劉宏亮，黨恩，劉永飛

（1. 寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2. 中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

石油天然氣仍是當(dāng)前的主要能源，我國(guó)陸地油氣資源勘探開(kāi)發(fā)程度現(xiàn)已很高，油氣資源正迅速減少。海洋作為一個(gè)有巨大開(kāi)發(fā)潛力的寶藏，是我國(guó)石油發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)重點(diǎn)。我國(guó)擁有漫長(zhǎng)的海岸線和廣闊的海域，油氣資源十分豐富[1]。海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)，給石油鉆井裝備制造業(yè)務(wù)板塊既帶來(lái)了發(fā)展的機(jī)遇，也帶來(lái)技術(shù)上的挑戰(zhàn)。2003年以來(lái)，寶石機(jī)械公司已累計(jì)生產(chǎn)海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)60多臺(tái)套，為我國(guó)海洋油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)做出了貢獻(xiàn)。海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)中井架是主要設(shè)備單元之一，角鋼是井架常用型材。海洋平臺(tái)井架工作環(huán)境的特殊性，對(duì)井架用材料提出了很高的要求，市場(chǎng)經(jīng)常短缺無(wú)現(xiàn)貨，采購(gòu)困難和采購(gòu)周期長(zhǎng)是普遍存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，給海洋平臺(tái)井架的生產(chǎn)準(zhǔn)備帶來(lái)較大的影響。本文提出了解決船用低溫高等級(jí)角鋼臨時(shí)短缺的幾種思路，可臨時(shí)解決非重要場(chǎng)合船用高等級(jí)角鋼短缺的應(yīng)急，可供同行參考。

1 海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)井架用材特點(diǎn)和要求

海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)中井架是主要設(shè)備單元之一，相較于陸上石油開(kāi)采中所使用的井架，海洋石油鉆井平臺(tái)上所使用的井架結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度更高、其對(duì)工作的可靠性要求也越高[2]。常用井架形式主要為塔形井架和套裝垂直伸縮井架。井架為鋼結(jié)構(gòu)單元，是由鋼制材料組成的結(jié)構(gòu)，主要由型鋼和鋼板等制成的梁鋼、鋼柱、鋼桁架等構(gòu)件組成，所用鋼材主要涉及板材、型材和管材，不同井架形式用料有所不同，塔形井架用料以板材和型材為主，套裝垂直伸縮井架用料以板材和管材為主。型材是板材以外最常用材料品種，而角鋼又是井架常用型材。

井架常用型鋼的特點(diǎn)是品種多、規(guī)格多、用量少。比如說(shuō)角鋼、鋼管有的僅需幾支，這樣給采購(gòu)工作帶來(lái)很大的難度。鋼材二級(jí)市場(chǎng)上難以尋求，只能通過(guò)供應(yīng)商在鋼廠訂貨，但起訂量一般為30～60 t，鋼廠才進(jìn)行排產(chǎn)。采購(gòu)到廠后，其他產(chǎn)品又用不上，造成新的庫(kù)存積壓和資金占用，在石油價(jià)格低位徘徊，整個(gè)石油行業(yè)經(jīng)營(yíng)困難的今天，不利于企業(yè)的提質(zhì)增效。石油工程鉆機(jī)結(jié)構(gòu)用鋼材的特點(diǎn)是用量大、品種多、規(guī)格多，這就要求用鋼材必須盡可能以國(guó)產(chǎn)鋼材為首選，且商品化程度高，易于求購(gòu)，價(jià)格合理且易于承受[3]。由于船用角鋼不像船板易于軋制，市場(chǎng)上采購(gòu)船用高等級(jí)角鋼比較困難。經(jīng)過(guò)船級(jí)社認(rèn)證的生產(chǎn)商少之又少，且多為低強(qiáng)度或低等級(jí)的CCS A、CCS B CCS AH36角鋼，像CCS DH36、CCS EH36等高強(qiáng)高等級(jí)的角鋼市場(chǎng)很少。由于特殊的工作環(huán)境，要求船用角鋼具有良好的強(qiáng)韌性、焊接性能及較高的外觀尺寸精度和表面質(zhì)量[4]，這些特殊要求，進(jìn)一步增加了采購(gòu)難度和采購(gòu)周期。

