石油钻机井架底座结构用钢的思考和建议

刘宏亮，任小伟，柳锁贤，肖虎

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

0 引言

石油钻机井架底座是钻机提升系统的机械核心，是钻机的支撑骨架，也是钻机结构稳定的关键所在，其设计和生产制造大量使用结构钢，包括碳素结构钢和低合金结构钢。钢铁材料是不断发展的先进材料，随着钢铁材料冶炼、轧制和微合金化技术不断进步，钢铁材料钢级越来越高，Q960、X120等材料在工程机械和输送管道行业已经得到应用[1-3]，为工程机械等装备和设备轻量化提供了可能。装备和设备轻量化有助于节能减排，降本增效，实现企业经济效益最大化。石油工程机械用钢研究得到了企业工程技术人员的高度重视，近几年，轻量化设计应用在石油钻机井架底座结构中，使用较高强度的高强钢有助于实现结构的轻量化。但是不是所用钢材强度越高越好，这个问题要全面综合分析利弊，不能片面地陷入追求用钢强度越高越好的误区。本文对石油钻机井架底座结构用钢的特点、技术性能要求进行了分析，并提出了石油钻机井架底座结构用钢需考虑的问题，供同行参考。

1 井架底座用钢特点和现状

石油工程钻机是一种使用广泛的钻井系统，是一组十分复杂的大型成套设备和集成化的重型机械，承受重载、高压、高负荷，是真正的钢铁庞然大物。井架和底座钢结构作为石油工程钻机结构主体，承受钻井过程的工作载荷，是钻机钢材用量的主要所在，其质量和钢材用量约占到整套钻机质量和钢材用量的30%左右。石油工程钻机用钢包括型材、锻件、铸钢件，其中主要是结构型材。以陆地7000 m交流变频钻机为列，井架和底座总质量在320～340 t，其中结构型材占95%左右，锻件和铸钢件占5%左右[4]。石油工程钻机结构用钢的特点是：用钢总量大、材质种类多、型材品种杂、规格系列多、单一规格用量少，据统计，7000 m钻机结构用材料多达200～300多种。石油钻机结构用钢是钻机技术水平和性能先进程度的一个标志。低合金高强度钢是石油工程钻机钢结构用钢的主要选择方向，目前石油钻机井架底座主流用钢钢级为Q345和Q420级别，Q460也有少量使用，和目前铁路桥梁结构用钢钢级水平一致[5]。

2 井架底座用钢技术要求

石油工程钻机是基本上由钢铁材料构成的机械，由于石油工程钻机工作特点和工作环境的特殊性，对材料提出了很高的要求，所用钢材除应具有良好的强度和塑性外，还应具有较好的焊接性和韧性等性能。这一点对提高钻机的可靠性和使用寿命具有重要意义。

1）焊接性。石油钻机的井架底座为焊接钢结构件，这就要求所用钢材必须具有良好的焊接性，良好的焊接性是石油工程钻机结构用钢的首要条件之一。屈服强度300～460 MPa低合金高强度结构钢，碳含量一般不大于0.20%，碳当量CEV≤0.55%。此类低合金高强度结构钢综合力学性能和焊接性良好，如Q345、Q390、Q420、Q460等，适于用通常的方法进行焊接，在井架底座焊接钢结构中广泛使用。

2）常温韧性。石油钻机在作业中承受的冲击载荷较大，特别是在岩性变化相对比较复杂地质区域钻井或卡钻时，井架承受的冲击载荷更大，是正常载荷的几倍，要求钢材必须具有足够的常温冲击韧性。

3）低温韧性。石油钻机为露天工作环境，俄罗斯、中亚和我国东北、新疆等高纬度极寒地区，冬季工作环境恶劣，最低环境温度可达－50 ℃以下，对于井架和底座大型钢结构焊接件，易出现低温脆性断裂破坏，因此对钢材的低温韧性要求极为苛刻。普通质量碳素结构钢由于无冲击功要求，如GB/T 700[6]规定的Q235A,已被禁止作为工程钻机井架和底座用钢使用。低合金高强度结构钢，如GB/T 1591规定的质量等级A类钢，由于无冲击功要求，在GB/T 1591-2018[7]版标准中已不存在。

4）耐疲劳性能。石油钻机的作业工况多为往复循环式，钻井过程中的振动在有些情况下非常强烈，井架、底座工作于低频高应力状态，良好的钢材耐疲劳性能和焊接接头抗疲劳失效都是要考虑的因素。

