自升式鉆井平臺套管張緊器技術創新研究

張大偉 王可竹

摘 要：鉆井平臺套管張緊器由張緊器支撐平臺、張緊器固定底座、支撐油缸和控制系統等構成、張緊器支撐平臺與船體通過銷軸耳板相連，起到支撐張緊器的作用；張緊器底座為焊接式結構，主要承載油缸反作用力，其中心為一通孔結構，可通過隔水套管。8個支撐油缸安裝在底座的底板上，油缸的活塞桿上部通過卡瓦將力傳遞到隔水套管上，對隔水套管起到支撐作用；蓄能器與液缸相連，具有存儲能量和減小沖擊的作用。正常工作時，隔水套管通過張緊器中心的通孔通向海底，其上部與卡瓦固結，靠支撐油缸對其支撐，然后通過增加蓄能器的壓力使活塞桿伸出并達到隔水套管設定的張力。當海浪或海流作用于隔水套管，迫使套管彎曲變形時，其縱向長度縮短，此時油缸活塞桿縮回，可補償隔水套管縱向距離的變化，并給隔水套管提供持續的頂部張力，改善了隔水套管的受力狀況，延長了其使用壽命。

關鍵詞：鉆井平臺；套管張緊器；蓄能器

中圖分類號：TE951 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）18-0047-03

Abstract： The casing tensioner of drilling platform consists of tensioner supporting platform， tensioner fixing base， supporting oil cylinder and control system. The tensioner support platform is connected with the hull through the pin shaft and ear plate， which plays the role of supporting the tensioner； the tensioner base is a welding structure， which mainly carries the reaction force of the oil cylinder， and the center of the tensioner is a through hole structure， which can pass through the water-proof casing. Eight supporting oil cylinders are installed on the base plate of the base， the upper piston rod of the oil cylinder transfers the force to the water-proof casing through the slips， which plays a supporting role on the water-proof casing； the accumulator is connected with the liquid cylinder and has the function of storing energy and reducing the impact. In normal operation， the riser leads to the seabed through a through hole in the center of the tensioner， the upper part of which is consolidated with the kava， supported by the supporting oil cylinder， and then the piston rod is extended and the tension set by the riser is reached by increasing the pressure of the accumulator. When the wave or current acts on the casing to force the casing to bend and deform， the longitudinal length of the casing is shortened， and the piston rod of the cylinder retracts， which can compensate for the variation of the longitudinal distance of the riser and provide the casing with continuous top tension. The stress condition of the waterproof casing is improved and its service life is prolonged.

Keywords： drilling platform； casing tensioner； accumulator

1 概述

目前，全球自升式鉆井平臺所裝備的套管張緊系統基本都是國外產品，核心技術被國外少數幾個知名海洋石油裝備公司掌握，例如NOV，CAMERON，由于該系統的市場價格較高，國內廠商紛紛開始研發國產設備，以替代進口，國產化是今后的發展趨勢。我們研發的套管張緊系統進行了多項創新，對于該領域的技術進步具有積極的推動作用，設備操作的可靠性提高，滑板收納箱導向結構進行了改進，把原來滑塊材料尼龍改為高強度自潤滑銅塊，即便是滑板收納箱的油缸驅動鎖銷出現多次誤動作，頂撞滑板收納箱，都不會使滑板收納箱產生位移；操作區域安全性提高：系統中滑板表面采用鋪設防滑沙進行防滑，即便滑板表面有油污，也不會使操作人員有滑倒風險，現有國內外同類設備滑板表面采用的是花紋板防滑，一旦花紋板表面有油污，操作人員仍然會滑倒；環保性能提高，系統中凡是與外接設備連接的液壓端口，均采用了液壓快速接頭連接，有效防止了液壓端口拆裝過程中可能發生的油品滴漏；系統中凡是不能觀察到區域，液壓管線均采用沒有轉換接頭的硬管布置，降低了液壓管線泄漏對環境的污染風險。

2 國內外技術發展現狀

目前，全球自升式鉆井平臺所裝備的套管張緊系統基本都是國外產品，核心技術被國外少數幾個知名海洋石油裝備公司掌握，例如NOV，CAMERON，由于該系統的市場價格較高，國內廠商紛紛開始研發國產設備，以替代進口，國產化是今后的發展趨勢。