2 低溫高等級(jí)角鋼短缺對(duì)海洋平臺(tái)井架生產(chǎn)的影響

近年來(lái)，隨著海洋石油勘探開(kāi)發(fā)向深水、超深水方向不斷發(fā)展，世界范圍內(nèi)新鉆井平臺(tái)的建造和老鉆井平臺(tái)的改造日趨活躍[5]。根據(jù)我國(guó)能源發(fā)展的形勢(shì)和要求，為我國(guó)海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)提供新型、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的海洋工程裝備是我國(guó)石油裝備制造業(yè)面臨的新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，也是責(zé)無(wú)旁貸的光榮任務(wù)。海洋平臺(tái)井架工作環(huán)境的特殊性，對(duì)材料提出了很高的要求，所用鋼材除應(yīng)具有良好的強(qiáng)度和塑性外，還應(yīng)具有較好的焊接性和低溫韌性。這一點(diǎn)對(duì)提高海洋平臺(tái)井架的可靠性和使用壽命具有重要意義，在海洋平臺(tái)鉆機(jī)研制中顯得尤為重要。

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 706-2016[6]《熱軋型鋼》、YB1T 4562-2016[7]《船用熱軋L型鋼》更多的是對(duì)熱軋型材的尺寸、外形、質(zhì)量及允許偏差等的要求，關(guān)于鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分和力學(xué)性能則提出應(yīng)符合GB/T 700、GB/T 1591、GB/T 712的有關(guān)規(guī)定。作為海洋平臺(tái)主要設(shè)備單元的井架，其結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的用鋼要求較高，雖然后者兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中不乏高鋼級(jí)和質(zhì)量等級(jí)牌號(hào)，但海洋平臺(tái)井架需要的型鋼品種多，各規(guī)格成批的需求量不大，相對(duì)于船用鋼板，高鋼級(jí)和質(zhì)量等級(jí)的角鋼型材在鋼材市場(chǎng)經(jīng)常短缺無(wú)現(xiàn)貨，采購(gòu)困難和采購(gòu)周期長(zhǎng)是普遍存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，給海洋平臺(tái)井架的生產(chǎn)準(zhǔn)備帶來(lái)一定影響。

3 解決低溫高等級(jí)角鋼短缺的幾種方法

為解決海洋平臺(tái)井架生產(chǎn)急需的船用角鋼的短缺曾嘗試過(guò)各種辦法，下面幾種方法可供考慮和選擇。

3.1 自制角鋼法

3.1.1 焊接角鋼

利用同材質(zhì)的船用鋼板下料后組焊成角鋼，這種焊接角鋼由于為開(kāi)坡口全焊透結(jié)構(gòu)，焊后變形難以通過(guò)矯形完全消除，尺寸精度不高，存在一定翹曲變形，角鋼兩肢垂直度有一定偏差。當(dāng)角鋼用量不大，尺寸精度要求不高時(shí)可以采用此法以解燃眉之急。我公司曾經(jīng)由于采購(gòu)不到EH36船用角鋼，而采用此法焊接了100多根EH36角鋼。

3.1.2 折彎角鋼

利用同材質(zhì)的船用鋼板下料后在鋼板折彎?rùn)C(jī)上折彎成角鋼，這種折制的角鋼一是具有較大的圓弧角，不具有像軋制角鋼一樣的直角，外形如圖1所示。折彎角鋼折彎處厚度均勻，和同邊長(zhǎng)的軋制角鋼相比，折彎角鋼截面面積小，抗彎和抗扭截面模量小，承載能力弱，同時(shí)，抗拉（壓）剛度、抗彎剛度和抗扭剛度小，抗拉（壓）、抗彎和抗扭變形能力都低于軋制角鋼；二是折制的角鋼翼緣沒(méi)有圓角過(guò)渡；三是折制的角鋼為了控制較小的圓弧角，折彎時(shí)刀頭壓力較大，造成彎角內(nèi)側(cè)長(zhǎng)度方向具有明顯的壓制刀痕，一般深0.2～0.5 mm，像縱貫全長(zhǎng)的一道裂紋，如圖2所示；四是4000 mm以上較長(zhǎng)的角鋼需要2臺(tái)折板機(jī)同時(shí)折彎，折制成的角鋼直線度和軋制角鋼相比有一定差距。所以，折彎角鋼這種方法一般不可取，除非在不重要場(chǎng)合使用。筆者曾在陜西捷瑞鋼結(jié)構(gòu)制造工程有限責(zé)任公司利用其擁有的西安地區(qū)最大的2×800 t×6 m雙機(jī)聯(lián)動(dòng)數(shù)控液壓折彎?rùn)C(jī)進(jìn)行了Q345D 材質(zhì)10 m長(zhǎng)140×100×14折彎角鋼試驗(yàn)，正如以上所說(shuō)，效果不十分理想，滿足不了精度要求，最后不得不放棄。

