解决船用低温高等级角钢短缺的几种思路

2021-08-19刘宏亮党恩刘永飞

机械工程师 2021年8期

刘宏亮，党恩，刘永飞

（1. 宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002；2. 中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西宝鸡 721002）

0 引言

石油天然气仍是当前的主要能源，我国陆地油气资源勘探开发程度现已很高，油气资源正迅速减少。海洋作为一个有巨大开发潜力的宝藏，是我国石油发展战略的一个重点。我国拥有漫长的海岸线和广阔的海域，油气资源十分丰富[1]。海洋油气资源的开发，给石油钻井装备制造业务板块既带来了发展的机遇，也带来技术上的挑战。2003年以来，宝石机械公司已累计生产海洋平台模块钻机60多台套，为我国海洋油气资源的勘探开发做出了贡献。海洋平台模块钻机中井架是主要设备单元之一，角钢是井架常用型材。海洋平台井架工作环境的特殊性，对井架用材料提出了很高的要求，市场经常短缺无现货，采购困难和采购周期长是普遍存在的现实问题，给海洋平台井架的生产准备带来较大的影响。本文提出了解决船用低温高等级角钢临时短缺的几种思路，可临时解决非重要场合船用高等级角钢短缺的应急，可供同行参考。

1 海洋平台模块钻机井架用材特点和要求

海洋平台模块钻机中井架是主要设备单元之一，相较于陆上石油开采中所使用的井架，海洋石油钻井平台上所使用的井架结构复杂程度更高、其对工作的可靠性要求也越高[2]。常用井架形式主要为塔形井架和套装垂直伸缩井架。井架为钢结构单元，是由钢制材料组成的结构，主要由型钢和钢板等制成的梁钢、钢柱、钢桁架等构件组成，所用钢材主要涉及板材、型材和管材，不同井架形式用料有所不同，塔形井架用料以板材和型材为主，套装垂直伸缩井架用料以板材和管材为主。型材是板材以外最常用材料品种，而角钢又是井架常用型材。

井架常用型钢的特点是品种多、规格多、用量少。比如说角钢、钢管有的仅需几支，这样给采购工作带来很大的难度。钢材二级市场上难以寻求，只能通过供应商在钢厂订货，但起订量一般为30～60 t，钢厂才进行排产。采购到厂后，其他产品又用不上，造成新的库存积压和资金占用，在石油价格低位徘徊，整个石油行业经营困难的今天，不利于企业的提质增效。石油工程钻机结构用钢材的特点是用量大、品种多、规格多，这就要求用钢材必须尽可能以国产钢材为首选，且商品化程度高，易于求购，价格合理且易于承受[3]。由于船用角钢不像船板易于轧制，市场上采购船用高等级角钢比较困难。经过船级社认证的生产商少之又少，且多为低强度或低等级的CCS A、CCS B CCS AH36角钢，像CCS DH36、CCS EH36等高强高等级的角钢市场很少。由于特殊的工作环境，要求船用角钢具有良好的强韧性、焊接性能及较高的外观尺寸精度和表面质量[4]，这些特殊要求，进一步增加了采购难度和采购周期。

2 低温高等级角钢短缺对海洋平台井架生产的影响

近年来，随着海洋石油勘探开发向深水、超深水方向不断发展，世界范围内新钻井平台的建造和老钻井平台的改造日趋活跃[5]。根据我国能源发展的形势和要求，为我国海洋油气勘探开发提供新型、经济、实用的海洋工程装备是我国石油装备制造业面临的新的机遇和挑战，也是责无旁贷的光荣任务。海洋平台井架工作环境的特殊性，对材料提出了很高的要求，所用钢材除应具有良好的强度和塑性外，还应具有较好的焊接性和低温韧性。这一点对提高海洋平台井架的可靠性和使用寿命具有重要意义，在海洋平台钻机研制中显得尤为重要。

现行国家标准GB/T 706-2016[6]《热轧型钢》、YB1T 4562-2016[7]《船用热轧L型钢》更多的是对热轧型材的尺寸、外形、质量及允许偏差等的要求，关于钢的牌号、化学成分和力学性能则提出应符合GB/T 700、GB/T 1591、GB/T 712的有关规定。作为海洋平台主要设备单元的井架，其结构生产的用钢要求较高，虽然后者两个标准中不乏高钢级和质量等级牌号，但海洋平台井架需要的型钢品种多，各规格成批的需求量不大，相对于船用钢板，高钢级和质量等级的角钢型材在钢材市场经常短缺无现货，采购困难和采购周期长是普遍存在的现实问题，给海洋平台井架的生产准备带来一定影响。

3 解决低温高等级角钢短缺的几种方法

为解决海洋平台井架生产急需的船用角钢的短缺曾尝试过各种办法，下面几种方法可供考虑和选择。

3.1 自制角钢法

3.1.1 焊接角钢

利用同材质的船用钢板下料后组焊成角钢，这种焊接角钢由于为开坡口全焊透结构，焊后变形难以通过矫形完全消除，尺寸精度不高，存在一定翘曲变形，角钢两肢垂直度有一定偏差。当角钢用量不大，尺寸精度要求不高时可以采用此法以解燃眉之急。我公司曾经由于采购不到EH36船用角钢，而采用此法焊接了100多根EH36角钢。

