DR-E60FF型海洋鉆井隔水管浮筒設計研究與試驗

王洪川，黃 潔，趙 濤，張力文，2，賈俊梁，羅 震，2，孫 博

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

DR-E60FF型海洋鉆井隔水管浮筒設計研究與試驗

王洪川1，黃 潔1，趙 濤1，張力文1，2，賈俊梁1，羅 震1，2，孫 博1

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

開發了一種適應1 000 m水深的海洋鉆井隔水管浮筒。分析了設計需考慮的因素，創新開發了浮筒主體胚料模塊化成型，柔性裝夾加工技術，組合涂層技術等關鍵技術。強度試驗和碰撞試驗研究結果表明，開發的浮筒滿足額定水深耐壓要求，吸水率和浮力系數滿足設計要求，抗沖擊性和耐磨性能優于同級別國外產品。國產化的浮筒產品具有強度高、密度低、吸水率低、防腐性能好等特點，產品性能較優，市場應用前景廣闊。提出了浮筒進一步發展的研究建議，對產品開發經驗和市場應用前景等方面進行了總結。

隔水管；浮筒；浮力；吸水率；抗沖擊

海洋鉆井隔水管浮筒是隔水管系統的重要部件之一，為隔水管提供分布式浮力[1]，能夠改善隔水管的局部受力情況，降低隔水管張緊器的張力，增強平臺水深適應能力[2-3]。長期以來，該產品制造技術主要由美國、俄羅斯、日本等國所掌握，在市場上形成壟斷銷售，且價格昂貴，例如美國Cumingcorp公司，澳大利亞matrix公司、歐洲BALMORAL OFFSHORE ENGINEERING公司等[4]。近年來，我國已在固體浮力材料領域開展了深入研究，而用于海洋鉆井隔水管的浮筒產品，國內還沒有廠家生產制造。在水深大于1 000 m時，浮筒是鉆井隔水管必需的組成部分[5]，因此應用前景非常廣闊。開展該產品的研發和產業化生產，具有重要的科學和經濟意義。

1 設計考慮因素

1) 滿足API Specification 16F規范、船級社及HSE有關的要求。

2) 要求低密度，使單位體積提供盡可能大的浮力，且不限制隔水管的彎曲[6]。

3) 考慮提升力和額定作業水深的耐壓性，滿足抗靜水壓要求。

4) 靜水壓條件下，滿足低吸水率和低體積彈性模量要求。

5) 主體材料滿足UL 94材料類別HBF(泡沫塑料材料水平燃燒)要求。試樣的燃燒速度在跨度100 mm之上不應超過40 mm/min；在燃燒或發光達到125 mm基準標準之前，試樣應停止燃燒。

6) 浮筒外部能夠抵抗正常搬運和堆疊遇到的沖擊和磨損，且在日光、海洋鹽霧、風化或極端天氣下使用不會降低其性能。

7) 滿足浮力系數要求，用于1 000 m水深隔水管單根質量約8 000 kg，要求提供的浮力系數大于95% 。

8) 理論浮力系數核算。

單個浮筒外徑0.58 m，內徑0.27 m，長度4.2 m，體積約3.49 m3，浮筒主體材料密度0.45 g/cm3，g=9.8 N/kg，浮筒質量約為1 570 kg，玻璃鋼層質量約52 kg，聚脲層質量約15 kg，螺栓及附件質量約5 kg，隔水管單根質量約8 000 kg，要求提供的浮力系數大于95%。

單個浮筒總質量M浮=1 642 kg，取海水密度ρ海水=1.025 g/cm3，則單個浮筒能提供的浮力為F1=ρ海水gV-M浮g=18.96 kN。每根隔水管安裝4組浮筒，單根隔水管浮筒提供的總浮力F=4F1=75.84 kN，因此，理論計算浮力系數K=F/gM隔=96.73%，滿足要求。

2 關鍵技術研究

2.1 胚料模塊化成型

設計厚度為200 mm，外圓直徑為?1 175 mm，內圓直徑為?530 mm的扇形模具，將一定比例的20～150 μm空心玻璃微珠、環氧增強樹脂、阻燃材料等材料經過化學成型工藝，例如振動澆注、抽真空澆注等，通過專用設備使材料有機融合在一起，制造多個小型復合泡沫模塊。最后在平整的工作臺上，將多個小模塊用專用粘接劑組合成成型胚料。組合時控制粘接時間間隔、同軸度，同軸度要求全長范圍2 mm，組合后需用專用工具固定并靜放24 h。與國外一體成型相比，模塊化成型具有模具費用投入少，組合形狀更加靈活，材料性能更容易保證，材料合格率更高，經濟性更好。如圖1。

