石油鉆機井架底座結構用鋼的思考和建議

劉宏亮，任小偉，柳鎖賢，肖虎

（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

石油鉆機井架底座是鉆機提升系統的機械核心，是鉆機的支撐骨架，也是鉆機結構穩定的關鍵所在，其設計和生產制造大量使用結構鋼，包括碳素結構鋼和低合金結構鋼。鋼鐵材料是不斷發展的先進材料，隨著鋼鐵材料冶煉、軋制和微合金化技術不斷進步，鋼鐵材料鋼級越來越高，Q960、X120等材料在工程機械和輸送管道行業已經得到應用[1-3]，為工程機械等裝備和設備輕量化提供了可能。裝備和設備輕量化有助于節能減排，降本增效，實現企業經濟效益最大化。石油工程機械用鋼研究得到了企業工程技術人員的高度重視，近幾年，輕量化設計應用在石油鉆機井架底座結構中，使用較高強度的高強鋼有助于實現結構的輕量化。但是不是所用鋼材強度越高越好，這個問題要全面綜合分析利弊，不能片面地陷入追求用鋼強度越高越好的誤區。本文對石油鉆機井架底座結構用鋼的特點、技術性能要求進行了分析，并提出了石油鉆機井架底座結構用鋼需考慮的問題，供同行參考。

1 井架底座用鋼特點和現狀

石油工程鉆機是一種使用廣泛的鉆井系統，是一組十分復雜的大型成套設備和集成化的重型機械，承受重載、高壓、高負荷，是真正的鋼鐵龐然大物。井架和底座鋼結構作為石油工程鉆機結構主體，承受鉆井過程的工作載荷，是鉆機鋼材用量的主要所在，其質量和鋼材用量約占到整套鉆機質量和鋼材用量的30%左右。石油工程鉆機用鋼包括型材、鍛件、鑄鋼件，其中主要是結構型材。以陸地7000 m交流變頻鉆機為列，井架和底座總質量在320～340 t，其中結構型材占95%左右，鍛件和鑄鋼件占5%左右[4]。石油工程鉆機結構用鋼的特點是：用鋼總量大、材質種類多、型材品種雜、規格系列多、單一規格用量少，據統計，7000 m鉆機結構用材料多達200～300多種。石油鉆機結構用鋼是鉆機技術水平和性能先進程度的一個標志。低合金高強度鋼是石油工程鉆機鋼結構用鋼的主要選擇方向，目前石油鉆機井架底座主流用鋼鋼級為Q345和Q420級別，Q460也有少量使用，和目前鐵路橋梁結構用鋼鋼級水平一致[5]。

2 井架底座用鋼技術要求

石油工程鉆機是基本上由鋼鐵材料構成的機械，由于石油工程鉆機工作特點和工作環境的特殊性，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韌性等性能。這一點對提高鉆機的可靠性和使用壽命具有重要意義。

1）焊接性。石油鉆機的井架底座為焊接鋼結構件，這就要求所用鋼材必須具有良好的焊接性，良好的焊接性是石油工程鉆機結構用鋼的首要條件之一。屈服強度300～460 MPa低合金高強度結構鋼，碳含量一般不大于0.20%，碳當量CEV≤0.55%。此類低合金高強度結構鋼綜合力學性能和焊接性良好，如Q345、Q390、Q420、Q460等，適于用通常的方法進行焊接，在井架底座焊接鋼結構中廣泛使用。

2）常溫韌性。石油鉆機在作業中承受的沖擊載荷較大，特別是在巖性變化相對比較復雜地質區域鉆井或卡鉆時，井架承受的沖擊載荷更大，是正常載荷的幾倍，要求鋼材必須具有足夠的常溫沖擊韌性。

3）低溫韌性。石油鉆機為露天工作環境，俄羅斯、中亞和我國東北、新疆等高緯度極寒地區，冬季工作環境惡劣，最低環境溫度可達－50 ℃以下，對于井架和底座大型鋼結構焊接件，易出現低溫脆性斷裂破壞，因此對鋼材的低溫韌性要求極為苛刻。普通質量碳素結構鋼由于無沖擊功要求，如GB/T 700[6]規定的Q235A,已被禁止作為工程鉆機井架和底座用鋼使用。低合金高強度結構鋼，如GB/T 1591規定的質量等級A類鋼，由于無沖擊功要求，在GB/T 1591-2018[7]版標準中已不存在。

4）耐疲勞性能。石油鉆機的作業工況多為往復循環式，鉆井過程中的振動在有些情況下非常強烈，井架、底座工作于低頻高應力狀態，良好的鋼材耐疲勞性能和焊接接頭抗疲勞失效都是要考慮的因素。

