苏希俭 山建国上海振华重工（集团）股份有限公司 上海 200125
关键词：防喷器 龙门起重机 参数 组成 特点
0 引言我国经济快速增长，石油、天然气的进口数量逐年增加。据最新国家统计局数据：2017 年，中国已经成为世界上原油第一大进口国；2018 年，中国的原油对外依存度为70.95%；2019 年，预计中国的原油对外依存度还将上升。石油、天然气的供应安全已经成为影响我国经济安全的重要因素之一。
我国陆地油气资源正在迅速枯竭，但海洋油气资源储量丰富。目前我国海洋开发范围还仅限于近海海域，深海石油开发刚刚起步，许多关键技术、设备依赖国外进口。要实现深海油气资源的自主勘探、开发目标，打破国外技术壁垒和价格垄断，就必须掌握深海油气勘探、开发等前沿技术，研制出具有自主知识产权的国际先进水平的大型深海油气勘探、开发装备。其中BOP（防喷器：blow-out preventer) 龙门起重机是关键装备之一。BOP 龙门起重机在以前期刊中少见有论述，且介绍的机型只适应于对应的钻井平台。本文试图以全新的视角论述当今最新潮流的钻井平台所应用的BOP 龙门起重机。
1 相关背景知识1.1 名词解释井喷现象是指石油与天然气采掘业中，地层中的流体（油、气）不受控制连续不断的涌入井筒，喷出地面或完井立管的现象。
井喷危害是指如果不能及时平衡和控制地下油气层的压力，在井场上短时间内就会充满了原油或天然气，一旦遇上明火或喷出的砂石打在钢铁井架上迸出的火星，就会发生火灾，污染环境，严重威胁着油田、设备、人员的安全。在海洋上开采石油，污染产生的恶果更甚。2010 年美国墨西哥湾原油泄漏事件，就是因为井喷造成数次爆炸，导致钻井平台沉没、人员死亡、人类历史上最大的海洋石油泄漏污染、多种物种灭绝，严重破坏了墨西哥湾生态平衡。
BOP 是一种井控设备，它与其他设备相结合，在试油、修井、完井、更换钻杆等作业过程中关闭井口，防止井喷事故发生。分为环形BOP 和闸板BOP 两大类型，通常情况下是两者组合使用。
1.2 BOP 系统工艺流程BOP 系统包含的设备有滑移小车、月池升降车、龙门起重机，三者都布置在平台的主甲板上。滑移小车和龙门起重机的大车机构均在水平面内运行，大车轨道平行布置，各有两条轨道。滑移小车的轨道布置在龙门起重机轨道内侧。滑移小车的轨道上平面高于BOP 龙门起重机轨道上平面。滑移小车通向月池升降车的两条轨道与龙门起重机轨道垂直相交，在交叉处断开。月池升降车上也有滑移小车轨道，在界限处断开。当需要滑移小车滑移到月池升降车时，加上数段活动轨道，跨越过龙门起重机的轨道，组成整条轨道。月池升降车是一种升降设备，垂直运行。
BOP 的组装、测试、维护工作完成后，龙门起重机将BOP 从堆场吊起，放到滑移小车上；滑移小车带着BOP 滑行到垂直相交轨道处；滑移小车的驱动机构是一种攀爬器，液压缸作为动力。整个驱动机构可从滑移小车轨道和滑移小车上轻松拆卸。将驱动机构安装到滑移小车的垂直相交轨道及滑移小车对应位置上；滑移小车带着BOP 滑行到月池升降车上；月池升降车带动BOP及滑动小车一起下降，BOP 落到井口上连接。
需要进行BOP 的拆解、测试、维护工作时，从井口上拆卸BOP，进行上述相反流程。2 500 t BOP 龙门起重机参数额定载荷2X250 t，起升高度23 m，大车运行距离30 m（工作区间）、40m（活动区），大车轨距9.6 m，起升速度1 m/min（满载）、2 m/min（空载），大车运行速度2 m/min，起重机工作级别A3-U3-Q2，抗风能力36 m/s（作业工况）、51.5 m/s（保存工况），液压驱动方式，液压系统最大工作压力21 MPa，1 级II 类区域危险等级，工作环境温度-20 ℃ ~50 ℃，海洋工作环境。3 500 t BOP 龙门起重机主要构成500 t BOP 龙门起重机主要由起升机构、大车运行机构、金属结构、抱扶装置、吊具等部件组成。 BOP起重机的的结构形式详见图1。
