趙建亭，薛 穎，潘 云，程 峰

（708研究所，上海 200011）

0 前 言

深海油氣開(kāi)采一般采用浮式鉆采形式。主要有半潛式鉆井平臺(tái)、圓筒型鉆井平臺(tái)、鉆井船、鉆井駁及其它類(lèi)型的浮體，為其提供一個(gè)實(shí)施鉆井功能的載體。浮式鉆井作業(yè)中極其重要的是使隔水管形成一個(gè)在水下防噴器組與鉆臺(tái)轉(zhuǎn)噴器之間的泥漿返流通道。隔水管的頂部設(shè)置一個(gè)能夠補(bǔ)償浮體升沉運(yùn)動(dòng)的伸縮節(jié)。伸縮節(jié)的內(nèi)筒是通過(guò)柔性接頭與轉(zhuǎn)噴器連接在一起，外筒由張力環(huán)及卸扣與隔水管張緊器連接在一起。隔水管張緊系統(tǒng)可以通過(guò)伸縮節(jié)為隔水管頂部提供垂向力，以控制隔水管的應(yīng)力和位移。并能在浮體作垂直和水平運(yùn)動(dòng)的情況下，使隔水管柱的張力基本保持恒定，不致使它出現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等損壞。本文就半潛式鉆井平臺(tái)的隔水管張緊系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并對(duì)DAT（DAT：Direct Active Tensioner，直接作用式張緊器）隔水管張緊系統(tǒng)進(jìn)行了闡述。

1 隔水管張緊系統(tǒng)要求

隔水管張緊系統(tǒng)的要求，一般是根據(jù)船級(jí)社的規(guī)范。諸如：中國(guó)船級(jí)社（CCS）的《鉆井裝置發(fā)證指南》、美國(guó)船級(jí)社（ABS）的GUIDE FOR CERTIFICATION OF DRILLING SYSTEM及挪威船級(jí)社（DNV）的DRILLING PLANT等。

1.1 基本要求[1～3]

張緊系統(tǒng)的最小張力設(shè)定應(yīng)保證隔水管的穩(wěn)定性；最大張力的設(shè)定不應(yīng)超過(guò)張力器動(dòng)態(tài)張力極限值的90%。

在張緊系統(tǒng)的管線上設(shè)限流裝置，是為了張力器在繩索破斷或其他失效情況下能使流體停止流入或降低流入張力器液壓缸的流速。

圖1 有導(dǎo)向繩的隔水管張緊系統(tǒng)

對(duì)于浮式鉆井作業(yè)，在隔水管應(yīng)急解脫時(shí)應(yīng)有抗隔水管反沖的措施，以避免隔水管、鉆井平臺(tái)和人員受損。

對(duì)于采用導(dǎo)向繩的隔水管張緊系統(tǒng)，見(jiàn)圖 1，其導(dǎo)向滑輪的布置應(yīng)使鋼絲繩與伸縮節(jié)的軸線夾角保持盡可能地小，以使鋼絲繩的垂直分力為最大，從而可增加鋼絲繩的壽命。

1.2 冗余要求

張緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)確保一個(gè)張力器失效或維修的情況下，其余張力器還能為隔水管提供所需要的最小張力[1～3]。

2 隔水管張緊系統(tǒng)

2.1 具體要求

浮式鉆井裝置的隔水管系統(tǒng)是依靠作用于隔水管頂部的軸向張力或向上的浮力來(lái)支撐。在海上鉆井作業(yè)過(guò)程中，張緊系統(tǒng)控制著隔水管系統(tǒng)的應(yīng)力大小，并影響著隔水管系統(tǒng)的彎曲度。隨著隔水管尺寸、海水深度、環(huán)境載荷、泥漿比重的增加，支撐隔水管系統(tǒng)的軸向張力也會(huì)增大。隔水管張緊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)行程必須大于浮體的升沉，還要計(jì)及潮汐的影響、連接件的調(diào)整和浮體吃水的變化。但是過(guò)大的張緊運(yùn)動(dòng)行程又會(huì)降低張緊系統(tǒng)的效能。因此，隔水管張緊系統(tǒng)在鉆井裝置達(dá)到垂直升沉運(yùn)動(dòng)的最大峰值時(shí)的響應(yīng)必須等于或大于鉆井裝置升沉的瞬時(shí)最大垂直速度。

