自升式钻井平台套管张紧器技术创新研究

张大伟 王可竹

摘 要：钻井平台套管张紧器由张紧器支撑平台、张紧器固定底座、支撑油缸和控制系统等构成、张紧器支撑平台与船体通过销轴耳板相连，起到支撑张紧器的作用；张紧器底座为焊接式结构，主要承载油缸反作用力，其中心为一通孔结构，可通过隔水套管。8个支撑油缸安装在底座的底板上，油缸的活塞杆上部通过卡瓦将力传递到隔水套管上，对隔水套管起到支撑作用；蓄能器与液缸相连，具有存储能量和减小冲击的作用。正常工作时，隔水套管通过张紧器中心的通孔通向海底，其上部与卡瓦固结，靠支撑油缸对其支撑，然后通过增加蓄能器的压力使活塞杆伸出并达到隔水套管设定的张力。当海浪或海流作用于隔水套管，迫使套管弯曲变形时，其纵向长度缩短，此时油缸活塞杆缩回，可补偿隔水套管纵向距离的变化，并给隔水套管提供持续的顶部张力，改善了隔水套管的受力状况，延长了其使用寿命。

关键词：钻井平台；套管张紧器；蓄能器

中图分类号：TE951 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）18-0047-03

Abstract： The casing tensioner of drilling platform consists of tensioner supporting platform， tensioner fixing base， supporting oil cylinder and control system. The tensioner support platform is connected with the hull through the pin shaft and ear plate， which plays the role of supporting the tensioner； the tensioner base is a welding structure， which mainly carries the reaction force of the oil cylinder， and the center of the tensioner is a through hole structure， which can pass through the water-proof casing. Eight supporting oil cylinders are installed on the base plate of the base， the upper piston rod of the oil cylinder transfers the force to the water-proof casing through the slips， which plays a supporting role on the water-proof casing； the accumulator is connected with the liquid cylinder and has the function of storing energy and reducing the impact. In normal operation， the riser leads to the seabed through a through hole in the center of the tensioner， the upper part of which is consolidated with the kava， supported by the supporting oil cylinder， and then the piston rod is extended and the tension set by the riser is reached by increasing the pressure of the accumulator. When the wave or current acts on the casing to force the casing to bend and deform， the longitudinal length of the casing is shortened， and the piston rod of the cylinder retracts， which can compensate for the variation of the longitudinal distance of the riser and provide the casing with continuous top tension. The stress condition of the waterproof casing is improved and its service life is prolonged.

Keywords： drilling platform； casing tensioner； accumulator

1 概述

目前，全球自升式钻井平台所装备的套管张紧系统基本都是国外产品，核心技术被国外少数几个知名海洋石油装备公司掌握，例如NOV，CAMERON，由于该系统的市场价格较高，国内厂商纷纷开始研发国产设备，以替代进口，国产化是今后的发展趋势。我们研发的套管张紧系统进行了多项创新，對于该领域的技术进步具有积极的推动作用，设备操作的可靠性提高，滑板收纳箱导向结构进行了改进，把原来滑块材料尼龙改为高强度自润滑铜块，即便是滑板收纳箱的油缸驱动锁销出现多次误动作，顶撞滑板收纳箱，都不会使滑板收纳箱产生位移；操作区域安全性提高：系统中滑板表面采用铺设防滑沙进行防滑，即便滑板表面有油污，也不会使操作人员有滑倒风险，现有国内外同类设备滑板表面采用的是花纹板防滑，一旦花纹板表面有油污，操作人员仍然会滑倒；环保性能提高，系统中凡是与外接设备连接的液压端口，均采用了液压快速接头连接，有效防止了液压端口拆装过程中可能发生的油品滴漏；系统中凡是不能观察到区域，液压管线均采用没有转换接头的硬管布置，降低了液压管线泄漏对环境的污染风险。

2 国内外技术发展现状

目前，全球自升式钻井平台所装备的套管张紧系统基本都是国外产品，核心技术被国外少数几个知名海洋石油装备公司掌握，例如NOV，CAMERON，由于该系统的市场价格较高，国内厂商纷纷开始研发国产设备，以替代进口，国产化是今后的发展趋势。