實現套管張緊器的張緊，有單體套管張緊器和具備套管張緊器移動功能的套管張緊系統，而套管張緊系統屬于相對先進的設備，已經被船東廣泛接受，有著很好的市場前景。

套管張緊系統由套管張緊器（簡稱CTU），安裝CTU的框架（簡稱CTP），可以移動的滑板系統，二次張緊（簡稱STU），液壓動力站，蓄能器等部件組成，給隔水套管施加張緊力通過CTU和STU實現，CTU由可以移動的滑板系統驅動，在CTP內任何位置進行定位，滿足鉆井過程中不同井位要求。我們通過對在建鉆井平臺項目套管張緊系統了解和研究，發現該系統在使用方面還存在一些不夠完善的地方，有著較大的技術提升空間，例如在可靠性、安全性、使用效率、環保，以及降低成本方面，因此我們決定研發該系統，通過創新，形成具有自主知識產權的套管張緊系統，使我們掌握該系統的設計、制造、調試的能力，增加新的利潤增長點。

3 主要技術經濟指標

技術指標：垂直承載能力：272T

水平承載能力：35T

二次張緊力：136T

液壓系統壓力：207bar

張緊器最大移動距離：±4572mm

環境溫度：-20℃～50℃。

設計壽命：25年。

4 現有套管張緊器裝置存在問題

現有國、內外的套管張緊系統在使用方面還存在一些不完善的地方，主要體現如下幾個方面：

4.1 使用的可靠性存在缺陷：滑板收納箱的滑移結構中滑塊，使用的是尼龍材料，在滑板收納箱定位過程中，定位鎖銷如果出現誤動作撞擊滑板收納箱，經過幾次撞擊后，尼龍滑塊就會變形，從而整個滑板收納箱移位，不能正常工作。

4.2 使用的安全性存在缺陷：國內外該系統滑板表面防滑采用的是花紋板防滑，但是花紋板表面一旦有油污，操作人員在上面行走是不能防滑的，存在安全隱患。

4.3 系統環保性存在不足：國內外該系統的液壓外接端口多采用普通接頭，拆卸這些接頭就會有油污灑落，給平臺或海洋造成污染；系統中有很多液壓管線，有些管線是隱藏在系統中不可見區域，管線中的接頭一旦出現泄漏，也會污染環境。

5 新的技術方案

本項目研發，我們借鑒了以往鉆井平臺的套管張緊系統，對其技術方案進行了優化，形成了以下具體方案：整個套管張緊系統由套管張緊器（簡稱CTU）、框架（簡稱CTP）、滑板系統、二次張緊系統（簡稱STU），蓄能器組成，主張緊由CTU實現，次級張緊由STU實現，CTU位置移動由滑板系統實現，CTU和STU在壓力建立后連接蓄能器，實現系統自動補償功能。

5.1 對于現有系統存在問題和缺陷進行了改進設計，具體如下：

5.2 該系統設備操作的可靠性提高：滑板收納箱導向結構進行了改進，把原來滑塊材料尼龍改為高強度自潤滑銅塊，即便是滑板收納箱的油缸驅動鎖銷出現多次誤動作，頂撞滑板收納箱，都不會使滑板收納箱產生位移。

5.3 該系統操作區域安全性提高：系統中滑板表面采用鋪設防滑沙進行防滑，即便滑板表面有油污，也不會使操作人員有滑到風險。

5.4 完善系統的環保性能：系統外接液壓端口全部采用了快速接頭的連接方式，設備拆裝、維護需要斷開液壓源時，可以確保沒有油品撒落。另外，凡是不能觀察到的區域，將液壓管線均采用沒有接頭的硬管布置，降低了液壓管線接頭泄漏對環境污染的風險。

6 實施效果

6.1 我們完成了套管張緊系統的機械、電氣、液壓、氣壓的設計圖紙，進行了結構的ANSYS軟件力學分析計算，建立了三維模型，編制了相關技術文件，進行了工藝設計、工裝設計，編制了相關的工藝文件，具備了該系統的設計能力和制造條件。

6.2 本項目的研發沒有制造樣機，是依托于在建的自升式鉆井平臺項目套管張緊系統返包制造過程進行，項目組全程參與，上文提到的技術方案第2、3、4項已經實施，體現在了振海5號套管張緊系統制造裝配中，改進方案的有效性得到驗證。

