王洪川，黃 潔，趙 濤，張力文，2，賈俊梁，羅 震，2，孫 博

(1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

DR-E60FF型海洋鉆井隔水管浮筒設(shè)計研究與試驗

王洪川1，黃 潔1，趙 濤1，張力文1，2，賈俊梁1，羅 震1，2，孫 博1

(1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

開發(fā)了一種適應(yīng)1 000 m水深的海洋鉆井隔水管浮筒。分析了設(shè)計需考慮的因素，創(chuàng)新開發(fā)了浮筒主體胚料模塊化成型，柔性裝夾加工技術(shù)，組合涂層技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。強度試驗和碰撞試驗研究結(jié)果表明，開發(fā)的浮筒滿足額定水深耐壓要求，吸水率和浮力系數(shù)滿足設(shè)計要求，抗沖擊性和耐磨性能優(yōu)于同級別國外產(chǎn)品。國產(chǎn)化的浮筒產(chǎn)品具有強度高、密度低、吸水率低、防腐性能好等特點，產(chǎn)品性能較優(yōu)，市場應(yīng)用前景廣闊。提出了浮筒進一步發(fā)展的研究建議，對產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗和市場應(yīng)用前景等方面進行了總結(jié)。

隔水管；浮筒；浮力；吸水率；抗沖擊

海洋鉆井隔水管浮筒是隔水管系統(tǒng)的重要部件之一，為隔水管提供分布式浮力[1]，能夠改善隔水管的局部受力情況，降低隔水管張緊器的張力，增強平臺水深適應(yīng)能力[2-3]。長期以來，該產(chǎn)品制造技術(shù)主要由美國、俄羅斯、日本等國所掌握，在市場上形成壟斷銷售，且價格昂貴，例如美國Cumingcorp公司，澳大利亞matrix公司、歐洲BALMORAL OFFSHORE ENGINEERING公司等[4]。近年來，我國已在固體浮力材料領(lǐng)域開展了深入研究，而用于海洋鉆井隔水管的浮筒產(chǎn)品，國內(nèi)還沒有廠家生產(chǎn)制造。在水深大于1 000 m時，浮筒是鉆井隔水管必需的組成部分[5]，因此應(yīng)用前景非常廣闊。開展該產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，具有重要的科學(xué)和經(jīng)濟意義。

1 設(shè)計考慮因素

1) 滿足API Specification 16F規(guī)范、船級社及HSE有關(guān)的要求。

2) 要求低密度，使單位體積提供盡可能大的浮力，且不限制隔水管的彎曲[6]。

3) 考慮提升力和額定作業(yè)水深的耐壓性，滿足抗靜水壓要求。

4) 靜水壓條件下，滿足低吸水率和低體積彈性模量要求。

5) 主體材料滿足UL 94材料類別HBF(泡沫塑料材料水平燃燒)要求。試樣的燃燒速度在跨度100 mm之上不應(yīng)超過40 mm/min；在燃燒或發(fā)光達(dá)到125 mm基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)之前，試樣應(yīng)停止燃燒。

6) 浮筒外部能夠抵抗正常搬運和堆疊遇到的沖擊和磨損，且在日光、海洋鹽霧、風(fēng)化或極端天氣下使用不會降低其性能。

7) 滿足浮力系數(shù)要求，用于1 000 m水深隔水管單根質(zhì)量約8 000 kg，要求提供的浮力系數(shù)大于95% 。

8) 理論浮力系數(shù)核算。

單個浮筒外徑0.58 m，內(nèi)徑0.27 m，長度4.2 m，體積約3.49 m3，浮筒主體材料密度0.45 g/cm3，g=9.8 N/kg，浮筒質(zhì)量約為1 570 kg，玻璃鋼層質(zhì)量約52 kg，聚脲層質(zhì)量約15 kg，螺栓及附件質(zhì)量約5 kg，隔水管單根質(zhì)量約8 000 kg，要求提供的浮力系數(shù)大于95%。

單個浮筒總質(zhì)量M浮=1 642 kg，取海水密度ρ海水=1.025 g/cm3，則單個浮筒能提供的浮力為F1=ρ海水gV-M浮g=18.96 kN。每根隔水管安裝4組浮筒，單根隔水管浮筒提供的總浮力F=4F1=75.84 kN，因此，理論計算浮力系數(shù)K=F/gM隔=96.73%，滿足要求。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 胚料模塊化成型