5）耐腐蝕性。石油鉆機大多露天作業和存放，雨雪、風砂、酷暑、嚴寒、沼澤和海水鹽霧等工作環境加速了設備表面自然腐蝕，帶來設備安全工作隱患，嚴重影響設備正常使用壽命。所以必須考慮鋼材的耐腐蝕性，通過良好的涂層防護系統可以較好地彌補鋼材此性能的不足。

隨著現代鉆井技術向更深、更難、更快，以及滿足海洋和特殊環境鉆井的發展，石油鉆井機械材料研究與應用面臨新的課題。我國同等井深鉆機質量比國外重10%～30%，為了減輕深井及超深井鉆機井架和底座的質量，降低鉆機起升力和提高產品競爭力，強度更高、性能更好的結構鋼的使用已迫在眉睫。

3 井架底座用鋼需考慮的問題

石油鉆機井架底座結構用鋼使用高強鋼有助于實現結構的輕量化，但石油鉆機井架底座結構用鋼并非強度越高越好，這個問題要全面綜合分析利弊，不能片面地陷入追求用鋼強度越高越好的誤區[8]，要全面考慮以下幾個方面的問題。

3.1 結構剛度和穩定性

鉆機井架底座鋼結構設計不僅要進行結構強度分析，還應進行結構剛度分析和結構穩定性分析。結構強度和材料自身強度息息相關，材料強度越高，在同截面尺寸下強度應力校核越容易滿足要求，所以采用強度更高的鋼材是有利的。但是，僅有結構強度應力分析還不夠。結構剛度和結構穩定性也是決定井架底座鋼結構設計成敗的決定因素。因此，在結構分析階段，除了要進行強度分析外，還要進行剛度和穩定性分析。

3.1.1 結構剛度分析

剛度是構件或結構抵抗變形的能力，結構在載荷作用下的變形和結構剛度有關，結構剛度越大，變形越小。結構的剛度，包括抗拉（壓）剛度、抗彎剛度和抗扭剛度，除取決于組成材料的彈性模量、剪切彈性模量外，還同結構橫截面尺寸、邊界條件等因素及外力的作用形式有關，材料彈性模量和剪切彈性模量對某類鋼而言是常數。所以，結構在載荷作用下的變形和鋼材強度沒有關系，在同截面尺寸下，單純采用強度更高的鋼材并不能減小結構變形。如果單純為輕量化設計在石油鉆機井架底座結構中采用更高強度的高強鋼，在滿足結構強度條件下雖然可以減小結構截面尺寸，減輕結構質量，然而也會削弱結構剛性，增大結構在載荷作用下的變形，降低結構抗變形的能力。

3.1.2 結構穩定分析

鋼結構設計中穩定問題是一個突出的問題，鋼材具有質量輕、強度高的優點，在相同的受力情況下，鋼結構與鋼筋混凝土建筑結構相比，具有截面輪廓尺寸小、構件細長和板件柔薄的特點。對于承壓、受彎和受剪等存在受壓區的鋼構件和鋼板件，如果技術上處理不當，就可能使結構出現失穩破壞。

對于承受壓力的桿件或結構，屈曲是最常見的失穩原因。隨著壓應力的增加，桿件或結構抵抗橫向變形力的能力下降。當載荷大到某一水平，結構總體剛度變為零，喪失穩定性。屈曲的特征是結構桿件突然側向形變并導致結構失穩,因為構件的失穩往往是突然發生的，因而其危害性極大。歷史上曾多次發生因構件失穩而引起的重大事故。如1907年加拿大圣勞倫斯河上，跨長548 m的魁北克大橋，因壓桿失穩導致整座大橋倒塌。2018年莆田一在建鋼結構辦公樓轟然坍塌，坍塌的直接原因是鋼結構H型鋼柱穩定承載力嚴重不足，鋼結構制作、安裝質量存在嚴重缺陷，在砌筑墻體時結構失穩導致整體坍塌。

強度問題是指結構或者單個構件在穩定平衡狀態下由載荷所引起的最大應力是否超過材料的極限強度，是一個應力問題。穩定問題與強度問題不同，它主要是找出外荷載與結構內部抵抗力的不穩定平衡狀態，即變形開始急劇增長的狀態，從而設法避免進入該狀態，它是一個變形問題。由于結構或構件發生失穩破壞往往比較突然，具有屈曲現象的特征，即載荷有很小量增量時，應力應變不按比例增大，應變急劇增長，增長量無法估量。因而比強度破壞更具危險性。所以鋼結構的穩定性是鋼結構設計必須考慮的一個重要問題，包括鋼結構的整體穩定以及局部結構或單個構件的穩定性。

結構屈曲分析就是獲得結構在特定載荷下的屈曲模態和確定結構失穩的臨界載荷。然而，結構屈曲分析表明，結構的穩定性主要和材料彈性模量、剪切模量、桿件的長度系數、截面積、慣性矩和剛度等有關，與材料的強度無關，采用高強度鋼材并不能提高結構穩定承載力。

