DR-E60FF型海洋钻井隔水管浮筒设计研究与试验

王洪川，黄 洁，赵 涛，张力文，2，贾俊梁，罗 震，2，孙 博

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)

DR-E60FF型海洋钻井隔水管浮筒设计研究与试验

王洪川1，黄 洁1，赵 涛1，张力文1，2，贾俊梁1，罗 震1，2，孙 博1

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002)

开发了一种适应1 000 m水深的海洋钻井隔水管浮筒。分析了设计需考虑的因素，创新开发了浮筒主体胚料模块化成型，柔性装夹加工技术，组合涂层技术等关键技术。强度试验和碰撞试验研究结果表明，开发的浮筒满足额定水深耐压要求，吸水率和浮力系数满足设计要求，抗冲击性和耐磨性能优于同级别国外产品。国产化的浮筒产品具有强度高、密度低、吸水率低、防腐性能好等特点，产品性能较优，市场应用前景广阔。提出了浮筒进一步发展的研究建议，对产品开发经验和市场应用前景等方面进行了总结。

隔水管；浮筒；浮力；吸水率；抗冲击

海洋钻井隔水管浮筒是隔水管系统的重要部件之一，为隔水管提供分布式浮力[1]，能够改善隔水管的局部受力情况，降低隔水管张紧器的张力，增强平台水深适应能力[2-3]。长期以来，该产品制造技术主要由美国、俄罗斯、日本等国所掌握，在市场上形成垄断销售，且价格昂贵，例如美国Cumingcorp公司，澳大利亚matrix公司、欧洲BALMORAL OFFSHORE ENGINEERING公司等[4]。近年来，我国已在固体浮力材料领域开展了深入研究，而用于海洋钻井隔水管的浮筒产品，国内还没有厂家生产制造。在水深大于1 000 m时，浮筒是钻井隔水管必需的组成部分[5]，因此应用前景非常广阔。开展该产品的研发和产业化生产，具有重要的科学和经济意义。

1 设计考虑因素

1) 满足API Specification 16F规范、船级社及HSE有关的要求。

2) 要求低密度，使单位体积提供尽可能大的浮力，且不限制隔水管的弯曲[6]。

3) 考虑提升力和额定作业水深的耐压性，满足抗静水压要求。

4) 静水压条件下，满足低吸水率和低体积弹性模量要求。

5) 主体材料满足UL 94材料类别HBF(泡沫塑料材料水平燃烧)要求。试样的燃烧速度在跨度100 mm之上不应超过40 mm/min；在燃烧或发光达到125 mm基准标准之前，试样应停止燃烧。

6) 浮筒外部能够抵抗正常搬运和堆叠遇到的冲击和磨损，且在日光、海洋盐雾、风化或极端天气下使用不会降低其性能。

7) 满足浮力系数要求，用于1 000 m水深隔水管单根质量约8 000 kg，要求提供的浮力系数大于95% 。

8) 理论浮力系数核算。

单个浮筒外径0.58 m，内径0.27 m，长度4.2 m，体积约3.49 m3，浮筒主体材料密度0.45 g/cm3，g=9.8 N/kg，浮筒质量约为1 570 kg，玻璃钢层质量约52 kg，聚脲层质量约15 kg，螺栓及附件质量约5 kg，隔水管单根质量约8 000 kg，要求提供的浮力系数大于95%。

单个浮筒总质量M浮=1 642 kg，取海水密度ρ海水=1.025 g/cm3，则单个浮筒能提供的浮力为F1=ρ海水gV-M浮g=18.96 kN。每根隔水管安装4组浮筒，单根隔水管浮筒提供的总浮力F=4F1=75.84 kN，因此，理论计算浮力系数K=F/gM隔=96.73%，满足要求。

2 关键技术研究

2.1 胚料模块化成型

设计厚度为200 mm，外圆直径为ø1 175 mm，内圆直径为ø530 mm的扇形模具，将一定比例的20～150 μm空心玻璃微珠、环氧增强树脂、阻燃材料等材料经过化学成型工艺，例如振动浇注、抽真空浇注等，通过专用设备使材料有机融合在一起，制造多个小型复合泡沫模块。最后在平整的工作台上，将多个小模块用专用粘接剂组合成成型胚料。组合时控制粘接时间间隔、同轴度，同轴度要求全长范围2 mm，组合后需用专用工具固定并静放24 h。与国外一体成型相比，模块化成型具有模具费用投入少，组合形状更加灵活，材料性能更容易保证，材料合格率更高，经济性更好。如图1。