5）耐腐蚀性。石油钻机大多露天作业和存放，雨雪、风砂、酷暑、严寒、沼泽和海水盐雾等工作环境加速了设备表面自然腐蚀，带来设备安全工作隐患，严重影响设备正常使用寿命。所以必须考虑钢材的耐腐蚀性，通过良好的涂层防护系统可以较好地弥补钢材此性能的不足。

随着现代钻井技术向更深、更难、更快，以及满足海洋和特殊环境钻井的发展，石油钻井机械材料研究与应用面临新的课题。我国同等井深钻机质量比国外重10%～30%，为了减轻深井及超深井钻机井架和底座的质量，降低钻机起升力和提高产品竞争力，强度更高、性能更好的结构钢的使用已迫在眉睫。

3 井架底座用钢需考虑的问题

石油钻机井架底座结构用钢使用高强钢有助于实现结构的轻量化，但石油钻机井架底座结构用钢并非强度越高越好，这个问题要全面综合分析利弊，不能片面地陷入追求用钢强度越高越好的误区[8]，要全面考虑以下几个方面的问题。

3.1 结构刚度和稳定性

钻机井架底座钢结构设计不仅要进行结构强度分析，还应进行结构刚度分析和结构稳定性分析。结构强度和材料自身强度息息相关，材料强度越高，在同截面尺寸下强度应力校核越容易满足要求，所以采用强度更高的钢材是有利的。但是，仅有结构强度应力分析还不够。结构刚度和结构稳定性也是决定井架底座钢结构设计成败的决定因素。因此，在结构分析阶段，除了要进行强度分析外，还要进行刚度和稳定性分析。

3.1.1 结构刚度分析

刚度是构件或结构抵抗变形的能力，结构在载荷作用下的变形和结构刚度有关，结构刚度越大，变形越小。结构的刚度，包括抗拉（压）刚度、抗弯刚度和抗扭刚度，除取决于组成材料的弹性模量、剪切弹性模量外，还同结构横截面尺寸、边界条件等因素及外力的作用形式有关，材料弹性模量和剪切弹性模量对某类钢而言是常数。所以，结构在载荷作用下的变形和钢材强度没有关系，在同截面尺寸下，单纯采用强度更高的钢材并不能减小结构变形。如果单纯为轻量化设计在石油钻机井架底座结构中采用更高强度的高强钢，在满足结构强度条件下虽然可以减小结构截面尺寸，减轻结构质量，然而也会削弱结构刚性，增大结构在载荷作用下的变形，降低结构抗变形的能力。

3.1.2 结构稳定分析

钢结构设计中稳定问题是一个突出的问题，钢材具有质量轻、强度高的优点，在相同的受力情况下，钢结构与钢筋混凝土建筑结构相比，具有截面轮廓尺寸小、构件细长和板件柔薄的特点。对于承压、受弯和受剪等存在受压区的钢构件和钢板件，如果技术上处理不当，就可能使结构出现失稳破坏。

对于承受压力的杆件或结构，屈曲是最常见的失稳原因。随着压应力的增加，杆件或结构抵抗横向变形力的能力下降。当载荷大到某一水平，结构总体刚度变为零，丧失稳定性。屈曲的特征是结构杆件突然侧向形变并导致结构失稳,因为构件的失稳往往是突然发生的，因而其危害性极大。历史上曾多次发生因构件失稳而引起的重大事故。如1907年加拿大圣劳伦斯河上，跨长548 m的魁北克大桥，因压杆失稳导致整座大桥倒塌。2018年莆田一在建钢结构办公楼轰然坍塌，坍塌的直接原因是钢结构H型钢柱稳定承载力严重不足，钢结构制作、安装质量存在严重缺陷，在砌筑墙体时结构失稳导致整体坍塌。

强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由载荷所引起的最大应力是否超过材料的极限强度，是一个应力问题。稳定问题与强度问题不同，它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力的不稳定平衡状态，即变形开始急剧增长的状态，从而设法避免进入该状态，它是一个变形问题。由于结构或构件发生失稳破坏往往比较突然，具有屈曲现象的特征，即载荷有很小量增量时，应力应变不按比例增大，应变急剧增长，增长量无法估量。因而比强度破坏更具危险性。所以钢结构的稳定性是钢结构设计必须考虑的一个重要问题，包括钢结构的整体稳定以及局部结构或单个构件的稳定性。

结构屈曲分析就是获得结构在特定载荷下的屈曲模态和确定结构失稳的临界载荷。然而，结构屈曲分析表明，结构的稳定性主要和材料弹性模量、剪切模量、杆件的长度系数、截面积、惯性矩和刚度等有关，与材料的强度无关，采用高强度钢材并不能提高结构稳定承载力。