式（1）、式（2）中：Pcr為兩端受壓桿件發生失穩的臨界力；π為圓周率；E為材料的彈性模量；l為桿件長度；μl稱為壓桿計算長度；μ為長度系數，由桿端約束情況決定；A為壓桿的截面積；I為桿件截面對形心主軸的慣性矩。

當桿端在各方向的約束情況相同時，壓桿總是在抗彎剛度最小的縱向平面內失穩，式中的慣性矩應取截面最小的形心慣性矩Imin，EI稱為桿件抗彎剛度。從式（1）、式（2）中可以看出，軸心受壓構件彎曲屈曲臨界力隨抗彎剛度的增加和構件長度的減小而增大，換句話說，構件的彎曲屈曲臨界應力隨構件的長細比減小而增大，與材料的抗壓強度無關，因此長細比較大的軸心受壓構件采用高強度鋼材并不能提高其穩定承載力。

同樣，影響梁彎扭屈曲臨界彎矩的主要因素是材料彈性模量、剪切模量、梁的自由扭轉剛度、約束扭轉剛度、慣性矩和梁的長度，以及荷載的作用位置，與材料的強度無關，采用高強度鋼材并不能提高梁彎扭穩定承載力。

3.2 鋼材屈強比

材料屈強比也是需要考慮的問題，屈強比是指材料的屈服點（屈服強度）與抗拉強度的比值。鋼材的屈強比隨著鋼材強度的提高而增大[9]。屈強比在工程中具有重要意義，屈強比低，則金屬材料屈服強度與抗拉強度之間的差值大，表明塑性變形較大，易發生塑性變形，該材料的塑性較好，抗斷裂性能較強；反之，屈強比高，則金屬材料屈服強度與抗拉強度之間的差值小，表明塑性變形較小，不易發生塑性變形，該材料的塑性較差，抗變形能力較強。 屈強比越小，結構零件的可靠性越高，屈強比越大，結構零件的可靠性越低。在鋼材的選擇上，尤其是受力部件材料的選擇上，要考慮這個問題。

我國是地震多發國，石油鉆機井架底座結構有抗震要求，屈強比太高則結構易脆性破壞，脆性破壞是工程機械中嚴禁的，因為破壞時結構沒有明顯的變形產生即破壞，難以預防。受到地震力時，鋼結構應力首先達到屈服強度且應力不斷發展，結構產生變形，這個變形為肉眼可見，結構破壞的先兆出現，人們得以提前發現并預防。

屈強比可以看作是衡量鋼材強度儲備的一個系數。屈強比值最好保持在0.60～0.75之間。一般碳素鋼屈強比為0.60～0.65，低合金結構鋼為0.65～0.75，合金結構鋼為0.84～0.86。GB 50011-2010[10]《建筑抗震設計規范》3.9.2條明確鋼結構的鋼材應符合下列規定：鋼材的屈服強度實測值與抗拉強度實測值的比值不應大于0.85；鋼材應有明顯的屈服臺階，且伸長率不應小于20%。GB/T 1591-2018《低合金高強度結構鋼》是石油鉆機井架底座結構用鋼執行標準，本標準中，當鋼級在Q420及以下時，鋼材的屈服強度標準值與抗拉強度標準值的比值和伸長率標準值基本滿足要求；當鋼級在Q460及以上時，鋼材的屈服強度標準值與抗拉強度標準值的比值大于0.85，伸長率標準值小于19%，超出了GB 50011-2010對鋼結構鋼材性能指標的最低要求，并且隨鋼級的不斷提高，屈強比越來越高，伸長率不斷下降。鋼材入廠理化性能復檢大量試驗統計數據表明：Q420實測屈強比為0.71～0.82，Q460實測屈強比為0.79～0.85。

3.3 制造工藝性

鋼材的制造工藝性對鉆機井架底座鋼結構生產影響很大，提高用鋼鋼級必須全面考慮用鋼的工藝性能，包括熱切割下料、坡口制備、焊接、修補等。同時，生產過程中不同鋼級并用和鋼材執行標準不同等問題也都或多或少對制造工藝性帶來影響。

3.3.1 焊接工藝性

熱軋及正火鋼為非熱處理強化鋼，鋼的強度提高主要依靠合金元素的作用，隨著用鋼鋼級提高，鋼材合金強化元素含量增加，材料最大碳當量（CEV）和焊接裂紋敏感性指數（Pcm）增大，材料可焊接性下降。屈服強度高于460 MPa以上的高強鋼一般采用調質處理的方法來達到較高的綜合性能。不管是熱軋及正火鋼非熱處理強化鋼還是熱處理調質強化鋼，隨著用鋼鋼級提高，材料塑性和韌性下降，焊接工藝性下降，焊接難度也隨之增加，一般要采取焊前適當預熱、焊后緩冷等措施，避免焊接冷裂紋的產生。所用焊接工藝必須評定合格，焊接接頭性能達到母材要求，焊接過程中嚴格執行工藝，否則產品焊縫的可靠性將難以保證。

