解決船用低溫高等級角鋼短缺的幾種思路

劉宏亮，黨恩，劉永飛

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

0 引言

石油天然氣仍是當前的主要能源，我國陸地油氣資源勘探開發程度現已很高，油氣資源正迅速減少。海洋作為一個有巨大開發潛力的寶藏，是我國石油發展戰略的一個重點。我國擁有漫長的海岸線和廣闊的海域，油氣資源十分豐富[1]。海洋油氣資源的開發，給石油鉆井裝備制造業務板塊既帶來了發展的機遇，也帶來技術上的挑戰。2003年以來，寶石機械公司已累計生產海洋平臺模塊鉆機60多臺套，為我國海洋油氣資源的勘探開發做出了貢獻。海洋平臺模塊鉆機中井架是主要設備單元之一，角鋼是井架常用型材。海洋平臺井架工作環境的特殊性，對井架用材料提出了很高的要求，市場經常短缺無現貨，采購困難和采購周期長是普遍存在的現實問題，給海洋平臺井架的生產準備帶來較大的影響。本文提出了解決船用低溫高等級角鋼臨時短缺的幾種思路，可臨時解決非重要場合船用高等級角鋼短缺的應急，可供同行參考。

1 海洋平臺模塊鉆機井架用材特點和要求

海洋平臺模塊鉆機中井架是主要設備單元之一，相較于陸上石油開采中所使用的井架，海洋石油鉆井平臺上所使用的井架結構復雜程度更高、其對工作的可靠性要求也越高[2]。常用井架形式主要為塔形井架和套裝垂直伸縮井架。井架為鋼結構單元，是由鋼制材料組成的結構，主要由型鋼和鋼板等制成的梁鋼、鋼柱、鋼桁架等構件組成，所用鋼材主要涉及板材、型材和管材，不同井架形式用料有所不同，塔形井架用料以板材和型材為主，套裝垂直伸縮井架用料以板材和管材為主。型材是板材以外最常用材料品種，而角鋼又是井架常用型材。

井架常用型鋼的特點是品種多、規格多、用量少。比如說角鋼、鋼管有的僅需幾支，這樣給采購工作帶來很大的難度。鋼材二級市場上難以尋求，只能通過供應商在鋼廠訂貨，但起訂量一般為30～60 t，鋼廠才進行排產。采購到廠后，其他產品又用不上，造成新的庫存積壓和資金占用，在石油價格低位徘徊，整個石油行業經營困難的今天，不利于企業的提質增效。石油工程鉆機結構用鋼材的特點是用量大、品種多、規格多，這就要求用鋼材必須盡可能以國產鋼材為首選，且商品化程度高，易于求購，價格合理且易于承受[3]。由于船用角鋼不像船板易于軋制，市場上采購船用高等級角鋼比較困難。經過船級社認證的生產商少之又少，且多為低強度或低等級的CCS A、CCS B CCS AH36角鋼，像CCS DH36、CCS EH36等高強高等級的角鋼市場很少。由于特殊的工作環境，要求船用角鋼具有良好的強韌性、焊接性能及較高的外觀尺寸精度和表面質量[4]，這些特殊要求，進一步增加了采購難度和采購周期。

2 低溫高等級角鋼短缺對海洋平臺井架生產的影響

近年來，隨著海洋石油勘探開發向深水、超深水方向不斷發展，世界范圍內新鉆井平臺的建造和老鉆井平臺的改造日趨活躍[5]。根據我國能源發展的形勢和要求，為我國海洋油氣勘探開發提供新型、經濟、實用的海洋工程裝備是我國石油裝備制造業面臨的新的機遇和挑戰，也是責無旁貸的光榮任務。海洋平臺井架工作環境的特殊性，對材料提出了很高的要求，所用鋼材除應具有良好的強度和塑性外，還應具有較好的焊接性和低溫韌性。這一點對提高海洋平臺井架的可靠性和使用壽命具有重要意義，在海洋平臺鉆機研制中顯得尤為重要。

