周宏宇，郭元聰，胡 朋，陳培旺，李文磊

（1.中石化海洋石油工程有限公司，上海 201208；2.青島天時(shí)海洋石油裝備有限公司，山東 青島 266100）

1 項(xiàng)目背景

在石油鉆井作業(yè)中，防噴器（BOP）對(duì)鉆井作業(yè)安全起到至關(guān)重要的作用，而B(niǎo)OP 移運(yùn)系統(tǒng)是鉆井平臺(tái)的主要配套設(shè)備之一，BOP 的儲(chǔ)存、海上連接、維修、安裝及測(cè)試工作等都要依賴(lài)于該裝置[1]。以JU2000E 平臺(tái)為例，BOP 移運(yùn)系統(tǒng)有兩種經(jīng)典配置：托盤(pán)式BOP 移運(yùn)系統(tǒng)和環(huán)鏈?zhǔn)紹OP 移運(yùn)系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)的工作原理是將防噴器組的安裝分解為兩個(gè)主要?jiǎng)幼鳎阂粚⒎绹娖鹘M提升以及下放；二將防噴器組提起后移送并放置到井口[3]。

某自升式鉆井平臺(tái)安裝的是托盤(pán)式 BOP 移運(yùn)系統(tǒng)，測(cè)試功能正常，運(yùn)行平穩(wěn)。但在某些工況下，其托盤(pán)的提升能力無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的超常規(guī)作業(yè)需求。存在的主要問(wèn)題如下：

1.1 原始設(shè)計(jì)安全負(fù)載能力偏小

原設(shè)備的設(shè)計(jì)安全工作載荷（SWL）為125 t，但在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，尤其在生產(chǎn)作業(yè)后期的井口安裝階段其提升負(fù)荷往往超過(guò)136 t，此時(shí)若直接使用該系統(tǒng)進(jìn)行提升作業(yè)則無(wú)法確保設(shè)備安全，存在重大的安全隱患。

1.2 設(shè)計(jì)規(guī)范選取不合理，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)系數(shù)偏小

原設(shè)備是按照歐洲的起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)制造的，選用的動(dòng)態(tài)系數(shù)相對(duì)偏小。但根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，移動(dòng)鉆井平臺(tái)的結(jié)構(gòu)有其特殊性，采用API spec 7K 規(guī)范則更加符合實(shí)際使用工況。由于設(shè)備已安裝完成，如按照該規(guī)范確定的最小動(dòng)態(tài)系數(shù)進(jìn)行改造，則該移運(yùn)系統(tǒng)需要重新設(shè)計(jì)和制造，從設(shè)備到主結(jié)構(gòu)都需要改動(dòng)，需要花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)、成本高，對(duì)配套設(shè)備進(jìn)行較大改造的可行性很低。

2 存在問(wèn)題

2.1 安全負(fù)載不足

按照歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范F.E.M 標(biāo)準(zhǔn)第三版第2.2.2.1.1 章節(jié)內(nèi)容，動(dòng)載系數(shù)計(jì)算公式為：Ψ=1+ξVL。式中：Ψ為動(dòng)載系數(shù)；VL為起升速度，本設(shè)備最大設(shè)計(jì)起升速度為0.02 m/s；ξ 為常量系數(shù)，該值是由試驗(yàn)確定的。對(duì)于橋式類(lèi)型起重機(jī)ξ=0.6。

由此得出，動(dòng)載系數(shù)Ψ=1+ξVL=1+0.6×0.02=1.01，結(jié)合該規(guī)范要求任何情況下Ψ均不得小于1.15，則動(dòng)載系數(shù)設(shè)計(jì)選取Ψ=1.15。圖1 為該規(guī)范中動(dòng)載系數(shù)Ψ與起升速度VL關(guān)系曲線(xiàn)圖。

圖1 F.E.M 動(dòng)載系數(shù)與起升速度關(guān)系曲線(xiàn)[4]Fig.1 Related-curve between F.E.M dynamic load coefficient with lifting speed[4]

該移運(yùn)系統(tǒng)按照F.E.M 標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)為A3 級(jí)別，故作業(yè)放大系數(shù)選擇C=1.05。

