自升式鉆井平臺(tái)套管張緊器技術(shù)創(chuàng)新研究

張大偉 王可竹

摘 要：鉆井平臺(tái)套管張緊器由張緊器支撐平臺(tái)、張緊器固定底座、支撐油缸和控制系統(tǒng)等構(gòu)成、張緊器支撐平臺(tái)與船體通過(guò)銷軸耳板相連，起到支撐張緊器的作用；張緊器底座為焊接式結(jié)構(gòu)，主要承載油缸反作用力，其中心為一通孔結(jié)構(gòu)，可通過(guò)隔水套管。8個(gè)支撐油缸安裝在底座的底板上，油缸的活塞桿上部通過(guò)卡瓦將力傳遞到隔水套管上，對(duì)隔水套管起到支撐作用；蓄能器與液缸相連，具有存儲(chǔ)能量和減小沖擊的作用。正常工作時(shí)，隔水套管通過(guò)張緊器中心的通孔通向海底，其上部與卡瓦固結(jié)，靠支撐油缸對(duì)其支撐，然后通過(guò)增加蓄能器的壓力使活塞桿伸出并達(dá)到隔水套管設(shè)定的張力。當(dāng)海浪或海流作用于隔水套管，迫使套管彎曲變形時(shí)，其縱向長(zhǎng)度縮短，此時(shí)油缸活塞桿縮回，可補(bǔ)償隔水套管縱向距離的變化，并給隔水套管提供持續(xù)的頂部張力，改善了隔水套管的受力狀況，延長(zhǎng)了其使用壽命。

關(guān)鍵詞：鉆井平臺(tái)；套管張緊器；蓄能器

中圖分類號(hào)：TE951 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）18-0047-03

Abstract： The casing tensioner of drilling platform consists of tensioner supporting platform， tensioner fixing base， supporting oil cylinder and control system. The tensioner support platform is connected with the hull through the pin shaft and ear plate， which plays the role of supporting the tensioner； the tensioner base is a welding structure， which mainly carries the reaction force of the oil cylinder， and the center of the tensioner is a through hole structure， which can pass through the water-proof casing. Eight supporting oil cylinders are installed on the base plate of the base， the upper piston rod of the oil cylinder transfers the force to the water-proof casing through the slips， which plays a supporting role on the water-proof casing； the accumulator is connected with the liquid cylinder and has the function of storing energy and reducing the impact. In normal operation， the riser leads to the seabed through a through hole in the center of the tensioner， the upper part of which is consolidated with the kava， supported by the supporting oil cylinder， and then the piston rod is extended and the tension set by the riser is reached by increasing the pressure of the accumulator. When the wave or current acts on the casing to force the casing to bend and deform， the longitudinal length of the casing is shortened， and the piston rod of the cylinder retracts， which can compensate for the variation of the longitudinal distance of the riser and provide the casing with continuous top tension. The stress condition of the waterproof casing is improved and its service life is prolonged.

Keywords： drilling platform； casing tensioner； accumulator

1 概述

目前，全球自升式鉆井平臺(tái)所裝備的套管張緊系統(tǒng)基本都是國(guó)外產(chǎn)品，核心技術(shù)被國(guó)外少數(shù)幾個(gè)知名海洋石油裝備公司掌握，例如NOV，CAMERON，由于該系統(tǒng)的市場(chǎng)價(jià)格較高，國(guó)內(nèi)廠商紛紛開(kāi)始研發(fā)國(guó)產(chǎn)設(shè)備，以替代進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化是今后的發(fā)展趨勢(shì)。我們研發(fā)的套管張緊系統(tǒng)進(jìn)行了多項(xiàng)創(chuàng)新，對(duì)于該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步具有積極的推動(dòng)作用，設(shè)備操作的可靠性提高，滑板收納箱導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，把原來(lái)滑塊材料尼龍改為高強(qiáng)度自潤(rùn)滑銅塊，即便是滑板收納箱的油缸驅(qū)動(dòng)鎖銷出現(xiàn)多次誤動(dòng)作，頂撞滑板收納箱，都不會(huì)使滑板收納箱產(chǎn)生位移；操作區(qū)域安全性提高：系統(tǒng)中滑板表面采用鋪設(shè)防滑沙進(jìn)行防滑，即便滑板表面有油污，也不會(huì)使操作人員有滑倒風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外同類設(shè)備滑板表面采用的是花紋板防滑，一旦花紋板表面有油污，操作人員仍然會(huì)滑倒；環(huán)保性能提高，系統(tǒng)中凡是與外接設(shè)備連接的液壓端口，均采用了液壓快速接頭連接，有效防止了液壓端口拆裝過(guò)程中可能發(fā)生的油品滴漏；系統(tǒng)中凡是不能觀察到區(qū)域，液壓管線均采用沒(méi)有轉(zhuǎn)換接頭的硬管布置，降低了液壓管線泄漏對(duì)環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)。

