海洋平台模块钻机滑移技术优化设计

2019-03-04，，，

船海工程 2019年1期

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(中海油能源发展装备技术有限公司设计研发中心，天津 300452)

随着海洋石油工业的发展，为满足钻井及修井作业的需要，大吨位海洋模块钻机不断投入使用[1]。目前，海洋模块钻机滑移系统采用棘爪式爬行器带动上部模块滑移[2]，模块钻机基座支撑于滑轨上，钻机基座板与滑轨均为船用低合金高强度钢板，由于支点荷载大、建造误差、累计变形以及表面夹杂硬质杂质等原因，在滑移过程中滑轨表面容易出现不同程度的划痕现象。模块钻机在滑移过程中局部高温使材料强度发生变化，钢-钢接触形成的摩擦副在局部强度过大的情况下极易发生粘着损伤，造成滑轨表面破坏，通过在滑轨面涂抹润滑剂减小滑移摩擦力以及优化结构型式等方法无法从根本上解决滑轨损伤问题。为此，依托渤海海域某平台模块钻机设计，通过对划痕产生的原因和机理分析，从安全性、经济性以及适用性等方面考虑，提出在滑移基座和滑轨之间增设滑移垫板，通过改变模块钻机滑移摩擦副改善滑移系统摩擦系数，避免滑轨损伤。

1 滑移系统

1.1 结构形式

海洋平台模块钻机钻井设备模块(drilling equipment set，DES)通常由下底座和钻台面两部分构成[3]，见图1。

图1 模块钻机DES结构三维模型

DES通过钻台和下底座双向滑移覆盖整个平台井口区，以完成钻修井作业。模块钻机滑轨截面通常为T型或Π型，上滑轨固定在下底座顶层滑道梁上，用于承担钻台的滑移重量，下滑轨焊接固定在平台组块顶层甲板主梁上方，用于承担DES模块的整体滑移重量，见图2。

图2 模块钻机基座及滑轨结构三维模型

1.2 液压系统

模块钻机采用棘爪式爬行器带动模块钻机沿滑轨移动，液压系统包括液压站、爬行器、操作箱以及相关管线等构成。每套滑移系统包含2个爬行器，通过销轴与基座耳板连接带动钻机滑动。

2 滑轨划痕分析

2.1 滑轨划痕现状

2008年以来投产的海洋模块钻机滑轨绝大部分模块钻机滑轨均存在不同程度的损伤情况，且划痕集中出现在海上安装调试阶段和钻井作业初期，划痕深度2～10 mm，宽度5～10 mm，长度不等，更有甚者贯穿整个滑轨面，对海上钻井作业造成较大影响，典型滑轨划痕见图3。

图3 典型滑轨划痕

针对滑轨损伤的类型和损伤程度，需要制定针对性的修补方案，主要有以下2种。

1)对于表面刮伤、轻度刮伤的滑轨，由于滑轨表面光洁度受到了破坏，为了避免二次损伤，采用打磨的方法，恢复滑轨表面光洁度。

2)对于中度刮伤、重度刮伤的滑轨面，已经影响到滑轨的正常使用，需要采取打磨、补焊的处理方法，恢复滑轨表面的平整度。

2.2 原因分析

1)支点反力大。随着生产技术的发展，钻井深度逐渐增大，模块钻机的规模及整体重量提升造成极限井位基座对滑轨压强变大。

2)滑轨面及支撑梁变形大。受所建平台规模影响，组块主轴间距大，滑轨支撑梁刚度较弱，模块钻机就位后滑轨发生较大垂向变形，降低滑轨的水平度，钻机在滑移过程中造成滑轨局部应力增大。另外，滑轨一般采用T形或Π形结构，其翼缘外侧相对薄弱，在垂向载荷下易产生较大变形，滑移过程中造成基座与滑轨的接触面积减小，局部应力增大。

3)建造及安装精度不足。滑轨及基座均采用全熔透焊接，焊接变形不易控制，容易造成基座板侧翼上翘情况，滑移过程中局部应力过大。另外，支撑梁的安装误差，也会加剧造成的不利影响。

4)表面清洁、润滑因素[4]。钻机建造完成后，在安装以及在位期间，基座下表面无法再清理，滑轨表面暴露在外部环境中清洁度不够，残留的硬质杂质造成滑轨的损伤。钻机滑移时，润滑剂涂抹不到位会增大滑移摩擦系数，造成局部摩擦损伤。

2.3 机理分析

基座底面与滑轨表面是一对滑动摩擦副，模块钻机在滑移过程中，基座与滑轨之间相互挤压和搓动，不可避免造成滑轨的磨损失效。其中伴随着复杂的能量损耗[5]。

1)摩擦副之间存在金属杂质，重载下移动时对摩擦副材料表面的产生犁沟作用和塑性挤压变形，造成滑轨的损伤。

2)钻机滑移启动时，基座与滑轨之间油膜尚未形成，造成局部高温发生粘着/剪切效应，造成滑轨粘着损伤。对于相同材质的摩擦副，互溶性好，极易发生粘着损伤。

通过以上分析，由于环境条件、模块规模以及建造精度控制等原因，对于钢-钢接触的摩擦副，因为设计无法从根本上消除滑移损伤，这是造成滑轨划痕普遍性的主要原因。

3 滑移系统优化设计

3.1 滑移垫板材质

传统模块钻机、修井机结构，在润滑状态下钢-钢组成的摩擦副的摩擦系数为0.1～0.2。较轻的修井机在滑移状态总重量为100～300 t，通常采用锡青铜作为滑移垫板，由锡青铜-钢组成的摩擦副为异性金属，润滑状态下摩擦系数为0.05～0.10，相对于钢-钢组成的摩擦副可有效降低滑移摩擦力。