式（1）、式（2）中：Pcr为两端受压杆件发生失稳的临界力；π为圆周率；E为材料的弹性模量；l为杆件长度；μl称为压杆计算长度；μ为长度系数，由杆端约束情况决定；A为压杆的截面积；I为杆件截面对形心主轴的惯性矩。

当杆端在各方向的约束情况相同时，压杆总是在抗弯刚度最小的纵向平面内失稳，式中的惯性矩应取截面最小的形心惯性矩Imin，EI称为杆件抗弯刚度。从式（1）、式（2）中可以看出，轴心受压构件弯曲屈曲临界力随抗弯刚度的增加和构件长度的减小而增大，换句话说，构件的弯曲屈曲临界应力随构件的长细比减小而增大，与材料的抗压强度无关，因此长细比较大的轴心受压构件采用高强度钢材并不能提高其稳定承载力。

同样，影响梁弯扭屈曲临界弯矩的主要因素是材料弹性模量、剪切模量、梁的自由扭转刚度、约束扭转刚度、惯性矩和梁的长度，以及荷载的作用位置，与材料的强度无关，采用高强度钢材并不能提高梁弯扭稳定承载力。

3.2 钢材屈强比

材料屈强比也是需要考虑的问题，屈强比是指材料的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值。钢材的屈强比随着钢材强度的提高而增大[9]。屈强比在工程中具有重要意义，屈强比低，则金属材料屈服强度与抗拉强度之间的差值大，表明塑性变形较大，易发生塑性变形，该材料的塑性较好，抗断裂性能较强；反之，屈强比高，则金属材料屈服强度与抗拉强度之间的差值小，表明塑性变形较小，不易发生塑性变形，该材料的塑性较差，抗变形能力较强。 屈强比越小，结构零件的可靠性越高，屈强比越大，结构零件的可靠性越低。在钢材的选择上，尤其是受力部件材料的选择上，要考虑这个问题。

我国是地震多发国，石油钻机井架底座结构有抗震要求，屈强比太高则结构易脆性破坏，脆性破坏是工程机械中严禁的，因为破坏时结构没有明显的变形产生即破坏，难以预防。受到地震力时，钢结构应力首先达到屈服强度且应力不断发展，结构产生变形，这个变形为肉眼可见，结构破坏的先兆出现，人们得以提前发现并预防。

屈强比可以看作是衡量钢材强度储备的一个系数。屈强比值最好保持在0.60～0.75之间。一般碳素钢屈强比为0.60～0.65，低合金结构钢为0.65～0.75，合金结构钢为0.84～0.86。GB 50011-2010[10]《建筑抗震设计规范》3.9.2条明确钢结构的钢材应符合下列规定：钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85；钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率不应小于20%。GB/T 1591-2018《低合金高强度结构钢》是石油钻机井架底座结构用钢执行标准，本标准中，当钢级在Q420及以下时，钢材的屈服强度标准值与抗拉强度标准值的比值和伸长率标准值基本满足要求；当钢级在Q460及以上时，钢材的屈服强度标准值与抗拉强度标准值的比值大于0.85，伸长率标准值小于19%，超出了GB 50011-2010对钢结构钢材性能指标的最低要求，并且随钢级的不断提高，屈强比越来越高，伸长率不断下降。钢材入厂理化性能复检大量试验统计数据表明：Q420实测屈强比为0.71～0.82，Q460实测屈强比为0.79～0.85。

3.3 制造工艺性

钢材的制造工艺性对钻机井架底座钢结构生产影响很大，提高用钢钢级必须全面考虑用钢的工艺性能，包括热切割下料、坡口制备、焊接、修补等。同时，生产过程中不同钢级并用和钢材执行标准不同等问题也都或多或少对制造工艺性带来影响。

3.3.1 焊接工艺性

热轧及正火钢为非热处理强化钢，钢的强度提高主要依靠合金元素的作用，随着用钢钢级提高，钢材合金强化元素含量增加，材料最大碳当量（CEV）和焊接裂纹敏感性指数（Pcm）增大，材料可焊接性下降。屈服强度高于460 MPa以上的高强钢一般采用调质处理的方法来达到较高的综合性能。不管是热轧及正火钢非热处理强化钢还是热处理调质强化钢，随着用钢钢级提高，材料塑性和韧性下降，焊接工艺性下降，焊接难度也随之增加，一般要采取焊前适当预热、焊后缓冷等措施，避免焊接冷裂纹的产生。所用焊接工艺必须评定合格，焊接接头性能达到母材要求，焊接过程中严格执行工艺，否则产品焊缝的可靠性将难以保证。