2.2 型 式

目前浮式鉆井裝置隔水管張緊系統(tǒng)有兩種：一種是傳統(tǒng)的鋼絲繩型式，如圖1所示；另一種為新穎的液壓缸直接作用（DAT），如圖 2所示。前者通過(guò)鋼絲繩及滑輪組將張緊系統(tǒng)的張緊升沉補(bǔ)償行程增大為液壓缸行程的 n（滑輪組的倍率）倍，而且由于液壓缸的缸體尺寸相對(duì)較小，利用布置的空間可配置多對(duì)張緊器，但是，這種型式的導(dǎo)向附件所占用平臺(tái)的月池區(qū)或者鉆臺(tái)四周的空間較大，而且鋼絲繩易磨損失效。圖3為布置于鉆臺(tái)四周的鋼絲繩式隔水管張緊器。

隨著大型液壓缸制造技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)始應(yīng)用 DAT型式。它的補(bǔ)償行程基本為液壓缸活塞桿的行程，因此液壓缸的行程及缸體尺寸都較大?？梢允∪ヤ摻z繩及相應(yīng)的導(dǎo)向附件，且液壓缸可直接懸掛在鉆臺(tái)底下的月池區(qū)內(nèi)，如圖4所示。還可根據(jù)特定的鉆井作業(yè)需要將液壓缸組安裝在鉆臺(tái)底下的一個(gè)滑移裝置上，使液壓缸組能夠滑移出月池區(qū)井口的位置。

圖2 DAT隔水管張緊系統(tǒng)

圖3 布置于鉆臺(tái)四周的張緊器

圖4 布置于月池內(nèi)的張緊器

不管是采用何種類(lèi)型的隔水管張緊系統(tǒng)，隔水管張緊器的行程及張緊能力，都需要根據(jù)浮體的作業(yè)環(huán)境條件進(jìn)行詳細(xì)核算才能夠確定。隔水管張緊器的最大張緊力的核算是以隔水管組（包括隔水管內(nèi)的泥漿）在水中所需的提升力為計(jì)算依據(jù)的；隔水管張緊器的行程是以作業(yè)環(huán)境的波浪高度為依據(jù)的。配置張緊器時(shí)，張緊器組都是成對(duì)出現(xiàn)，并且相對(duì)于井口對(duì)稱(chēng)布置；單一張緊器組失效時(shí)，對(duì)角張緊器組也需停止使用。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼絲繩的系統(tǒng)比液壓缸直接作用的系統(tǒng)要多出一些力傳遞的設(shè)施，如鋼絲繩及導(dǎo)向滑輪裝置等。所以，兩種系統(tǒng)除了在設(shè)備的布置和力作用方式不同外，其原理基本是相類(lèi)似的。以下重點(diǎn)介紹3000m深海半潛鉆井平臺(tái)的DAT式的隔水管張緊系統(tǒng)[4,5]。

3.1 載荷確定

隔水管張緊器的載荷是由大鉤下放隔水管柱后結(jié)束傳遞過(guò)來(lái)的，所以張緊器的設(shè)計(jì)載荷不小于大鉤載荷即可，通常為907t?？紤]到一個(gè)張力器失效或維修的情況下，其余張力器尚能為隔水管提供所需要的最小張力。張緊器是圍著井口對(duì)稱(chēng)布置，一個(gè)張力器失效后對(duì)角張力器也失去作用，所以，設(shè)置6個(gè)液壓缸承載張緊力。

每個(gè)液壓缸的張緊能力為272t，由于液壓缸與隔水管柱之間的夾角通常控制在3°以?xún)?nèi)，液壓缸的軸向力基本全部轉(zhuǎn)化為隔水管柱的垂向力。所以，在4個(gè)液壓缸有效的情況下，可以提供1088t動(dòng)態(tài)張緊力的90%，極限值為979t，大于大鉤載荷[6]。

