海洋石油平臺修井機井架二層臺逃生系統設計及應用

何寶林，陳小偉，吳奇兵，張士超，王 鵬

(中海油安全技術服務有限公司，天津300457)

目前海洋石油平臺修井機由于受到平臺甲板及空間限制，無法滿足陸地油田井架二層臺離心式逃生裝置安裝的技術要求，同時部分修井機井架二層臺擋風墻未開設井逃生門，無逃生裝置及導向索固定梁。因此，目前大部分海洋修井機未安裝井架二層臺逃生裝置，在出現井噴、火災、有毒氣體泄漏、井架傾倒等緊急情況時，井架二層臺無逃生裝置，井架工無法實現第一時間逃生，將導致井架工嚴重受傷或者死亡。針對以上問題，開展鉆修機井架二層臺逃生裝置及逃生路線的研究，設計一套操作性強、安全性高、經濟性最優的修井機井架二層臺逃生系統，以便井架工在發生緊急情況時能夠及時逃生自救。

1 逃生技術及裝備分析

目前陸地油田常用的井架二層臺逃生裝置多為德國米特曼RG10D型和美國DBI-SALA型逃生裝置，此類逃生裝置為離心式摩擦機構逃生裝置，通過離心力的作用促使摩擦片與離心塊之間產生正壓力。離心式緩降器結構如圖1所示，通過二者之間產生的動摩擦力控制逃生人員的下降速度，速度變化影響離心力大小，離心力大小影響速度變化，通過改變包角大小的方式，改變繩索與繩輪之間的接觸面積和正壓力，控制逃生人員的下滑速度。此類逃生裝置對安裝要求有一定限制，要求導向索與地面的最佳安裝角度為45°，角度過大可能導致緩降器失控，無法控制下降速度，同時此類逃生裝置采用增速器摩擦阻尼產生的熱能平衡重力勢能。這類緩降器工作時，重力勢能絕大部分變成摩擦熱能，很小一部分消耗在機械傳動效率中，在使用過程中關鍵結構部件磨損速度快，容易發生間斷失控現象。

圖1 離心式緩降器結構示意

通過以上分析，離心式緩降器要求導向鋼絲繩與地面水平夾角不能太大，需要足夠的空間和場地面積，對陸地油田井場適用性較強。通過對海洋石油平臺甲板空間的調研分析，目前海洋石油平臺由于空間和甲板面積有限，無法安裝此類緩降器，導致目前大部分海洋石油平臺修井機井架二層臺未安裝逃生裝置。 對目前國內外其他類型的逃生技術及裝備進行了研究分析，如表1所示[1-3]。根據對各類逃生裝置的特征分析，擒縱機構式緩降器的結構可靠，速度穩定，對海洋石油平臺修井機適用性較強[4]。

表1 逃生裝置特征分析

2 修井機井架二層臺逃生系統設計

根據海洋石油平臺修井機的調研及逃生裝備的特征分析，目前海洋石油平臺修井機甲板及空間有限，且布滿了各類設備，要設計一套適用于海洋石油平臺修井機井架二層臺逃生系統，應遵循一定的設計原則。主要包括整體設計的合規性；逃生裝置的安裝不得影響關鍵作業；降低對吊車使用的影響；安裝及使用方便，同時需要考慮材料的防腐蝕、防火性及逃生路線的暢通性[5- 6]。基于以上設計原則，并參考SY/T 7028—2016《鉆(修)井井架逃生裝置安全規范》中推薦的井架逃生裝置相關要求，開展海洋石油平臺修井機井架二層臺逃生系統設計[7]。

2.1 逃生路線設計

逃生路線的設計在遵循不影響關鍵作業、不影響移井架作業、降低對吊車的使用、拆裝方便的原則，結合修井機空間及甲板布置實際情況。通過對近40個修井機平臺調研分析的基礎上，應用排除法設計了典型的逃生路線，設計的逃生路線不影響鉆完修井起下管柱等關鍵作業，不影響移動井架作業，同時不影響飛機起落及吊車的使用。逃生點選擇鉆臺邊緣附近的逃生點1及逃生點2，如圖2所示，導向鋼絲繩與鉆臺面的夾角為70～80°。

