海洋石油平臺吊機(jī)滾筒鋼絲繩亂繩案例分析

王文鑫，貢建廣，李雪梅

(1.中海石油(中國)有限公司渤中作業(yè)公司，天津 300450；2.大慶油田有限公司試油試采分公司，黑龍江 大慶 163412)

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海洋石油平臺吊機(jī)滾筒鋼絲繩亂繩案例分析

王文鑫1，貢建廣1，李雪梅2

(1.中海石油(中國)有限公司渤中作業(yè)公司，天津 300450；2.大慶油田有限公司試油試采分公司，黑龍江 大慶 163412)

結(jié)合海洋石油設(shè)施吊機(jī)現(xiàn)場真實滾筒亂繩案例，計算詳解亂繩發(fā)生的常見原因和現(xiàn)場控制措施，為海洋石油設(shè)施新建平臺吊機(jī)滾筒的設(shè)計、建造和驗收提供參考，也為油田生產(chǎn)現(xiàn)場提供實用的處理發(fā)生方法和措施。

吊機(jī)滾筒；亂繩；折線繩槽；預(yù)拉力；入繩角

吊機(jī)工作穩(wěn)定性和安全性直接關(guān)系到人身安全和生產(chǎn)設(shè)施及財產(chǎn)安全。鋼絲繩是吊機(jī)重要組件之一，在鋼絲繩失效原因中，亂繩現(xiàn)象是造成鋼絲繩快速磨損、變形和結(jié)構(gòu)破壞的主要原因[1]。針對此問題，引用所在渤海油田石油生產(chǎn)平臺吊機(jī)的具體亂繩案例，分析鋼絲繩亂繩發(fā)生的原因。

1 鋼絲繩釋放過程失去預(yù)拉力

1.1 故障案例

在處理渤海油田某平臺副鉤鋼絲繩亂繩故障過程中發(fā)現(xiàn)，副鉤滾筒入繩非常松弛，尤其在空鉤下放較快時出現(xiàn)入繩松弛嚴(yán)重，鋼絲繩前進(jìn)速度嚴(yán)重滯后于滾筒的線速度，造成滾筒上鋼絲繩松脫。在吊司不知情的情況下，鋼絲繩松脫的滾筒正反運(yùn)轉(zhuǎn)后造成鋼絲繩亂繩、無序擠壓，致使鋼絲繩局部變形和松股。見圖1。

圖1 副鉤鋼絲繩亂繩、局部松股彎折現(xiàn)象

1.2 原因分析

該吊機(jī)的滾筒繩槽為Lebus繩槽,俗稱折線繩槽，折線繩槽在滾筒周向的大部分區(qū)段上保持與法蘭端面平行，只在很小的區(qū)段上與法蘭端面相交。鋼絲繩纏繞滾筒要實現(xiàn)收放排繩緊密有序，鋼絲繩必須要具備一定的預(yù)拉力，根據(jù)折線繩槽設(shè)計原則，預(yù)拉力應(yīng)不小于鋼絲繩破斷荷載的2%(或工作荷載的10%,有文獻(xiàn)為破斷載荷的1.7%)[2]，這也是鉤頭處預(yù)制一定配重的原因及計算參考之一。但如果出現(xiàn)配重著地或配重力無法克服鋼絲繩出繩摩擦力時，就會出現(xiàn)預(yù)緊力消失導(dǎo)致鋼絲繩出繩速度v1小于滾筒線速度v2或者出繩速度為零現(xiàn)象，見圖2。

圖2 副鉤鋼絲繩繩系和運(yùn)動分析

鋼絲繩預(yù)拉力F=G-f，

當(dāng)f>G時，F(xiàn)即消失，導(dǎo)致v2>v1。

摩阻力f構(gòu)成包括以下幾個因素：

(1)

