自升式鉆井平臺樁腿半圓板壓制工藝研究

張曜

（韶關市中機重工股份有限公司，廣東 韶關 512000）

隨著人類對油氣資源開發利用的深化，油氣勘探開發從陸地延伸到海洋。因此，鉆井工程作業也必須在浩瀚的海洋中進行。在海上進行油氣鉆井施工時，幾百噸重的鉆機要有足夠的支撐和放置的空間，同時還要有鉆井人員生活居住的地方，海上石油鉆井平臺就擔負起了這一重任。自升式鉆井平臺，又稱為樁腳式鉆井平臺，是目前國內外應用最為廣泛的鉆井平臺。自升式鉆井平臺可分為3 大部分：船體、樁腳和升降機構。隨著海洋石油開發需求的進一步增長，自升式鉆井平臺可以在滿足經濟性的前提下，向更深水域發展。

鉆井平臺所用的樁腿由于服役環境惡劣，特別是樁腿舷管舷管半圓板半圓板形狀復雜、要求低溫環境下有高強度、高韌性，并要求有良好的焊接性能，又因國外對我國實施技術封鎖，致使樁腿舷管半圓板長時間未能實現國產化。經過多年的潛心研究開發，韶關中機重工股份有限公司利用鋼板壓制樁腿舷管用半圓板，并通過了CCS、ABS 的認證，實現了批量生產。

1 原材料的選用及質量控制

壓制樁腿舷管用半圓板要求在-40℃時具有良好的強度及韌性，要求有良好的焊接性能，同時要求半圓板壁厚均勻。根據實際工況要求，我們選用了ASTM A154-F 熱軋鋼板。為了滿足產品最終使用性能要求，對半圓板用原材料質量進行控制。

表1 A514-F 原料鋼板分析結果

1.1 化學成份

根據該鋼種所使用的工況環境及性能要求，重點考慮在低溫條件下（-40℃、-60℃）的強度和沖擊韌性，材料在海水中的耐腐蝕性、焊接性能以及良好的機加工性能，最終確定化學成分范圍，并對原料鋼板成分進行入廠檢驗，見表1。

表 中，N ≤60ppm，H ≤3ppm，O ≤25ppm,Cu ≤0.25,CEV ≤0.75

為確保半圓板的加工工藝要求及在惡劣工況下性能要求，結合制造成本考慮，我們特意將材料中Ni、Mo 元素含量控制在中上線，將P、S、H、O 等五害元素的含量控制在最低水平，同時加入適量的有利于細化晶粒的元素V、Al。

1.2 低倍組織檢查

原材料鋼板入廠后，除進行化學成分檢查外，還需要進行低倍組織檢查。在鋼板橫截面酸浸低倍組織試片上，不得有目視可見的白點、縮孔殘余、分層、裂紋、夾雜、翻皮和皮下氣泡等缺陷，允許存在不大于2.0 級的中心疏松。

1.3 表面質量和尺寸

對入廠鋼板表面進行檢查，應保證其不得有夾雜、結疤及表面裂紋等缺陷，同時測量鋼板尺寸，尺寸應滿足半圓板倍尺要求。對于表面存在的輕微裂紋進行修磨處理，修磨深度應不大于2mm，并保證修模順滑。

2 半圓板生產工藝設定

為保證半圓板壁厚的均勻一致，我們采用鋼板壓制工藝。但采用鋼板熱壓制工藝生產的半圓板，在加熱調質后半圓板舷寬大小不一致、半圓板彎曲度很大，后工序校直十分空難，因此，國外生產的半圓板長度一般小于4000mm，在樁腿焊接時進行拼接。我們通過多次試制總結，并對壓制模具優化設計，采用“中溫壓制成型工藝”，生產的半圓板尺寸一致，直線度好，大大降低了校直難度，可以生產7000mm 以上半圓板，大大提高了半圓板生產及樁腿焊接效率，同時大大提高了材料利用率。半圓板壓制工藝流程如下：