2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，全球自升式鉆井平臺(tái)所裝備的套管張緊系統(tǒng)基本都是國(guó)外產(chǎn)品，核心技術(shù)被國(guó)外少數(shù)幾個(gè)知名海洋石油裝備公司掌握，例如NOV，CAMERON，由于該系統(tǒng)的市場(chǎng)價(jià)格較高，國(guó)內(nèi)廠商紛紛開(kāi)始研發(fā)國(guó)產(chǎn)設(shè)備，以替代進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

實(shí)現(xiàn)套管張緊器的張緊，有單體套管張緊器和具備套管張緊器移動(dòng)功能的套管張緊系統(tǒng)，而套管張緊系統(tǒng)屬于相對(duì)先進(jìn)的設(shè)備，已經(jīng)被船東廣泛接受，有著很好的市場(chǎng)前景。

套管張緊系統(tǒng)由套管張緊器（簡(jiǎn)稱CTU），安裝CTU的框架（簡(jiǎn)稱CTP），可以移動(dòng)的滑板系統(tǒng)，二次張緊（簡(jiǎn)稱STU），液壓動(dòng)力站，蓄能器等部件組成，給隔水套管施加張緊力通過(guò)CTU和STU實(shí)現(xiàn)，CTU由可以移動(dòng)的滑板系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，在CTP內(nèi)任何位置進(jìn)行定位，滿足鉆井過(guò)程中不同井位要求。我們通過(guò)對(duì)在建鉆井平臺(tái)項(xiàng)目套管張緊系統(tǒng)了解和研究，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在使用方面還存在一些不夠完善的地方，有著較大的技術(shù)提升空間，例如在可靠性、安全性、使用效率、環(huán)保，以及降低成本方面，因此我們決定研發(fā)該系統(tǒng)，通過(guò)創(chuàng)新，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的套管張緊系統(tǒng)，使我們掌握該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試的能力，增加新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。

3 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

技術(shù)指標(biāo)：垂直承載能力：272T

水平承載能力：35T

二次張緊力：136T

液壓系統(tǒng)壓力：207bar

張緊器最大移動(dòng)距離：±4572mm

環(huán)境溫度：-20℃～50℃。

設(shè)計(jì)壽命：25年。

4 現(xiàn)有套管張緊器裝置存在問(wèn)題

現(xiàn)有國(guó)、內(nèi)外的套管張緊系統(tǒng)在使用方面還存在一些不完善的地方，主要體現(xiàn)如下幾個(gè)方面：

4.1 使用的可靠性存在缺陷：滑板收納箱的滑移結(jié)構(gòu)中滑塊，使用的是尼龍材料，在滑板收納箱定位過(guò)程中，定位鎖銷如果出現(xiàn)誤動(dòng)作撞擊滑板收納箱，經(jīng)過(guò)幾次撞擊后，尼龍滑塊就會(huì)變形，從而整個(gè)滑板收納箱移位，不能正常工作。

4.2 使用的安全性存在缺陷：國(guó)內(nèi)外該系統(tǒng)滑板表面防滑采用的是花紋板防滑，但是花紋板表面一旦有油污，操作人員在上面行走是不能防滑的，存在安全隱患。

4.3 系統(tǒng)環(huán)保性存在不足：國(guó)內(nèi)外該系統(tǒng)的液壓外接端口多采用普通接頭，拆卸這些接頭就會(huì)有油污灑落，給平臺(tái)或海洋造成污染；系統(tǒng)中有很多液壓管線，有些管線是隱藏在系統(tǒng)中不可見(jiàn)區(qū)域，管線中的接頭一旦出現(xiàn)泄漏，也會(huì)污染環(huán)境。

