海洋石油平台修井机井架二层台逃生系统设计及应用

何宝林，陈小伟，吴奇兵，张士超，王 鹏

(中海油安全技术服务有限公司，天津300457)

目前海洋石油平台修井机由于受到平台甲板及空间限制，无法满足陆地油田井架二层台离心式逃生装置安装的技术要求，同时部分修井机井架二层台挡风墙未开设井逃生门，无逃生装置及导向索固定梁。因此，目前大部分海洋修井机未安装井架二层台逃生装置，在出现井喷、火灾、有毒气体泄漏、井架倾倒等紧急情况时，井架二层台无逃生装置，井架工无法实现第一时间逃生，将导致井架工严重受伤或者死亡。针对以上问题，开展钻修机井架二层台逃生装置及逃生路线的研究，设计一套操作性强、安全性高、经济性最优的修井机井架二层台逃生系统，以便井架工在发生紧急情况时能够及时逃生自救。

1 逃生技术及装备分析

目前陆地油田常用的井架二层台逃生装置多为德国米特曼RG10D型和美国DBI-SALA型逃生装置，此类逃生装置为离心式摩擦机构逃生装置，通过离心力的作用促使摩擦片与离心块之间产生正压力。离心式缓降器结构如图1所示，通过二者之间产生的动摩擦力控制逃生人员的下降速度，速度变化影响离心力大小，离心力大小影响速度变化，通过改变包角大小的方式，改变绳索与绳轮之间的接触面积和正压力，控制逃生人员的下滑速度。此类逃生装置对安装要求有一定限制，要求导向索与地面的最佳安装角度为45°，角度过大可能导致缓降器失控，无法控制下降速度，同时此类逃生装置采用增速器摩擦阻尼产生的热能平衡重力势能。这类缓降器工作时，重力势能绝大部分变成摩擦热能，很小一部分消耗在机械传动效率中，在使用过程中关键结构部件磨损速度快，容易发生间断失控现象。

图1 离心式缓降器结构示意

通过以上分析，离心式缓降器要求导向钢丝绳与地面水平夹角不能太大，需要足够的空间和场地面积，对陆地油田井场适用性较强。通过对海洋石油平台甲板空间的调研分析，目前海洋石油平台由于空间和甲板面积有限，无法安装此类缓降器，导致目前大部分海洋石油平台修井机井架二层台未安装逃生装置。 对目前国内外其他类型的逃生技术及装备进行了研究分析，如表1所示[1-3]。根据对各类逃生装置的特征分析，擒纵机构式缓降器的结构可靠，速度稳定，对海洋石油平台修井机适用性较强[4]。

表1 逃生装置特征分析

2 修井机井架二层台逃生系统设计

根据海洋石油平台修井机的调研及逃生装备的特征分析，目前海洋石油平台修井机甲板及空间有限，且布满了各类设备，要设计一套适用于海洋石油平台修井机井架二层台逃生系统，应遵循一定的设计原则。主要包括整体设计的合规性；逃生装置的安装不得影响关键作业；降低对吊车使用的影响；安装及使用方便，同时需要考虑材料的防腐蚀、防火性及逃生路线的畅通性[5- 6]。基于以上设计原则，并参考SY/T 7028—2016《钻(修)井井架逃生装置安全规范》中推荐的井架逃生装置相关要求，开展海洋石油平台修井机井架二层台逃生系统设计[7]。

2.1 逃生路线设计

逃生路线的设计在遵循不影响关键作业、不影响移井架作业、降低对吊车的使用、拆装方便的原则，结合修井机空间及甲板布置实际情况。通过对近40个修井机平台调研分析的基础上，应用排除法设计了典型的逃生路线，设计的逃生路线不影响钻完修井起下管柱等关键作业，不影响移动井架作业，同时不影响飞机起落及吊车的使用。逃生点选择钻台边缘附近的逃生点1及逃生点2，如图2所示，导向钢丝绳与钻台面的夹角为70～80°。

图2 逃生路线设计示意图

2.2 逃生门及外延飘台设计

在挡风墙上开设标准化逃生门，在紧急情况下能够实现人员快速逃生，逃生门的开设位置结合下方的逃生点，利用二层台挡风墙结构，同时需要降低二层台改造难度及风险。逃生门由无缝钢管、钢板、不锈钢合页等焊接组成，通过不锈钢合页与挡风墙支撑立柱铆接，实现逃生门的开关，考虑逃生的便捷性，逃生门设计为向外开启。由于二层台空间和使用面积有限，在发生紧急情况时对逃生人员的心理考验很大，向二层台外延伸逃生飘台能够保障有足够的空间佩戴逃生装置，减轻人员恐惧感；其次外延飘台能够有效降低导向索与井架产生的干涉，保障逃生人员在下滑过程中不与井架发生碰撞。外延飘台由无缝钢管、钢板、安全防护链、耳板等焊接而成，通过铆接与焊接的方式实现外延飘台与井架二层台主结构梁的连接与固定，结构如图3所示。

图3 逃生门及外延飘台结构

2.3 逃生装置及导向索固定梁设计

在井架二层台安装固定横梁，实现缓降器与导向索的牢靠固定，根据SY 7028—2016《钻(修)井井架逃生装置安全规范》标准关于缓降器及导向索固定梁的结构参数要求，固定横梁设计为外径75 mm，壁厚5 mm，材质使用无缝方钢，支撑梁上焊接耳板，耳板开孔直径25 mm，耳板厚度20 mm，支持梁底端焊接在二层台主结构梁上，设计了2种结构形式的固定梁，如图4所示。