鋼板入廠檢驗—鋼板熱切割—鋼板打磨—鋼板調質—加熱壓制—去應力回火—取樣檢查—表面噴砂—超聲波檢查—銑坡口—成品檢查。

3 半圓板壓制生產過程中的控制要點

3.1 壓制模具設計

用鋼板在中溫（500 ～600℃）條件下壓制半圓板，工藝難點是如何保證壓制后半圓板弧度、舷寬滿足要求。壓制模具是保證半圓板最終形狀的重要因素，因此，設計合理上下模具的形狀及配合尺寸是能否壓制出合格半圓板的前提。

3.2 熱處理工藝設計

在確定原材料成分后，設計合適的熱處理工藝是保證半圓板最終性能合格的唯一途徑。中溫壓制是在鋼板先調質的基礎上進行的，壓制時鋼板產生塑形變形，影響調質鋼板性能。因此，在設計鋼板調質工藝時，應充分考慮后續熱加工對性能的影響。

3.3 半圓板性能的一致性

鋼板調質及壓制加熱使用臺車時電阻爐，屬于分區控制溫度。為保證半圓板各部位性能的一致性，采用高精度PLC溫控模塊，且對臺車爐進行爐溫均勻性檢測，確保各區爐溫偏差≤6℃。

3.4 壓制加熱溫度設定

采用中溫壓制時，加熱溫度不僅對半圓板曲率影響很大，而且對半圓板壓制出模后的彈性反彈量影響很大，因此，選擇合適的加熱溫度是半圓板制造工藝能否成功的關鍵要點。

4 實物質量檢驗

我們本次生產的是CJ46型自升式鉆井平臺樁腿半圓板，尺 寸 規 格 有Ф520mm×25mm×7299mm、Ф520mm×28mm×7299mm 兩種,半圓板截面尺寸見圖1。按照客戶《CJ46 型自升式鉆井平臺樁腿主舷管半圓板壓制加工技術協議》、《適用于焊接的高屈服強度淬火加回火合金鋼板》及ABS 船級社相關規范和推薦標準對半圓板進行檢測評定。檢測項目包括幾何尺寸、力學性能、超聲波探傷、表面質量、磁粉探傷等。

4.1 幾何尺寸

經過對20 件成品半圓板的尺寸檢查，半圓板外圓弧與R260 的標準樣板比較，最大間隙小于1.5mm，舷寬尺寸為491±2mm，完全滿足技術協議要求。半圓板A、B、C 三條母線的彎曲度小于3mm(測量方法：在半圓板兩端頭墊10mm 等高塊，為此等高塊為支點拉緊鋼絲線，保證鋼絲線與半圓板母線平行，每間隔500mm 測量鋼絲線到半圓板表面的距離,所有測量數據中最大與最小的差值即為直線度)，彎曲度完全滿足技術協議要求。

4.2 力學性能

在半圓板厚度中心沿縱向取樣，如圖1 所示。拉力性能試驗采用標準圓形試樣，試樣直徑為Ф12.5mm，標距為50mm，在室溫下進行拉伸測試；沖擊試驗采用10×10×50mm試樣，開標準V 型缺口，在-40℃保溫5min 后測試。力學性能測試結果見表2。

圖1 半圓板截面圖

表2 力學性能

從力學性能測試結果看，屈服強度、抗拉強度、端面收縮率及硬度均保持在合理區間內，屈強比為0.88 左右，-40℃沖擊值有很大富裕空間，說明半圓板有良好的強度、韌性，半圓板有很好的質量可靠性。

4.3 超聲波探傷

根據技術協議要求，半圓板需要逐件進行100%UT 探傷檢查，按ASTM/A578 C 級驗收，對20 件成品半圓板表面探傷檢查，均沒有發現缺陷，滿足技術協議要求。

4.4 磁粉探傷

根據技術協議要求，對半圓板坡口面進行100%MT 檢查，執行標準ASTM A577，經過對20 件成品半圓板坡口檢查，沒有發現缺陷，滿足技術協議要求。

5 結語

（1）通過小批量試驗生產，充分證明采用鋼板中溫壓制工藝制造樁腿半圓板方案可行，而且生產的半圓板長度可超過8000mm，生產效率大大提高。

（2）采用鋼板中溫壓制生產的半圓板，保證了半圓板壁厚的一致性。同時因中溫壓制的半圓板直線度好，校直時變形量小，半圓板在樁腿焊接時沒有反彈變形，提高樁腿焊接效率。