海洋石油平台吊机滚筒钢丝绳乱绳案例分析

王文鑫，贡建广，李雪梅

(1.中海石油(中国)有限公司渤中作业公司，天津 300450；2.大庆油田有限公司试油试采分公司，黑龙江 大庆 163412)



海洋石油平台吊机滚筒钢丝绳乱绳案例分析

王文鑫1，贡建广1，李雪梅2

(1.中海石油(中国)有限公司渤中作业公司，天津 300450；2.大庆油田有限公司试油试采分公司，黑龙江 大庆 163412)

结合海洋石油设施吊机现场真实滚筒乱绳案例，计算详解乱绳发生的常见原因和现场控制措施，为海洋石油设施新建平台吊机滚筒的设计、建造和验收提供参考，也为油田生产现场提供实用的处理发生方法和措施。

吊机滚筒；乱绳；折线绳槽；预拉力；入绳角

吊机工作稳定性和安全性直接关系到人身安全和生产设施及财产安全。钢丝绳是吊机重要组件之一，在钢丝绳失效原因中，乱绳现象是造成钢丝绳快速磨损、变形和结构破坏的主要原因[1]。针对此问题，引用所在渤海油田石油生产平台吊机的具体乱绳案例，分析钢丝绳乱绳发生的原因。

1 钢丝绳释放过程失去预拉力

1.1 故障案例

在处理渤海油田某平台副钩钢丝绳乱绳故障过程中发现，副钩滚筒入绳非常松弛，尤其在空钩下放较快时出现入绳松弛严重，钢丝绳前进速度严重滞后于滚筒的线速度，造成滚筒上钢丝绳松脱。在吊司不知情的情况下，钢丝绳松脱的滚筒正反运转后造成钢丝绳乱绳、无序挤压，致使钢丝绳局部变形和松股。见图1。

图1 副钩钢丝绳乱绳、局部松股弯折现象

1.2 原因分析

该吊机的滚筒绳槽为Lebus绳槽,俗称折线绳槽，折线绳槽在滚筒周向的大部分区段上保持与法兰端面平行，只在很小的区段上与法兰端面相交。钢丝绳缠绕滚筒要实现收放排绳紧密有序，钢丝绳必须要具备一定的预拉力，根据折线绳槽设计原则，预拉力应不小于钢丝绳破断荷载的2%(或工作荷载的10%,有文献为破断载荷的1.7%)[2]，这也是钩头处预制一定配重的原因及计算参考之一。但如果出现配重着地或配重力无法克服钢丝绳出绳摩擦力时，就会出现预紧力消失导致钢丝绳出绳速度v1小于滚筒线速度v2或者出绳速度为零现象，见图2。

图2 副钩钢丝绳绳系和运动分析

钢丝绳预拉力F=G-f，

当f>G时，F即消失，导致v2>v1。

摩阻力f构成包括以下几个因素：

(1)

式中：f1——钢丝绳与滑轮槽的相对滑动摩擦；

f2——滑轮旋转轴套的滑动摩擦；

f3——钢丝绳形变应力。

1)理想设计中滑动摩擦f1是不存在的，因为钢丝绳在滑轮上的速度应该与滑轮线速度同步[3]。相对静止时不存在f1，但通过观察发现在下放较快时，钢丝绳在滑轮上的出绳速度明显大于滑轮的线速度，这就构成了滑动摩擦f1。滑动摩擦f1受到滑轮表面粗糙度和油脂粘性影响，随着冬季温度降低，滑轮上积累的油脂粘度增大，加大了f1值。副钩系统共10个定滑轮，10个f1的量受到温度降低油脂粘度增大的影响，给摩阻力f带来很大增量。