設(shè)計厚度為200 mm，外圓直徑為?1 175 mm，內(nèi)圓直徑為?530 mm的扇形模具，將一定比例的20～150 μm空心玻璃微珠、環(huán)氧增強樹脂、阻燃材料等材料經(jīng)過化學(xué)成型工藝，例如振動澆注、抽真空澆注等，通過專用設(shè)備使材料有機融合在一起，制造多個小型復(fù)合泡沫模塊。最后在平整的工作臺上，將多個小模塊用專用粘接劑組合成成型胚料。組合時控制粘接時間間隔、同軸度，同軸度要求全長范圍2 mm，組合后需用專用工具固定并靜放24 h。與國外一體成型相比，模塊化成型具有模具費用投入少，組合形狀更加靈活，材料性能更容易保證，材料合格率更高，經(jīng)濟性更好。如圖1。

圖1 浮筒胚料模塊

2.2 柔性裝夾加工技術(shù)

復(fù)合泡沫材料雖具有可加工性，但有脆性和加工粉塵大的特點，與金屬加工相比有較大的不同，不能使用常規(guī)的刀具和工裝。為此，使用了柔性裝夾和粉塵收集裝置的加工技術(shù)，完成外圓、內(nèi)部結(jié)構(gòu)加工。同時，加工時注意進刀速度和進刀量的控制，并配備冷卻 液實時降溫，施工人員佩戴防塵面具。柔性裝夾保證了產(chǎn)品質(zhì)量，粉塵收集裝置提高了加工的環(huán)保性，創(chuàng)新性地研發(fā)了一套復(fù)合泡沫材料加工工藝技術(shù)。

2.3 組合涂層技術(shù)

1) 內(nèi)層包覆玻璃鋼。玻璃鋼由環(huán)氧樹脂、環(huán)氧固化劑及玻璃纖維布組成，密度約1.5 g/cm3，施工工藝為手工涂刷，總厚度2～3 mm。

2) 中間層噴涂聚脲彈性體。利用壓力將聚氨酯原料(分A、B組分)由計量泵輸送至噴槍，經(jīng)快速混合后，噴至物體表面成型，涂層厚度2～3 mm。

3) 外層噴涂水下專用油漆。選用環(huán)氧通用底漆(灰色)，聚氨酯面漆(白色)作為主體涂料；選用環(huán)氧通用底漆(灰色)，聚氨酯面漆(藍(lán)色)作為端部涂料，端部噴涂寬度100 mm，總漆膜厚度150 μm。

3 試驗研究

3.1 強度試驗

按圖2安裝浮筒，逐級緩慢加壓，升至12.5 MPa壓力，保壓24 h，以不低于5 min的間隔記錄拉力傳感器讀數(shù)和溫度，在試驗前和試驗后分別對浮筒稱重。

圖2 試驗方案

試驗前浮筒空氣中質(zhì)量M1=1 559.54 kg，浮筒完全沒入水池時稱重器稱出質(zhì)量M2=1 545.5 kg；試驗后浮筒完全沒入水池，稱重器稱出質(zhì)量M3=1 526 kg，浮筒空氣中的質(zhì)量M4=1 568.29 kg。高壓艙裝滿水，穩(wěn)壓期初拉力傳感器讀數(shù)F1=19.42 kN，降壓后拉力傳感器讀數(shù)F2=19.17 kN。取水的密度ρ水=1.0 g/cm3，海水的密度ρ海水=1.025 g/cm3。

1) 試壓前的體積V前

2) 試壓后的體積V后

3) 吸水率S1

4) 浮力損失率S2

5) 體積損失率S3

6) 單個浮筒浮力F單

F單=F2=19.17kN

7) 實際浮力系數(shù)K

試驗后，浮筒表面無裂紋、凹陷、表面破損等可見缺陷，滿足API 16F要求?？偢×p失不超過5%，吸水率不超過1%，浮力系數(shù)滿足要求。

3.2 碰撞對比試驗

國產(chǎn)浮筒產(chǎn)品樣塊A1、A2和進口浮筒產(chǎn)品樣塊B1、B2，要求A樣塊和B樣塊應(yīng)等面積等體積，通過天車電磁吸盤提升配重，調(diào)節(jié)下落高度和配重塊質(zhì)量進行碰撞試驗。 國內(nèi)外浮筒樣塊如圖3～4所示。

圖3 國產(chǎn)浮筒樣塊

圖4 進口浮筒樣塊

進口浮筒樣塊承受100 kg配重塊，從0.5 m高度下落，表面涂層破損明顯；進口浮筒樣塊承受100 kg配重塊，從0.7 m高度下落，樣塊破裂失效；國產(chǎn)浮筒樣塊承受600 kg配重塊，從0.7 m高度下落，樣塊破裂并失效，而表面涂層仍然沒有破壞痕跡，試驗表明國產(chǎn)浮筒抗沖擊性能達(dá)到國際先進水平。

