海上鑽井平台大海中屹立不倒有何秘訣

作者| 一聞，鋼鐵行業研究人員

海洋環境十分複雜，十幾級的大風是家常便飯，更不用提海嘯、海水腐蝕等問題，那麼，這些動輒幾噸重的海上巨無霸究竟是如何在海上屹立不倒的？

（一）可伸縮的樁腿：自升式鑽井平台靈活性的關鍵

通俗地說，自升式海洋平台就是具備自升能力的功能性平台，它通過一定長度的、可以自行升降的樁腿來實現高度的變化，以適應不同作業水深的要求。

平台一般由鑽井模塊、船體模塊、抬升模塊三部分組成，其中鑽井模塊由各種作業機械組成，船體模塊類似於駁船，用於承載機械和生活設施，抬升模塊主要負責平台的升降，核心部件就是樁腿。

（自升式海洋平台的組成）

自升式海洋平台在進行鑽井作業時，平台首先把樁腿下放至海底並進行預壓，然後船體沿樁腿升高到距離海面一定高度，保證作業不受各種海況條件的影響；作業結束需要移動時，船體沿樁腿降至海面，然後樁腿升起，平台就變身為一艘駁船，可以自己航行或通過拖船拖到新的位置進行作業。

（自升式海洋平台工作步驟）

由於用鋼少、造價低，且在各種海況下都能平穩地進行鑽井作業，自升式海洋平台具備了其他平台不可比擬的優勢。

（二）齒條：為海洋平台爬升架起200米「長梯」

自升式海洋平台升降由一整套升降系統完成，目前使用最多的是齒輪齒條式升降裝置。

（自升式海洋平台樁腿中的齒條）

所謂齒輪齒條式升降裝置，就是在海洋平台的每根樁腿上設置兩根齒條，對應於每根齒條上設置若干成對的小齒輪，動力通過樁邊馬達驅動齒輪減速箱，然後傳遞給與齒條嚙合的小齒輪，從而帶動平台升降。

相較頂升液壓缸式等升降裝置，齒輪齒條式可以實現連續升降，速度快，而且操作靈活。在環境條件惡劣的海洋中，平台升降快、所需時間短，就意味著平台更安全，而且時間越短，平台就位費用就越低。因而，現在新造的自升式平台多數都採用齒輪齒條升降方式。

（齒輪齒條式升降裝置）

目前，國內建造的主力自升式海洋平台作業深度可達400英尺（120米），樁腿長度達到170米以上。對於500英尺海洋平台，樁腿長度則更要超過200米。作為樁腿的核心部分，齒條也要達到同樣的長度。自升式鑽井平台一般都有三條以上可以上下移動的樁腿，支撐著龐大的海洋平台，承受惡劣的作業環境。

如果說樁腿是海洋平台的「長腿」，那麼齒條就是架起的一把長長的梯子，有了它，「長腿」不僅可以方便地上上下下，而且在站立時有了鋼筋鐵骨的支撐。

當海洋平台需要進行升降時，齒條就與齒輪嚙合，讓齒輪帶動整個平台在自己身上爬升或下降，從而實現平台升降；當升降至預定位置或平台作業時，樁腿鎖緊系統就開始發揮作用，齒條通過與鎖緊齒條嚙合，與樁腿融為一體，把平台載荷轉移到海底，保證萬噸重的平台不受風、流、浪等自然環境的影響，實現安全鑽井作業。

（樁腿齒條鎖緊系統）

由於一直都處於受力狀態，同時還要受海洋環境的低溫和侵蝕影響，齒條對強度、低溫韌性、疲勞性能、抗動態撕裂能力等要求都很高，製造齒條用的鋼板相應也成為整個海洋平台中技術要求最高、生產難度最大、產品附加值最好的鋼材。