3.1 起升机构起升机构有独立的两套机构，分设在龙门起重机中心线的两端，总起重量为2×250 t。起升机构主要由液压马达、液压制动器、行星减速箱、卷筒、支座等部件组成。
1. 起升机构 2. 金属结构 3. 吊具4. 导向装置 5. 大车运行机构图1 500t BOP 龙门起重机
3.2 大车运行机构大车运行机构由满辊子小车、驱动机构等两部分组成；满辊子小车总的设计思想是兼顾轮压和外形尺寸的要求，数量有4 套。它主要由辊子、导向块、平衡铰轴、上平衡座、下平衡座等部件组成。
导向块卡在大车轨道的两个侧面，防止整机的摇晃。沿着大车轨道长度方向，在满辊子小车上布满了多组辊子，可减少每组辊子承受的轮压。每组辊子又由上、下两层辊子构成，互相接触，将每组辊子承受的轮压分散到两层辊子上，进一步减少每个辊子承受的轮压。上平衡座固定在金属结构上，通过平衡铰轴与下平衡座连接。下平衡座可绕平衡铰轴旋转，均衡每个辊子承受的轮压。满辊子小车的结构形式详见图2。
在设计时出于安全考虑了多种系数，使龙门起重机自重非常大，自重载荷加起升载荷产生巨大的轮压。在海洋平台上有限的空间内，如果采用陆地上龙门起重机大车机构普遍采用的车轮形式，不能满足轮压要求。陆地上龙门起重机大车机构的承压部分与驱动部分是一体设置，均由车轮承担。BOP 龙门起重机大车机构选择承压与驱动分开设置。考虑到海洋平台在风、浪、涌的共同影响下在不停地摇晃，龙门起重机也随之不停摇晃，龙门起重机的各处轮压在不停变化，甚至有可能是负值。同时大车轨道面上时常潮湿或有水渍，车轮在轨面上有可能打滑，不能保证起重机安全运行，所以必须使用齿轮、齿条驱动形式。
驱动机构主要由液压马达、液压制动器、行星减速箱、齿轮、齿条、支座等部件组成。在大车轨道的两侧，对称布置两条齿条带，齿条带与主甲板面垂直。齿轮、齿条啮合时产生水平力。具体分为垂直于大车轨道方向的分力，由满辊子小车上的导向块承受，传递到大车轨道上；平行于大车轨道方向的分力，驱动龙门起重机运行。
3.3 金属结构该龙门起重机的金属结构形式为龙门式结构，在金属结构上部装配有主起升机构和辅助起升机构；主起升机构固定在金属结构主梁上；辅助起升机构挂在金属结构主梁下部，可移动。
3.4 抱扶装置在金属结构门腿上设有抱扶装置，用来防止BOP与海洋石油平台或龙门起重机发生碰撞。抱扶装置主要由活动爪、固定座、液压缸组成。液压缸上设有磁尺限位开关，对液压缸行程进行限制，防止行程不足或过行程。配套的液压站有溢流装置，防止抱扶过程中的过载。如果抱死BOP，则在BOP 的起升、下降过程中损坏抱扶装置。
抱扶过程：液压缸驱动活动爪旋转，活动爪抱扶住BOP 上的抱扶杆。通过设置的限位装置，使得活动爪与抱扶杆之间有数毫米的间隙，即限制BOP 在水平面内两个维度的过度摇晃，又避免抱死BOP。抱扶杆有一定长度，故在起升、下降过程中对BOP 实现了全程抱扶。抱扶装置的俯视图详见图3。抱扶装置液压缸主要参数：推力50 kN，拉力25 kN，行程360 mm。
抱扶装置及满棍子小车上的导向块都是海洋平台上起重机的特有设置，由于海洋平台在不停的摇晃，为使其摇晃控制在一定范围，在海洋平台上各个方向上，都设置有动力定位装置进行动态调整。
1. 活动爪 2. 固定座 3. 油缸图3 抱扶装置的俯视图
4 500 t BOP 龙门起重机采用的标准（1）API 美国石油协会规范（2）FEM 欧洲起重机械设计规范（3）ABS 美国船级社规范（4）AISC 美国钢结构设计协会规范（5）AWS 美国焊接协会规范
5 500 t BOP 龙门起重机特点最突出的特点就是安全，从各种系数、材料、驱动方式、防腐等几方面的选取予以保障。