2)滑轮销轴旋转的摩擦力f2受到润滑因素影响较大，润滑不良或油脂粘性较大引起f2增大。与此同时，滑轮速度滞后，加剧了钢丝绳和滑轮的相对速度，变相增加了f1。

3)钢丝绳应变力f3随温度降低会有轻微的加大，另外不同的钢丝绳品牌其钢丝绳柔韧度不一致，也会增大应变力。

因此，润滑和温度决定了摩阻力f的增大。

1.3 控制措施

1)冬季低温造成钢缆润滑剂的黏度增加，出绳不顺畅。因此，在冬季的钢丝绳润滑选用黏度偏小的产品。或者入冬降温前除去老化，沾满灰尘的旧油，更换新的润滑剂。

2)滑轮组重新加注新油脂，置换出旧油脂，降低滑轮转动摩擦，使钢丝绳通过滑轮顺畅。

3)在吊司的操作方面，在空钩或轻载下放钩时，降低下放速度，并及时观察钩头动作速度是否正常。避免乱绳严重时还继续操作导致钢丝绳损坏。

4)在钩头处增加延长绳索或配重以增加钢丝绳入绳的预拉力，使滚筒入绳线速度与钩的动作速度一致。

2 入绳角度设计不合理因素

2.1 故障案例

某井口平台吊机主钩钢丝绳在缠绕第3层时出现堆叠、坍塌、跳绳，最后乱绳的现象，导致吊装作业中出现货物的陡降和振动，给吊装作业安全、钢丝绳的寿命带来很大隐患。为了避免产生不良后果，作为临时措施，维修人员根据滚筒参数，在钩头收好的位置，调整第3层钢丝绳圈数。这样使第3层钢丝绳不在吊货受力区域。调整后，虽然第3层有轻微乱绳现象，但给钢丝绳寿命和吊装安全带来的影响减弱，见图3。

图3 主钩滚筒第三层钢丝绳堆叠、坍塌、乱绳现象

2.2 原因分析

根据折线绳槽滚筒的应用原则和惯例，多层缠绕钢丝绳滚筒对入绳偏角度有严格的要求。滚筒入绳偏角定义为绕进或绕出钢丝绳的轴线与滚筒轴垂直平面的夹角[4]，通常这个偏角不应大于1.5°，并且不应小于0.5°，在实际操作中会有最大0.25°的扩展也不会太影响使用。由此可知，入绳角不影响使用的范围为0.25°～1.75°。

根据现场对平台吊机主钩滚筒测量数据可以计算出相关的入绳角。滚筒总宽度1 m，吊臂头部第1个滑轮中心不在滚筒的中心线位置，而是有约0.4 m的偏差，滑轮距离滚筒为约30 m。示意图见图4。

图4 主钩钢丝绳滚筒入绳角示意图

计算方法[4]和过程如下。

tan∠2=0.1/30=0.003 33， arctan∠2=0.19°；

tan∠1=0.9/30=0.03， arctan∠1=1.71°。

计算结果表明，∠2不在0.25°～1.75°适用入偏角范围内，此结果是造成滚筒第3层缠绕乱绳的主要原因之一。

此外，在该吊机使用过程中发现，滚筒第1层和第2层钢丝绳并没有因为入绳角度问题而产生乱绳现象。通过现场调研发现：第1层钢丝绳缠绕分布在折线绳槽内非常紧凑和规范，第2层在排绳时受到第1层钢丝绳规范的绳间槽的影响，仍然能够很好排绳；其次，第2层排绳是从右边到左边排绳(面向吊臂)，即从入绳角大一侧开始往入绳角小一侧排绳，排绳过程没有障碍受阻，所以受到入绳角小的影响不大，没有造成乱绳现象。

乱绳发生在第3层缠绕过程，根据现象分析主要原因有两点：首先，第3层入绳角度不在折线绳槽适用入绳角范围，同时在排绳方向碰到了滚筒法兰挡边，促使了钢丝绳在改变排绳方向阶段发生骑绳堆叠[3]；其次，第3层的入绳角相对于第2层和第1层变小了，见图5。

图5 主钩钢丝绳滚筒第1和第3层钢丝绳角入绳角

tan∠1=AD/AO，

tan∠2=BC/BO；

根据矩形ABCD和直角△ABO中可知：

AD=BC, 斜边BO>AO，

因此，tan∠AOD> tan∠BOC,

得出∠AOD>∠BOC。

即第3层钢丝绳入绳角相对于第1层入绳角更小，则更容易发生骑绳现象。

2.3 控制措施

1)由于该乱绳现象始于吊机设计和安装问题，且乱绳仅仅发生在第3层缠绕，现场使用的临时措施(调整钢丝绳长度使得第3层钢丝绳不在吊货受力区域)可以在较长时间内缓解钢丝绳因为乱绳带来的磨损和吊装隐患，是临时处理该类故障的可行方法之一。

2)试验在第3层缠绕起点合适位置焊接安装斜面挡铁块，使得第3层开始骑绳后立即错开重新排绳，不产生骑绳后跳绳的过程。安装位置需要根据具体钢丝绳长度和骑绳开始点具体确定和试验。