3.2 設(shè)備配置

DAT隔水管張緊系統(tǒng)主要有液壓缸、蓄能器、關(guān)斷閥、控制撬、氣瓶、空壓機(jī)、注液機(jī)等。設(shè)備之間通過(guò)必要的管線、軟管等連接在一起，由控制系統(tǒng)完成所需的功能。

DAT隔水管張緊系統(tǒng)的單個(gè)液壓缸張緊的典型原理，如圖5所示。此系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是在封閉的腔體內(nèi)產(chǎn)生對(duì)隔水管拉力的液壓缸，由于此系統(tǒng)是被動(dòng)系統(tǒng)，所以只要經(jīng)過(guò)良好的維護(hù)后在鉆井作業(yè)時(shí)不需要太多關(guān)注。液壓缸、蓄能器、關(guān)斷閥、控制撬上的儀表、閥等均為I類(lèi)危險(xiǎn)區(qū)設(shè)計(jì)；PLC（可編程控制器）柜需要安裝在安全區(qū)或者正壓防爆區(qū)域；空壓機(jī)與注液機(jī)需要安裝在安全區(qū)。

圖5 液壓缸張緊系統(tǒng)典型原理

3.2.1 液壓缸

液壓缸的活塞桿端通過(guò)卸扣連接伸縮節(jié)上的張力環(huán)實(shí)現(xiàn)隔水管柱力的傳遞。缸體尾端采用卸扣與鉆臺(tái)底的梁或者滑移裝置連接在一起，每個(gè)液壓缸的有桿端由閥及液壓軟管將其與蓄能器的液壓端連接在一起。為了保持液壓缸活塞端的持續(xù)壓力及防止腐蝕，無(wú)桿端連接低壓氮?dú)夤?。該系統(tǒng)共有6個(gè)液壓缸，每個(gè)液壓缸的主要參數(shù)如下：

缸徑：560mm

桿徑：230mm

行程：15240mm

設(shè)計(jì)壓力：20.7MPa

每個(gè)液壓缸配有位置測(cè)量系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量活塞桿的位置、方向及速度，其參數(shù)顯示在就地控制板及司鉆房的控制屏上。同時(shí)活塞桿的位置反饋信號(hào)也可用于 PLC計(jì)算蓄能器的液壓油位及監(jiān)視隔水管的脫開(kāi)及失效等。

若某個(gè)液壓缸在工作過(guò)程中失效，與之對(duì)角的液壓缸也需要停止使用，以減小加載在伸縮節(jié)上的彎矩及側(cè)向載荷。為了保持系統(tǒng)張緊力不變，其余4個(gè)液壓缸的工作壓力必須按比例增加。

3.2.2 蓄能器

蓄能器是張緊系統(tǒng)工作時(shí)能量的存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)化設(shè)備，猶如一個(gè)液壓空氣彈簧維持著隔水管張力的恒定。每2個(gè)蓄能器組成一組，每個(gè)瓶組對(duì)應(yīng)著一個(gè)液壓缸。每3組蓄能器組成一個(gè)撬塊，分別布置于月池的艏艉部。蓄能器為立放非隔離式（無(wú)活塞或者氣囊）的壓力容器，內(nèi)部介質(zhì)分為氣液2層，每2個(gè)蓄能器的頂部及底部由管線連接在一起；瓶的頂部為氣體端，通過(guò)空氣控制裝置連接空氣瓶，瓶的底部通過(guò)關(guān)斷閥連接液壓缸。每個(gè)蓄能器容積為2000L，設(shè)計(jì)壓力為20.7MPa。

每組蓄能器配有一個(gè)比例壓力變送器，用于測(cè)量蓄能器內(nèi)液柱的靜壓。將此數(shù)據(jù)與液壓缸的活塞桿位置數(shù)據(jù)一起計(jì)算可以正確校驗(yàn)6個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的液位。為了校準(zhǔn)液位測(cè)量系統(tǒng)，在蓄能器的低位配有可視觀察孔?？稍谒俱@房監(jiān)視，當(dāng)液位偏離理想位置的5%（相當(dāng)于200L）時(shí)便會(huì)報(bào)警。

