K型套裝井架結(jié)構(gòu)建造精度與配合公差分析

關(guān)雙會，周洪軍， 陳 俊， 趙 暕， 于 雷，張 超

(1.中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部 鉆修井作業(yè)公司，天津 300452；2.西南石油大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，成都 610500；3.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)

為便于運(yùn)輸以及海上安裝，海上石油平臺修井機(jī)及海洋修井機(jī)，總體結(jié)構(gòu)形式基本為模塊化模式[1-3]。由于結(jié)構(gòu)的模塊化，所有結(jié)構(gòu)模塊的建造精度要求大幅度提高。此外，由于海洋修井機(jī)的使用和維護(hù)的特殊性，很多結(jié)構(gòu)性部件存在相對運(yùn)動配合的要求，例如整機(jī)滑移、上下底座相對位置滑移、井架起升、井架上下體伸縮等，需要更高等級的精度才能保證。由于海洋修井機(jī)結(jié)構(gòu)部件劃分多，組裝層次多，由陸地建造、預(yù)組裝到海上平臺組裝、調(diào)試、投運(yùn)的步驟多，如果修井機(jī)關(guān)鍵部件的建造精度等級不夠，會導(dǎo)致海洋修井機(jī)出現(xiàn)無法裝配、滑移卡阻、結(jié)構(gòu)嵌頓、結(jié)構(gòu)部件損傷、井口無法對中等問題，使修井機(jī)不能滿足作業(yè)要求。因此，海上石油平臺修井機(jī)的建造及海上安裝需要統(tǒng)一的、細(xì)節(jié)性突出的、適用性強(qiáng)的專業(yè)產(chǎn)品建造精度標(biāo)準(zhǔn)。修井機(jī)井架總成結(jié)構(gòu)部件的建造精度等級應(yīng)高于其它普通結(jié)構(gòu)件，低于機(jī)械加工精度標(biāo)準(zhǔn)。但在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，相關(guān)要求體現(xiàn)不足。

1 井架總成結(jié)構(gòu)建造精度不足產(chǎn)生問題

海洋修井機(jī)井架總成通常為兩節(jié)套裝結(jié)構(gòu)，井架總成整體可實(shí)現(xiàn)水平和直立2種狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)修井機(jī)避讓、維修等功能；井架總成上節(jié)和下節(jié)之間相對滑移是為了實(shí)現(xiàn)作業(yè)高度要求。海洋修井機(jī)中需要實(shí)現(xiàn)相對位置移動功能的部件還有許多，這無疑提高了海洋修井機(jī)建造精度的等級要求。更高等級的建造精度才能滿足其特殊的工作要求。

1.1 就位嵌頓

以某平臺海洋修井機(jī)為例，在實(shí)施井架縮回作業(yè)時(shí)，井架伸縮液壓油缸泄壓后，井架上體無回落動作。檢查后發(fā)現(xiàn)井架上體未落至承載銷結(jié)構(gòu)上，即井架上體與承載銷未能有效結(jié)合，如圖1所示。井架上下體間出現(xiàn)卡頓情況，使得井架上體不能有效落至承載機(jī)構(gòu)上，使井架下體接觸部位結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度不足。由于位置處于高位，且較為隱蔽，極不容易察覺。上體未坐實(shí)在承載機(jī)構(gòu)上，進(jìn)行各種帶載作業(yè)，給人員及設(shè)備造成極大的作業(yè)隱患和風(fēng)險(xiǎn)；極易由于井架局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力值超標(biāo)而變形彎曲，造成井架整體坍塌。

圖1 井架上體未有效坐在承載銷結(jié)構(gòu)上

1.2 伸縮卡阻

某平臺海洋修井機(jī)在進(jìn)行井架上體下放操作中，出現(xiàn)上體卡阻問題，造成導(dǎo)向板局部嚴(yán)重變形受損，導(dǎo)致井架伸縮操作無法實(shí)現(xiàn)，影響修井設(shè)備正常使用。如圖2所示。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)向板變形情況非常嚴(yán)重。井架上節(jié)已不能由井架伸縮液壓油缸正常頂起，由于作業(yè)時(shí)井架上節(jié)未能有效坐實(shí)在承載銷上，作業(yè)時(shí)所施加的鉤載使得井架上節(jié)與井架下節(jié)之間出現(xiàn)了線接觸，甚至于點(diǎn)接觸情況。受載后上下體之間接的接觸點(diǎn)出現(xiàn)了變形后的負(fù)尺寸配合，所以接合的非常牢固。后采取了施加外力的措施，將井架上節(jié)抬升至正常位置。由于上、下體間隙過大，在井架上體伸縮操作的過程中，上體總是處于傾斜狀態(tài)，位置越接近滑道板頂部末端時(shí)，傾斜情況越嚴(yán)重，井架下體的間隙精度無法控制井架上節(jié)的過量傾斜。