图1 浮筒胚料模块

2.2 柔性装夹加工技术

复合泡沫材料虽具有可加工性，但有脆性和加工粉尘大的特点，与金属加工相比有较大的不同，不能使用常规的刀具和工装。为此，使用了柔性装夹和粉尘收集装置的加工技术，完成外圆、内部结构加工。同时，加工时注意进刀速度和进刀量的控制，并配备冷却 液实时降温，施工人员佩戴防尘面具。柔性装夹保证了产品质量，粉尘收集装置提高了加工的环保性，创新性地研发了一套复合泡沫材料加工工艺技术。

2.3 组合涂层技术

1) 内层包覆玻璃钢。玻璃钢由环氧树脂、环氧固化剂及玻璃纤维布组成，密度约1.5 g/cm3，施工工艺为手工涂刷，总厚度2～3 mm。

2) 中间层喷涂聚脲弹性体。利用压力将聚氨酯原料(分A、B组分)由计量泵输送至喷枪，经快速混合后，喷至物体表面成型，涂层厚度2～3 mm。

3) 外层喷涂水下专用油漆。选用环氧通用底漆(灰色)，聚氨酯面漆(白色)作为主体涂料；选用环氧通用底漆(灰色)，聚氨酯面漆(蓝色)作为端部涂料，端部喷涂宽度100 mm，总漆膜厚度150 μm。

3 试验研究

3.1 强度试验

按图2安装浮筒，逐级缓慢加压，升至12.5 MPa压力，保压24 h，以不低于5 min的间隔记录拉力传感器读数和温度，在试验前和试验后分别对浮筒称重。

图2 试验方案

试验前浮筒空气中质量M1=1 559.54 kg，浮筒完全没入水池时称重器称出质量M2=1 545.5 kg；试验后浮筒完全没入水池，称重器称出质量M3=1 526 kg，浮筒空气中的质量M4=1 568.29 kg。高压舱装满水，稳压期初拉力传感器读数F1=19.42 kN，降压后拉力传感器读数F2=19.17 kN。取水的密度ρ水=1.0 g/cm3，海水的密度ρ海水=1.025 g/cm3。

1) 试压前的体积V前

2) 试压后的体积V后

3) 吸水率S1

4) 浮力损失率S2

5) 体积损失率S3

6) 单个浮筒浮力F单

F单=F2=19.17kN

7) 实际浮力系数K

试验后，浮筒表面无裂纹、凹陷、表面破损等可见缺陷，满足API 16F要求。总浮力损失不超过5%，吸水率不超过1%，浮力系数满足要求。

3.2 碰撞对比试验

国产浮筒产品样块A1、A2和进口浮筒产品样块B1、B2，要求A样块和B样块应等面积等体积，通过天车电磁吸盘提升配重，调节下落高度和配重块质量进行碰撞试验。 国内外浮筒样块如图3～4所示。

图3 国产浮筒样块

图4 进口浮筒样块

进口浮筒样块承受100 kg配重块，从0.5 m高度下落，表面涂层破损明显；进口浮筒样块承受100 kg配重块，从0.7 m高度下落，样块破裂失效；国产浮筒样块承受600 kg配重块，从0.7 m高度下落，样块破裂并失效，而表面涂层仍然没有破坏痕迹，试验表明国产浮筒抗冲击性能达到国际先进水平。

4 产品特点

1) 单根浮筒由两块半圆柱体结构组成，内侧形状与隔水管外径、辅管及卡箍等间隙配合，外侧使用不锈钢螺栓连接，拆装方便，优于由多块浮体组成的浮筒或由卡夫拉绑带连接的浮筒。