該移運(yùn)系統(tǒng)的原始設(shè)計(jì)安全工作負(fù)載（SWL）W=125 t，則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)垂直方向的設(shè)計(jì)最大載荷F原=W×Ψ×C×9.81=125×1.15×1.05×9.81≈1 481 kN。

按照API spec 7K 規(guī)范要求的動(dòng)態(tài)系數(shù)，在不改變整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，移運(yùn)系統(tǒng)托盤(pán)在垂直方向的安全工作載荷F新=1 481 /1.05/1.33=1 060 kN。在大多數(shù)作業(yè)期間，鉆井平臺(tái)上的防噴器組總重量G約為105 t，其垂直方向分力F實(shí)=G×9.81=1 030 kN，因此，在常規(guī)作業(yè)時(shí)，無(wú)論運(yùn)移BOP 還是起下作業(yè)，其安全負(fù)載能力都能確保大部分工況下正常使用。

但在后續(xù)井口安裝階段，移運(yùn)系統(tǒng)在起下防噴器作業(yè)時(shí)不僅要承受BOP 組本身重量，還要承受BOP組下部連接的套管連接器、頂部伸縮管等額外重量，其實(shí)際最大載荷Gmax 約為136 t，按照API 規(guī)范計(jì)算，F(xiàn)新=Gmax×Ψ×C×9.81=136×1.33×1.05×9.81≈1 863 kN，此時(shí)系統(tǒng)垂直方向的受力已超出了原有設(shè)計(jì)最大載荷F原。

2.2 動(dòng)載系數(shù)偏小

經(jīng)查閱基礎(chǔ)資料和廠家原始設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該BOP移運(yùn)系統(tǒng)的原始設(shè)計(jì)是依據(jù)美國(guó)船級(jí)社(ABS)、F.E.M 歐洲起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范以及英國(guó)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)則BS2573 Part 1-1983 進(jìn)行的。

但是海洋石油鉆井平臺(tái)屬于海上移動(dòng)裝置，在實(shí)際作業(yè)時(shí)其狀態(tài)并不完全等同于陸地固定設(shè)施，綜合各方面因素考慮，按照API spec 7K 標(biāo)準(zhǔn)更加符合實(shí)際。表1 為API spec 7K 推薦的默認(rèn)動(dòng)載系數(shù)。按照表格中數(shù)據(jù)，動(dòng)載系數(shù)Ψ=1.33 應(yīng)為最佳參數(shù)。

表1 默認(rèn)動(dòng)載系數(shù)表[5]Table 1 Default dynamic factors [5]

3 方案和措施

3.1 方案優(yōu)選

基于已安裝的BOP 移運(yùn)系統(tǒng)的安全工作載荷（SWL）為125 t，原次級(jí)張緊系統(tǒng)安全工作載荷(SWL)為136 t，油缸行程為915 mm 的現(xiàn)狀，考慮從3 種方案中進(jìn)行優(yōu)選。（1）單純使用原次級(jí)張緊系統(tǒng)

存在兩個(gè)問(wèn)題：①現(xiàn)有次級(jí)張緊系統(tǒng)的油缸行程為915 mm，不能滿(mǎn)足作業(yè)需求；②單獨(dú)使用次級(jí)張緊系統(tǒng)吊載BOP 組，由于次級(jí)張緊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其只能實(shí)現(xiàn)BOP 組的提升和下降，無(wú)法實(shí)現(xiàn)BOP 組的位置挪動(dòng)。