圖2 井架上體下放卡阻

實(shí)際上，井架上節(jié)傾斜過量的問題，在海上平臺在役海洋修井機(jī)中多有存在。兩節(jié)套裝結(jié)構(gòu)的井架總成在操作過程中極易出現(xiàn)卡阻和嵌頓，使井架上體懸停在半空中上不去和下不來。此時(shí)井架伸縮液壓油缸由于彎曲，變形嚴(yán)重，已無法正常使用。在海上平臺現(xiàn)場，這樣的故障通常都需要花很大的精力，才能把問題暫時(shí)處理掉。但傾斜過量的問題卻時(shí)刻會重新導(dǎo)致這樣的問題再次出現(xiàn)。這通常又會導(dǎo)致另外一個(gè)問題出現(xiàn)，那就是作業(yè)完成后，由于擔(dān)心故障的出現(xiàn)，經(jīng)常(或長時(shí)間)是不把應(yīng)當(dāng)縮回的井架上體縮回。這給相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)和設(shè)備檢查造成極大不便，由于長期無相關(guān)操作和維護(hù)，導(dǎo)致?lián)p壞和失效。

1.3 井口對中

海洋修井機(jī)井架結(jié)構(gòu)建造精度標(biāo)準(zhǔn)的高低，對作業(yè)產(chǎn)生的直接不良影響是井口對中無法實(shí)現(xiàn)。鉆修井作業(yè)過程中，需要大鉤中心、轉(zhuǎn)盤中心、井口蓋中心以及采油樹四通法蘭中心四點(diǎn)一線，以保證管柱上下順暢游動，無卡阻和碰撞。大多數(shù)在役的海洋修井機(jī)經(jīng)歷過一段時(shí)間后，對中問題就會突顯。井口對中的影響因素主要包括以下幾點(diǎn)：

1) 井架總成結(jié)構(gòu)上節(jié)偏斜過量。

2) 鉆臺滑移導(dǎo)軌形位公差超標(biāo)，精度等級不足。

3) 生產(chǎn)甲板滑移導(dǎo)軌形位公差精度等級不足。

4) 修井機(jī)底座整體剛度不夠，建造公差等級不足。

5) 修井機(jī)底座結(jié)構(gòu)及設(shè)備安裝精度等級不足。

6) 組塊(含導(dǎo)管架)整體沉降不一致，造成生產(chǎn)甲板導(dǎo)軌承載梁扭曲[4]。

7) 組塊(含導(dǎo)管架)整體沉降時(shí)，生產(chǎn)甲板面整體傾斜。

8) 井口裝置理論位置與實(shí)際位置偏移過大。

9) 海洋石油生產(chǎn)平臺井口均為叢式井，在同一井口區(qū)內(nèi)分布有30～50個(gè)井口。其下部井口裝置安裝位置偏差不一，提高了對修井機(jī)井口對中能力的要求。

綜合考慮上述影響因素，以及對四點(diǎn)一線對中影響的大小，井架總成結(jié)構(gòu)的影響可謂“位高權(quán)重”。井架總成系統(tǒng)設(shè)計(jì)中是自帶一定的糾偏功能的，即對井架底部四支點(diǎn)增減墊片，實(shí)現(xiàn)偏斜調(diào)整[5]。但是這種方法只限在一定范圍內(nèi)可行，過多則會影響井架總成的整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。海洋修井機(jī)對中時(shí)出現(xiàn)的問題如圖3所示。

海洋修井機(jī)結(jié)構(gòu)整體精度等級不足所導(dǎo)致的井口對中不能實(shí)現(xiàn)，通常出現(xiàn)在海上生產(chǎn)作業(yè)過程中，已經(jīng)成為不能被忽視的問題。提升井架總成結(jié)構(gòu)建造及裝配精度等級是最可行的方法。