5.1 机械部件的设计载荷的确定原则：加速度产生的载荷参考API。起升载荷垂直方向冲击系数=1.33+0.022 9 •Hsig=1.467，Hsig 为浪高Hsig = 6 m， 则起升机构的设计载荷为1.467×500=733 t。
5.2 金属结构的设计载荷的确定原则：加速度产生的载荷参考API；风压计算参考ABS MODU Part 3。工作状态时结构计算组合见下表1。
结构件在工作状态的安全系数：1.5( 安全系数)×1.467( 动态系数)× 额定载荷≤材料屈服强度/1.67其他件：1.467( 动态系数)× 额定载荷≤材料屈服强度/2.5。
5.3 材料
1) 钢板 所有钢板都需要有相应的船级社认证。本项目的钢板既要覆盖API 要求，又要满足ABS 要求。具体要求见表2、表3。
2) 铸锻件 既要满足化学成分要求，又要满足机械性能要求。下面举例说明滑轮轴材料34CrNi1Mo 的要求,见表4。
5.4 防爆要求该龙门起重机工作位置处于一级Ⅱ类危险区域，需满足该区域的隔爆要求，主要机构由液压驱动，辅助起升机构由气体驱动。
5.5 油漆涂装要求1) 涂装流程原材料——表面预处理——喷涂车间底漆——钢材切割、构件预制、组装——表面二次处理——油漆涂装。
2) 钢材预处理要求①表面处理前，用溶剂或中性清洁剂擦净钢材表面的油和油脂；②抛丸处理至Sa2.5 级（非常彻底的喷射清理）标准，表面粗糙度为40~75μm；③喷涂无机锌车间底漆；干膜厚度20~30 μm；
3) 表面二次处理要求①涂装第一道底漆之前，所有钢结构表面进行表面二次处理，包括除锈和清洁工作；②车间底漆未受损，结构件的内、外表面进行扫沙处理；③车间底漆已受损，在分段阶段时，结构件的内、外表面处理至Sa2.5 级（非常彻底的喷射清理）标准；④车间底漆已受损，在合拢阶段时，结构件的外表面处理至St3 级（非常彻底的手动和工具清理）标准；结构内表面处理至St2 级（彻底的手动和工具清理）标准；
4) 油漆品种、层数、漆膜厚度要求①第一层—底漆，海洋设备用油漆，富锌环氧树脂，干膜厚度127~152 μm；②第二层—中间漆，海洋设备用油漆，环氧树脂，干膜厚度127~152 μm；③第三层—面漆，海洋设备用油漆，聚氨酯，干膜厚度50~76 μm；
5) 涂装环境要求①在分段阶段时，涂装作业一般在室内进行；必须在室外作业时，雨、雪、雾天不得进行；②涂装作业时的相对湿度一般保持在85% 以下；③钢材表面温度高于露点3℃以上；钢材表面最高温度不大于40℃；钢材表面最低温度，环氧漆不低于5℃、醇酸和沥青类漆不低于0℃。
6 结论“十三五”规划期间，预计我国在海洋工程装备上每年有超过一千亿元以上的投资规模。抓住机遇，提前介入海上钻井设备及辅助设备的研究与制造，有利于海洋工程装备更快、更好地产业化，有利于扩大我国的科学技术对外界的影响力，有利于我国“走出去”战略的实施，有利于缩小我国与国际海上钻井先进技术之间的差距，进一步增强我国企业的国际竞争力。本文介绍的超大型500 吨级BOP 龙门起重机正处于研制阶段，所论述的参数、结构、功能为当前流行潮流。能否实现预想功能，有待于实践检验。
参考文献[1] API Drilling and Well Servicing Equipment A [S].[2] ABS Guide For Certification Of Lifting Appliances [S].[3] ABS Rules for Materials and Welding [S].[4] SSPC Steel Structures Painting Council paint manual [S].
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.