現行國家標準GB/T 706-2016[6]《熱軋型鋼》、YB1T 4562-2016[7]《船用熱軋L型鋼》更多的是對熱軋型材的尺寸、外形、質量及允許偏差等的要求，關于鋼的牌號、化學成分和力學性能則提出應符合GB/T 700、GB/T 1591、GB/T 712的有關規定。作為海洋平臺主要設備單元的井架，其結構生產的用鋼要求較高，雖然后者兩個標準中不乏高鋼級和質量等級牌號，但海洋平臺井架需要的型鋼品種多，各規格成批的需求量不大，相對于船用鋼板，高鋼級和質量等級的角鋼型材在鋼材市場經常短缺無現貨，采購困難和采購周期長是普遍存在的現實問題，給海洋平臺井架的生產準備帶來一定影響。

3 解決低溫高等級角鋼短缺的幾種方法

為解決海洋平臺井架生產急需的船用角鋼的短缺曾嘗試過各種辦法，下面幾種方法可供考慮和選擇。

3.1 自制角鋼法

3.1.1 焊接角鋼

利用同材質的船用鋼板下料后組焊成角鋼，這種焊接角鋼由于為開坡口全焊透結構，焊后變形難以通過矯形完全消除，尺寸精度不高，存在一定翹曲變形，角鋼兩肢垂直度有一定偏差。當角鋼用量不大，尺寸精度要求不高時可以采用此法以解燃眉之急。我公司曾經由于采購不到EH36船用角鋼，而采用此法焊接了100多根EH36角鋼。

3.1.2 折彎角鋼

利用同材質的船用鋼板下料后在鋼板折彎機上折彎成角鋼，這種折制的角鋼一是具有較大的圓弧角，不具有像軋制角鋼一樣的直角，外形如圖1所示。折彎角鋼折彎處厚度均勻，和同邊長的軋制角鋼相比，折彎角鋼截面面積小，抗彎和抗扭截面模量小，承載能力弱，同時，抗拉（壓）剛度、抗彎剛度和抗扭剛度小，抗拉（壓）、抗彎和抗扭變形能力都低于軋制角鋼；二是折制的角鋼翼緣沒有圓角過渡；三是折制的角鋼為了控制較小的圓弧角，折彎時刀頭壓力較大，造成彎角內側長度方向具有明顯的壓制刀痕，一般深0.2～0.5 mm，像縱貫全長的一道裂紋，如圖2所示；四是4000 mm以上較長的角鋼需要2臺折板機同時折彎，折制成的角鋼直線度和軋制角鋼相比有一定差距。所以，折彎角鋼這種方法一般不可取，除非在不重要場合使用。筆者曾在陜西捷瑞鋼結構制造工程有限責任公司利用其擁有的西安地區最大的2×800 t×6 m雙機聯動數控液壓折彎機進行了Q345D 材質10 m長140×100×14折彎角鋼試驗，正如以上所說，效果不十分理想，滿足不了精度要求，最后不得不放棄。

圖1 鋼板折彎角鋼外形

圖2 鋼板折彎角鋼內側壓痕

3.2 材料替代法

用力學性能一致或接近的執行不同標準的角鋼互相替代，如用Q345D角鋼替代CCS DH36角鋼，Q345E角鋼替代CCS EH36角鋼。

3.3 性能試驗法

利用市場易于采購到的一般質量等級的Q345B角鋼逐爐（批）號進行力學性能試驗，用其中力學性能，特別是低溫韌性好的，低溫沖擊功值滿足更高等級船用角鋼性能要求的一般角鋼來替代高等級船用角鋼使用。這種辦法費時、費力，成本較大，需在市場采購不同廠家的角鋼貨源進行超出標準要求的低溫沖擊試驗，有可能試驗了許多批角鋼貨源也難以找到滿足要求的貨源。但也有個別鋼廠生產的普通Q345B角鋼產品化學成分穩定，力學性能可靠，穩定性能好，可達到更高質量等級的性能要求，在船級社質量監造見證性能試驗并征得同意后，可用于替代CCS AH36船用角鋼。