式中：f1——鋼絲繩與滑輪槽的相對滑動摩擦；

f2——滑輪旋轉(zhuǎn)軸套的滑動摩擦；

f3——鋼絲繩形變應(yīng)力。

1)理想設(shè)計中滑動摩擦f1是不存在的，因為鋼絲繩在滑輪上的速度應(yīng)該與滑輪線速度同步[3]。相對靜止時不存在f1，但通過觀察發(fā)現(xiàn)在下放較快時，鋼絲繩在滑輪上的出繩速度明顯大于滑輪的線速度，這就構(gòu)成了滑動摩擦f1。滑動摩擦f1受到滑輪表面粗糙度和油脂粘性影響，隨著冬季溫度降低，滑輪上積累的油脂粘度增大，加大了f1值。副鉤系統(tǒng)共10個定滑輪，10個f1的量受到溫度降低油脂粘度增大的影響，給摩阻力f帶來很大增量。

2)滑輪銷軸旋轉(zhuǎn)的摩擦力f2受到潤滑因素影響較大，潤滑不良或油脂粘性較大引起f2增大。與此同時，滑輪速度滯后，加劇了鋼絲繩和滑輪的相對速度，變相增加了f1。

3)鋼絲繩應(yīng)變力f3隨溫度降低會有輕微的加大，另外不同的鋼絲繩品牌其鋼絲繩柔韌度不一致，也會增大應(yīng)變力。

因此，潤滑和溫度決定了摩阻力f的增大。

1.3 控制措施

1)冬季低溫造成鋼纜潤滑劑的黏度增加，出繩不順暢。因此，在冬季的鋼絲繩潤滑選用黏度偏小的產(chǎn)品。或者入冬降溫前除去老化，沾滿灰塵的舊油，更換新的潤滑劑。

2)滑輪組重新加注新油脂，置換出舊油脂，降低滑輪轉(zhuǎn)動摩擦，使鋼絲繩通過滑輪順暢。

3)在吊司的操作方面，在空鉤或輕載下放鉤時，降低下放速度，并及時觀察鉤頭動作速度是否正常。避免亂繩嚴(yán)重時還繼續(xù)操作導(dǎo)致鋼絲繩損壞。

4)在鉤頭處增加延長繩索或配重以增加鋼絲繩入繩的預(yù)拉力，使?jié)L筒入繩線速度與鉤的動作速度一致。

2 入繩角度設(shè)計不合理因素

2.1 故障案例

某井口平臺吊機(jī)主鉤鋼絲繩在纏繞第3層時出現(xiàn)堆疊、坍塌、跳繩，最后亂繩的現(xiàn)象，導(dǎo)致吊裝作業(yè)中出現(xiàn)貨物的陡降和振動，給吊裝作業(yè)安全、鋼絲繩的壽命帶來很大隱患。為了避免產(chǎn)生不良后果，作為臨時措施，維修人員根據(jù)滾筒參數(shù)，在鉤頭收好的位置，調(diào)整第3層鋼絲繩圈數(shù)。這樣使第3層鋼絲繩不在吊貨受力區(qū)域。調(diào)整后，雖然第3層有輕微亂繩現(xiàn)象，但給鋼絲繩壽命和吊裝安全帶來的影響減弱，見圖3。

圖3 主鉤滾筒第三層鋼絲繩堆疊、坍塌、亂繩現(xiàn)象

2.2 原因分析

根據(jù)折線繩槽滾筒的應(yīng)用原則和慣例，多層纏繞鋼絲繩滾筒對入繩偏角度有嚴(yán)格的要求。滾筒入繩偏角定義為繞進(jìn)或繞出鋼絲繩的軸線與滾筒軸垂直平面的夾角[4]，通常這個偏角不應(yīng)大于1.5°，并且不應(yīng)小于0.5°，在實際操作中會有最大0.25°的擴(kuò)展也不會太影響使用。由此可知，入繩角不影響使用的范圍為0.25°～1.75°。

根據(jù)現(xiàn)場對平臺吊機(jī)主鉤滾筒測量數(shù)據(jù)可以計算出相關(guān)的入繩角。滾筒總寬度1 m，吊臂頭部第1個滑輪中心不在滾筒的中心線位置，而是有約0.4 m的偏差，滑輪距離滾筒為約30 m。示意圖見圖4。