图4 固定梁结构

由于固定梁及耳板为井架二层台逃生系统的关键受力位置，因此对固定梁关键受力位置进行结构强度校核。对两种结构横梁施加1 kN垂直方向受力，根据数值模拟分析计算，2种结构类型固定横梁最大应力分别在耳板与竖梁焊接处及斜支撑与竖梁焊接处，如图5所示。

图5 2种结构梁受力云图

按照标准规定，所用钢结构材料许用应力[σ]=345/1.67=206.59 MPa，2种结构形式的结构件应力最大值分别为46.74 MPa与39.55 MPa，应力值均小于许用应力，因此结构满足强度要求。在实际应用过程中可根据修井机井架二层台结构的实际布局情况合理选择1种固定梁结构。

2.4 逃生缓降器设计

逃生缓降器作为海洋石油平台修井机井架二层台逃生系统的关键核心设备，其性能的优劣将直接影响整个逃生系统的稳定性和安全性。因此，需要设计一套适用于海洋石油平台修井机井架二层台逃生的缓降器，此类缓降器应满足导向钢丝绳不同角度的条件下能够实现恒速下滑，满足修井机空间的安装要求，同时应具有防火、防油污、防盐雾腐蚀、防紫外线功能。通过对各类逃生装置对比分析结果，优选擒纵机构缓降器，此类缓降器是一种全新理念的逃生产品，采用了擒纵机构的工作原理来控制缓降产品中传动机构的转速，达到控制人体的恒速下降的目的，对导向索的安装角度无技术限制。擒纵机构结构原理如图6所示，其主要工作原理是通过卡瓦组件的特殊工作面与擒纵轮的往复接触实现延时及速度控制[8-11]。

图6 卡瓦式擒纵机构原理

考虑海洋环境的高盐、高湿度等特殊性，根据SY/T 6919—2019《石油天然气钻采设备钻机和修井机涂装规范》对腐蚀关键等级的分类，将海洋环境定位C5-M级[12]，对缓降器进行防腐蚀及防水处理，缓降器核心机构部件使用合金钢材质，缓降器增加防水、防晒护罩，护罩加喷防盐雾、防紫外布纹漆。并通过专业检测机构对缓降器工程样品进行专业功能试验及检测[13-15]，关键检测内容如表2，检测及试验结果符合标准要求。

表2 缓降器关键检验测试项目及标准要求

2.5 下端固定耳板及其他附件

根据各海洋石油平台修井机的空间布局，在钻台边缘选择合适位置作为逃生点，在此逃生点焊接导向钢丝绳固定耳板，耳板开孔直径20 mm，厚度大于10 mm，承重载荷10 kN，表3为其他逃生装置附件，包括不锈钢绳卡、高强螺栓、自锁安全钩等附件用于连接缓降器及导向索，安全带使用井架工五点式安全带等。

表3 井架二层台逃生系统设备及附件构成

3 工程示范应用

海洋石油平台修井机井架二层台逃生技术及装备在渤海及南海修井机平台进行了示范工程，对示范平台修井机井架二层台进行工程改造，包括井架二层台逃生门、固定横梁、导向钢丝绳固定耳板的改造[16]，按照设计方案加工了擒纵机构缓降器的工程试验样品，如图7所示。通过工程示范应用测试本套海洋石油平台修井机井架二层台逃生系统的适用性及对其他设备的干扰性。

图7 缓降器工程试验样品

3.1 滑行测试

导向钢丝绳及缓降器按照设计要求安装，导向钢丝绳长度20 m，与钻台面夹角60°，使用75 kg的沙袋进行测试，从二层台下滑至钻台面时间为21 s，下滑速度约0.95 m/s；更换55 kg、及100 kg沙袋进行了试滑，测试过程安全平稳，下降过程速度恒定；更换不同的下方逃生位置，分别测试了导向钢丝绳在不同安装角度的下降速度如图8所示。测试结果表明质量越大，下滑速度越快。导向钢丝绳与钻台面夹角越大，下滑速度越快。测试的工况及结果符合实际逃生情况及逃生标准要求，测试结果如表4所示。

图8 不同悬挂质量与角度下的下滑速度曲线

表4 缓降器滑行试验参数

3.2 对关键作业干扰测试

1) 对吊车吊臂极限角度和位置进行干扰测试，主要测试逃生装置导向钢丝绳对吊车作业的干扰情况。井架二层台逃生位置位于井架右侧后方，与吊车形成斜对角关系且中间有井架阻隔，该逃生装置的安装对于吊车的运行干扰较小。

2) 移井架测试。逃生装置下端固定在钻台甲板边缘侧，与井架一体，井架上下底座的移动对导向索无影响。

4 结论

1) 对陆地油田井架二层台逃生装置的技术特征及适用性进行了分析，结合海洋石油平台修井机的空间及结构特征，离心式缓降器不适用于空间和甲板面积有限的海洋石油平台修井机。

2) 根据海洋石油平台修井机的空间布局调研分析结果，设计了海洋石油平台修井机井架二层台逃生系统，包括合理逃生路线的设计、逃生门及外延飘台设计、缓降器及导向钢丝绳固定横梁设计及擒纵机构缓降器设计等，并对悬挂缓降器及导向钢丝绳的固定横梁进行了应力分析及强度校核计算，计算结果满足强度要求。

3) 将海洋石油平台修井机井架二层台逃生系统进行了实际工程示范应用，经过对海洋石油平台修井机井架二层台逃生系统的安装、试验，结果证明整个逃生系统结构稳定，下滑过程平稳、无冲击顿挫感，不影响其他关键作业，不与其他设备产生干涉，逃生系统的适用性和稳定性得到了有效验证。