K型套裝井架結構建造精度與配合公差分析

關雙會，周洪軍， 陳 俊， 趙 暕， 于 雷，張 超

(1.中海油服油田生產事業部 鉆修井作業公司，天津 300452；2.西南石油大學 經濟管理學院，成都 610500；3.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)

為便于運輸以及海上安裝，海上石油平臺修井機及海洋修井機，總體結構形式基本為模塊化模式[1-3]。由于結構的模塊化，所有結構模塊的建造精度要求大幅度提高。此外，由于海洋修井機的使用和維護的特殊性，很多結構性部件存在相對運動配合的要求，例如整機滑移、上下底座相對位置滑移、井架起升、井架上下體伸縮等，需要更高等級的精度才能保證。由于海洋修井機結構部件劃分多，組裝層次多，由陸地建造、預組裝到海上平臺組裝、調試、投運的步驟多，如果修井機關鍵部件的建造精度等級不夠，會導致海洋修井機出現無法裝配、滑移卡阻、結構嵌頓、結構部件損傷、井口無法對中等問題，使修井機不能滿足作業要求。因此，海上石油平臺修井機的建造及海上安裝需要統一的、細節性突出的、適用性強的專業產品建造精度標準。修井機井架總成結構部件的建造精度等級應高于其它普通結構件，低于機械加工精度標準。但在大多數標準和規范中，相關要求體現不足。

1 井架總成結構建造精度不足產生問題

海洋修井機井架總成通常為兩節套裝結構，井架總成整體可實現水平和直立2種狀態，以實現修井機避讓、維修等功能；井架總成上節和下節之間相對滑移是為了實現作業高度要求。海洋修井機中需要實現相對位置移動功能的部件還有許多，這無疑提高了海洋修井機建造精度的等級要求。更高等級的建造精度才能滿足其特殊的工作要求。

1.1 就位嵌頓

以某平臺海洋修井機為例，在實施井架縮回作業時，井架伸縮液壓油缸泄壓后，井架上體無回落動作。檢查后發現井架上體未落至承載銷結構上，即井架上體與承載銷未能有效結合，如圖1所示。井架上下體間出現卡頓情況，使得井架上體不能有效落至承載機構上，使井架下體接觸部位結構的局部強度不足。由于位置處于高位，且較為隱蔽，極不容易察覺。上體未坐實在承載機構上，進行各種帶載作業，給人員及設備造成極大的作業隱患和風險；極易由于井架局部結構應力值超標而變形彎曲，造成井架整體坍塌。

圖1 井架上體未有效坐在承載銷結構上

1.2 伸縮卡阻

某平臺海洋修井機在進行井架上體下放操作中，出現上體卡阻問題，造成導向板局部嚴重變形受損，導致井架伸縮操作無法實現，影響修井設備正常使用。如圖2所示。

現場檢查發現，導向板變形情況非常嚴重。井架上節已不能由井架伸縮液壓油缸正常頂起，由于作業時井架上節未能有效坐實在承載銷上，作業時所施加的鉤載使得井架上節與井架下節之間出現了線接觸，甚至于點接觸情況。受載后上下體之間接的接觸點出現了變形后的負尺寸配合，所以接合的非常牢固。后采取了施加外力的措施，將井架上節抬升至正常位置。由于上、下體間隙過大，在井架上體伸縮操作的過程中，上體總是處于傾斜狀態，位置越接近滑道板頂部末端時，傾斜情況越嚴重，井架下體的間隙精度無法控制井架上節的過量傾斜。

圖2 井架上體下放卡阻

實際上，井架上節傾斜過量的問題，在海上平臺在役海洋修井機中多有存在。兩節套裝結構的井架總成在操作過程中極易出現卡阻和嵌頓，使井架上體懸停在半空中上不去和下不來。此時井架伸縮液壓油缸由于彎曲，變形嚴重，已無法正常使用。在海上平臺現場，這樣的故障通常都需要花很大的精力，才能把問題暫時處理掉。但傾斜過量的問題卻時刻會重新導致這樣的問題再次出現。這通常又會導致另外一個問題出現，那就是作業完成后，由于擔心故障的出現，經常(或長時間)是不把應當縮回的井架上體縮回。這給相關系統的設備維護保養和設備檢查造成極大不便，由于長期無相關操作和維護，導致損壞和失效。

