自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁及鉆臺(tái)稱重試驗(yàn)研究

陳忠明，周浩，馬志會(huì)

渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010

自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁及鉆臺(tái)稱重試驗(yàn)研究

陳忠明，周浩，馬志會(huì)

渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦124010

自升式鉆井平臺(tái)懸臂梁及鉆臺(tái)、井架是構(gòu)成自升式鉆井平臺(tái)重量的重要部分，其重量和重心參數(shù)對(duì)于精確確定整個(gè)鉆井平臺(tái)的重量、重心及相關(guān)操作十分重要。文章以某作業(yè)水深為91.44 m（300 ft）的自升式鉆井平臺(tái)為例，對(duì)懸臂梁及鉆臺(tái)進(jìn)行海上整體稱重試驗(yàn)的方法、實(shí)施過程及作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)方法，文章所論述的海上整體稱重方法可以更加準(zhǔn)確地測(cè)量平臺(tái)建造完工后懸臂梁和鉆臺(tái)的重量、重心。

自升式平臺(tái)；懸臂梁；稱重試驗(yàn)

0 引言

自升式鉆井平臺(tái)已經(jīng)從早期的槽口式發(fā)展到當(dāng)今的懸臂梁式，懸臂梁的使用對(duì)自升式鉆井平臺(tái)的發(fā)展起了重大作用，使其性能得到重大改善。它作為鉆井設(shè)備和鉆井工具的主要載體，實(shí)現(xiàn)了鉆臺(tái)的縱、橫向移動(dòng)，使平臺(tái)一次定位后可以鉆探多口井，從而減少了平臺(tái)的移動(dòng)頻次，降低了升降系統(tǒng)的損耗，提高了鉆井效率。自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

自升式鉆井平臺(tái)的建造包括主船體建造、輪機(jī)電氣設(shè)備安裝、舾裝件安裝、平臺(tái)下水、懸臂梁滑移、系統(tǒng)調(diào)試等階段。在平臺(tái)建造階段結(jié)束后、交付使用前，為了確認(rèn)其重量和重心、驗(yàn)證其功能，需要進(jìn)行一系列大型試驗(yàn)，其中包括懸臂梁及鉆臺(tái)稱重試驗(yàn)、懸臂梁及井架滑移試驗(yàn)、懸臂梁負(fù)荷及井架拉力試驗(yàn)、平臺(tái)升降試驗(yàn)以及傾斜試驗(yàn)。

圖1 自升式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意

懸臂梁及鉆臺(tái)稱重試驗(yàn)的目的是測(cè)量懸臂梁及鉆臺(tái)的重量重心。懸臂梁及鉆臺(tái)重量較大，進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)，需要整體滑移出主船體，其整體的重量、重心移動(dòng)，將使整個(gè)平臺(tái)的重心發(fā)生變化，從而使各條樁腿的支撐反力重新分布，對(duì)平臺(tái)性能產(chǎn)生重大影響。為使這種影響保持在可控范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)階段需要確定平臺(tái)各部分重量分布，制訂重量控制方案，并由平臺(tái)建造方嚴(yán)格執(zhí)行。

傳統(tǒng)的稱重方法是在懸臂梁滑移進(jìn)平臺(tái)主體之前在陸地上測(cè)量其結(jié)構(gòu)重量，后續(xù)安裝的懸臂梁及鉆臺(tái)上的設(shè)備、管道、電纜等附件需要按照相關(guān)技術(shù)規(guī)格書中的參數(shù)一一進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算（重量較大的設(shè)備還需要測(cè)量其實(shí)際重量），最終加到陸地稱重的結(jié)果中。此方法雖然比較容易實(shí)現(xiàn)，但是總重量采取后期加成的方法無法獲得令人滿意的精度。

平臺(tái)建造完工后在海上對(duì)懸臂梁及鉆臺(tái)進(jìn)行整體稱重，可以一次性得到包括結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管道、電纜及附件的總重量，測(cè)量結(jié)果更加精確，為其他后續(xù)試驗(yàn)提供更可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本文以某自升式鉆井平臺(tái)為例，對(duì)懸臂梁及鉆臺(tái)海上稱重試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)及實(shí)施進(jìn)行研究。

1 自升式鉆井平臺(tái)稱重方案的選擇

平臺(tái)型長(zhǎng)60.96 m、型寬55.78 m、型深7.62 m，作業(yè)水深91.44 m，鉆井深度9 000 m，樁腿長(zhǎng)度125.3 m。海上稱重需要在平臺(tái)整體建造完工后，懸臂梁及鉆臺(tái)滑移試驗(yàn)之前進(jìn)行，此時(shí)懸臂梁及鉆臺(tái)已經(jīng)達(dá)到完工狀態(tài)，可以準(zhǔn)確地測(cè)出其重量、重心。