5 新的技術(shù)方案

本項(xiàng)目研發(fā)，我們借鑒了以往鉆井平臺(tái)的套管張緊系統(tǒng)，對(duì)其技術(shù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，形成了以下具體方案：整個(gè)套管張緊系統(tǒng)由套管張緊器（簡(jiǎn)稱CTU）、框架（簡(jiǎn)稱CTP）、滑板系統(tǒng)、二次張緊系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱STU），蓄能器組成，主張緊由CTU實(shí)現(xiàn)，次級(jí)張緊由STU實(shí)現(xiàn)，CTU位置移動(dòng)由滑板系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，CTU和STU在壓力建立后連接蓄能器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償功能。

5.1 對(duì)于現(xiàn)有系統(tǒng)存在問(wèn)題和缺陷進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，具體如下：

5.2 該系統(tǒng)設(shè)備操作的可靠性提高：滑板收納箱導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，把原來(lái)滑塊材料尼龍改為高強(qiáng)度自潤(rùn)滑銅塊，即便是滑板收納箱的油缸驅(qū)動(dòng)鎖銷出現(xiàn)多次誤動(dòng)作，頂撞滑板收納箱，都不會(huì)使滑板收納箱產(chǎn)生位移。

5.3 該系統(tǒng)操作區(qū)域安全性提高：系統(tǒng)中滑板表面采用鋪設(shè)防滑沙進(jìn)行防滑，即便滑板表面有油污，也不會(huì)使操作人員有滑到風(fēng)險(xiǎn)。

5.4 完善系統(tǒng)的環(huán)保性能：系統(tǒng)外接液壓端口全部采用了快速接頭的連接方式，設(shè)備拆裝、維護(hù)需要斷開(kāi)液壓源時(shí)，可以確保沒(méi)有油品撒落。另外，凡是不能觀察到的區(qū)域，將液壓管線均采用沒(méi)有接頭的硬管布置，降低了液壓管線接頭泄漏對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。

6 實(shí)施效果

6.1 我們完成了套管張緊系統(tǒng)的機(jī)械、電氣、液壓、氣壓的設(shè)計(jì)圖紙，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的ANSYS軟件力學(xué)分析計(jì)算，建立了三維模型，編制了相關(guān)技術(shù)文件，進(jìn)行了工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)，編制了相關(guān)的工藝文件，具備了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力和制造條件。

6.2 本項(xiàng)目的研發(fā)沒(méi)有制造樣機(jī)，是依托于在建的自升式鉆井平臺(tái)項(xiàng)目套管張緊系統(tǒng)返包制造過(guò)程進(jìn)行，項(xiàng)目組全程參與，上文提到的技術(shù)方案第2、3、4項(xiàng)已經(jīng)實(shí)施，體現(xiàn)在了振海5號(hào)套管張緊系統(tǒng)制造裝配中，改進(jìn)方案的有效性得到驗(yàn)證。

6.3 鉆井平臺(tái)項(xiàng)目的套管張緊系統(tǒng)FAT順利完成，得到用戶認(rèn)可。

7 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

創(chuàng)新技術(shù)思路：套管張緊系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中的創(chuàng)新，體現(xiàn)在系統(tǒng)使用的可靠性、安全性，以及效率；體現(xiàn)在系統(tǒng)使用中兼顧環(huán)保，減少或避免對(duì)環(huán)境造成污；體現(xiàn)在降低整個(gè)系統(tǒng)成本。

集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新：

7.1 滑板收納箱導(dǎo)向結(jié)構(gòu)改進(jìn)創(chuàng)新，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中導(dǎo)向滑塊材料使用的是尼龍，安裝是從內(nèi)側(cè)將緊固螺栓伸出到導(dǎo)軌外側(cè)用螺母緊固，但是在實(shí)際調(diào)試中，由于滑板收納箱的油缸驅(qū)動(dòng)鎖銷誤動(dòng)作，會(huì)沖擊滑板收納箱，鎖銷多次沖擊滑板收納箱后，造成尼龍的螺栓安裝孔變形，使得整個(gè)滑板收納箱產(chǎn)生不規(guī)則位移，而杜絕鎖銷誤動(dòng)作難度很大?；诖耍覀冞M(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，首先將結(jié)構(gòu)中導(dǎo)向滑塊材料改為自潤(rùn)滑銅塊，表面硬度提高，即便是受到多次沖擊滑塊螺釘孔也不會(huì)變形，其次將滑塊安裝方式改為從外側(cè)用螺釘緊固滑塊，如果需要更換滑塊，只需要將螺釘松掉，滑塊就可以拆下，原來(lái)結(jié)構(gòu)如果更換，需要把整套滑板收納箱、提升油缸、鎖銷及油缸都要拆掉，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。改進(jìn)后經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，即便鎖銷誤多次動(dòng)作，整個(gè)滑板收納箱也不會(huì)位移了，設(shè)備使用的可靠性得到提升。