圖1 浮筒胚料模塊

2.2 柔性裝夾加工技術

復合泡沫材料雖具有可加工性，但有脆性和加工粉塵大的特點，與金屬加工相比有較大的不同，不能使用常規的刀具和工裝。為此，使用了柔性裝夾和粉塵收集裝置的加工技術，完成外圓、內部結構加工。同時，加工時注意進刀速度和進刀量的控制，并配備冷卻 液實時降溫，施工人員佩戴防塵面具。柔性裝夾保證了產品質量，粉塵收集裝置提高了加工的環保性，創新性地研發了一套復合泡沫材料加工工藝技術。

2.3 組合涂層技術

1) 內層包覆玻璃鋼。玻璃鋼由環氧樹脂、環氧固化劑及玻璃纖維布組成，密度約1.5 g/cm3，施工工藝為手工涂刷，總厚度2～3 mm。

2) 中間層噴涂聚脲彈性體。利用壓力將聚氨酯原料(分A、B組分)由計量泵輸送至噴槍，經快速混合后，噴至物體表面成型，涂層厚度2～3 mm。

3) 外層噴涂水下專用油漆。選用環氧通用底漆(灰色)，聚氨酯面漆(白色)作為主體涂料；選用環氧通用底漆(灰色)，聚氨酯面漆(藍色)作為端部涂料，端部噴涂寬度100 mm，總漆膜厚度150 μm。

3 試驗研究

3.1 強度試驗

按圖2安裝浮筒，逐級緩慢加壓，升至12.5 MPa壓力，保壓24 h，以不低于5 min的間隔記錄拉力傳感器讀數和溫度，在試驗前和試驗后分別對浮筒稱重。

圖2 試驗方案

試驗前浮筒空氣中質量M1=1 559.54 kg，浮筒完全沒入水池時稱重器稱出質量M2=1 545.5 kg；試驗后浮筒完全沒入水池，稱重器稱出質量M3=1 526 kg，浮筒空氣中的質量M4=1 568.29 kg。高壓艙裝滿水，穩壓期初拉力傳感器讀數F1=19.42 kN，降壓后拉力傳感器讀數F2=19.17 kN。取水的密度ρ水=1.0 g/cm3，海水的密度ρ海水=1.025 g/cm3。

1) 試壓前的體積V前

2) 試壓后的體積V后

3) 吸水率S1

4) 浮力損失率S2

5) 體積損失率S3

6) 單個浮筒浮力F單

F單=F2=19.17kN

7) 實際浮力系數K

試驗后，浮筒表面無裂紋、凹陷、表面破損等可見缺陷，滿足API 16F要求。總浮力損失不超過5%，吸水率不超過1%，浮力系數滿足要求。

3.2 碰撞對比試驗

國產浮筒產品樣塊A1、A2和進口浮筒產品樣塊B1、B2，要求A樣塊和B樣塊應等面積等體積，通過天車電磁吸盤提升配重，調節下落高度和配重塊質量進行碰撞試驗。 國內外浮筒樣塊如圖3～4所示。

圖3 國產浮筒樣塊

圖4 進口浮筒樣塊

進口浮筒樣塊承受100 kg配重塊，從0.5 m高度下落，表面涂層破損明顯；進口浮筒樣塊承受100 kg配重塊，從0.7 m高度下落，樣塊破裂失效；國產浮筒樣塊承受600 kg配重塊，從0.7 m高度下落，樣塊破裂并失效，而表面涂層仍然沒有破壞痕跡，試驗表明國產浮筒抗沖擊性能達到國際先進水平。

4 產品特點

1) 單根浮筒由兩塊半圓柱體結構組成，內側形狀與隔水管外徑、輔管及卡箍等間隙配合，外側使用不銹鋼螺栓連接，拆裝方便，優于由多塊浮體組成的浮筒或由卡夫拉綁帶連接的浮筒。