3.2.3 關(guān)斷閥

關(guān)斷閥是一種抗隔水管反沖裝置，主要功能是當(dāng)液壓缸脫開(kāi)、隔水管失效或者液壓缸、張緊環(huán)失效時(shí)逐漸地切斷或者鎖停給液壓缸供油以消除或者減少隔水管的反沖對(duì)系統(tǒng)的影響。每只液壓缸對(duì)應(yīng)著一個(gè)關(guān)斷閥，關(guān)斷閥由PLC實(shí)現(xiàn)閉環(huán)比例控制。每3個(gè)關(guān)斷閥組成一個(gè)總成與蓄能器組靠近布置。每個(gè)總成配有一個(gè)外部動(dòng)力包作為關(guān)斷閥的先導(dǎo)油的來(lái)源，先導(dǎo)油儲(chǔ)存在一套預(yù)充壓氣囊式蓄能器內(nèi)，由氣動(dòng)先導(dǎo)泵通過(guò)蓄能器內(nèi)的壓力傳感器及PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停補(bǔ)充蓄能器內(nèi)的先導(dǎo)油。

3.2.4 控制撬

控制撬用來(lái)實(shí)現(xiàn)每個(gè)液壓缸的壓力控制?？刂魄宋挥谛钅芷髋c空氣瓶之間，實(shí)現(xiàn)液壓缸壓力的集中控制功能。主要閥為氣動(dòng)閥，由就地控制板及司鉆房實(shí)現(xiàn)遙控。其功能如表1所示。

表1 主要閥及功能

主隔離閥是棘爪閥，能夠在供電或者供氣失效的情況下仍可以保持在需要的位置；其余4個(gè)閥為彈簧復(fù)位關(guān)閉閥。主隔離閥配有可視電子指示，當(dāng)位置反饋信號(hào)開(kāi)關(guān)連接到 PLC可顯示液壓缸是否在工作狀態(tài)。

控制撬由每只液壓缸配有的2個(gè)壓力表和2個(gè)壓力變送器來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控，壓力表可以讀出主隔離閥兩側(cè)的壓力（空氣瓶和蓄能器）。當(dāng)兩側(cè)壓力差超過(guò)1MPa時(shí)打開(kāi)主隔離閥，并用旁通閥來(lái)平衡兩側(cè)的壓力以減小打開(kāi)主隔離閥時(shí)的沖擊。

3.2.5 氣瓶

隔水管張緊系統(tǒng)的氣瓶有3類(lèi)：日用空氣瓶、備用空氣瓶、低壓氮?dú)馄俊８鶕?jù)不同的環(huán)境條件來(lái)確定空氣瓶數(shù)量。3類(lèi)不同類(lèi)型的壓力容器的主要參數(shù)及功能如表2所示。

表2 氣瓶主要參數(shù)及功能

通常情況下，日用空氣瓶與備用空氣瓶的外形相似，但是容積及壓力等級(jí)不同，有立放和平放兩種類(lèi)型。所有的空氣瓶都配有手動(dòng)隔離閥、安全閥和泄放閥等。

3.2.6 空壓機(jī)

空壓機(jī)系統(tǒng)能夠高效不間斷地向備用空氣瓶?jī)?nèi)補(bǔ)充干燥的高壓氣體，共設(shè)置3臺(tái)、三用一備，自動(dòng)啟停及自動(dòng)干燥，布置于平臺(tái)靠近月池區(qū)的艙室內(nèi)?？諌簷C(jī)的主要參數(shù)如下：

排量：149m3/h（工作壓力下）

工作壓力：31MPa

最大工作壓力：35MPa

功率：55kW

3.2.7 注液機(jī)

注液機(jī)主要是將隔水管張緊器使用的水基乙二醇液體補(bǔ)充給液壓缸/蓄能器，該設(shè)備布置于平臺(tái)靠近月池區(qū)的艙室內(nèi)。注液機(jī)的主要參數(shù)如下：