圖3 海上平臺修井機(jī)井口對中偏差

2 井架總成結(jié)構(gòu)建造與裝配精度需求分析

海洋修井機(jī)井架總成結(jié)構(gòu)建造需要更高等級的精度標(biāo)準(zhǔn)[6-13]，才能更有效地滿足海洋平臺生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境對裝備的使用要求。針對現(xiàn)行海洋修井機(jī)設(shè)計(jì)制造數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，以及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對井架總成結(jié)構(gòu)建造精度的精確需求，以及制造現(xiàn)狀進(jìn)行研究和分析。

2.1 井架結(jié)構(gòu)精度對井口對中影響分析

海洋修井機(jī)井架總成結(jié)構(gòu)通常為兩節(jié)套裝輕便井架，作業(yè)工況時(shí)，井架起升后，井架上節(jié)伸出井架下節(jié)一定距離，達(dá)到作業(yè)高度后，坐于承載銷上。整個(gè)作業(yè)過程中井架是無繃?yán)K系統(tǒng)來糾偏和防傾的。井架上節(jié)與井架下節(jié)之間有一段重合段，用以控制井架上節(jié)四個(gè)水平方向上的自由度。井架上節(jié)的偏移與傾斜量則完全取決于井架結(jié)構(gòu)建造及裝配精度等級。海洋修井機(jī)井架總成如圖4所示?，F(xiàn)有在役各型號海洋修井機(jī)井架主體結(jié)構(gòu)組成部分設(shè)計(jì)建造尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，查閱當(dāng)前現(xiàn)行海洋修井機(jī)裝備相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)，井架上、下體結(jié)構(gòu)建造精度要求及裝配精度分別如表2～3。

依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)建造精度等級要求，對現(xiàn)行設(shè)計(jì)井架總成工作狀態(tài)(上節(jié)伸出下節(jié)到設(shè)計(jì)工作高度)的井架上節(jié)傾斜及中心偏移情況模擬分析如圖5～7所示。井架上體傾斜在井架寬度和高度兩個(gè)方向上導(dǎo)致的整體綜合對中偏差模擬結(jié)果數(shù)據(jù)如表4所

示。模擬分析中，將井架上體與井架下體的重合段尺寸由2 500 mm減小至1 500 mm時(shí)，通過對比圖5和圖7所示數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)井架上、下體的重合段尺寸公差對井架作業(yè)對中影響還是比較明顯的。由模擬圖可以看出，增加井架上、下體重合段尺寸，將更有利于井架對中偏差的減小。

表4中引起轉(zhuǎn)盤對中偏移量計(jì)算式為：

式中：ΔS為井架對中綜合偏差值；ΔSW為井架橫截面寬度方向(W向)偏差值；ΔSH為井架橫截面高度方向(H向)偏差值。

根據(jù)表4的計(jì)算數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)件制造公差等級所引起的傾斜偏差過大。不能滿足井架對中同軸度≤20 mm的偏差要求。

在井架重合段同一截面立柱前后(或左右)側(cè)間隙之和不應(yīng)大于8 mm的情況下，由圖5～6的數(shù)據(jù)計(jì)算ΔS。

可知，此時(shí)的偏差值也遠(yuǎn)大于井架轉(zhuǎn)盤對中的標(biāo)準(zhǔn)值。

由圖5～6的模擬圖，可以近似推算出每當(dāng)精度公差增加1 mm，在重合段為2 500 mm的情況下，井架出現(xiàn)的可能傾斜偏差為5.85 mm。由此可知，井架上下體建造精度公差應(yīng)控制在2.5 mm以內(nèi)。

因此，在井架結(jié)構(gòu)建造精度工藝要求中，應(yīng)當(dāng)具體明確地指出適用的精度等級要求。

1—井架下體；2—井架上體；3—天車總成；4—二層臺；5—座。

表2 兩節(jié)伸縮套裝井架上下體結(jié)構(gòu)建造公差精度等級選擇值 mm

表3 兩節(jié)伸縮套裝井架上下體裝配間隙

2.2 現(xiàn)行焊接結(jié)構(gòu)建造精度標(biāo)準(zhǔn)適用性

海洋修井機(jī)井架、上底座、下底座、甲板導(dǎo)軌以及組塊導(dǎo)軌承載梁等結(jié)構(gòu)設(shè)施組合后，構(gòu)成作業(yè)裝備支撐框架，除提供必要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度外，還需要滿足各項(xiàng)功能性要求,例如井口對中功能就是關(guān)鍵一項(xiàng)。井口對中功能中，上述結(jié)構(gòu)設(shè)施都會產(chǎn)生一定大小的影響，而對于井架結(jié)構(gòu)的精度影響最大。所以，海洋修井機(jī)設(shè)施結(jié)構(gòu)建造精度以一般的現(xiàn)行焊接結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行顯然是不夠的，尤其井架結(jié)構(gòu)的制造精度更是如此。