实现套管张紧器的张紧，有单体套管张紧器和具备套管张紧器移动功能的套管张紧系统，而套管张紧系统属于相对先进的设备，已经被船东广泛接受，有着很好的市场前景。

套管张紧系统由套管张紧器（简称CTU），安装CTU的框架（简称CTP），可以移动的滑板系统，二次张紧（简称STU），液压动力站，蓄能器等部件组成，给隔水套管施加张紧力通过CTU和STU实现，CTU由可以移动的滑板系统驱动，在CTP内任何位置进行定位，满足钻井过程中不同井位要求。我们通过对在建钻井平台项目套管张紧系统了解和研究，发现该系统在使用方面还存在一些不够完善的地方，有着较大的技术提升空间，例如在可靠性、安全性、使用效率、环保，以及降低成本方面，因此我们决定研发该系统，通过创新，形成具有自主知识产权的套管张紧系统，使我们掌握该系统的设计、制造、调试的能力，增加新的利润增长点。

3 主要技术经济指标

技术指标：垂直承载能力：272T

水平承载能力：35T

二次张紧力：136T

液壓系统压力：207bar

张紧器最大移动距离：±4572mm

环境温度：-20℃～50℃。

设计寿命：25年。

4 现有套管张紧器装置存在问题

现有国、内外的套管张紧系统在使用方面还存在一些不完善的地方，主要体现如下几个方面：

4.1 使用的可靠性存在缺陷：滑板收纳箱的滑移结构中滑块，使用的是尼龙材料，在滑板收纳箱定位过程中，定位锁销如果出现误动作撞击滑板收纳箱，经过几次撞击后，尼龙滑块就会变形，从而整个滑板收纳箱移位，不能正常工作。

4.2 使用的安全性存在缺陷：国内外该系统滑板表面防滑采用的是花纹板防滑，但是花纹板表面一旦有油污，操作人员在上面行走是不能防滑的，存在安全隐患。

4.3 系统环保性存在不足：国内外该系统的液压外接端口多采用普通接头，拆卸这些接头就会有油污洒落，给平台或海洋造成污染；系统中有很多液压管线，有些管线是隐藏在系统中不可见区域，管线中的接头一旦出现泄漏，也会污染环境。

5 新的技术方案

本项目研发，我们借鉴了以往钻井平台的套管张紧系统，对其技术方案进行了优化，形成了以下具体方案：整个套管张紧系统由套管张紧器（简称CTU）、框架（简称CTP）、滑板系统、二次张紧系统（简称STU），蓄能器组成，主张紧由CTU实现，次级张紧由STU实现，CTU位置移动由滑板系统实现，CTU和STU在压力建立后连接蓄能器，实现系统自动补偿功能。

5.1 对于现有系统存在问题和缺陷进行了改进设计，具体如下：

5.2 该系统设备操作的可靠性提高：滑板收纳箱导向结构进行了改进，把原来滑块材料尼龙改为高强度自润滑铜块，即便是滑板收纳箱的油缸驱动锁销出现多次误动作，顶撞滑板收纳箱，都不会使滑板收纳箱产生位移。

5.3 该系统操作区域安全性提高：系统中滑板表面采用铺设防滑沙进行防滑，即便滑板表面有油污，也不会使操作人员有滑到风险。

5.4 完善系统的环保性能：系统外接液压端口全部采用了快速接头的连接方式，设备拆装、维护需要断开液压源时，可以确保没有油品撒落。另外，凡是不能观察到的区域，将液压管线均采用没有接头的硬管布置，降低了液压管线接头泄漏对环境污染的风险。

6 实施效果

6.1 我们完成了套管张紧系统的机械、电气、液压、气压的设计图纸，进行了结构的ANSYS软件力学分析计算，建立了三维模型，编制了相关技术文件，进行了工艺设计、工装设计，编制了相关的工艺文件，具备了该系统的设计能力和制造条件。

6.2 本项目的研发没有制造样机，是依托于在建的自升式钻井平台项目套管张紧系统返包制造过程进行，项目组全程参与，上文提到的技术方案第2、3、4项已经实施，体现在了振海5号套管张紧系统制造装配中，改进方案的有效性得到验证。

