海洋钻修机滑移轨道损伤分析及滑移装置优化

赵 暕，丁 辉，张 超，边守臣

(1.中海油服油田生产事业部 天津300459；2.中海油天津分公司 天津300459)

随着中海油渤海油田大吨位海洋钻修机的不断投入使用，有多台海洋钻修机滑移轨道出现了表面刮伤、轻度划伤、深度刮伤及重度撕伤等问题[1]，严重影响了海洋钻修机的滑移操作和运维管理工作。因此，迫切需要研究海洋钻修机滑移轨道表面损伤的原因，并提出改进措施。

通过对海洋钻修机滑移轨道的表面损伤情况、滑移装置的结构形式及滑移系统的摩擦力等进行分析，并从可靠性、经济性等方面进行评价，提出了滑移装置摩擦副和摩擦方式优化措施，切实解决了海洋钻修机滑移系统损伤问题，提升了系统的使用寿命。

1 海洋钻修机滑移轨道损伤统计

海洋钻修机平台滑移轨道主要有“工”型和“T”型2 种结构形式，滑移轨道的翼板上开设对称的步行孔，腹板和筋板焊接于平台主结构。海洋钻修机下底座安装于滑移轨道上，通过由液压油缸、棘爪式步行器、液压控制阀件等组成的海洋钻修机滑移装置实现整机移动。

对近20年来投入使用的45 台海洋钻修机的滑移轨道进行统计发现，大吨位的海洋钻修机滑移轨道表面损伤机率较高，如表1 所示。

2 海洋钻修机滑移轨道损伤分析

2.1 滑移轨道损伤原因分析

海洋钻修机下底座滑靴与滑移轨道是一对滑动摩擦副，不可避免地产生滑动磨损。通常将滑动摩擦副的磨损归结为擦伤、过度磨损、裂纹、疲劳、腐蚀、咬死、胶合、脱壳、热脆失效、微动磨损等形式[2]。海洋钻修机滑移轨道产生损伤的原因主要有：①滑移轨道是钢结构焊接件，无法避免存在焊接变形和制造误差，滑移轨道表面不平是产生滑移轨道损伤的主要原因；②滑移轨道上涂抹润滑油脂，但滑移轨道上无防护，各种金属颗粒、铁锈等杂质，加大滑移轨道的磨损机率；③随着海洋钻修机吨位的不断增大，滑动摩擦副的正压力不断增大，在海洋钻修机滑移不断推进时，摩擦力的影响也不断增大。

表1 海洋钻修机滑移轨道损伤统计Tab.1 Damage statistics of sliding track of offshore drilling and workover rig

针对以上分析，在无法进一步改进海洋钻修机滑移轨道结构形式和使用环境的情况下，可以通过研究海洋钻修机滑移系统的摩擦机理或摩擦方式，尽可能地降低摩擦对滑移轨道的损伤。

2.2 滑动摩擦力分析

N.P.Suh 于1981年在Wear 杂志上发表摩擦机理新的观点，他认为摩擦阻力来源于表面微凸体变形阻力、刻槽阻力、粘着阻力3 个方面，并通过大量的试验予以验证。影响两个相互接触表面间的摩擦力大小(用摩擦系数表示)的因素很多，有两个相互接触的表面间的正压力、表面粗糙度、主(从)动件、运动副材料、表面氧化膜和污染膜的分布、厚薄及化学性质、表面间的剪切力等[3]。

本文不探讨海洋钻修机滑移摩擦力的影响因子，而根据库伦定律推断不同型号海洋钻修机的滑动摩擦力，如表2 所示。

表2 各型号海洋钻修机摩擦力Tab.2 Friction of various types of offshore drilling and workover rig

