次級張緊系統的功能拓展與應用

周宏宇，郭元聰，胡 朋，陳培旺，李文磊

（1.中石化海洋石油工程有限公司，上海 201208；2.青島天時海洋石油裝備有限公司，山東 青島 266100）

1 項目背景

在石油鉆井作業中，防噴器（BOP）對鉆井作業安全起到至關重要的作用，而BOP 移運系統是鉆井平臺的主要配套設備之一，BOP 的儲存、海上連接、維修、安裝及測試工作等都要依賴于該裝置[1]。以JU2000E 平臺為例，BOP 移運系統有兩種經典配置：托盤式BOP 移運系統和環鏈式BOP 移運系統[2]。該系統的工作原理是將防噴器組的安裝分解為兩個主要動作：一將防噴器組提升以及下放；二將防噴器組提起后移送并放置到井口[3]。

某自升式鉆井平臺安裝的是托盤式 BOP 移運系統，測試功能正常，運行平穩。但在某些工況下，其托盤的提升能力無法滿足現場的超常規作業需求。存在的主要問題如下：

1.1 原始設計安全負載能力偏小

原設備的設計安全工作載荷（SWL）為125 t，但在實際生產作業時，尤其在生產作業后期的井口安裝階段其提升負荷往往超過136 t，此時若直接使用該系統進行提升作業則無法確保設備安全，存在重大的安全隱患。

1.2 設計規范選取不合理，設計動態系數偏小

原設備是按照歐洲的起重機械設計規范設計制造的，選用的動態系數相對偏小。但根據實際使用經驗來看，移動鉆井平臺的結構有其特殊性，采用API spec 7K 規范則更加符合實際使用工況。由于設備已安裝完成，如按照該規范確定的最小動態系數進行改造，則該移運系統需要重新設計和制造，從設備到主結構都需要改動，需要花費的時間長、成本高，對配套設備進行較大改造的可行性很低。

2 存在問題

2.1 安全負載不足

按照歐洲起重機械設計規范F.E.M 標準第三版第2.2.2.1.1 章節內容，動載系數計算公式為：Ψ=1+ξVL。式中：Ψ為動載系數；VL為起升速度，本設備最大設計起升速度為0.02 m/s；ξ 為常量系數，該值是由試驗確定的。對于橋式類型起重機ξ=0.6。

由此得出，動載系數Ψ=1+ξVL=1+0.6×0.02=1.01，結合該規范要求任何情況下Ψ均不得小于1.15，則動載系數設計選取Ψ=1.15。圖1 為該規范中動載系數Ψ與起升速度VL關系曲線圖。

圖1 F.E.M 動載系數與起升速度關系曲線[4]Fig.1 Related-curve between F.E.M dynamic load coefficient with lifting speed[4]

該移運系統按照F.E.M 標準分類為A3 級別，故作業放大系數選擇C=1.05。

該移運系統的原始設計安全工作負載（SWL）W=125 t，則結構設計時垂直方向的設計最大載荷F原=W×Ψ×C×9.81=125×1.15×1.05×9.81≈1 481 kN。

按照API spec 7K 規范要求的動態系數，在不改變整體結構強度的情況下，移運系統托盤在垂直方向的安全工作載荷F新=1 481 /1.05/1.33=1 060 kN。在大多數作業期間，鉆井平臺上的防噴器組總重量G約為105 t，其垂直方向分力F實=G×9.81=1 030 kN，因此，在常規作業時，無論運移BOP 還是起下作業，其安全負載能力都能確保大部分工況下正常使用。

但在后續井口安裝階段，移運系統在起下防噴器作業時不僅要承受BOP 組本身重量，還要承受BOP組下部連接的套管連接器、頂部伸縮管等額外重量，其實際最大載荷Gmax 約為136 t，按照API 規范計算，F新=Gmax×Ψ×C×9.81=136×1.33×1.05×9.81≈1 863 kN，此時系統垂直方向的受力已超出了原有設計最大載荷F原。

2.2 動載系數偏小

經查閱基礎資料和廠家原始設計，發現該BOP移運系統的原始設計是依據美國船級社(ABS)、F.E.M 歐洲起重機械設計規范以及英國起重機設計規則BS2573 Part 1-1983 進行的。

但是海洋石油鉆井平臺屬于海上移動裝置，在實際作業時其狀態并不完全等同于陸地固定設施，綜合各方面因素考慮，按照API spec 7K 標準更加符合實際。表1 為API spec 7K 推薦的默認動載系數。按照表格中數據，動載系數Ψ=1.33 應為最佳參數。

表1 默認動載系數表[5]Table 1 Default dynamic factors [5]