3.4 更改結構法

當設計結構采用的船用角鋼貨源無法解決的情況下，也可以考慮變更設計結構，變角鋼為焊接H鋼，這樣由于H鋼是對稱構件，和角鋼不對稱構件相比，焊后變形小，易調校變形，且由于生產焊接H鋼所用低溫高等級鋼板市場貨源充足，相對容易生產。設計選用材料時，應選用通用且市場上易采購的材料，盡量避免或減少高質量等級鋼材和非標準規格材料的使用。

3.5 降低載荷法

在無法獲得設計溫度下具有要求韌性的合適材料的情況下，也可考慮用低溫性能一般的材料替代原設計材料，前提是必須通過結構改進降低或有效控制工作載荷的大小，不宜在滿額定載荷值下使用，這一做法在API SPEC 8C規范[8]4.2節設計條件中有提及，但可實施性不強。

3.6 特殊訂貨法

在以上辦法都還不能解決問題時，就只能尋找有能力的鋼廠技術洽談，特殊訂貨。由于一般鋼廠一種規格角鋼的最少起訂量一般為30 t，如果用量不大，或同時需要幾種規格角鋼的話，一般用戶負擔不起，且鋼廠需要準備軋制角鋼所需的特殊鋼坯，調整軋輥，往往需要一定周期，市場經濟條件下，急需貨源生產的用戶往往時間上等不起。這種情況下需要用戶多方查詢信息，看能否借助鋼材供應商訂貨之際，借機增加訂單，或聯合幾家有需求的商家，共同下訂單，以滿足鋼廠最少起訂量的要求。筆者2010年以來多次到河北某特鋼集團有限公司就船用角鋼進行技術溝通和采購船用高等級角鋼，解決了當時我公司為中海油田服務股份有限公司（COSL）200英尺自升式鉆井平臺7000 m井架生產急需的ABS AH36和迪拜300英尺自升式鉆井平臺井架所用CCS AH36 140×140×14角鋼，滿足了公司生產急需。為了減少采購規格型號，降低采購難度，有時需將用量不大，厚度、尺寸大小規格與大量使用的主規格型號統一成一種型號，通過材料代用或機械加工將大規格角鋼的肢高加工到小規格尺寸。二級鋼材市場網上船用角鋼貨源的信息很多，這些供應商往往有價無貨，也需要和鋼廠特殊訂貨，個別經銷商說有現貨，一旦用戶要現場驗貨時，卻推三阻四，用戶需要對這些信息進行核實，避免上當受騙，造成損失，影響生產進度和合同交貨期。用戶最好定期對常用船用角鋼的規格和一定時段內的不同項目的用量進行統計和評估，合并到一起實行集中訂購，庫存儲備，以備不時之需。

4 國內船用角鋼生產企業及現狀

國內一些鋼鐵企業適應市場需求，積極開發附加值高的船用型材[9-10]，目前國內一些鋼鐵企業已經取得中國船級社工廠認可證書，可生產AH36鋼級以下各規格的等邊角鋼和不等邊角鋼，如濟南黃河特鋼有限責任公司、唐山盛財鋼鐵有限公司，個別企業，如安陽鋼鐵股份有限公司、宿遷南鋼金鑫軋鋼有限公司可生產DH36和DH40鋼級以下各規格的等邊角鋼和不等邊角鋼。EH36以上等更高鋼級的船用角鋼還無通過中國船級社工廠認可的企業能生產，有待進一步開發，同時大規格船用角鋼也有待豐富和完善。

5 結論

1）以角鋼為主的船用低溫高等級型材是海洋平臺模塊鉆機中井架生產常用材料，高等級船用型材的短缺，對海洋平臺井架的開發和生產帶來一定影響。

2）提出了解決船用高等級角鋼短缺的幾種思路，可臨時解決非重要場合船用高等級角鋼短缺的應急。設計選用材料時，應盡量選用通用且市場上易采購的材料。

3）目前我國國內個別鋼廠已有能力生產DH36鋼級以下各規格的角鋼，EH36以上更高鋼級的船用角鋼有待開發。