排量：120L/min（工作壓力下）

工作壓力：20.7MPa

油箱容積：4.6m3

功率：25kW

3.3 系統(tǒng)控制

隔水管張緊系統(tǒng)可由司鉆房?jī)?nèi)的司鉆遠(yuǎn)程控制，也可由現(xiàn)場(chǎng)人員就地控制；可在司鉆控制臺(tái)上選擇。就地控制板布置于月池區(qū)，控制板分為3個(gè)功能模塊：壓力調(diào)節(jié)、細(xì)節(jié)監(jiān)控和通用功能。

控制系統(tǒng)是一種模塊化的集中控制系統(tǒng)，采用安全遙控操作系統(tǒng)，能處理系統(tǒng)內(nèi)部的連鎖及報(bào)警等，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)任何異常情況進(jìn)行信息報(bào)告或者報(bào)警。隔水管張緊系統(tǒng)的PLC柜是系統(tǒng)的通信與信息中心，所有的進(jìn)入/輸出設(shè)備、控制板及司鉆屏的信號(hào)都經(jīng)由此柜傳輸。

3.4 應(yīng)急停機(jī)

由于浮式鉆井裝置不可能實(shí)現(xiàn)升沉運(yùn)動(dòng)的止動(dòng)，而且隔水管張緊系統(tǒng)是一種被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，所以隔水管張緊系統(tǒng)不設(shè)置應(yīng)急停車(chē)按鈕。

3.5 系統(tǒng)保護(hù)

3.5.1 安全閥

本系統(tǒng)內(nèi)的所有氣體壓力容器的超壓都由安全閥實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)，透氣到大氣中；液壓缸的有桿端超壓由關(guān)斷閥內(nèi)的安全閥實(shí)現(xiàn)保護(hù)，液體如果過(guò)壓，它將返回到蓄能器。

3.5.2 隔水管抗反沖

除本系統(tǒng)所有壓力容器由安全閥實(shí)現(xiàn)安全控制外；另外還配置隔水管抗反沖系統(tǒng)，它是一種特殊而且關(guān)鍵的系統(tǒng)，可以在單個(gè)液壓缸失效、隔水管脫開(kāi)或者失效及正常/應(yīng)急脫開(kāi)等 3種情況下起作用；此系統(tǒng)是通過(guò)比例控制安裝于蓄能器和液壓缸之間的關(guān)斷閥的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓缸的速度控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)作用于隔水管柱上作用力的控制。

在司鉆控制的維修菜單中，設(shè)置有越控選項(xiàng)可以實(shí)現(xiàn)在特殊情況下禁用抗反沖系統(tǒng)；此功能選用時(shí)，抗反沖系統(tǒng)的所有功能禁用。

4 結(jié) 語(yǔ)

隔水管張緊系統(tǒng)是浮式鉆井裝置所特有的系統(tǒng)，盡管它有傳統(tǒng)的鋼絲繩式及新型的液壓缸直接作用兩種不同的型式，但是兩者不同點(diǎn)只是體現(xiàn)在張緊器的布置位置及系統(tǒng)張緊傳遞力的執(zhí)行方式上，而系統(tǒng)工作的基本原理及主要設(shè)備構(gòu)成基本類(lèi)似。不同的隔水管張緊系統(tǒng)會(huì)引起半潛平臺(tái)的月池區(qū)域大小、鉆臺(tái)部分的布置、設(shè)備的選型，對(duì)其統(tǒng)籌研究有利于半潛平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)。

[1] 中國(guó)船級(jí)社.鉆井裝置發(fā)證指南[S].2006.

[2] ABS.CERTIFICATION OF DRILLING SYSTEM[S].2006.

[3] DNV.DRILLING PLANT[S].2009.

[4] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五卷[M].化學(xué)工業(yè)出版社，第五版.

[5] Aker Solution 及 NOV公司投標(biāo)深水半潛式鉆井平臺(tái)項(xiàng)目鉆機(jī)資料[Z].

[6] 中國(guó)船級(jí)社.船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范[S].2007.