3 方案和措施

3.1 方案優選

基于已安裝的BOP 移運系統的安全工作載荷（SWL）為125 t，原次級張緊系統安全工作載荷(SWL)為136 t，油缸行程為915 mm 的現狀，考慮從3 種方案中進行優選。（1）單純使用原次級張緊系統

存在兩個問題：①現有次級張緊系統的油缸行程為915 mm，不能滿足作業需求；②單獨使用次級張緊系統吊載BOP 組，由于次級張緊系統的結構特點，其只能實現BOP 組的提升和下降，無法實現BOP 組的位置挪動。

（2）BOP 移運系統配合原始次級張緊系統聯合操作

存在兩個問題：①原始次級張緊系統的油缸行程為915 mm，不能滿足作業需求；②BOP 移運系統和原始次級張緊系統聯合動作的話，需要操作者在整個操作過程中時刻監控次級張緊系統油缸的行程和張力大小，使次級張緊系統油缸上的張力值保持在一個可控的安全范圍內。例如：當吊裝一個160 t 的重物時，先讓次級張緊系統油缸的張力值達到100 t，再緩慢用BOP 移運系統提升此重物，并需要時刻關注次級張緊系統的張力值變化，如果其張力值下降到60 t 的話，BOP 移運系統要停止提升，因為此時BOP 移運系統所承受的重量是100 t，已經接近其安全工作載荷106 t（按照API 標準），此時需要操作次級張緊系統，讓其張力值重新達到100 t 左右，而后再次操作BOP 移運系統，如此循環操作。在整個提升過程中，次級張緊系統油缸同時也在收回，如果不及時增加壓力的話，張力值會不斷變小，將多余的重量轉移到BOP 移運系統上，故需要反復給其加壓，讓其張力值保持在一個相對安全平穩的狀態下。整個聯動過程會比較復雜，并需要時刻關注次級張緊系統的油缸行程和張力值，及時補壓。

（3）更新次級張緊系統

根據需求將次級張緊系統油缸的行程由915 mm增加至1 800 mm，并為次級張緊系統增加恒張力模式。當BOP 移運系統和次級張緊系統聯合工作時，將次級張緊系統選擇為恒張力模式，并設定好張力，直接操作BOP 移運系統即可。例如：當吊裝一個160 t 的重物時，先將次級張緊系統設置為恒張力模式，張力值調整為100 t，再用BOP 移運系統提升或降低負載，次級張緊系統油缸會實現隨動，并保持張力值恒定，也就是說次級張緊系統油缸會始終承載100 t 的張力，剩余的力才會由BOP 移運系統承擔，操作變的更加簡單。

考慮到現有BOP 移運系統在日常使用過程中完全能夠滿足需求，僅在部分特殊情況下不能滿足的實際情況，結合現有平臺設備的配套情況，優選出方案（3）為最佳方案，利用次級張緊系統作為輔助設備，與BOP 提升裝置共同協作處理特殊負載情況。同時次級張緊系統還具有原始的STU 功能。

3.2 具體方案

次級張緊系統由作為執行機構的兩個液壓油缸、控制閥站、蓄能器站、提供動力的HPU 以及管路等組成。次級張緊系統油缸的上端通過吊耳鉸接在頂部，其下端通過鏈條或鋼絲繩、卸扣連接到BOP 組吊環上，處于STU 模式時，油缸的有桿腔連通蓄能器站，通過蓄能器站實現對BOP 組下方隔水套管的張緊。通過新增一路控制閥站，增加恒張力控制及調整模塊，實現恒張力模式。當處于恒張力模式時，次級張緊的兩個油缸有桿腔進油，通過比例溢流閥實現恒張力調節。

3.2.1 液壓系統

采用兩個安全載荷為68 t 液缸作為次級張緊系統油缸，使總的提升能力最高可達136 t，次級張緊系統由恒壓液壓動力系統（HPU）提供壓力油，液壓油由P 口進入，經過減壓閥7、換向閥6 以及鎖定閥5進入油缸1，液壓原理見圖2。

圖2 次級張緊系統液壓原理圖Fig.2 Hydraulic schematic diagram of STU

STU 模式: 換向閥電磁閥SV2 和鎖定閥電磁閥SV3 得電，壓力油進入蓄能器站2 以及油缸1 的有桿腔，為蓄能器站2 充液，油缸1 收回對載荷施加張力，張力的大小由減壓閥7 調定，調定好張力后，換向閥電磁閥SV2 以及鎖定閥電磁閥SV3 失電，由蓄能器站2 補償由于潮漲潮落給隔水套管帶來的張力變化。