2) 內部芯材選用由空心玻璃微珠、環氧增強樹脂配比的復合泡沫材料[7]，具有強度高，密度低，吸水率低的特點，并且可加工性好，破損后能夠粘接修補，維護方便。

3) 浮筒上下外圓設計了寬度50 mm的平面，方便搬運和儲存。

4) 浮筒包覆玻璃鋼，提高了防磨損和抗沖擊能力，增強對內部浮力材料的保護，延長了浮筒的使用壽命，降低使用成本

5) 與國外同類型產品相比，外層多噴涂一層聚脲彈性體，進一步增強防水、耐磨和抗沖擊能力。

6) 最外層噴涂水下防腐油漆，能夠提高浮筒防腐性能和美觀。

7) 內部芯材加入阻燃材料，阻燃性能優于國外同類型產品，增強安全性能。

5 研究建議

隨著海洋油氣資源勘探開發逐漸由淺海移向深海[8-9]，浮筒作為隔水管系統配套設備，將越來越重要，對今后研究方向提出以下建議。

1) 加大力度開展浮筒主體材料性能的攻關研究，開發更多種類低密度、高強度、低吸水率、高阻燃性和良好加工性能的復合泡沫材料。

2) 借鑒國內外制造經驗，按照產、學、研三者有機結合的方式[10]，開展浮筒主體材料胚料制造多樣性研究，例如使用大模具一體擠壓成型制造技術。

3) 研究并試制更多系列浮筒產品，以滿足不同環境、不同海域和不同船型的作業要求，提高隔水管系統的配套能力。

4) 進行破損浮筒修復技術研究，提高產品維護性能和使用壽命。

6 結論

1) 研制的DR-E60FF型海洋鉆井隔水管浮筒經過廠內試驗，表明其性能好，能夠完全滿足海洋環境的使用要求。

2) 該浮筒產品的研制成功，表明國內制造企業已經掌握了設計、試驗以及關鍵制造技術，開發了主體胚料模塊化成型、柔性裝夾加工、組合涂層技術等創新技術，為產品的系列化生產奠定了基礎。

3) 產品外形結構方面與國外產品還有差距，后期將通過分析計算、三維建模等方式進行結構方面的優化設計。

[1] 王定亞，李愛利.海洋鉆井隔水管系統配套技術研究[J].石油礦場機械，2010，39 (7)：12-15.

[2] 王耀鋒，王定亞，任克忍，等.海洋鉆井隔水管浮力塊配置方法[J].石油鉆探技術，2011，39 (6)：35-38.

[3] 王宴濱，高德利，房軍.浮力塊對深水鉆井隔水管安裝過程性能的影響[J].石油機械，2015，43(7)：47-50.

[4] 周媛，陳先，梁忠旭，等.固體浮力材料與深海開發技術[C]//第一屆特種化工材料技術交流會論文集.北京，2009：66-74.

[5] 許亮斌，蔣世全，姜偉，等.深水鉆井隔水管浮力塊配置方法研究[J].中國海上油氣.2009，21 (1)：51-54.

[6] 梁忠旭，陳先，周媛，等.海洋鉆井隔水管浮筒的國產化研究[C]//全國復雜地質油氣田勘探開發與鉆采工藝新技術交流研討會.西寧，2010：15-19.

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[8] 王定亞，朱安達.海洋石油裝備現狀分析與國產化發展方向[J].石油機械，2014，42(3)：33-37.

[9] 蘭洪波，張玉霖，菅志軍，等.深水鉆井隔水管的應用及發展趨勢[J].石油礦場機械，2008，37(3)：96-98.

[10] 王進全，王定亞.國外海洋鉆井隔水管與國產化研究建議[J].石油機械，2009，37(9)：147-150.

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《石油礦場機械》雜志社

Development and Experimental Study on the DR-E60FF Marine Drilling Riser Buoyancy

WANG Hongchuan1，HUANG Jie1，ZHAO Tao1，ZHANG Liwen1，2，JIA Junliang1，LUO Zhen1，2，SUN Bo1

(1．BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2．NationalEngineeringResearchCenterforOilandGasDrillingEquipment，Baoji721002，China)

A marine drilling riser buoyancy was developed to apply in 1000-meter.The design consideration was carefully analyzed to develop the innovation of buoyancy modular body sheet metal forming，flexible clamping processing technology，and key technology such as composite coating technology.And strength test and impact test results show that the development of the buoyancy meets the demand of rated the depth of the water pressure，bibulous rate and buoyancy factor meet the design requirements，impact resistance and wear resistance is superior to the same level of foreign products.Nationalization of the buoyancy product has high strength，low density，low bibulous rate，good anti-corrosion performance，and a better product performance，which filled up the domestic gap in this field，has broad application prospect in the market.Some suggestions were put forward for the further development of the buoy research，and the experience was summarized in product development and market prospect of application.

drilling riser；buoyancy；buoyant force；bibulous rate；impact resistance

1001-3482(2017)01-0067-04

2016-08-16

王洪川(1987-)，男，工程師，2010年畢業于西南石油大學機械工程及自動化專業，現從事石油機械裝備研究工作，E-mail：whc_bomco@163.com。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.016