圖2 逃生路線設計示意圖

2.2 逃生門及外延飄臺設計

在擋風墻上開設標準化逃生門，在緊急情況下能夠實現人員快速逃生，逃生門的開設位置結合下方的逃生點，利用二層臺擋風墻結構，同時需要降低二層臺改造難度及風險。逃生門由無縫鋼管、鋼板、不銹鋼合頁等焊接組成，通過不銹鋼合頁與擋風墻支撐立柱鉚接，實現逃生門的開關，考慮逃生的便捷性，逃生門設計為向外開啟。由于二層臺空間和使用面積有限，在發生緊急情況時對逃生人員的心理考驗很大，向二層臺外延伸逃生飄臺能夠保障有足夠的空間佩戴逃生裝置，減輕人員恐懼感；其次外延飄臺能夠有效降低導向索與井架產生的干涉，保障逃生人員在下滑過程中不與井架發生碰撞。外延飄臺由無縫鋼管、鋼板、安全防護鏈、耳板等焊接而成，通過鉚接與焊接的方式實現外延飄臺與井架二層臺主結構梁的連接與固定，結構如圖3所示。

圖3 逃生門及外延飄臺結構

2.3 逃生裝置及導向索固定梁設計

在井架二層臺安裝固定橫梁，實現緩降器與導向索的牢靠固定，根據SY 7028—2016《鉆(修)井井架逃生裝置安全規范》標準關于緩降器及導向索固定梁的結構參數要求，固定橫梁設計為外徑75 mm，壁厚5 mm，材質使用無縫方鋼，支撐梁上焊接耳板，耳板開孔直徑25 mm，耳板厚度20 mm，支持梁底端焊接在二層臺主結構梁上，設計了2種結構形式的固定梁，如圖4所示。

圖4 固定梁結構

由于固定梁及耳板為井架二層臺逃生系統的關鍵受力位置，因此對固定梁關鍵受力位置進行結構強度校核。對兩種結構橫梁施加1 kN垂直方向受力，根據數值模擬分析計算，2種結構類型固定橫梁最大應力分別在耳板與豎梁焊接處及斜支撐與豎梁焊接處，如圖5所示。

圖5 2種結構梁受力云圖

按照標準規定，所用鋼結構材料許用應力[σ]=345/1.67=206.59 MPa，2種結構形式的結構件應力最大值分別為46.74 MPa與39.55 MPa，應力值均小于許用應力，因此結構滿足強度要求。在實際應用過程中可根據修井機井架二層臺結構的實際布局情況合理選擇1種固定梁結構。

2.4 逃生緩降器設計

逃生緩降器作為海洋石油平臺修井機井架二層臺逃生系統的關鍵核心設備，其性能的優劣將直接影響整個逃生系統的穩定性和安全性。因此，需要設計一套適用于海洋石油平臺修井機井架二層臺逃生的緩降器，此類緩降器應滿足導向鋼絲繩不同角度的條件下能夠實現恒速下滑，滿足修井機空間的安裝要求，同時應具有防火、防油污、防鹽霧腐蝕、防紫外線功能。通過對各類逃生裝置對比分析結果，優選擒縱機構緩降器，此類緩降器是一種全新理念的逃生產品，采用了擒縱機構的工作原理來控制緩降產品中傳動機構的轉速，達到控制人體的恒速下降的目的，對導向索的安裝角度無技術限制。擒縱機構結構原理如圖6所示，其主要工作原理是通過卡瓦組件的特殊工作面與擒縱輪的往復接觸實現延時及速度控制[8-11]。

