解決船用低溫高等級角鋼短缺的幾種思路

劉宏亮，黨恩，劉永飛

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

0 引言

石油天然氣仍是當(dāng)前的主要能源，我國陸地油氣資源勘探開發(fā)程度現(xiàn)已很高，油氣資源正迅速減少。海洋作為一個(gè)有巨大開發(fā)潛力的寶藏，是我國石油發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)重點(diǎn)。我國擁有漫長的海岸線和廣闊的海域，油氣資源十分豐富[1]。海洋油氣資源的開發(fā)，給石油鉆井裝備制造業(yè)務(wù)板塊既帶來了發(fā)展的機(jī)遇，也帶來技術(shù)上的挑戰(zhàn)。2003年以來，寶石機(jī)械公司已累計(jì)生產(chǎn)海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)60多臺(tái)套，為我國海洋油氣資源的勘探開發(fā)做出了貢獻(xiàn)。海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)中井架是主要設(shè)備單元之一，角鋼是井架常用型材。海洋平臺(tái)井架工作環(huán)境的特殊性，對井架用材料提出了很高的要求，市場經(jīng)常短缺無現(xiàn)貨，采購困難和采購周期長是普遍存在的現(xiàn)實(shí)問題，給海洋平臺(tái)井架的生產(chǎn)準(zhǔn)備帶來較大的影響。本文提出了解決船用低溫高等級角鋼臨時(shí)短缺的幾種思路，可臨時(shí)解決非重要場合船用高等級角鋼短缺的應(yīng)急，可供同行參考。

1 海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)井架用材特點(diǎn)和要求

海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)中井架是主要設(shè)備單元之一，相較于陸上石油開采中所使用的井架，海洋石油鉆井平臺(tái)上所使用的井架結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度更高、其對工作的可靠性要求也越高[2]。常用井架形式主要為塔形井架和套裝垂直伸縮井架。井架為鋼結(jié)構(gòu)單元，是由鋼制材料組成的結(jié)構(gòu)，主要由型鋼和鋼板等制成的梁鋼、鋼柱、鋼桁架等構(gòu)件組成，所用鋼材主要涉及板材、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為主，套裝垂直伸縮井架用料以板材和管材為主。型材是板材以外最常用材料品種，而角鋼又是井架常用型材。

井架常用型鋼的特點(diǎn)是品種多、規(guī)格多、用量少。比如說角鋼、鋼管有的僅需幾支，這樣給采購工作帶來很大的難度。鋼材二級市場上難以尋求，只能通過供應(yīng)商在鋼廠訂貨，但起訂量一般為30～60 t，鋼廠才進(jìn)行排產(chǎn)。采購到廠后，其他產(chǎn)品又用不上，造成新的庫存積壓和資金占用，在石油價(jià)格低位徘徊，整個(gè)石油行業(yè)經(jīng)營困難的今天，不利于企業(yè)的提質(zhì)增效。石油工程鉆機(jī)結(jié)構(gòu)用鋼材的特點(diǎn)是用量大、品種多、規(guī)格多，這就要求用鋼材必須盡可能以國產(chǎn)鋼材為首選，且商品化程度高，易于求購，價(jià)格合理且易于承受[3]。由于船用角鋼不像船板易于軋制，市場上采購船用高等級角鋼比較困難。經(jīng)過船級社認(rèn)證的生產(chǎn)商少之又少，且多為低強(qiáng)度或低等級的CCS A、CCS B CCS AH36角鋼，像CCS DH36、CCS EH36等高強(qiáng)高等級的角鋼市場很少。由于特殊的工作環(huán)境，要求船用角鋼具有良好的強(qiáng)韌性、焊接性能及較高的外觀尺寸精度和表面質(zhì)量[4]，這些特殊要求，進(jìn)一步增加了采購難度和采購周期。

2 低溫高等級角鋼短缺對海洋平臺(tái)井架生產(chǎn)的影響

近年來，隨著海洋石油勘探開發(fā)向深水、超深水方向不斷發(fā)展，世界范圍內(nèi)新鉆井平臺(tái)的建造和老鉆井平臺(tái)的改造日趨活躍[5]。根據(jù)我國能源發(fā)展的形勢和要求，為我國海洋油氣勘探開發(fā)提供新型、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的海洋工程裝備是我國石油裝備制造業(yè)面臨的新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，也是責(zé)無旁貸的光榮任務(wù)。海洋平臺(tái)井架工作環(huán)境的特殊性，對材料提出了很高的要求，所用鋼材除應(yīng)具有良好的強(qiáng)度和塑性外，還應(yīng)具有較好的焊接性和低溫韌性。這一點(diǎn)對提高海洋平臺(tái)井架的可靠性和使用壽命具有重要意義，在海洋平臺(tái)鉆機(jī)研制中顯得尤為重要。