圖4 主鉤鋼絲繩滾筒入繩角示意圖

計算方法[4]和過程如下。

tan∠2=0.1/30=0.003 33， arctan∠2=0.19°；

tan∠1=0.9/30=0.03， arctan∠1=1.71°。

計算結(jié)果表明，∠2不在0.25°～1.75°適用入偏角范圍內(nèi)，此結(jié)果是造成滾筒第3層纏繞亂繩的主要原因之一。

此外，在該吊機(jī)使用過程中發(fā)現(xiàn)，滾筒第1層和第2層鋼絲繩并沒有因為入繩角度問題而產(chǎn)生亂繩現(xiàn)象。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)：第1層鋼絲繩纏繞分布在折線繩槽內(nèi)非常緊湊和規(guī)范，第2層在排繩時受到第1層鋼絲繩規(guī)范的繩間槽的影響，仍然能夠很好排繩；其次，第2層排繩是從右邊到左邊排繩(面向吊臂)，即從入繩角大一側(cè)開始往入繩角小一側(cè)排繩，排繩過程沒有障礙受阻，所以受到入繩角小的影響不大，沒有造成亂繩現(xiàn)象。

亂繩發(fā)生在第3層纏繞過程，根據(jù)現(xiàn)象分析主要原因有兩點：首先，第3層入繩角度不在折線繩槽適用入繩角范圍，同時在排繩方向碰到了滾筒法蘭擋邊，促使了鋼絲繩在改變排繩方向階段發(fā)生騎繩堆疊[3]；其次，第3層的入繩角相對于第2層和第1層變小了，見圖5。

圖5 主鉤鋼絲繩滾筒第1和第3層鋼絲繩角入繩角

tan∠1=AD/AO，

tan∠2=BC/BO；

根據(jù)矩形ABCD和直角△ABO中可知：

AD=BC, 斜邊BO>AO，

因此，tan∠AOD> tan∠BOC,

得出∠AOD>∠BOC。

即第3層鋼絲繩入繩角相對于第1層入繩角更小，則更容易發(fā)生騎繩現(xiàn)象。

2.3 控制措施

1)由于該亂繩現(xiàn)象始于吊機(jī)設(shè)計和安裝問題，且亂繩僅僅發(fā)生在第3層纏繞，現(xiàn)場使用的臨時措施(調(diào)整鋼絲繩長度使得第3層鋼絲繩不在吊貨受力區(qū)域)可以在較長時間內(nèi)緩解鋼絲繩因為亂繩帶來的磨損和吊裝隱患，是臨時處理該類故障的可行方法之一。

2)試驗在第3層纏繞起點合適位置焊接安裝斜面擋鐵塊，使得第3層開始騎繩后立即錯開重新排繩，不產(chǎn)生騎繩后跳繩的過程。安裝位置需要根據(jù)具體鋼絲繩長度和騎繩開始點具體確定和試驗。

3)如果要長期解決這個問題，需要調(diào)整主鉤滾筒的位置，即將滾筒底座重新焊接移位，直到入繩角度滿足要求。但吊機(jī)現(xiàn)場受到滾筒平臺建造面積的影響，實現(xiàn)改造需要耗費(fèi)較大的人力物力。

4)加強(qiáng)對主鉤鋼絲繩日常的檢測力度，尤其是第3層鋼絲繩是否有磨損、斷絲超標(biāo)等現(xiàn)象。因為雖然不在負(fù)載區(qū)域內(nèi)，但長期受到主鉤鉤頭和配重的負(fù)載，依然可能對鋼絲繩壽命有一定的負(fù)面影響。

3 不良操作因素

3.1 故障案例集

1)某井口平臺吊機(jī)在操作過程中，因風(fēng)力較大，副鉤延長繩沒有摘下來，延長繩卷入主鉤鋼絲繩的滑輪槽，造成主鉤鋼絲繩跳出滑輪組，鋼絲繩受擠壓卡死，在吊機(jī)司機(jī)未知情的情況下依然正反操作滾筒后造成滾筒上的鋼絲繩亂繩。在檢修過程發(fā)現(xiàn)主鉤鋼絲繩部分?jǐn)D傷、彎折，達(dá)到報廢標(biāo)準(zhǔn)予以報廢。