2) 内部芯材选用由空心玻璃微珠、环氧增强树脂配比的复合泡沫材料[7]，具有强度高，密度低，吸水率低的特点，并且可加工性好，破损后能够粘接修补，维护方便。

3) 浮筒上下外圆设计了宽度50 mm的平面，方便搬运和储存。

4) 浮筒包覆玻璃钢，提高了防磨损和抗冲击能力，增强对内部浮力材料的保护，延长了浮筒的使用寿命，降低使用成本

5) 与国外同类型产品相比，外层多喷涂一层聚脲弹性体，进一步增强防水、耐磨和抗冲击能力。

6) 最外层喷涂水下防腐油漆，能够提高浮筒防腐性能和美观。

7) 内部芯材加入阻燃材料，阻燃性能优于国外同类型产品，增强安全性能。

5 研究建议

随着海洋油气资源勘探开发逐渐由浅海移向深海[8-9]，浮筒作为隔水管系统配套设备，将越来越重要，对今后研究方向提出以下建议。

1) 加大力度开展浮筒主体材料性能的攻关研究，开发更多种类低密度、高强度、低吸水率、高阻燃性和良好加工性能的复合泡沫材料。

2) 借鉴国内外制造经验，按照产、学、研三者有机结合的方式[10]，开展浮筒主体材料胚料制造多样性研究，例如使用大模具一体挤压成型制造技术。

3) 研究并试制更多系列浮筒产品，以满足不同环境、不同海域和不同船型的作业要求，提高隔水管系统的配套能力。

4) 进行破损浮筒修复技术研究，提高产品维护性能和使用寿命。

6 结论

1) 研制的DR-E60FF型海洋钻井隔水管浮筒经过厂内试验，表明其性能好，能够完全满足海洋环境的使用要求。

2) 该浮筒产品的研制成功，表明国内制造企业已经掌握了设计、试验以及关键制造技术，开发了主体胚料模块化成型、柔性装夹加工、组合涂层技术等创新技术，为产品的系列化生产奠定了基础。

3) 产品外形结构方面与国外产品还有差距，后期将通过分析计算、三维建模等方式进行结构方面的优化设计。

[1] 王定亚，李爱利.海洋钻井隔水管系统配套技术研究[J].石油矿场机械，2010，39 (7)：12-15.

[2] 王耀锋，王定亚，任克忍，等.海洋钻井隔水管浮力块配置方法[J].石油钻探技术，2011，39 (6)：35-38.

[3] 王宴滨，高德利，房军.浮力块对深水钻井隔水管安装过程性能的影响[J].石油机械，2015，43(7)：47-50.

[4] 周媛，陈先，梁忠旭，等.固体浮力材料与深海开发技术[C]//第一届特种化工材料技术交流会论文集.北京，2009：66-74.

[5] 许亮斌，蒋世全，姜伟，等.深水钻井隔水管浮力块配置方法研究[J].中国海上油气.2009，21 (1)：51-54.

[6] 梁忠旭，陈先，周媛，等.海洋钻井隔水管浮筒的国产化研究[C]//全国复杂地质油气田勘探开发与钻采工艺新技术交流研讨会.西宁，2010：15-19.

[7] 潘顺龙，张敬杰，宋广智，等.深潜用空心玻璃微珠和固体浮力材料的研制及其研究现状[J].热带海洋学报.2009，28(4)：17-21.

[8] 王定亚，朱安达.海洋石油装备现状分析与国产化发展方向[J].石油机械，2014，42(3)：33-37.

[9] 兰洪波，张玉霖，菅志军，等.深水钻井隔水管的应用及发展趋势[J].石油矿场机械，2008，37(3)：96-98.

[10] 王进全，王定亚.国外海洋钻井隔水管与国产化研究建议[J].石油机械，2009，37(9)：147-150.

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《石油矿场机械》杂志社

Development and Experimental Study on the DR-E60FF Marine Drilling Riser Buoyancy

WANG Hongchuan1，HUANG Jie1，ZHAO Tao1，ZHANG Liwen1，2，JIA Junliang1，LUO Zhen1，2，SUN Bo1

(1．BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2．NationalEngineeringResearchCenterforOilandGasDrillingEquipment，Baoji721002，China)

A marine drilling riser buoyancy was developed to apply in 1000-meter.The design consideration was carefully analyzed to develop the innovation of buoyancy modular body sheet metal forming，flexible clamping processing technology，and key technology such as composite coating technology.And strength test and impact test results show that the development of the buoyancy meets the demand of rated the depth of the water pressure，bibulous rate and buoyancy factor meet the design requirements，impact resistance and wear resistance is superior to the same level of foreign products.Nationalization of the buoyancy product has high strength，low density，low bibulous rate，good anti-corrosion performance，and a better product performance，which filled up the domestic gap in this field，has broad application prospect in the market.Some suggestions were put forward for the further development of the buoy research，and the experience was summarized in product development and market prospect of application.

drilling riser；buoyancy；buoyant force；bibulous rate；impact resistance

1001-3482(2017)01-0067-04

2016-08-16

王洪川(1987-)，男，工程师，2010年毕业于西南石油大学机械工程及自动化专业，现从事石油机械装备研究工作，E-mail：whc_bomco@163.com。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.016