1.3 井口對中

海洋修井機井架結構建造精度標準的高低，對作業產生的直接不良影響是井口對中無法實現。鉆修井作業過程中，需要大鉤中心、轉盤中心、井口蓋中心以及采油樹四通法蘭中心四點一線，以保證管柱上下順暢游動，無卡阻和碰撞。大多數在役的海洋修井機經歷過一段時間后，對中問題就會突顯。井口對中的影響因素主要包括以下幾點：

1) 井架總成結構上節偏斜過量。

2) 鉆臺滑移導軌形位公差超標，精度等級不足。

3) 生產甲板滑移導軌形位公差精度等級不足。

4) 修井機底座整體剛度不夠，建造公差等級不足。

5) 修井機底座結構及設備安裝精度等級不足。

6) 組塊(含導管架)整體沉降不一致，造成生產甲板導軌承載梁扭曲[4]。

7) 組塊(含導管架)整體沉降時，生產甲板面整體傾斜。

8) 井口裝置理論位置與實際位置偏移過大。

9) 海洋石油生產平臺井口均為叢式井，在同一井口區內分布有30～50個井口。其下部井口裝置安裝位置偏差不一，提高了對修井機井口對中能力的要求。

綜合考慮上述影響因素，以及對四點一線對中影響的大小，井架總成結構的影響可謂“位高權重”。井架總成系統設計中是自帶一定的糾偏功能的，即對井架底部四支點增減墊片，實現偏斜調整[5]。但是這種方法只限在一定范圍內可行，過多則會影響井架總成的整體穩定性和結構強度。海洋修井機對中時出現的問題如圖3所示。

海洋修井機結構整體精度等級不足所導致的井口對中不能實現，通常出現在海上生產作業過程中，已經成為不能被忽視的問題。提升井架總成結構建造及裝配精度等級是最可行的方法。

圖3 海上平臺修井機井口對中偏差

2 井架總成結構建造與裝配精度需求分析

海洋修井機井架總成結構建造需要更高等級的精度標準[6-13]，才能更有效地滿足海洋平臺生產作業環境對裝備的使用要求。針對現行海洋修井機設計制造數據統計分析，以及相關國家標準、國際標準、企業標準、行業標準，對井架總成結構建造精度的精確需求，以及制造現狀進行研究和分析。

2.1 井架結構精度對井口對中影響分析

海洋修井機井架總成結構通常為兩節套裝輕便井架，作業工況時，井架起升后，井架上節伸出井架下節一定距離，達到作業高度后，坐于承載銷上。整個作業過程中井架是無繃繩系統來糾偏和防傾的。井架上節與井架下節之間有一段重合段，用以控制井架上節四個水平方向上的自由度。井架上節的偏移與傾斜量則完全取決于井架結構建造及裝配精度等級。海洋修井機井架總成如圖4所示?，F有在役各型號海洋修井機井架主體結構組成部分設計建造尺寸數據統計如表1。

根據表1數據，查閱當前現行海洋修井機裝備相關企業標準、行業標準、國家標準，井架上、下體結構建造精度要求及裝配精度分別如表2～3。

依據上述標準建造精度等級要求，對現行設計井架總成工作狀態(上節伸出下節到設計工作高度)的井架上節傾斜及中心偏移情況模擬分析如圖5～7所示。井架上體傾斜在井架寬度和高度兩個方向上導致的整體綜合對中偏差模擬結果數據如表4所

示。模擬分析中，將井架上體與井架下體的重合段尺寸由2 500 mm減小至1 500 mm時，通過對比圖5和圖7所示數據，可以發現井架上、下體的重合段尺寸公差對井架作業對中影響還是比較明顯的。由模擬圖可以看出，增加井架上、下體重合段尺寸，將更有利于井架對中偏差的減小。

