较早为海洋石油提供海洋钻修机设备的厂商[3]，其设计制造的海洋钻修机已大量地应用于渤海油田海上生产平台上，设备性能优良，作业能力储备系数高；其所提供的钻修机的配套平台滑轨截面设计及步行孔分布等数据在不同时期并不一致，并且与其他厂商所提供的平台滑轨设计数据也存在小差别。其所提供的海洋钻修机的配套滑轨设计数据如表4所示。

2.3 国内外的其他厂商

目前在中海油渤海油田内分布有为数不多的国外进口[3]的修井机。由于早期引进时只是为了满足常规修井作业需要，修井机的额定钩载都较小，随着海洋石油技术及工艺措施的不断改进，其性能已经不能够适应新形势下的作业需求；此外早期的进口设备设计使用寿命已经或即将到期，一部分国外引进设备已经报废，如CB-A平台、CB-B平台的原配套K400修井机都已经报废用作教学或实验机。随着旧设备报废及新设备配置安装，旧滑轨被割除并设计安装了国产滑轨。根据设备配置实际情况，有些滑轨被全部割除，而有些则是在原有基础上进行改造，如CB-A/B，SZ36-1A/B/J平台就属这种情况。在新配置钻修机的过程中，有必要进行全面的标准化设计工作，以使其达到通用性要求。早期国外及国内其他厂商为钻修机配套生产的平台滑轨设计参数如表5所示，国外与国内生产的平台滑轨设计参数差别较大。

2.4 数据比较分析

通过对2.1、2.2及2.3项所述内容的分析比较不难看出，不同生产厂商所生产的滑轨设计形式基本是一致的，但是其详细的截面设计数据、步行孔分布设计数据、加强筋板分布形式等却有些差别。总体来看，国外生产的滑轨设计参数与国内生产的滑轨设计参数差别较大，国外尺寸较小，国内尺寸相对较大；国内不同生产厂商提供的滑轨设计数据虽然存在小差别，但设计所选用的材料基本一致。

所有统计数据中截面数据的A、B、C项数值，步行孔分布的E、F、G、H等数值的差异，是导致目前海上平台钻修机设备资源互换共享工作实施困难的主要因素，使海上钻修机设备互换应用时出现大量的后期改造工作，既是对原有设备的一种破坏，也是一种应用过程中的资源浪费。

正是由于这些差别的存在，使得海洋钻修机设备在跨平台应用时，在跨距一致的情况下，仍不能够实现即装即用，根本原因就在于钻修机设备的滑移结构及配套装置设计为非标准化设计，不具备通用性及互换性。这在很大程度上是造成海洋钻修机设备后期二次或多次进行适应性技术改造的主要原因。就本质来说，这些工作是完全可以在设计前期予以避免的。

综上考虑，滑轨在满足相应的承载强度的前提条件下做到标准化设计是非常必要的。这样就会使每台海洋钻修机整体上具有更广泛的通用性，达到设备资源的有效整合与共享，提高海洋钻修机设备的管理与利用效率。

3 现役海上平台滑轨存在的不足

3.1 早期的滑轨材料抗低温性能较差

根据平台所处海洋环境条件的某些变化，早期滑轨设计通常选用16Mn材质钢板，后来则变为Q345B，它们的抗低温性能较差，所以现在都采用Q345D，它具备-20℃的低温冲击性能，基本满足目前海洋环境工作的安全需要。Q345材料冲击性能如表6所示。

表6 Q345材料的冲击性能

3.2 滑轨面损伤

滑轨在平台上安装后，钻修机整机在其上面滑移时，多数平台滑轨会在接触面出现滑移损伤，如图6所示，损伤深度最深可达6 mm。针对该问题，已有相关的专题进行了较深入全面的研究[7-8]，通过改变选用材料、提升产品制造精度、改进表面处理工艺及滑靴与滑轨的配合工艺等，该问题目前已经得到有效的改善。

图6 滑轨面损伤示意

3.3 滑轨形变

海上钻修机平台滑轨在应用后期，由于各种原因，会产生较大的下沉变形及形位公差尺寸的变化，使得滑轨整体的形位公差不符合设备使用要求，目前看来，这是一个较普遍存在的问题。某些平台滑轨由于下沉变形及形位公差较大，致使钻修机大钩对中转盘及井口中心的精度要求（±20 mm）不再满足，直接影响海上平台钻修井作业的实施。虽然影响大钩对中精度的因素是多方面的，但是平台滑轨变形所产生的影响最明显。渤海油田内有多座平台已经存在或出现这种问题，如SZ36-1B、SZ36-1A、S36-1J平台。

3.4 滑轨布置设计的局限性

为满足海上生产平台在开发后期增产及稳产的需求，许多在役生产平台要实施调整井作业，调整井作业可以由钻井平台完成，也可以由固定式海洋钻修机设备完成。如新型式的模块钻机，既可完成钻井作业，也可以实施修井作业。另外，根据实际需求新建造的大吨位可搬迁式海洋修井机同样可以满足平台开展调整井作业的需要。由此而出现的问题就是平台原有修井机的避让问题，避让的方式通常有三种，一是搬迁回陆地存放，二是延长平台滑轨使修井机避让出钻井船的合理作业空间，三是设备互换。多数早期开发的生产平台滑轨布置不能满足相关形式的使用要求，需修改滑轨布置设计，如CB-A、 CB-B、 QK17-3、 QK17-2、 SZ36-1E、SZ36-1G、LD10-1等平台先后实施了平台滑轨布置改进设计工作，以适应新情况。