6.3 鉆井平臺項目的套管張緊系統FAT順利完成，得到用戶認可。

7 主要技術創新點

創新技術思路：套管張緊系統研發過程中的創新，體現在系統使用的可靠性、安全性，以及效率；體現在系統使用中兼顧環保，減少或避免對環境造成污；體現在降低整個系統成本。

集成創新和引進消化吸收再創新：

7.1 滑板收納箱導向結構改進創新，現有結構中導向滑塊材料使用的是尼龍，安裝是從內側將緊固螺栓伸出到導軌外側用螺母緊固，但是在實際調試中，由于滑板收納箱的油缸驅動鎖銷誤動作，會沖擊滑板收納箱，鎖銷多次沖擊滑板收納箱后，造成尼龍的螺栓安裝孔變形，使得整個滑板收納箱產生不規則位移，而杜絕鎖銷誤動作難度很大?；诖耍覀冞M行了改進設計，首先將結構中導向滑塊材料改為自潤滑銅塊，表面硬度提高，即便是受到多次沖擊滑塊螺釘孔也不會變形，其次將滑塊安裝方式改為從外側用螺釘緊固滑塊，如果需要更換滑塊，只需要將螺釘松掉，滑塊就可以拆下，原來結構如果更換，需要把整套滑板收納箱、提升油缸、鎖銷及油缸都要拆掉，費工費時。改進后經過試驗，即便鎖銷誤多次動作，整個滑板收納箱也不會位移了，設備使用的可靠性得到提升。

7.2 該系統的滑板鋪設在CTP底梁上，當CTU需要維護時，維護人員要在上面行走，目前國內外該類設備滑板都是采用花紋板進行防滑，實際上花紋板表面一旦有油污是不能防滑的，我們進行了改進設計，采用鋪防滑沙，這樣即使表面有油污或水都會有效防滑，經過驗證效果明顯好于花紋板，設備維護人員操作區域的安全性提高。

7.3 套管張緊系統的環境保護措施：國內外該系統的液壓外接端口多采用普通接頭，拆卸這些接頭就會有油污灑落，給平臺或海洋造成污染；系統中有很多液壓管線，有些管線是隱藏在系統不可見區域，管線中的接頭一旦出現泄漏，也會污染環境。我們將該系統外接液壓端口全部采用了快速接頭的連接方式，設備拆裝、維護需要斷開液壓源時，除了可以快速斷開液壓源，還可以確保沒有油品撒落。另外，凡是不能觀察到的區域，我們將液壓管線均采用沒有接頭的硬管布置，降低了液壓管線接頭泄漏對環境污染的風險。

7.4 液壓設計方面創新，現有設計對同一側的滑板收納箱的兩個提升油缸同步性，采用的是進油口布置在兩個提升油缸中間位置實現，但是實際情況是同步性可靠性達不高，我們更改設計，在此基礎上每個油缸都增加配備流量控制閥，同步性達到了95%。

7.5 套管張緊系統結構的加工工藝創新體現在兩個方面：

（1）系統中加工難點是長方形框架結構，尺寸14x6x6米，整體加工剛性差，加工時在框架兩側面內部分別焊接上人字工藝支撐，底平面加裝水平支撐，解決了框架加工中結構振動及結構件加工變形的問題，確保了加工精度。

（2）CTU框架是兩個對稱結構，通過連接粱組合成一個整體，對稱度要求極高，焊接和加工精度很難保證，加工時將兩個構件通過工裝梁連接在一起焊接，加工CTU框架定位孔系時，采用整體加工方式，各個定位孔之間精度得到保證，確保了整體安裝精度。

8 結束語

我們研發的套管張緊系統不僅為公司拓寬了產品種類，帶來了新的利潤增長點，而且也會帶來很好的社會效益，主要體現在：

8.1 本系統研發充分利用了公司現有資源，譬如現有設備條件、場地條件、人員條件，沒有形成新的投資，節省了成本。

8.2 該系統在研發之初，就對系統今后的生產制造、調試使用，以及運輸對環境的不利影響進行了考評，對于有可能產生污染進行了改進設計，確保系統形成產品后，不會產生環境污染。

8.3 該系統研發成功為公司帶來新的利潤增長點，可以增加就業，增加職工收入，間接提升社會幸福指數。

8.4 該系統研發成功，培養鍛煉了一批海工人才，為公司和國家海工發展戰略實施提供了人才儲備。

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