（2）BOP 移運(yùn)系統(tǒng)配合原始次級(jí)張緊系統(tǒng)聯(lián)合操作

存在兩個(gè)問(wèn)題：①原始次級(jí)張緊系統(tǒng)的油缸行程為915 mm，不能滿(mǎn)足作業(yè)需求；②BOP 移運(yùn)系統(tǒng)和原始次級(jí)張緊系統(tǒng)聯(lián)合動(dòng)作的話(huà)，需要操作者在整個(gè)操作過(guò)程中時(shí)刻監(jiān)控次級(jí)張緊系統(tǒng)油缸的行程和張力大小，使次級(jí)張緊系統(tǒng)油缸上的張力值保持在一個(gè)可控的安全范圍內(nèi)。例如：當(dāng)?shù)跹b一個(gè)160 t 的重物時(shí)，先讓次級(jí)張緊系統(tǒng)油缸的張力值達(dá)到100 t，再緩慢用BOP 移運(yùn)系統(tǒng)提升此重物，并需要時(shí)刻關(guān)注次級(jí)張緊系統(tǒng)的張力值變化，如果其張力值下降到60 t 的話(huà)，BOP 移運(yùn)系統(tǒng)要停止提升，因?yàn)榇藭r(shí)BOP 移運(yùn)系統(tǒng)所承受的重量是100 t，已經(jīng)接近其安全工作載荷106 t（按照API 標(biāo)準(zhǔn)），此時(shí)需要操作次級(jí)張緊系統(tǒng)，讓其張力值重新達(dá)到100 t 左右，而后再次操作BOP 移運(yùn)系統(tǒng)，如此循環(huán)操作。在整個(gè)提升過(guò)程中，次級(jí)張緊系統(tǒng)油缸同時(shí)也在收回，如果不及時(shí)增加壓力的話(huà)，張力值會(huì)不斷變小，將多余的重量轉(zhuǎn)移到BOP 移運(yùn)系統(tǒng)上，故需要反復(fù)給其加壓，讓其張力值保持在一個(gè)相對(duì)安全平穩(wěn)的狀態(tài)下。整個(gè)聯(lián)動(dòng)過(guò)程會(huì)比較復(fù)雜，并需要時(shí)刻關(guān)注次級(jí)張緊系統(tǒng)的油缸行程和張力值，及時(shí)補(bǔ)壓。

（3）更新次級(jí)張緊系統(tǒng)

根據(jù)需求將次級(jí)張緊系統(tǒng)油缸的行程由915 mm增加至1 800 mm，并為次級(jí)張緊系統(tǒng)增加恒張力模式。當(dāng)BOP 移運(yùn)系統(tǒng)和次級(jí)張緊系統(tǒng)聯(lián)合工作時(shí)，將次級(jí)張緊系統(tǒng)選擇為恒張力模式，并設(shè)定好張力，直接操作BOP 移運(yùn)系統(tǒng)即可。例如：當(dāng)?shù)跹b一個(gè)160 t 的重物時(shí)，先將次級(jí)張緊系統(tǒng)設(shè)置為恒張力模式，張力值調(diào)整為100 t，再用BOP 移運(yùn)系統(tǒng)提升或降低負(fù)載，次級(jí)張緊系統(tǒng)油缸會(huì)實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)，并保持張力值恒定，也就是說(shuō)次級(jí)張緊系統(tǒng)油缸會(huì)始終承載100 t 的張力，剩余的力才會(huì)由BOP 移運(yùn)系統(tǒng)承擔(dān)，操作變的更加簡(jiǎn)單。

考慮到現(xiàn)有BOP 移運(yùn)系統(tǒng)在日常使用過(guò)程中完全能夠滿(mǎn)足需求，僅在部分特殊情況下不能滿(mǎn)足的實(shí)際情況，結(jié)合現(xiàn)有平臺(tái)設(shè)備的配套情況，優(yōu)選出方案（3）為最佳方案，利用次級(jí)張緊系統(tǒng)作為輔助設(shè)備，與BOP 提升裝置共同協(xié)作處理特殊負(fù)載情況。同時(shí)次級(jí)張緊系統(tǒng)還具有原始的STU 功能。

3.2 具體方案

次級(jí)張緊系統(tǒng)由作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的兩個(gè)液壓油缸、控制閥站、蓄能器站、提供動(dòng)力的HPU 以及管路等組成。次級(jí)張緊系統(tǒng)油缸的上端通過(guò)吊耳鉸接在頂部，其下端通過(guò)鏈條或鋼絲繩、卸扣連接到BOP 組吊環(huán)上，處于STU 模式時(shí)，油缸的有桿腔連通蓄能器站，通過(guò)蓄能器站實(shí)現(xiàn)對(duì)BOP 組下方隔水套管的張緊。通過(guò)新增一路控制閥站，增加恒張力控制及調(diào)整模塊，實(shí)現(xiàn)恒張力模式。當(dāng)處于恒張力模式時(shí)，次級(jí)張緊的兩個(gè)油缸有桿腔進(jìn)油，通過(guò)比例溢流閥實(shí)現(xiàn)恒張力調(diào)節(jié)。