3)如果要长期解决这个问题，需要调整主钩滚筒的位置，即将滚筒底座重新焊接移位，直到入绳角度满足要求。但吊机现场受到滚筒平台建造面积的影响，实现改造需要耗费较大的人力物力。

4)加强对主钩钢丝绳日常的检测力度，尤其是第3层钢丝绳是否有磨损、断丝超标等现象。因为虽然不在负载区域内，但长期受到主钩钩头和配重的负载，依然可能对钢丝绳寿命有一定的负面影响。

3 不良操作因素

3.1 故障案例集

1)某井口平台吊机在操作过程中，因风力较大，副钩延长绳没有摘下来，延长绳卷入主钩钢丝绳的滑轮槽，造成主钩钢丝绳跳出滑轮组，钢丝绳受挤压卡死，在吊机司机未知情的情况下依然正反操作滚筒后造成滚筒上的钢丝绳乱绳。在检修过程发现主钩钢丝绳部分挤伤、弯折，达到报废标准予以报废。

2)某井口平台，司机没有将吊货后副钩回收到位，一大段辅钩钢丝绳晃来晃去。吊臂启动垂直角度较大时，副钩钢丝绳和钩头与主钩钢丝绳缠绕，当司机提升主钩过程造成主钩钢丝绳在滑轮处跳槽引发故障。

3)某平台冬季对吊机进行保养后，钢丝绳上钢缆油脂较厚而且粘度大，在快速提升副钩钢丝绳过程中由于钢丝绳晃动，油脂粘连副钩上限位配重环上升，引起上限位配重环链卷入副钩滑轮造成乱绳。

4)某平台滑轮组的钢丝绳防跳装置磨损、松脱失效，导致钢丝绳跳出绳槽，打乱了钢丝绳收放顺序引起滚筒钢丝绳乱序，引发故障和事故。

5)某设施在进行视线盲区吊装作业时，由于吊司和司索人员沟通不及时，主钩着地后继续下放主钩，造成主钩滚筒钢丝绳预拉力完全消失，进而引发了钢丝绳严重乱绳。

3.2 控制措施

1)规范吊机标准操作程序，添加以下几项内容：吊机主副钩在不使用时不允许悬挂钩头延长绳；吊机停车前将主副钩钢丝绳回收到位，以缩短钩头自由摆动的范围；大风浪天气在船舶吊运物资时，及时启用钢丝绳恒张力系统，消除副钩系统因船舶上下颠簸使配重力失效导致的跳绳、松绳现象；作业过程中，避免同时操作主副钩，并且收放过程遵循起停慢中间稳的原则。

2)完善维修保养和检查程序，关注钢丝绳防跳装置的磨损、防松动检查，关注钢缆油脂粘度变化及附件如限位、力矩仪传感器的工况。

3)加强工作协同与沟通。在作业中，吊司和司索人员及时、有效的沟通，同时司索人员在吊货过程中与吊司共同关注钢丝绳工作状况。

[1] 高加索，范吉祥.绞车滚筒乱绳原因分析及解决办法[J].石油矿场机械,2010,39(2):82-86.[2] 孙鲁安.国外折线绳槽卷绕技术的发展和应用现状[J].机械研究与应用,2001(4)：29-32.

[3] 沈敏良.起重机起升卷筒多层缠绕的设计方法[J].起重运输机械,2004(4):17-18.

[4] 韩爱晔.钢丝绳进出滚筒允许偏角的计算[J].石油机械,2001,29(10):19-21.

Wire Rope Disorder Cases Analysis and Prevention of Crane Drum for the Offshore Oil Platform

WANG Wen-xin1, GONG Jian-guang1, LI Xue-mei2

(1.CNOOC Bozhong Oil Filed Operations Co. Ltd., Tianjin 300450, China;2.Oil Testing and perforation Company of Daqing Oilfield Co. Ltd., Daqing Heilongjiang 163412, China)

According to the field wire rope disorder cases from the offshore oil facility, the common reasons of wire rope disorder were analyzed to set forth the on-site solutions, which can be referenced for the design, construction and acceptance of the crane drum for the new offshore oil platform. It can also supply the useful methods for handling and prevention of the wire rope disorder on oilfield production site.

drum; wire rope disorder; Lebus rope groove; pre-tension; entrance angle

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.021

2016-07-10

王文鑫(1986—)，男，学士，工程师

U664

A

1671-7953(2016)05-0083-04

修回日期：2016-08-10

研究方向:海洋石油生产设备维修管理

E-mail:wwxzls@163.com