恒張力模式: 換向閥電磁閥SV2、鎖定閥電磁閥SV3 和恒張力閥組電磁閥SV4 得電，油缸1 的有桿腔進油，油缸1 收回對載荷施加張力，此時減壓閥設定為最大，張力靠恒張力閥組的比例溢流閥SV6 調定，與BOP 運移系統協作提升載荷。BOP 運移系統托盤將載荷提升，油缸1 會隨動收回；BOP 運移系統托盤將載荷下放，油缸1 會隨動伸出。由于油缸1 有桿腔的壓力油始終保持恒定，故而油缸1 對載荷的拉力（張力）保持不變。操作過程中不需要擔心載荷在次級張緊系統和BOP 運移系統之間的分配問題。

3.2.2 電氣系統

更新改造后的次級張緊系統在其中一個油缸上還增加了位移傳感器，可以檢測油缸的位移，新增控制箱OP1，其原理如圖3 所示。

新型次級張緊系統操作的電力供應來自平臺220 V交流電源。恒張力電磁閥SV4 對應圖2 中的恒張力閥組3 的電磁閥SV4，恒張力比例閥SV6 對應圖2中的恒張力閥組3 的比例閥溢流閥SV6，壓力傳感器PT1 對應圖2 中壓力傳感器10，位移傳感器DT2在圖2 中未標出，其它安裝在油缸活塞桿內（圖4）。

圖4 次級張緊器油缸Fig.4 Cylinders of STU

3.2.3 控制實現原理

新型次級張緊系統的恒張力模式操作非常簡單，不需要單獨操作人員，僅需BOP 運移系統的操作者事先設定恒張力值，并啟動恒張力模式即可，其控制面板如圖5 所示。

圖5 次級張緊系統恒張力控制面板Fig.5 Constant tension control panel of STU

通過選擇開關可以對次級張緊系統進行STU 模式和恒張力兩種模式的選擇，選擇STU 模式后由原控制箱對次級張緊系統進行控制，選擇恒張力模式后，減壓閥7 和電磁閥SV5 得最大控制電流，減壓閥7 到最大設定壓力250 MPa，而后通過恒張力啟動/恒張力停止兩個按鈕來控制恒張力的啟動和停止，按下恒張力啟動按鈕后，換向電磁閥SV2、鎖定閥電磁閥SV3、恒張力閥組電磁閥SV4 得電，通過恒張力調節旋鈕控制恒張力閥組比例溢流閥的設定壓力，從而改變恒張力的大小。按下恒張力停止按鈕后，電磁換向閥SV2、電磁鎖定閥SV3、恒張力閥組電磁閥SV4 失電，失去恒張力。

新型次級張緊系統其中一個油缸帶有位移傳感器，油缸位移和通過壓力傳感器檢測換算成張力值均顯示在顯示屏上。

4 應用情況

按照API spec 7K 標準要求，對負載超過50 t 以上的可按照1.10 倍進行安全負載測試，聯合測試結果滿意。投入使用后，在三開裝井口期間，因BOP 運移系統與導流器伸縮管空間上相互干涉，BOP 運移系統托盤無法居中叉起BOP 組及套管頭等，現場采用了次級張緊系統與BOP 運移系統聯合提升BOP 組的辦法，即恒張力設置為60 t，而BOP 運移系統僅提升剩余重量，順利完成了該井口安裝。截至目前，該型次級張緊系統已完成三口井作業，聯合測試和應用情況良好，在整個油缸行程中，新型次級張緊系統張力保持恒定，能與原BOP 運移系統在垂直方向相互協作，BOP 運移系統托盤上的垂直實際負載不超過1 060 kN，保證了現場作業的安全可靠性。

5 結論

（1）次級張緊系統主要是用來對由環境載荷和鉆井操作而引起的作用在BOP 上的張力進行補償。本次該次級張緊系統（STU）為了增加行程，加長油缸活塞桿，除此之外僅在原控制閥站增加了恒張力閥以及控制箱，改動非常小，因此改造后的液壓系統及設備強度與原有系統基本保持一致。

（2）本次級張緊系統增加了恒張力模式，可以保持恒張力。該系統具有兩種模式：即STU 模式和恒張力模式。恒張力模式僅用于輔助BOP 運移系統移動BOP 組使用，在恒張力模式下，張力值由張力設定旋鈕控制，張力值實時顯示在控制箱顯示屏上；而STU 模式，仍可以實現次級張緊系統原有的功能。

（3）本改進方案為次級張緊系統功能拓展使用的創新方案。由于不再需要改造原有BOP 運移系統，從而節約了大量投資，進一步拓展了次級張緊系統的功能和使用范疇。在滿足現場使用的同時，也使得整套BOP 運移設備符合API spec 7K 規范標準。