圖1 鋼板折彎角鋼外形

圖2 鋼板折彎角鋼內(nèi)側(cè)壓痕

3.2 材料替代法

用力學(xué)性能一致或接近的執(zhí)行不同標(biāo)準(zhǔn)的角鋼互相替代，如用Q345D角鋼替代CCS DH36角鋼，Q345E角鋼替代CCS EH36角鋼。

3.3 性能試驗(yàn)法

利用市場(chǎng)易于采購(gòu)到的一般質(zhì)量等級(jí)的Q345B角鋼逐爐（批）號(hào)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，用其中力學(xué)性能，特別是低溫韌性好的，低溫沖擊功值滿足更高等級(jí)船用角鋼性能要求的一般角鋼來(lái)替代高等級(jí)船用角鋼使用。這種辦法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，成本較大，需在市場(chǎng)采購(gòu)不同廠家的角鋼貨源進(jìn)行超出標(biāo)準(zhǔn)要求的低溫沖擊試驗(yàn)，有可能試驗(yàn)了許多批角鋼貨源也難以找到滿足要求的貨源。但也有個(gè)別鋼廠生產(chǎn)的普通Q345B角鋼產(chǎn)品化學(xué)成分穩(wěn)定，力學(xué)性能可靠，穩(wěn)定性能好，可達(dá)到更高質(zhì)量等級(jí)的性能要求，在船級(jí)社質(zhì)量監(jiān)造見(jiàn)證性能試驗(yàn)并征得同意后，可用于替代CCS AH36船用角鋼。

3.4 更改結(jié)構(gòu)法

當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用的船用角鋼貨源無(wú)法解決的情況下，也可以考慮變更設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，變角鋼為焊接H鋼，這樣由于H鋼是對(duì)稱(chēng)構(gòu)件，和角鋼不對(duì)稱(chēng)構(gòu)件相比，焊后變形小，易調(diào)校變形，且由于生產(chǎn)焊接H鋼所用低溫高等級(jí)鋼板市場(chǎng)貨源充足，相對(duì)容易生產(chǎn)。設(shè)計(jì)選用材料時(shí)，應(yīng)選用通用且市場(chǎng)上易采購(gòu)的材料，盡量避免或減少高質(zhì)量等級(jí)鋼材和非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格材料的使用。

3.5 降低載荷法

在無(wú)法獲得設(shè)計(jì)溫度下具有要求韌性的合適材料的情況下，也可考慮用低溫性能一般的材料替代原設(shè)計(jì)材料，前提是必須通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)降低或有效控制工作載荷的大小，不宜在滿額定載荷值下使用，這一做法在API SPEC 8C規(guī)范[8]4.2節(jié)設(shè)計(jì)條件中有提及，但可實(shí)施性不強(qiáng)。