圖6 卡瓦式擒縱機構原理

考慮海洋環境的高鹽、高濕度等特殊性，根據SY/T 6919—2019《石油天然氣鉆采設備鉆機和修井機涂裝規范》對腐蝕關鍵等級的分類，將海洋環境定位C5-M級[12]，對緩降器進行防腐蝕及防水處理，緩降器核心機構部件使用合金鋼材質，緩降器增加防水、防曬護罩，護罩加噴防鹽霧、防紫外布紋漆。并通過專業檢測機構對緩降器工程樣品進行專業功能試驗及檢測[13-15]，關鍵檢測內容如表2，檢測及試驗結果符合標準要求。

表2 緩降器關鍵檢驗測試項目及標準要求

2.5 下端固定耳板及其他附件

根據各海洋石油平臺修井機的空間布局，在鉆臺邊緣選擇合適位置作為逃生點，在此逃生點焊接導向鋼絲繩固定耳板，耳板開孔直徑20 mm，厚度大于10 mm，承重載荷10 kN，表3為其他逃生裝置附件，包括不銹鋼繩卡、高強螺栓、自鎖安全鉤等附件用于連接緩降器及導向索，安全帶使用井架工五點式安全帶等。

表3 井架二層臺逃生系統設備及附件構成

3 工程示范應用

海洋石油平臺修井機井架二層臺逃生技術及裝備在渤海及南海修井機平臺進行了示范工程，對示范平臺修井機井架二層臺進行工程改造，包括井架二層臺逃生門、固定橫梁、導向鋼絲繩固定耳板的改造[16]，按照設計方案加工了擒縱機構緩降器的工程試驗樣品，如圖7所示。通過工程示范應用測試本套海洋石油平臺修井機井架二層臺逃生系統的適用性及對其他設備的干擾性。

圖7 緩降器工程試驗樣品

3.1 滑行測試

導向鋼絲繩及緩降器按照設計要求安裝，導向鋼絲繩長度20 m，與鉆臺面夾角60°，使用75 kg的沙袋進行測試，從二層臺下滑至鉆臺面時間為21 s，下滑速度約0.95 m/s；更換55 kg、及100 kg沙袋進行了試滑，測試過程安全平穩，下降過程速度恒定；更換不同的下方逃生位置，分別測試了導向鋼絲繩在不同安裝角度的下降速度如圖8所示。測試結果表明質量越大，下滑速度越快。導向鋼絲繩與鉆臺面夾角越大，下滑速度越快。測試的工況及結果符合實際逃生情況及逃生標準要求，測試結果如表4所示。

圖8 不同懸掛質量與角度下的下滑速度曲線

表4 緩降器滑行試驗參數

3.2 對關鍵作業干擾測試

1) 對吊車吊臂極限角度和位置進行干擾測試，主要測試逃生裝置導向鋼絲繩對吊車作業的干擾情況。井架二層臺逃生位置位于井架右側后方，與吊車形成斜對角關系且中間有井架阻隔，該逃生裝置的安裝對于吊車的運行干擾較小。

2) 移井架測試。逃生裝置下端固定在鉆臺甲板邊緣側，與井架一體，井架上下底座的移動對導向索無影響。

4 結論

1) 對陸地油田井架二層臺逃生裝置的技術特征及適用性進行了分析，結合海洋石油平臺修井機的空間及結構特征，離心式緩降器不適用于空間和甲板面積有限的海洋石油平臺修井機。

2) 根據海洋石油平臺修井機的空間布局調研分析結果，設計了海洋石油平臺修井機井架二層臺逃生系統，包括合理逃生路線的設計、逃生門及外延飄臺設計、緩降器及導向鋼絲繩固定橫梁設計及擒縱機構緩降器設計等，并對懸掛緩降器及導向鋼絲繩的固定橫梁進行了應力分析及強度校核計算，計算結果滿足強度要求。

3) 將海洋石油平臺修井機井架二層臺逃生系統進行了實際工程示范應用，經過對海洋石油平臺修井機井架二層臺逃生系統的安裝、試驗，結果證明整個逃生系統結構穩定，下滑過程平穩、無沖擊頓挫感，不影響其他關鍵作業，不與其他設備產生干涉，逃生系統的適用性和穩定性得到了有效驗證。