从表1 和表2 可知：海洋钻修机滑移轨道的损坏率随滑移装置滑动摩擦力的增大而不断提高。

3 海洋钻修机滑移装置优化设计

3.1 滑移装置摩擦副优选设计

海洋钻修机滑移装置摩擦副为钢-钢，在润滑条件下摩擦系数为0.05～0.1，当选择黄铜-钢作为摩擦副时，润滑条件下摩擦系数为0.03，摩擦力将显著降低，如表2 所示。

当选择黄铜-钢作为摩擦副时，HXJ180/HXJ225海洋钻修机的滑动摩擦力可降低至 90 kN，与HXJ90/HXJ112 海洋钻修机在钢-钢作为摩擦副条件下的摩擦力相当，说明选择摩擦系数较小的摩擦副可以减少或避免滑移轨道的损伤。

海洋钻修机滑移装置摩擦副改造方案如图1 所示。在不改造原海洋钻修机滑移装置结构的基础上，在下底座滑靴与滑移轨道之间加一块黄铜板，并将黄铜板采用压板螺栓与滑靴固定。

图1 海洋钻修机滑移装置摩擦副改造方案Fig.1 Modification scheme of friction pair of sliding device for offshore drilling and workover rig

3.2 滑移装置摩擦方式优选设计

通过摩擦副的优选设计可大幅度降低摩擦力，但从表2 可知：HXJ315 海洋钻修机的滑动摩擦力高于105 kN，因此滑移轨道仍存在损伤的可能。

滚动摩擦副在工程技术中与滑动摩擦副一样被大量采用。随着车轮的发明，人们已比较朴素地理解到它与滑动摩擦有着本质的区别[4]。众所周知，在其他条件相同的情况下，克服滚动摩擦力使物体运动需要的力比克服滑动摩擦力所需要的力小得多，一般情况下，滚动摩擦阻力只有滑动摩擦的1/40 到1/60。因此，如将HXJ315 海洋钻修机滑移装置改为滚动滑移方式，可以将摩擦力降至30～50 kN。

海洋钻修机滚动滑移装置方案如图2 所示，该装置由滚柱箱、推移油缸、千斤顶油缸、压板螺栓组及液压源等组成。当海洋钻修机需要滑移时，利用千斤顶油缸将海洋钻修机整体顶升，将滚动滑移压板组螺栓固定，通过推移油缸推动海洋钻修机在滚柱箱上进行滑移。

图2 海洋钻修机滚动滑移装置方案Fig.2 Scheme of rolling slip device for offshore drilling and workover rig

3.3 现场应用

2014年10月至2015年6月，中海油渤海湾SZ36-1D/E/G 平台新建了3 台HXJ180 海洋钻修机，2015年5月，中海油渤海湾LD10-1C 平台新建了1 台HXJ225 海洋钻修机，以上4 台海洋钻修机均增加了滑移垫板。2014年12月，中海油渤海湾曹妃甸油田新建了1 台4 000 m 海洋钻修机，采用了滚动滑移装置。经过一年多的使用，以上5 台海洋钻修机滑移轨道未出现一次轨道损坏问题，现场操作可靠、使用便捷、滑移平稳。

当海洋钻修机滑移时，滚动滑移装置的推移油缸工作压力仅为3.6～4 MPa，而增加滑移垫板的步行油缸工作压力为6～7 MPa，说明滚动滑移装置的使用效果明显优于改变摩擦副的滑移方式。

4 结 论

尽管现场应用表明滚动滑移装置的效果更优越，但其设计、制造成本高于滑移垫板75%以上，而且后期设备维护成本也较高。因此，从经济角度考虑，建议结合实际需求，针对不同吨位的海洋钻修机对摩擦副进行合理优选。

2014年，中石化石油工程机械有限公司研制的钻机步进式移运装置成功应用于焦页 28#平台ZJ50D 丛式钻机上[5]，另外，轮轨式移动装置也已成功应用于部分的丛式钻机上，但对于海洋钻修机来说，新的移动装置对滑移轨道的结构形式和承重基础提出了更高的要求，有待于广大海洋钻修机的设计工程师进行更深入的研究。