（三）軋制鋼板就像擀麵皮，齒條用鋼標準高

國際上的海洋平台用齒條鋼普遍採用美標（ASTM）中的A517Q和A514Q，二者對化學成分、力學性能、熱處理的溫度等做了嚴格規定。

但由於該規範只針對厚度為150 mm以下的產品，而海洋平台用的齒條鋼厚度很多在150-180mm之間，450英尺及以上平台的齒條鋼厚度甚至達到200mm以上，因此，在ASTM 標準的基礎上，平台建造方通常都提出額外的定製化要求，比如對雜質元素及氣體元素做更加嚴格的規定、對強度和衝擊韌性的要求更高等。

（A517Q/A514Q的化學成分）

大厚度的齒條用鋼技術標準極為苛刻，堪稱吹毛求疵。

首先，屈服強度一般要大於500Mpa；其次，要有-40℃衝擊韌性；再次，要抗層狀撕裂；殺手鐧則是衝擊韌性要檢測到鋼板厚度的1/2處，即鋼板中心位置。

在一塊鋼板中，力學性能最差的就是中心部位。

軋制鋼板就像擀麵皮，麵糰很厚的時候，擀麵杖很難把麵糰擀透，所以，對大厚度的齒條鋼來說，軋機的軋制力很難滲透到鋼板中心部位，造成鋼板中心部位塑性變形較小，無法改善中心部位的冶金缺陷，導致力學性能下降。

同時，在熱處理條件下，比如淬火，隨著鋼板厚度的增加，鋼板淬透性下降，造成鋼板中心部位和表面組織不均勻，也會帶來鋼板力學性能的降低。

（海洋平台用齒條）

簡單說就是，生產特厚鋼板容易，高強度、高韌性鋼板也不難，抗層狀撕裂鋼板也沒問題，但是把這些要求綜合到一起，還要保證中心部位的性能，那就是難上加難。

（四）打破德、日、法壟斷，海洋平台用上「中國腿」

受技術條件限制，2006年之前，國內海洋平台齒條用鋼全部依賴進口。但進口齒條鋼一方面採購周期長，增加產品製造周期，另一方面採購成本大，大大制約了海洋工程的發展，因此，開發國產大厚度海洋平台用鋼板具有非常重要的意義。

為打破國外壟斷，國內鋼鐵企業自2006年開始立項研發大厚度齒條鋼，先後研發並成功生產114mm、127mm、154mm等厚度的齒條用鋼。但是，隨著各國紛紛向深海鑽探領域發展，厚度177.8mm的齒條用鋼成為國際上公認的主打規格，而該厚度的齒條鋼長期被德國、日本、法國三個國家的鋼廠壟斷。

177.8mm厚度齒條鋼寬厚比和表面積都很大，在生產中需要極其大的軋制力，因此，軋機設備複雜龐大，對產品寬、厚尺寸精度和板形以及表面質量的控制變得十分困難和複雜，齒條板心部力學性能和Z向性能也較難保證。

為此，鋼廠技術人員設計採用了複雜的工藝流程（電爐冶煉 → LF爐精鍊 → VD／VOD爐真空精鍊 → 模鑄 → 鋼錠緩冷 → 鋼錠清理 → 加熱 → 軋制 → 在線熱矯 → 堆垛緩冷 → 表面檢查、修磨 → 探傷 → 調質處理 → 取樣檢驗），通過使用大型扁鋼錠、利用調質鋼生產線，採用合理的成分設計、潔凈鋼冶煉、晾鋼軋制、合適的淬火、回火溫度等先進工藝及技術，終於研發成功177.8 mm厚度齒條鋼板。

（模鑄生產）

2015年11月，國內鋼廠首次成功批量生產177.8mm厚度齒條鋼，並應用於400英尺自升式鑽井平台。自此，中國成為全球第四個能夠生產177.8mm厚度齒條鋼的國家，大厚度海洋平台齒條鋼長期被國外壟斷的局面被徹底打破。

中國海洋鑽井平台，包括目前國內最大的自升式平台在內，終於用上了「中國腿」。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！