表4中引起轉盤對中偏移量計算式為：

式中：ΔS為井架對中綜合偏差值；ΔSW為井架橫截面寬度方向(W向)偏差值；ΔSH為井架橫截面高度方向(H向)偏差值。

根據表4的計算數據，現有的結構件制造公差等級所引起的傾斜偏差過大。不能滿足井架對中同軸度≤20 mm的偏差要求。

在井架重合段同一截面立柱前后(或左右)側間隙之和不應大于8 mm的情況下，由圖5～6的數據計算ΔS。

可知，此時的偏差值也遠大于井架轉盤對中的標準值。

由圖5～6的模擬圖，可以近似推算出每當精度公差增加1 mm，在重合段為2 500 mm的情況下，井架出現的可能傾斜偏差為5.85 mm。由此可知，井架上下體建造精度公差應控制在2.5 mm以內。

因此，在井架結構建造精度工藝要求中，應當具體明確地指出適用的精度等級要求。

1—井架下體；2—井架上體；3—天車總成；4—二層臺；5—座。

表2 兩節伸縮套裝井架上下體結構建造公差精度等級選擇值 mm

表3 兩節伸縮套裝井架上下體裝配間隙

2.2 現行焊接結構建造精度標準適用性

海洋修井機井架、上底座、下底座、甲板導軌以及組塊導軌承載梁等結構設施組合后，構成作業裝備支撐框架，除提供必要的結構強度外，還需要滿足各項功能性要求,例如井口對中功能就是關鍵一項。井口對中功能中，上述結構設施都會產生一定大小的影響，而對于井架結構的精度影響最大。所以，海洋修井機設施結構建造精度以一般的現行焊接結構標準來執行顯然是不夠的，尤其井架結構的制造精度更是如此。

2.3 井架總成結構建造精度

修井機井口對中、井架總成的起放(由水平狀態變為垂直狀態)，井架伸縮(井架上節由下節內部伸出，以增加井架的高度)等，這些功能的實現，需要井架總成結構具備更高標準的建造及裝配精度，才能順利實現相關功能，不然就會出現卡阻、卡位,無法實現對中作業等情況，從而影響使用。

通過上述分析可知，現行的一些相關標準規范，就井架總成結構的需求而言，不具備針對性，適用性不強。

井架總成結構的建造精度準則，需要建立在井架下體和井架下體配合公差要求之上。

2.4 井架結構總成配合精度

研究分析現有文獻后發現，有關要求和描述都過于泛泛，裝配的精度的控制完全取決于制造商，而通過模擬分析顯示情況可知，相關精度控制并不樂觀。也即相關的配合精度控制并沒有引起行業或業界的足夠重視。

圖5 2 500 mm重合段下各等級精度公差組合情況下對中傾斜偏差模擬-W向

圖6 2 500 mm重合段下各等級精度公差組合情況下對中傾斜偏差模擬-H向

圖7 1 500 mm重合段下各等級精度公差組合情況下對中傾斜偏差模擬-W向

表4 現行不同等級精度的兩節伸縮套裝井架上下體對中偏差數值(2 500 mm)

3 海洋修井機兩節套裝井架總成結構建造精度標準

3.1 井架結構精度

井架總成的制造精度要求相對于修井機底座等其它結構部件來說，其建造精度有著更高的要求，其加工制造精度要求介于機械部件與結構設施之間。由于井架結構的復雜性，其主體結構多為型材組焊而成，不能實現機械加工以提高精度。但其建造精度要求接近機加工部件，才能更好地滿足井架的各項功能要求。海洋修井機井架結構建造精度等級要求如下：

1) 兩節伸縮套裝式井架，上下體重合段立柱同一截面綜合間隙應2.5 mm。

2) 明確井架上下體結構各分段組焊后的尺寸公差和形位公差值應滿足表5公差等級要求。

3.2 裝配精度

井架上、下體裝配精度的等級高低，對井架后期的操作和功能實現影響很明顯。因此，裝配公差的精度約束是重要的質量控制因素。

井架總成上下體總段結構建造精度公差要求如表6。

表5 兩節伸縮套裝井架上下體結構建造公差精度等級 mm

表6 兩節伸縮套裝井架總成上下體建造裝配公差 mm

4 結語

海洋修井機是海洋石油鉆修井工程裝備與設施的重要組成部分[14-16]，為石油生產提供必要的保障和支撐平臺。裝備制造質量的優劣與精細化程度直接影響裝備完好性。裝備制造細節的完善與提升和改進，將會有效去除裝備應用中不足和出現問題的頻度。