3.1.2 折弯角钢

利用同材质的船用钢板下料后在钢板折弯机上折弯成角钢，这种折制的角钢一是具有较大的圆弧角，不具有像轧制角钢一样的直角，外形如图1所示。折弯角钢折弯处厚度均匀，和同边长的轧制角钢相比，折弯角钢截面面积小，抗弯和抗扭截面模量小，承载能力弱，同时，抗拉（压）刚度、抗弯刚度和抗扭刚度小，抗拉（压）、抗弯和抗扭变形能力都低于轧制角钢；二是折制的角钢翼缘没有圆角过渡；三是折制的角钢为了控制较小的圆弧角，折弯时刀头压力较大，造成弯角内侧长度方向具有明显的压制刀痕，一般深0.2～0.5 mm，像纵贯全长的一道裂纹，如图2所示；四是4000 mm以上较长的角钢需要2台折板机同时折弯，折制成的角钢直线度和轧制角钢相比有一定差距。所以，折弯角钢这种方法一般不可取，除非在不重要场合使用。笔者曾在陕西捷瑞钢结构制造工程有限责任公司利用其拥有的西安地区最大的2×800 t×6 m双机联动数控液压折弯机进行了Q345D 材质10 m长140×100×14折弯角钢试验，正如以上所说，效果不十分理想，满足不了精度要求，最后不得不放弃。

图1 钢板折弯角钢外形

图2 钢板折弯角钢内侧压痕

3.2 材料替代法

用力学性能一致或接近的执行不同标准的角钢互相替代，如用Q345D角钢替代CCS DH36角钢，Q345E角钢替代CCS EH36角钢。

3.3 性能试验法

利用市场易于采购到的一般质量等级的Q345B角钢逐炉（批）号进行力学性能试验，用其中力学性能，特别是低温韧性好的，低温冲击功值满足更高等级船用角钢性能要求的一般角钢来替代高等级船用角钢使用。这种办法费时、费力，成本较大，需在市场采购不同厂家的角钢货源进行超出标准要求的低温冲击试验，有可能试验了许多批角钢货源也难以找到满足要求的货源。但也有个别钢厂生产的普通Q345B角钢产品化学成分稳定，力学性能可靠，稳定性能好，可达到更高质量等级的性能要求，在船级社质量监造见证性能试验并征得同意后，可用于替代CCS AH36船用角钢。

3.4 更改结构法

当设计结构采用的船用角钢货源无法解决的情况下，也可以考虑变更设计结构，变角钢为焊接H钢，这样由于H钢是对称构件，和角钢不对称构件相比，焊后变形小，易调校变形，且由于生产焊接H钢所用低温高等级钢板市场货源充足，相对容易生产。设计选用材料时，应选用通用且市场上易采购的材料，尽量避免或减少高质量等级钢材和非标准规格材料的使用。

3.5 降低载荷法

在无法获得设计温度下具有要求韧性的合适材料的情况下，也可考虑用低温性能一般的材料替代原设计材料，前提是必须通过结构改进降低或有效控制工作载荷的大小，不宜在满额定载荷值下使用，这一做法在API SPEC 8C规范[8]4.2节设计条件中有提及，但可实施性不强。

3.6 特殊订货法

在以上办法都还不能解决问题时，就只能寻找有能力的钢厂技术洽谈，特殊订货。由于一般钢厂一种规格角钢的最少起订量一般为30 t，如果用量不大，或同时需要几种规格角钢的话，一般用户负担不起，且钢厂需要准备轧制角钢所需的特殊钢坯，调整轧辊，往往需要一定周期，市场经济条件下，急需货源生产的用户往往时间上等不起。这种情况下需要用户多方查询信息，看能否借助钢材供应商订货之际，借机增加订单，或联合几家有需求的商家，共同下订单，以满足钢厂最少起订量的要求。笔者2010年以来多次到河北某特钢集团有限公司就船用角钢进行技术沟通和采购船用高等级角钢，解决了当时我公司为中海油田服务股份有限公司（COSL）200英尺自升式钻井平台7000 m井架生产急需的ABS AH36和迪拜300英尺自升式钻井平台井架所用CCS AH36 140×140×14角钢，满足了公司生产急需。为了减少采购规格型号，降低采购难度，有时需将用量不大，厚度、尺寸大小规格与大量使用的主规格型号统一成一种型号，通过材料代用或机械加工将大规格角钢的肢高加工到小规格尺寸。二级钢材市场网上船用角钢货源的信息很多，这些供应商往往有价无货，也需要和钢厂特殊订货，个别经销商说有现货，一旦用户要现场验货时，却推三阻四，用户需要对这些信息进行核实，避免上当受骗，造成损失，影响生产进度和合同交货期。用户最好定期对常用船用角钢的规格和一定时段内的不同项目的用量进行统计和评估，合并到一起实行集中订购，库存储备，以备不时之需。

4 国内船用角钢生产企业及现状

国内一些钢铁企业适应市场需求，积极开发附加值高的船用型材[9-10]，目前国内一些钢铁企业已经取得中国船级社工厂认可证书，可生产AH36钢级以下各规格的等边角钢和不等边角钢，如济南黄河特钢有限责任公司、唐山盛财钢铁有限公司，个别企业，如安阳钢铁股份有限公司、宿迁南钢金鑫轧钢有限公司可生产DH36和DH40钢级以下各规格的等边角钢和不等边角钢。EH36以上等更高钢级的船用角钢还无通过中国船级社工厂认可的企业能生产，有待进一步开发，同时大规格船用角钢也有待丰富和完善。