7.2 該系統(tǒng)的滑板鋪設(shè)在CTP底梁上，當(dāng)CTU需要維護(hù)時(shí)，維護(hù)人員要在上面行走，目前國(guó)內(nèi)外該類設(shè)備滑板都是采用花紋板進(jìn)行防滑，實(shí)際上花紋板表面一旦有油污是不能防滑的，我們進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用鋪防滑沙，這樣即使表面有油污或水都會(huì)有效防滑，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證效果明顯好于花紋板，設(shè)備維護(hù)人員操作區(qū)域的安全性提高。

7.3 套管張緊系統(tǒng)的環(huán)境保護(hù)措施：國(guó)內(nèi)外該系統(tǒng)的液壓外接端口多采用普通接頭，拆卸這些接頭就會(huì)有油污灑落，給平臺(tái)或海洋造成污染；系統(tǒng)中有很多液壓管線，有些管線是隱藏在系統(tǒng)不可見(jiàn)區(qū)域，管線中的接頭一旦出現(xiàn)泄漏，也會(huì)污染環(huán)境。我們將該系統(tǒng)外接液壓端口全部采用了快速接頭的連接方式，設(shè)備拆裝、維護(hù)需要斷開(kāi)液壓源時(shí)，除了可以快速斷開(kāi)液壓源，還可以確保沒(méi)有油品撒落。另外，凡是不能觀察到的區(qū)域，我們將液壓管線均采用沒(méi)有接頭的硬管布置，降低了液壓管線接頭泄漏對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。

7.4 液壓設(shè)計(jì)方面創(chuàng)新，現(xiàn)有設(shè)計(jì)對(duì)同一側(cè)的滑板收納箱的兩個(gè)提升油缸同步性，采用的是進(jìn)油口布置在兩個(gè)提升油缸中間位置實(shí)現(xiàn)，但是實(shí)際情況是同步性可靠性達(dá)不高，我們更改設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上每個(gè)油缸都增加配備流量控制閥，同步性達(dá)到了95%。

7.5 套管張緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的加工工藝創(chuàng)新體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）系統(tǒng)中加工難點(diǎn)是長(zhǎng)方形框架結(jié)構(gòu)，尺寸14x6x6米，整體加工剛性差，加工時(shí)在框架兩側(cè)面內(nèi)部分別焊接上人字工藝支撐，底平面加裝水平支撐，解決了框架加工中結(jié)構(gòu)振動(dòng)及結(jié)構(gòu)件加工變形的問(wèn)題，確保了加工精度。

（2）CTU框架是兩個(gè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，通過(guò)連接粱組合成一個(gè)整體，對(duì)稱度要求極高，焊接和加工精度很難保證，加工時(shí)將兩個(gè)構(gòu)件通過(guò)工裝梁連接在一起焊接，加工CTU框架定位孔系時(shí)，采用整體加工方式，各個(gè)定位孔之間精度得到保證，確保了整體安裝精度。

8 結(jié)束語(yǔ)

我們研發(fā)的套管張緊系統(tǒng)不僅為公司拓寬了產(chǎn)品種類，帶來(lái)了新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)，而且也會(huì)帶來(lái)很好的社會(huì)效益，主要體現(xiàn)在：

8.1 本系統(tǒng)研發(fā)充分利用了公司現(xiàn)有資源，譬如現(xiàn)有設(shè)備條件、場(chǎng)地條件、人員條件，沒(méi)有形成新的投資，節(jié)省了成本。

8.2 該系統(tǒng)在研發(fā)之初，就對(duì)系統(tǒng)今后的生產(chǎn)制造、調(diào)試使用，以及運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的不利影響進(jìn)行了考評(píng)，對(duì)于有可能產(chǎn)生污染進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)形成產(chǎn)品后，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。

8.3 該系統(tǒng)研發(fā)成功為公司帶來(lái)新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)，可以增加就業(yè)，增加職工收入，間接提升社會(huì)幸福指數(shù)。

8.4 該系統(tǒng)研發(fā)成功，培養(yǎng)鍛煉了一批海工人才，為公司和國(guó)家海工發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施提供了人才儲(chǔ)備。

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