3.3.2 多鋼級并用

根據結構受力要求，鋼材鋼級宜由低到高合理搭配使用，同一部件使用不同鋼級鋼材不宜過多，一般1～3種比較合理。不同強度級別鋼材使用過多，接頭材料組合更多。如結構所用鋼材強度有A、B兩個級別，焊接接頭材料組合就有A+A、B+B、A+B共3種，當鋼材強度有3個級別時，接頭材料組合就有6種之多。不同鋼級材料組合的接頭焊接工藝不同，包括焊接材料、預熱溫度都不同。接頭材料組合過多，造成在實際生產過程中不斷變換焊接工藝，更換焊接材料等諸多不便，也容易出現差錯。

3.3.3 鋼材執行標準

高鋼級鋼材市場比較稀缺，采購比較困難，有時為了找到貨源，滿足生產和交貨期要求，采購的鋼材執行不同標準。如采購不到GB/T 1591 Q460D時用GB/T 16270[11]Q460D或YB/T 4137[12]Q460CFD替代。這3種材料鋼級相同，但執行標準不同，強化機理和交貨狀態也不盡相同。GB/T 1591《低合金高強度結構鋼》以熱軋、正火、正火軋制或熱機械軋制（TMCP）狀態交貨，GB/T 16270《高強度結構用調質鋼板》以調質（淬火+回火）狀態交貨，YB/T 4137《低焊接裂紋敏感性高強度鋼板》以熱機械軋制（TMCP）、TMCP+回火或淬火+回火狀態交貨。由于替代鋼材執行標準不同，交貨狀態也不盡相同，這些都需認真識別和分析，采取針對性焊接工藝，確保產品焊接的可靠性。

3.4 市場因素

現代企業生產經營活動已高度市場化，特別是石油鉆井裝備行業競爭異常激烈，如果不考慮市場因素，如產品功能、價格的競爭性、采購物資的市場易得性、產品生產交貨周期，片面追求高端產品設計，企業生產經營活動也會受到影響和陷入困難。

3.4.1 資源易得性

石油工程鉆機結構用鋼材的特點是材質種類多、型材品種雜、規格系列多、單一規格用量少，比如工字鋼、方鋼管有的僅需幾支，由于工字鋼、槽鋼和鋼管等型材不像板材易于軋制，市場常見的是大眾化的普通鋼材，高鋼級的型材比較稀缺，采購比較困難，這就要求鉆機結構用鋼材盡可能以商品化程度較高的常用鋼材為首選，市場貨源充足，易于采購，避免使用稀缺的高鋼級鋼材，采購困難影響生產。

3.4.2 價格競爭性

市場經濟下產品價格由市場決定，企業生產經營活動以盈利為目的，如果產品不考慮性價比，不運用價值工程原理控制產品成本，開發的產品沒有價格競爭性，得不到市場認可，企業生產經營活動也會陷入困局。石油工程鉆機井架和底座是鉆機鋼材用量的主要所在，其質量和鋼材用量占整套鉆機質量和鋼材用量的30%左右，鋼材成本在產品成本中占很大比例。由于Q460及以上高鋼級鋼材市場價格比常用強度等級Q345鋼材高200～300 元/t，在石油工程鉆機井架底座結構大量使用Q460及以上高鋼級鋼材會推高產品成本，在產品銷售價格不變的情況下，會壓縮企業利潤空間，提高銷售價格則會降低與同行產品的價格競爭力。

4 建議

1）采用強度更高的高強鋼有利于節約材料，減輕設備機器零件質量，但在石油鉆機井架底座結構中采用強度更高的高強鋼對結構減重作用有限，因為決定井架底座鋼結構設計成敗的結構剛度和結構穩定性與鋼材強度無關，所以，在石油鉆機井架底座結構用鋼上不能陷入片面追求用鋼強度越高越好的誤區。

2）石油鉆機井架底座結構用鋼還應考慮制造工藝因素。提高用鋼鋼級，焊接工藝性下降，焊接難度也隨之增加。不同鋼級混用和鋼材執行標準不同等問題也對制造工藝性帶來影響，需采取針對性焊接工藝，確保產品焊接可靠性。

3）石油鉆機井架底座結構用鋼還應考慮市場因素，包括資源易得性和價格的競爭性。高鋼級鋼材市場采購困難，市場價格較高，給企業生產經營活動帶來一定影響。鉆機結構用鋼材盡可能以商品化程度較高的常用鋼材為首選，避免使用稀缺的高鋼級鋼材，增加采購困難，推高產品成本。