2.3 井架總成結(jié)構(gòu)建造精度

修井機(jī)井口對中、井架總成的起放(由水平狀態(tài)變?yōu)榇怪睜顟B(tài))，井架伸縮(井架上節(jié)由下節(jié)內(nèi)部伸出，以增加井架的高度)等，這些功能的實(shí)現(xiàn)，需要井架總成結(jié)構(gòu)具備更高標(biāo)準(zhǔn)的建造及裝配精度，才能順利實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，不然就會出現(xiàn)卡阻、卡位,無法實(shí)現(xiàn)對中作業(yè)等情況，從而影響使用。

通過上述分析可知，現(xiàn)行的一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，就井架總成結(jié)構(gòu)的需求而言，不具備針對性，適用性不強(qiáng)。

井架總成結(jié)構(gòu)的建造精度準(zhǔn)則，需要建立在井架下體和井架下體配合公差要求之上。

2.4 井架結(jié)構(gòu)總成配合精度

研究分析現(xiàn)有文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，有關(guān)要求和描述都過于泛泛，裝配的精度的控制完全取決于制造商，而通過模擬分析顯示情況可知，相關(guān)精度控制并不樂觀。也即相關(guān)的配合精度控制并沒有引起行業(yè)或業(yè)界的足夠重視。

圖5 2 500 mm重合段下各等級精度公差組合情況下對中傾斜偏差模擬-W向

圖6 2 500 mm重合段下各等級精度公差組合情況下對中傾斜偏差模擬-H向

圖7 1 500 mm重合段下各等級精度公差組合情況下對中傾斜偏差模擬-W向

表4 現(xiàn)行不同等級精度的兩節(jié)伸縮套裝井架上下體對中偏差數(shù)值(2 500 mm)

3 海洋修井機(jī)兩節(jié)套裝井架總成結(jié)構(gòu)建造精度標(biāo)準(zhǔn)

3.1 井架結(jié)構(gòu)精度

井架總成的制造精度要求相對于修井機(jī)底座等其它結(jié)構(gòu)部件來說，其建造精度有著更高的要求，其加工制造精度要求介于機(jī)械部件與結(jié)構(gòu)設(shè)施之間。由于井架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其主體結(jié)構(gòu)多為型材組焊而成，不能實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工以提高精度。但其建造精度要求接近機(jī)加工部件，才能更好地滿足井架的各項(xiàng)功能要求。海洋修井機(jī)井架結(jié)構(gòu)建造精度等級要求如下：

1) 兩節(jié)伸縮套裝式井架，上下體重合段立柱同一截面綜合間隙應(yīng)2.5 mm。

2) 明確井架上下體結(jié)構(gòu)各分段組焊后的尺寸公差和形位公差值應(yīng)滿足表5公差等級要求。

3.2 裝配精度

井架上、下體裝配精度的等級高低，對井架后期的操作和功能實(shí)現(xiàn)影響很明顯。因此，裝配公差的精度約束是重要的質(zhì)量控制因素。

井架總成上下體總段結(jié)構(gòu)建造精度公差要求如表6。

表5 兩節(jié)伸縮套裝井架上下體結(jié)構(gòu)建造公差精度等級 mm

表6 兩節(jié)伸縮套裝井架總成上下體建造裝配公差 mm

4 結(jié)語

海洋修井機(jī)是海洋石油鉆修井工程裝備與設(shè)施的重要組成部分[14-16]，為石油生產(chǎn)提供必要的保障和支撐平臺。裝備制造質(zhì)量的優(yōu)劣與精細(xì)化程度直接影響裝備完好性。裝備制造細(xì)節(jié)的完善與提升和改進(jìn)，將會有效去除裝備應(yīng)用中不足和出現(xiàn)問題的頻度。