6.3 钻井平台项目的套管张紧系统FAT顺利完成，得到用户认可。

7 主要技术创新点

创新技术思路：套管张紧系统研发过程中的创新，体现在系统使用的可靠性、安全性，以及效率；体现在系统使用中兼顾环保，减少或避免对环境造成污；体现在降低整个系统成本。

集成创新和引进消化吸收再创新：

7.1 滑板收纳箱导向结构改进创新，现有结构中导向滑块材料使用的是尼龙，安装是从内侧将紧固螺栓伸出到导轨外侧用螺母紧固，但是在实际调试中，由于滑板收纳箱的油缸驱动锁销误动作，会冲击滑板收纳箱，锁销多次冲击滑板收纳箱后，造成尼龙的螺栓安装孔变形，使得整个滑板收纳箱产生不规则位移，而杜绝锁销误动作难度很大。基于此，我们进行了改进设计，首先将结构中导向滑块材料改为自润滑铜块，表面硬度提高，即便是受到多次冲击滑块螺钉孔也不会变形，其次将滑块安装方式改为从外侧用螺钉紧固滑块，如果需要更换滑块，只需要将螺钉松掉，滑块就可以拆下，原来结构如果更换，需要把整套滑板收纳箱、提升油缸、锁销及油缸都要拆掉，费工费时。改进后经过试验，即便锁销误多次动作，整个滑板收纳箱也不会位移了，设备使用的可靠性得到提升。

7.2 该系统的滑板铺设在CTP底梁上，当CTU需要维护时，维护人员要在上面行走，目前国内外该类设备滑板都是采用花纹板进行防滑，实际上花纹板表面一旦有油污是不能防滑的，我们进行了改进设计，采用铺防滑沙，这样即使表面有油污或水都会有效防滑，经过验证效果明显好于花纹板，设备维护人员操作区域的安全性提高。

7.3 套管张紧系统的环境保护措施：国内外该系统的液压外接端口多采用普通接头，拆卸这些接头就会有油污洒落，给平台或海洋造成污染；系统中有很多液压管线，有些管线是隐藏在系统不可见区域，管线中的接头一旦出現泄漏，也会污染环境。我们将该系统外接液压端口全部采用了快速接头的连接方式，设备拆装、维护需要断开液压源时，除了可以快速断开液压源，还可以确保没有油品撒落。另外，凡是不能观察到的区域，我们将液压管线均采用没有接头的硬管布置，降低了液压管线接头泄漏对环境污染的风险。

7.4 液压设计方面创新，现有设计对同一侧的滑板收纳箱的两个提升油缸同步性，采用的是进油口布置在两个提升油缸中间位置实现，但是实际情况是同步性可靠性达不高，我们更改设计，在此基础上每个油缸都增加配备流量控制阀，同步性达到了95%。

7.5 套管张紧系统结构的加工工艺创新体现在两个方面：

（1）系统中加工难点是长方形框架结构，尺寸14x6x6米，整体加工刚性差，加工时在框架两侧面内部分别焊接上人字工艺支撑，底平面加装水平支撑，解决了框架加工中结构振动及结构件加工变形的问题，确保了加工精度。

（2）CTU框架是两个对称结构，通过连接粱组合成一个整体，对称度要求极高，焊接和加工精度很难保证，加工时将两个构件通过工装梁连接在一起焊接，加工CTU框架定位孔系时，采用整体加工方式，各个定位孔之间精度得到保证，确保了整体安装精度。

8 结束语

我们研发的套管张紧系统不仅为公司拓宽了产品种类，带来了新的利润增长点，而且也会带来很好的社会效益，主要体现在：

8.1 本系统研发充分利用了公司现有资源，譬如现有设备条件、场地条件、人员条件，没有形成新的投资，节省了成本。

8.2 该系统在研发之初，就对系统今后的生产制造、调试使用，以及运输对环境的不利影响进行了考评，对于有可能产生污染进行了改进设计，确保系统形成产品后，不会产生环境污染。

8.3 该系统研发成功为公司带来新的利润增长点，可以增加就业，增加职工收入，间接提升社会幸福指数。

8.4 该系统研发成功，培养锻炼了一批海工人才，为公司和国家海工发展战略实施提供了人才储备。

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