1.1 懸臂梁的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

（1）長(zhǎng)×寬×高：39.4 m×18.28 m×7.62 m。

（2）理論重量（包括鉆井模塊）：1 246.4 kN。

1.2 稱重試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

1.2.1 稱重支撐點(diǎn)反力的預(yù)估和布置

懸臂梁主要承載鉆臺(tái)、井架及相關(guān)設(shè)備的重量，在懸臂梁伸出工況下，懸臂梁、鉆臺(tái)及井架的重量大部分集中在懸臂梁的首部（鉆井平臺(tái)的尾部），即井架的下方?？紤]到懸臂梁、鉆臺(tái)及井架的重量分布情況，選取稱重支撐點(diǎn)的數(shù)量在懸臂梁首部較多、尾部較少。根據(jù)懸臂梁及鉆臺(tái)的重量分布，粗略計(jì)算各個(gè)支撐點(diǎn)的承重范圍：1號(hào)點(diǎn)～5號(hào)點(diǎn)承重為80～140 kN，6號(hào)點(diǎn)～10號(hào)點(diǎn)承重為50～90 kN，11號(hào)點(diǎn)～13號(hào)點(diǎn)承重為40～60 kN，14號(hào)點(diǎn)～17號(hào)點(diǎn)承重為40～70 kN?？紤]風(fēng)載荷的影響，1號(hào)點(diǎn)～5號(hào)點(diǎn)預(yù)計(jì)承重都有可能超過150 kN，但不會(huì)超過千斤頂?shù)牧砍?。最終確定支撐點(diǎn)布置，如圖2所示。

圖2 稱重支撐點(diǎn)布置

1.2.2 稱重儀器的選擇

根據(jù)懸臂梁、重量、重心計(jì)算結(jié)果和稱重需求，選擇由液壓泵站和17個(gè)舉升稱重單元組成的稱重系統(tǒng)。舉升單元主要由稱重傳感器和液壓千斤頂構(gòu)成，傳感器與千斤頂相結(jié)合，多只千斤頂由一個(gè)同步泵站進(jìn)行舉升控制，使平臺(tái)脫離導(dǎo)軌支撐后進(jìn)行稱重。傳感器采用高精度數(shù)字傳感器，每個(gè)舉升稱重單元獨(dú)立稱重，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可得到懸臂梁、鉆臺(tái)的重量、重心分布。

此外，液壓稱重系統(tǒng)的每一個(gè)液壓?jiǎn)卧加歇?dú)立的開關(guān)，當(dāng)某一個(gè)支點(diǎn)受力過大或起升過快時(shí)，可以通過獨(dú)立調(diào)節(jié)來保證每個(gè)支點(diǎn)承載的重量在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

稱重儀器的主要參數(shù)：

（1）液壓泵站：額定工作壓力70 MPa，額定流量1 L/min，可用油量150 L，電源220 V（380 V）/50 Hz，換向方式手動(dòng)，功率15 kW。

（2）單只傳感器：量程300 kN，使用溫度范圍-20～40℃，綜合精度不低于1%。

（3）液壓千斤頂：舉升行程0～100 mm，量程300 kN。

1.2.3 稱重儀器的擺放位置

考慮到數(shù)據(jù)、油管線路的長(zhǎng)度，以及試驗(yàn)時(shí)的操作方便，液壓泵站擺放于平臺(tái)甲板尾端、井口中心的后下方。

由于個(gè)別支撐點(diǎn)位置較高，需要工裝支柱支撐，此時(shí)單個(gè)液壓千斤頂?shù)臄[放位置有兩種選擇：放于支柱下邊頂稱支柱或者放在支柱頂端直接頂稱懸臂梁。兩種方式各有優(yōu)劣，前者安裝簡(jiǎn)便、施工安全，但是測(cè)量精度差，如果支柱稍有傾斜，測(cè)量值就不準(zhǔn)確了。后者因?yàn)榍Ы镯斨苯咏佑|在懸臂梁上，測(cè)量值準(zhǔn)確地反映了懸臂梁的重量中心，但是施工難度較大，個(gè)別支撐點(diǎn)的千斤頂需要抬升到4～5 m高，而且需要額外搭設(shè)腳手架，以便于調(diào)試人員在試驗(yàn)時(shí)觀察千斤頂?shù)男谐獭?/p>

1.2.4 稱重工裝的設(shè)計(jì)

根據(jù)使用要求，放置千斤頂?shù)幕A(chǔ)面應(yīng)平整且能承受30 MPa的壓強(qiáng)，被頂平面應(yīng)平整且能夠承受250 MPa的壓強(qiáng)，不足時(shí)用鋼板墊。