3.3.2 多钢级并用

根据结构受力要求，钢材钢级宜由低到高合理搭配使用，同一部件使用不同钢级钢材不宜过多，一般1～3种比较合理。不同强度级别钢材使用过多，接头材料组合更多。如结构所用钢材强度有A、B两个级别，焊接接头材料组合就有A+A、B+B、A+B共3种，当钢材强度有3个级别时，接头材料组合就有6种之多。不同钢级材料组合的接头焊接工艺不同，包括焊接材料、预热温度都不同。接头材料组合过多，造成在实际生产过程中不断变换焊接工艺，更换焊接材料等诸多不便，也容易出现差错。

3.3.3 钢材执行标准

高钢级钢材市场比较稀缺，采购比较困难，有时为了找到货源，满足生产和交货期要求，采购的钢材执行不同标准。如采购不到GB/T 1591 Q460D时用GB/T 16270[11]Q460D或YB/T 4137[12]Q460CFD替代。这3种材料钢级相同，但执行标准不同，强化机理和交货状态也不尽相同。GB/T 1591《低合金高强度结构钢》以热轧、正火、正火轧制或热机械轧制（TMCP）状态交货，GB/T 16270《高强度结构用调质钢板》以调质（淬火+回火）状态交货，YB/T 4137《低焊接裂纹敏感性高强度钢板》以热机械轧制（TMCP）、TMCP+回火或淬火+回火状态交货。由于替代钢材执行标准不同，交货状态也不尽相同，这些都需认真识别和分析，采取针对性焊接工艺，确保产品焊接的可靠性。

3.4 市场因素

现代企业生产经营活动已高度市场化，特别是石油钻井装备行业竞争异常激烈，如果不考虑市场因素，如产品功能、价格的竞争性、采购物资的市场易得性、产品生产交货周期，片面追求高端产品设计，企业生产经营活动也会受到影响和陷入困难。

3.4.1 资源易得性

石油工程钻机结构用钢材的特点是材质种类多、型材品种杂、规格系列多、单一规格用量少，比如工字钢、方钢管有的仅需几支，由于工字钢、槽钢和钢管等型材不像板材易于轧制，市场常见的是大众化的普通钢材，高钢级的型材比较稀缺，采购比较困难，这就要求钻机结构用钢材尽可能以商品化程度较高的常用钢材为首选，市场货源充足，易于采购，避免使用稀缺的高钢级钢材，采购困难影响生产。

3.4.2 价格竞争性

市场经济下产品价格由市场决定，企业生产经营活动以盈利为目的，如果产品不考虑性价比，不运用价值工程原理控制产品成本，开发的产品没有价格竞争性，得不到市场认可，企业生产经营活动也会陷入困局。石油工程钻机井架和底座是钻机钢材用量的主要所在，其质量和钢材用量占整套钻机质量和钢材用量的30%左右，钢材成本在产品成本中占很大比例。由于Q460及以上高钢级钢材市场价格比常用强度等级Q345钢材高200～300 元/t，在石油工程钻机井架底座结构大量使用Q460及以上高钢级钢材会推高产品成本，在产品销售价格不变的情况下，会压缩企业利润空间，提高销售价格则会降低与同行产品的价格竞争力。

4 建议

1）采用强度更高的高强钢有利于节约材料，减轻设备机器零件质量，但在石油钻机井架底座结构中采用强度更高的高强钢对结构减重作用有限，因为决定井架底座钢结构设计成败的结构刚度和结构稳定性与钢材强度无关，所以，在石油钻机井架底座结构用钢上不能陷入片面追求用钢强度越高越好的误区。

2）石油钻机井架底座结构用钢还应考虑制造工艺因素。提高用钢钢级，焊接工艺性下降，焊接难度也随之增加。不同钢级混用和钢材执行标准不同等问题也对制造工艺性带来影响，需采取针对性焊接工艺，确保产品焊接可靠性。

3）石油钻机井架底座结构用钢还应考虑市场因素，包括资源易得性和价格的竞争性。高钢级钢材市场采购困难，市场价格较高，给企业生产经营活动带来一定影响。钻机结构用钢材尽可能以商品化程度较高的常用钢材为首选，避免使用稀缺的高钢级钢材，增加采购困难，推高产品成本。