3.6 特殊訂貨法

在以上辦法都還不能解決問(wèn)題時(shí)，就只能尋找有能力的鋼廠技術(shù)洽談，特殊訂貨。由于一般鋼廠一種規(guī)格角鋼的最少起訂量一般為30 t，如果用量不大，或同時(shí)需要幾種規(guī)格角鋼的話，一般用戶負(fù)擔(dān)不起，且鋼廠需要準(zhǔn)備軋制角鋼所需的特殊鋼坯，調(diào)整軋輥，往往需要一定周期，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，急需貨源生產(chǎn)的用戶往往時(shí)間上等不起。這種情況下需要用戶多方查詢信息，看能否借助鋼材供應(yīng)商訂貨之際，借機(jī)增加訂單，或聯(lián)合幾家有需求的商家，共同下訂單，以滿足鋼廠最少起訂量的要求。筆者2010年以來(lái)多次到河北某特鋼集團(tuán)有限公司就船用角鋼進(jìn)行技術(shù)溝通和采購(gòu)船用高等級(jí)角鋼，解決了當(dāng)時(shí)我公司為中海油田服務(wù)股份有限公司（COSL）200英尺自升式鉆井平臺(tái)7000 m井架生產(chǎn)急需的ABS AH36和迪拜300英尺自升式鉆井平臺(tái)井架所用CCS AH36 140×140×14角鋼，滿足了公司生產(chǎn)急需。為了減少采購(gòu)規(guī)格型號(hào)，降低采購(gòu)難度，有時(shí)需將用量不大，厚度、尺寸大小規(guī)格與大量使用的主規(guī)格型號(hào)統(tǒng)一成一種型號(hào)，通過(guò)材料代用或機(jī)械加工將大規(guī)格角鋼的肢高加工到小規(guī)格尺寸。二級(jí)鋼材市場(chǎng)網(wǎng)上船用角鋼貨源的信息很多，這些供應(yīng)商往往有價(jià)無(wú)貨，也需要和鋼廠特殊訂貨，個(gè)別經(jīng)銷(xiāo)商說(shuō)有現(xiàn)貨，一旦用戶要現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)貨時(shí)，卻推三阻四，用戶需要對(duì)這些信息進(jìn)行核實(shí)，避免上當(dāng)受騙，造成損失，影響生產(chǎn)進(jìn)度和合同交貨期。用戶最好定期對(duì)常用船用角鋼的規(guī)格和一定時(shí)段內(nèi)的不同項(xiàng)目的用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和評(píng)估，合并到一起實(shí)行集中訂購(gòu)，庫(kù)存儲(chǔ)備，以備不時(shí)之需。

4 國(guó)內(nèi)船用角鋼生產(chǎn)企業(yè)及現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)一些鋼鐵企業(yè)適應(yīng)市場(chǎng)需求，積極開(kāi)發(fā)附加值高的船用型材[9-10]，目前國(guó)內(nèi)一些鋼鐵企業(yè)已經(jīng)取得中國(guó)船級(jí)社工廠認(rèn)可證書(shū)，可生產(chǎn)AH36鋼級(jí)以下各規(guī)格的等邊角鋼和不等邊角鋼，如濟(jì)南黃河特鋼有限責(zé)任公司、唐山盛財(cái)鋼鐵有限公司，個(gè)別企業(yè)，如安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司、宿遷南鋼金鑫軋鋼有限公司可生產(chǎn)DH36和DH40鋼級(jí)以下各規(guī)格的等邊角鋼和不等邊角鋼。EH36以上等更高鋼級(jí)的船用角鋼還無(wú)通過(guò)中國(guó)船級(jí)社工廠認(rèn)可的企業(yè)能生產(chǎn)，有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，同時(shí)大規(guī)格船用角鋼也有待豐富和完善。

5 結(jié)論

1）以角鋼為主的船用低溫高等級(jí)型材是海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)中井架生產(chǎn)常用材料，高等級(jí)船用型材的短缺，對(duì)海洋平臺(tái)井架的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)帶來(lái)一定影響。

2）提出了解決船用高等級(jí)角鋼短缺的幾種思路，可臨時(shí)解決非重要場(chǎng)合船用高等級(jí)角鋼短缺的應(yīng)急。設(shè)計(jì)選用材料時(shí)，應(yīng)盡量選用通用且市場(chǎng)上易采購(gòu)的材料。

3）目前我國(guó)國(guó)內(nèi)個(gè)別鋼廠已有能力生產(chǎn)DH36鋼級(jí)以下各規(guī)格的角鋼，EH36以上更高鋼級(jí)的船用角鋼有待開(kāi)發(fā)。