3.2.1 液壓系統(tǒng)

采用兩個(gè)安全載荷為68 t 液缸作為次級(jí)張緊系統(tǒng)油缸，使總的提升能力最高可達(dá)136 t，次級(jí)張緊系統(tǒng)由恒壓液壓動(dòng)力系統(tǒng)（HPU）提供壓力油，液壓油由P 口進(jìn)入，經(jīng)過(guò)減壓閥7、換向閥6 以及鎖定閥5進(jìn)入油缸1，液壓原理見(jiàn)圖2。

圖2 次級(jí)張緊系統(tǒng)液壓原理圖Fig.2 Hydraulic schematic diagram of STU

STU 模式: 換向閥電磁閥SV2 和鎖定閥電磁閥SV3 得電，壓力油進(jìn)入蓄能器站2 以及油缸1 的有桿腔，為蓄能器站2 充液，油缸1 收回對(duì)載荷施加張力，張力的大小由減壓閥7 調(diào)定，調(diào)定好張力后，換向閥電磁閥SV2 以及鎖定閥電磁閥SV3 失電，由蓄能器站2 補(bǔ)償由于潮漲潮落給隔水套管帶來(lái)的張力變化。

恒張力模式: 換向閥電磁閥SV2、鎖定閥電磁閥SV3 和恒張力閥組電磁閥SV4 得電，油缸1 的有桿腔進(jìn)油，油缸1 收回對(duì)載荷施加張力，此時(shí)減壓閥設(shè)定為最大，張力靠恒張力閥組的比例溢流閥SV6 調(diào)定，與BOP 運(yùn)移系統(tǒng)協(xié)作提升載荷。BOP 運(yùn)移系統(tǒng)托盤(pán)將載荷提升，油缸1 會(huì)隨動(dòng)收回；BOP 運(yùn)移系統(tǒng)托盤(pán)將載荷下放，油缸1 會(huì)隨動(dòng)伸出。由于油缸1 有桿腔的壓力油始終保持恒定，故而油缸1 對(duì)載荷的拉力（張力）保持不變。操作過(guò)程中不需要擔(dān)心載荷在次級(jí)張緊系統(tǒng)和BOP 運(yùn)移系統(tǒng)之間的分配問(wèn)題。

3.2.2 電氣系統(tǒng)

更新改造后的次級(jí)張緊系統(tǒng)在其中一個(gè)油缸上還增加了位移傳感器，可以檢測(cè)油缸的位移，新增控制箱OP1，其原理如圖3 所示。

新型次級(jí)張緊系統(tǒng)操作的電力供應(yīng)來(lái)自平臺(tái)220 V交流電源。恒張力電磁閥SV4 對(duì)應(yīng)圖2 中的恒張力閥組3 的電磁閥SV4，恒張力比例閥SV6 對(duì)應(yīng)圖2中的恒張力閥組3 的比例閥溢流閥SV6，壓力傳感器PT1 對(duì)應(yīng)圖2 中壓力傳感器10，位移傳感器DT2在圖2 中未標(biāo)出，其它安裝在油缸活塞桿內(nèi)（圖4）。

圖4 次級(jí)張緊器油缸Fig.4 Cylinders of STU

3.2.3 控制實(shí)現(xiàn)原理

新型次級(jí)張緊系統(tǒng)的恒張力模式操作非常簡(jiǎn)單，不需要單獨(dú)操作人員，僅需BOP 運(yùn)移系統(tǒng)的操作者事先設(shè)定恒張力值，并啟動(dòng)恒張力模式即可，其控制面板如圖5 所示。