模块钻机DES模块集成度较高，滑移重量为1 300～1 800 t，单点支点反力超过8 000 kN，远远大于修井机载荷，部分滑轨出现划痕的钻机的相关参数见表1。

由于硬度及磨损系数的局限性，锡青铜垫板在重载下只依靠降低摩擦系数不足以完全避免滑轨的损伤。另外，锡青铜使用寿命较低，海上频繁更换垫板也会降低海上钻井作业时效，增加维护费用。

工程塑料合金垫板(MGE)作为重载滑块广泛应用于桥梁、造船以及石油行业中[6]，MGE板是以高分子材料为基础添加稀有金属合成的聚合物，其承载能力大、抗震能力强，承受冲击载荷时能较好的消除轨道不平整造成的局部高压带来的危害，可有效避免滑轨的机械损伤。

表1 模块钻机重量参数表

MGE板性能参数见表2。海洋模块钻机支点位置最大压强为5～12 MPa，见表1，MGE垫板可承受压强大于65 MPa，满足设计要求。钻机滑移润滑剂采用锂基脂，属于油性材料，摩擦系数为0.016～0.03，可减小摩擦力约3倍。从磨损系数及老化寿命考虑，可以满足海洋模块钻机20～30年的设计寿命。可见，MGE板的强度、性能、寿命均满足使用要求。

表2 MGE垫板性能参数表

3.2 滑移系统优化

海洋模块钻机上、下滑轨及基座结构形式类似，均为基座板下表面与滑轨上表面相接触通过液压爬行器带动上部模块滑移，取下底座滑移系统做优化方案介绍。

滑移系统优化方案即在基座与滑轨之间增设MGE垫板，通过垫板与滑轨面滑动进行滑移工作。由于MGE板存在摩擦损伤可能性，保守考虑设计为可更换式，采用高强螺栓将其固定于基座板上，随基座一同沿滑轨滑移。基座、垫板与滑轨设计方案见图4。

图4 下底座滑移垫板设计方案示意

模块钻机采用滑移垫板在位工作时流程：通过螺栓将锁紧板、间隙板和MGE垫板紧固与下底座基座板上，确保垫板与基座固定牢固。

模块钻机采用滑移垫板滑移工作时流程：在滑移之前在间隙板与锁紧板之间增设插入板，将各功能板通过螺栓固定，确保滑移垫板与下底座基座板固定牢固，插入板作用为滑移时锁紧板与滑轨翼缘板下表面不接触，避免滑移时增大滑移摩擦力，最后，利用爬行器拖拉滑移。

3.3 海洋钻机结构设计

模块钻机通常采用海上吊装安装或者随组块一同浮托法安装2种模式，如果采用吊装安装，下底座滑移垫板需要在模块钻机海上安装就位后再安装。对于上滑轨垫板，可在陆地建造是进行安装，不考虑安装顶升作业。另外，如果滑移垫板磨损量过大，影响钻井作业，需要对垫板进行更换，针对垫板的安装及更换需要结合结构特点设计相应的方案。

3.3.1 下底座结构优化

垫板安装及更换需要将DES模块顶起，模块钻机下底座为门形框架结构，上部模块载荷通过4个主立柱传递至滑轨，从结构特点出发，顶升点只能设置在靠近主立柱的主梁上，见图5。

图5 下底座原结构顶升方案

由于此梁主要作用为增强结构框架立面刚度，而承受局部顶升载荷，其抗弯能力不足。基于增设垫板方案对海洋模块钻机结构调整最小、适用性最高的原则，对支撑梁做加强，加强方案见图6。

图6 下底座加强结构顶升方案

加强方案中每个支腿设有2个顶升位置，根据API RP 2A[7]，采用SACS软件对整体结构做顶升计算，最大顶升位移与液缸能力见表3。

表3 下底座垫板安装顶升方案数据表

单腿顶升最大位移为25 mm，小于垫板厚度50 mm。2腿同时顶升的方案均满足安装要求，由于长轴向刚度较大，顶升时结构吸收变形较小造成基座倾斜角度较大受力不均，对基座局部结构强度要较高。短轴向顶升由于跨距较大，顶升变形通过结构吸收，基座受力面始终在主滑轨上，所以从千斤顶能力及受力情况分析推荐选用短轴向2腿顶升安装方案。

垫板更换只需要单支腿顶升，考虑极限井位带立根与不带立根2种顶升工况，相关计算结果见表4。考虑滑移垫板磨损量及千斤顶操作的风险性，推荐选用单腿不带立根顶升方案，当垫板磨损量达到10 mm需更换垫板。