2)某井口平臺，司機(jī)沒有將吊貨后副鉤回收到位，一大段輔鉤鋼絲繩晃來晃去。吊臂啟動垂直角度較大時，副鉤鋼絲繩和鉤頭與主鉤鋼絲繩纏繞，當(dāng)司機(jī)提升主鉤過程造成主鉤鋼絲繩在滑輪處跳槽引發(fā)故障。

3)某平臺冬季對吊機(jī)進(jìn)行保養(yǎng)后，鋼絲繩上鋼纜油脂較厚而且粘度大，在快速提升副鉤鋼絲繩過程中由于鋼絲繩晃動，油脂粘連副鉤上限位配重環(huán)上升，引起上限位配重環(huán)鏈卷入副鉤滑輪造成亂繩。

4)某平臺滑輪組的鋼絲繩防跳裝置磨損、松脫失效，導(dǎo)致鋼絲繩跳出繩槽，打亂了鋼絲繩收放順序引起滾筒鋼絲繩亂序，引發(fā)故障和事故。

5)某設(shè)施在進(jìn)行視線盲區(qū)吊裝作業(yè)時，由于吊司和司索人員溝通不及時，主鉤著地后繼續(xù)下放主鉤，造成主鉤滾筒鋼絲繩預(yù)拉力完全消失，進(jìn)而引發(fā)了鋼絲繩嚴(yán)重亂繩。

3.2 控制措施

1)規(guī)范吊機(jī)標(biāo)準(zhǔn)操作程序，添加以下幾項內(nèi)容：吊機(jī)主副鉤在不使用時不允許懸掛鉤頭延長繩；吊機(jī)停車前將主副鉤鋼絲繩回收到位，以縮短鉤頭自由擺動的范圍；大風(fēng)浪天氣在船舶吊運(yùn)物資時，及時啟用鋼絲繩恒張力系統(tǒng)，消除副鉤系統(tǒng)因船舶上下顛簸使配重力失效導(dǎo)致的跳繩、松繩現(xiàn)象；作業(yè)過程中，避免同時操作主副鉤，并且收放過程遵循起停慢中間穩(wěn)的原則。

2)完善維修保養(yǎng)和檢查程序，關(guān)注鋼絲繩防跳裝置的磨損、防松動檢查，關(guān)注鋼纜油脂粘度變化及附件如限位、力矩儀傳感器的工況。

3)加強(qiáng)工作協(xié)同與溝通。在作業(yè)中，吊司和司索人員及時、有效的溝通，同時司索人員在吊貨過程中與吊司共同關(guān)注鋼絲繩工作狀況。

[1] 高加索，范吉祥.絞車滾筒亂繩原因分析及解決辦法[J].石油礦場機(jī)械,2010,39(2):82-86.[2] 孫魯安.國外折線繩槽卷繞技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2001(4)：29-32.

[3] 沈敏良.起重機(jī)起升卷筒多層纏繞的設(shè)計方法[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2004(4):17-18.

[4] 韓愛曄.鋼絲繩進(jìn)出滾筒允許偏角的計算[J].石油機(jī)械,2001,29(10):19-21.

Wire Rope Disorder Cases Analysis and Prevention of Crane Drum for the Offshore Oil Platform

WANG Wen-xin1, GONG Jian-guang1, LI Xue-mei2

(1.CNOOC Bozhong Oil Filed Operations Co. Ltd., Tianjin 300450, China;2.Oil Testing and perforation Company of Daqing Oilfield Co. Ltd., Daqing Heilongjiang 163412, China)

According to the field wire rope disorder cases from the offshore oil facility, the common reasons of wire rope disorder were analyzed to set forth the on-site solutions, which can be referenced for the design, construction and acceptance of the crane drum for the new offshore oil platform. It can also supply the useful methods for handling and prevention of the wire rope disorder on oilfield production site.

drum; wire rope disorder; Lebus rope groove; pre-tension; entrance angle

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.021

2016-07-10

王文鑫(1986—)，男，學(xué)士，工程師

U664

A

1671-7953(2016)05-0083-04

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋石油生產(chǎn)設(shè)備維修管理

E-mail:wwxzls@163.com