支撐懸臂梁的立柱采用D 273 mm×16 mm管子，支柱低端以及個(gè)別不用支柱的千斤頂?shù)锥擞靡簤焊谆?，液壓缸基座和主船體甲板之間用350 mm×350 mm的H型鋼連接，千斤頂?shù)纳舷戮己?6 mm鋼板作為調(diào)整墊板。典型結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 稱重工裝布置的典型結(jié)構(gòu)

2 稱重試驗(yàn)前準(zhǔn)備

2.1 組織機(jī)構(gòu)的確定及人員分工

整個(gè)懸臂梁稱重試驗(yàn)由總指揮負(fù)責(zé)，下設(shè)稱重、施工、工藝、安全、起重五個(gè)小組，各組負(fù)責(zé)人分工情況如下：

（1）總指揮：負(fù)責(zé)整個(gè)稱重工作的協(xié)調(diào)、指揮工作。

（2）稱重負(fù)責(zé)人：組織協(xié)調(diào)測(cè)量人員，負(fù)責(zé)控制臺(tái)及動(dòng)力站的操作監(jiān)控、儀表軟件的操作、千斤頂?shù)捻斏c監(jiān)控、數(shù)據(jù)的錄入及稱重報(bào)告的編制。

（3）施工負(fù)責(zé)人：負(fù)責(zé)工裝安裝、千斤頂安裝、在測(cè)量人員指導(dǎo)下完成液壓管道及數(shù)據(jù)線的連接、其他設(shè)備及設(shè)施與懸臂梁的脫離，協(xié)助完成千斤頂頂升過程的監(jiān)控及工裝、千斤頂、數(shù)據(jù)線的拆除工作。

（4）技術(shù)負(fù)責(zé)人：指導(dǎo)施工人員安裝工裝、接線，解決現(xiàn)場(chǎng)施工遇到的工藝技術(shù)問題，并根據(jù)實(shí)際情況現(xiàn)場(chǎng)修改施工方案。

（5）安全負(fù)責(zé)人：劃分警戒區(qū)域，布置警戒線，根據(jù)JSA分析檢查各項(xiàng)安全工作，組織施工人員撤離施工現(xiàn)場(chǎng)。

2.2 多余重量及不足重量的統(tǒng)計(jì)

懸臂梁及鉆臺(tái)應(yīng)盡可能接近完工狀態(tài)，施工部門應(yīng)提供尚未安裝設(shè)備重量、重心清單，并填入試驗(yàn)表格，對(duì)各系統(tǒng)工作液體、試驗(yàn)工裝及多余設(shè)備重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并填入試驗(yàn)表格中，并在稱重結(jié)束后從所得數(shù)據(jù)中增加或減去該重量值。

2.3 試驗(yàn)前檢查

試驗(yàn)前對(duì)所準(zhǔn)備的千斤頂進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試和檢查，保證千斤頂液壓缸行程和自鎖功能完好，檢查壓力表是否正常。17個(gè)千斤頂稱重負(fù)荷均為300 kN，每個(gè)油缸均配備壓力傳感器，傳感器計(jì)量范圍應(yīng)與千斤頂配套，并應(yīng)通過國家計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)的精度確認(rèn)，并有檢驗(yàn)合格證書。試驗(yàn)前保證所有試驗(yàn)設(shè)備都處于良好工作狀態(tài)。

對(duì)鉆井平臺(tái)進(jìn)行調(diào)平，使甲板處于水平狀態(tài)。拆下懸臂梁左、右舷導(dǎo)軌2的上滑板及其固定板。拆下懸臂梁移動(dòng)裝置液壓缸的導(dǎo)向板，并將液壓缸鎖銷拉出懸臂梁滑臂止動(dòng)孔，拆下液壓缸頭部的鎖緊裝置。

3 試驗(yàn)過程

3.1 千斤頂頂升單獨(dú)加載

連接傳感器及顯示器，使測(cè)試設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)。核對(duì)每個(gè)千斤頂及傳感器與液壓管路的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以免出現(xiàn)混淆。對(duì)千斤頂逐個(gè)進(jìn)行加載，先使每個(gè)千斤頂液壓缸頂實(shí)支柱或加強(qiáng)梁，然后同步對(duì)每個(gè)千斤頂進(jìn)行慢慢加載，直至懸臂梁兩個(gè)縱向大梁離開主甲板平面。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)試驗(yàn)支點(diǎn)坐標(biāo)。