圖5 次級(jí)張緊系統(tǒng)恒張力控制面板Fig.5 Constant tension control panel of STU

通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)可以對(duì)次級(jí)張緊系統(tǒng)進(jìn)行STU 模式和恒張力兩種模式的選擇，選擇STU 模式后由原控制箱對(duì)次級(jí)張緊系統(tǒng)進(jìn)行控制，選擇恒張力模式后，減壓閥7 和電磁閥SV5 得最大控制電流，減壓閥7 到最大設(shè)定壓力250 MPa，而后通過(guò)恒張力啟動(dòng)/恒張力停止兩個(gè)按鈕來(lái)控制恒張力的啟動(dòng)和停止，按下恒張力啟動(dòng)按鈕后，換向電磁閥SV2、鎖定閥電磁閥SV3、恒張力閥組電磁閥SV4 得電，通過(guò)恒張力調(diào)節(jié)旋鈕控制恒張力閥組比例溢流閥的設(shè)定壓力，從而改變恒張力的大小。按下恒張力停止按鈕后，電磁換向閥SV2、電磁鎖定閥SV3、恒張力閥組電磁閥SV4 失電，失去恒張力。

新型次級(jí)張緊系統(tǒng)其中一個(gè)油缸帶有位移傳感器，油缸位移和通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)換算成張力值均顯示在顯示屏上。

4 應(yīng)用情況

按照API spec 7K 標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)負(fù)載超過(guò)50 t 以上的可按照1.10 倍進(jìn)行安全負(fù)載測(cè)試，聯(lián)合測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)意。投入使用后，在三開(kāi)裝井口期間，因BOP 運(yùn)移系統(tǒng)與導(dǎo)流器伸縮管空間上相互干涉，BOP 運(yùn)移系統(tǒng)托盤(pán)無(wú)法居中叉起B(yǎng)OP 組及套管頭等，現(xiàn)場(chǎng)采用了次級(jí)張緊系統(tǒng)與BOP 運(yùn)移系統(tǒng)聯(lián)合提升BOP 組的辦法，即恒張力設(shè)置為60 t，而B(niǎo)OP 運(yùn)移系統(tǒng)僅提升剩余重量，順利完成了該井口安裝。截至目前，該型次級(jí)張緊系統(tǒng)已完成三口井作業(yè)，聯(lián)合測(cè)試和應(yīng)用情況良好，在整個(gè)油缸行程中，新型次級(jí)張緊系統(tǒng)張力保持恒定，能與原BOP 運(yùn)移系統(tǒng)在垂直方向相互協(xié)作，BOP 運(yùn)移系統(tǒng)托盤(pán)上的垂直實(shí)際負(fù)載不超過(guò)1 060 kN，保證了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全可靠性。

5 結(jié)論

（1）次級(jí)張緊系統(tǒng)主要是用來(lái)對(duì)由環(huán)境載荷和鉆井操作而引起的作用在BOP 上的張力進(jìn)行補(bǔ)償。本次該次級(jí)張緊系統(tǒng)（STU）為了增加行程，加長(zhǎng)油缸活塞桿，除此之外僅在原控制閥站增加了恒張力閥以及控制箱，改動(dòng)非常小，因此改造后的液壓系統(tǒng)及設(shè)備強(qiáng)度與原有系統(tǒng)基本保持一致。

（2）本次級(jí)張緊系統(tǒng)增加了恒張力模式，可以保持恒張力。該系統(tǒng)具有兩種模式：即STU 模式和恒張力模式。恒張力模式僅用于輔助BOP 運(yùn)移系統(tǒng)移動(dòng)BOP 組使用，在恒張力模式下，張力值由張力設(shè)定旋鈕控制，張力值實(shí)時(shí)顯示在控制箱顯示屏上；而STU 模式，仍可以實(shí)現(xiàn)次級(jí)張緊系統(tǒng)原有的功能。

（3）本改進(jìn)方案為次級(jí)張緊系統(tǒng)功能拓展使用的創(chuàng)新方案。由于不再需要改造原有BOP 運(yùn)移系統(tǒng)，從而節(jié)約了大量投資，進(jìn)一步拓展了次級(jí)張緊系統(tǒng)的功能和使用范疇。在滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用的同時(shí)，也使得整套BOP 運(yùn)移設(shè)備符合API spec 7K 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。