4 產(chǎn)品特點

1) 單根浮筒由兩塊半圓柱體結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)側(cè)形狀與隔水管外徑、輔管及卡箍等間隙配合，外側(cè)使用不銹鋼螺栓連接，拆裝方便，優(yōu)于由多塊浮體組成的浮筒或由卡夫拉綁帶連接的浮筒。

2) 內(nèi)部芯材選用由空心玻璃微珠、環(huán)氧增強樹脂配比的復(fù)合泡沫材料[7]，具有強度高，密度低，吸水率低的特點，并且可加工性好，破損后能夠粘接修補，維護方便。

3) 浮筒上下外圓設(shè)計了寬度50 mm的平面，方便搬運和儲存。

4) 浮筒包覆玻璃鋼，提高了防磨損和抗沖擊能力，增強對內(nèi)部浮力材料的保護，延長了浮筒的使用壽命，降低使用成本

5) 與國外同類型產(chǎn)品相比，外層多噴涂一層聚脲彈性體，進一步增強防水、耐磨和抗沖擊能力。

6) 最外層噴涂水下防腐油漆，能夠提高浮筒防腐性能和美觀。

7) 內(nèi)部芯材加入阻燃材料，阻燃性能優(yōu)于國外同類型產(chǎn)品，增強安全性能。

5 研究建議

隨著海洋油氣資源勘探開發(fā)逐漸由淺海移向深海[8-9]，浮筒作為隔水管系統(tǒng)配套設(shè)備，將越來越重要，對今后研究方向提出以下建議。

1) 加大力度開展浮筒主體材料性能的攻關(guān)研究，開發(fā)更多種類低密度、高強度、低吸水率、高阻燃性和良好加工性能的復(fù)合泡沫材料。

2) 借鑒國內(nèi)外制造經(jīng)驗，按照產(chǎn)、學(xué)、研三者有機結(jié)合的方式[10]，開展浮筒主體材料胚料制造多樣性研究，例如使用大模具一體擠壓成型制造技術(shù)。

3) 研究并試制更多系列浮筒產(chǎn)品，以滿足不同環(huán)境、不同海域和不同船型的作業(yè)要求，提高隔水管系統(tǒng)的配套能力。

4) 進行破損浮筒修復(fù)技術(shù)研究，提高產(chǎn)品維護性能和使用壽命。

6 結(jié)論

1) 研制的DR-E60FF型海洋鉆井隔水管浮筒經(jīng)過廠內(nèi)試驗，表明其性能好，能夠完全滿足海洋環(huán)境的使用要求。

2) 該浮筒產(chǎn)品的研制成功，表明國內(nèi)制造企業(yè)已經(jīng)掌握了設(shè)計、試驗以及關(guān)鍵制造技術(shù)，開發(fā)了主體胚料模塊化成型、柔性裝夾加工、組合涂層技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)，為產(chǎn)品的系列化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

3) 產(chǎn)品外形結(jié)構(gòu)方面與國外產(chǎn)品還有差距，后期將通過分析計算、三維建模等方式進行結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化設(shè)計。

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《石油礦場機械》雜志社

Development and Experimental Study on the DR-E60FF Marine Drilling Riser Buoyancy

WANG Hongchuan1，HUANG Jie1，ZHAO Tao1，ZHANG Liwen1，2，JIA Junliang1，LUO Zhen1，2，SUN Bo1

(1．BaojiOilfieldMachineryCo.，Ltd.，Baoji721002，China；2．NationalEngineeringResearchCenterforOilandGasDrillingEquipment，Baoji721002，China)

A marine drilling riser buoyancy was developed to apply in 1000-meter.The design consideration was carefully analyzed to develop the innovation of buoyancy modular body sheet metal forming，flexible clamping processing technology，and key technology such as composite coating technology.And strength test and impact test results show that the development of the buoyancy meets the demand of rated the depth of the water pressure，bibulous rate and buoyancy factor meet the design requirements，impact resistance and wear resistance is superior to the same level of foreign products.Nationalization of the buoyancy product has high strength，low density，low bibulous rate，good anti-corrosion performance，and a better product performance，which filled up the domestic gap in this field，has broad application prospect in the market.Some suggestions were put forward for the further development of the buoy research，and the experience was summarized in product development and market prospect of application.

drilling riser；buoyancy；buoyant force；bibulous rate；impact resistance

1001-3482(2017)01-0067-04

2016-08-16

王洪川(1987-)，男，工程師，2010年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機械工程及自動化專業(yè)，現(xiàn)從事石油機械裝備研究工作，E-mail：whc_bomco@163.com。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.01.016