3.2 千斤頂起升并逐步加載

千斤頂?shù)牟僮鞅仨毥y(tǒng)一指揮、同步操作，以免個(gè)別位置超載，發(fā)生危險(xiǎn)，此點(diǎn)尤為重要。

在頂升過程中，總指揮、稱重操作人員和懸臂梁兩側(cè)監(jiān)控人員保持通訊暢通，儀器儀表顯示重量每增加100 kN，總指揮要提示一次，監(jiān)控人員如發(fā)現(xiàn)懸臂梁起升過程中偏移量過多應(yīng)及時(shí)反饋給總指揮。

懸臂梁縱向大梁下面板與兩舷三對(duì)導(dǎo)軌共有六個(gè)接觸面，對(duì)每個(gè)接觸面設(shè)置一人看護(hù)，并隨時(shí)用長(zhǎng)薄鋼直尺檢查懸臂梁是否已經(jīng)頂起，懸臂梁最大頂起高度不能超過20 mm。

3.3 穩(wěn)定讀數(shù)

當(dāng)懸臂梁下面板表面與導(dǎo)軌完全脫離后，傳感器讀數(shù)穩(wěn)定，迅速記錄各個(gè)支撐點(diǎn)傳感器讀數(shù)；按以上操作，繼續(xù)頂升懸臂梁，再選2個(gè)時(shí)間點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)。如果測(cè)量數(shù)據(jù)有較大偏差，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況分析處理，追加1到2次讀數(shù)。

讀數(shù)完成后，千斤頂卸壓，慢慢將懸臂梁放下，當(dāng)下面板接觸到導(dǎo)軌上時(shí)稱重試驗(yàn)結(jié)束。

3.4 加載過程中遇到的問題及解決方案

加載過程中由于操作失誤或者設(shè)備故障，會(huì)導(dǎo)致諸多問題產(chǎn)生，總結(jié)各種可能發(fā)生的問題、產(chǎn)生原因及解決方案見表1。

表1 試驗(yàn)過程中遇到的問題及解決方案

3.5 風(fēng)險(xiǎn)分析

懸臂梁及鉆臺(tái)稱重試驗(yàn)是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)有紕漏，都會(huì)出現(xiàn)重大事故。為了保證稱重工作的順利實(shí)施，要在稱重工作開始前，對(duì)稱重工作各個(gè)環(huán)節(jié)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)的預(yù)案；在稱重的過程中，對(duì)稱重的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行檢查、監(jiān)控，如發(fā)現(xiàn)有危險(xiǎn)因素存在，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行整改，在整改完后再進(jìn)行下一道工序。在稱重作業(yè)中，采取以下具體措施：

（1）稱重開始前，要求無關(guān)人員撤離稱重區(qū)域，并用警戒帶進(jìn)行區(qū)域封閉，嚴(yán)禁無關(guān)人員上下船。

（2）由于泵站的最高壓力為70 MPa，危險(xiǎn)性高，操作及監(jiān)控人員在保證順利執(zhí)行操作及監(jiān)控的情況下，盡量遠(yuǎn)離液壓泵站、千斤頂、液壓軟管等設(shè)施。

（3）為了保護(hù)千斤頂，在千斤頂?shù)南旅婧晚敳扛鞣胖煤? mm的膠皮。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

懸臂梁及鉆臺(tái)稱重試驗(yàn)的結(jié)果見表2，得到的懸臂梁及鉆臺(tái)總重量為1 270.5 kN，與理論重量相差只有0.5 kN。然而以往采用平臺(tái)陸地稱重然后累計(jì)加成的方法，其結(jié)果與理論重量差值往往達(dá)到5 kN。

試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)方法，本文所討論的海上整體稱重方法可以更加準(zhǔn)確地測(cè)量平臺(tái)建造完工后懸臂梁及鉆臺(tái)的重量、重心，值得推廣。

Research of Weighing Test for Cantilever Beam and Drill Floor on Jack-up Drilling Platform

Chen Zhongming，Zhou Hao，Ma Zhihui
BohaiEquipment Manufacturing Liaohe Industry Co.，Ltd.，Panjin 124010，China

Cantilever beam，drill floor and derrick are important parts to constitute the weight of a jack-up drilling rig. Parameters of their weights and gravity centers are crucial to accurately determine the weight and the gravity center of the whole rig and to execute related operations.The test method，implementation process and operation risk during whole weighing test of cantilever beam and drill floor in offshore condition are studied in this article by using a jack-up drilling rig at the water depth of 91.44 m（300 ft）as an example.The test results show that compared with traditionalmethod，the whole weighing method applied in offshore condition is able to more accurately measure the whole weight and gravity center of the cantilever beam and drillfloor for the built drilling platform.

jack-up drilling rig；cantilever beam；weighing test

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.005