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 706-2016[6]《熱軋型鋼》、YB1T 4562-2016[7]《船用熱軋L型鋼》更多的是對熱軋型材的尺寸、外形、質(zhì)量及允許偏差等的要求，關(guān)于鋼的牌號(hào)、化學(xué)成分和力學(xué)性能則提出應(yīng)符合GB/T 700、GB/T 1591、GB/T 712的有關(guān)規(guī)定。作為海洋平臺(tái)主要設(shè)備單元的井架，其結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的用鋼要求較高，雖然后者兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中不乏高鋼級和質(zhì)量等級牌號(hào)，但海洋平臺(tái)井架需要的型鋼品種多，各規(guī)格成批的需求量不大，相對于船用鋼板，高鋼級和質(zhì)量等級的角鋼型材在鋼材市場經(jīng)常短缺無現(xiàn)貨，采購困難和采購周期長是普遍存在的現(xiàn)實(shí)問題，給海洋平臺(tái)井架的生產(chǎn)準(zhǔn)備帶來一定影響。

3 解決低溫高等級角鋼短缺的幾種方法

為解決海洋平臺(tái)井架生產(chǎn)急需的船用角鋼的短缺曾嘗試過各種辦法，下面幾種方法可供考慮和選擇。

3.1 自制角鋼法

3.1.1 焊接角鋼

利用同材質(zhì)的船用鋼板下料后組焊成角鋼，這種焊接角鋼由于為開坡口全焊透結(jié)構(gòu)，焊后變形難以通過矯形完全消除，尺寸精度不高，存在一定翹曲變形，角鋼兩肢垂直度有一定偏差。當(dāng)角鋼用量不大，尺寸精度要求不高時(shí)可以采用此法以解燃眉之急。我公司曾經(jīng)由于采購不到EH36船用角鋼，而采用此法焊接了100多根EH36角鋼。

3.1.2 折彎角鋼

利用同材質(zhì)的船用鋼板下料后在鋼板折彎機(jī)上折彎成角鋼，這種折制的角鋼一是具有較大的圓弧角，不具有像軋制角鋼一樣的直角，外形如圖1所示。折彎角鋼折彎處厚度均勻，和同邊長的軋制角鋼相比，折彎角鋼截面面積小，抗彎和抗扭截面模量小，承載能力弱，同時(shí)，抗拉（壓）剛度、抗彎剛度和抗扭剛度小，抗拉（壓）、抗彎和抗扭變形能力都低于軋制角鋼；二是折制的角鋼翼緣沒有圓角過渡；三是折制的角鋼為了控制較小的圓弧角，折彎時(shí)刀頭壓力較大，造成彎角內(nèi)側(cè)長度方向具有明顯的壓制刀痕，一般深0.2～0.5 mm，像縱貫全長的一道裂紋，如圖2所示；四是4000 mm以上較長的角鋼需要2臺(tái)折板機(jī)同時(shí)折彎，折制成的角鋼直線度和軋制角鋼相比有一定差距。所以，折彎角鋼這種方法一般不可取，除非在不重要場合使用。筆者曾在陜西捷瑞鋼結(jié)構(gòu)制造工程有限責(zé)任公司利用其擁有的西安地區(qū)最大的2×800 t×6 m雙機(jī)聯(lián)動(dòng)數(shù)控液壓折彎機(jī)進(jìn)行了Q345D 材質(zhì)10 m長140×100×14折彎角鋼試驗(yàn)，正如以上所說，效果不十分理想，滿足不了精度要求，最后不得不放棄。

圖1 鋼板折彎角鋼外形

圖2 鋼板折彎角鋼內(nèi)側(cè)壓痕

3.2 材料替代法

用力學(xué)性能一致或接近的執(zhí)行不同標(biāo)準(zhǔn)的角鋼互相替代，如用Q345D角鋼替代CCS DH36角鋼，Q345E角鋼替代CCS EH36角鋼。

3.3 性能試驗(yàn)法

利用市場易于采購到的一般質(zhì)量等級的Q345B角鋼逐爐（批）號(hào)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，用其中力學(xué)性能，特別是低溫韌性好的，低溫沖擊功值滿足更高等級船用角鋼性能要求的一般角鋼來替代高等級船用角鋼使用。這種辦法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，成本較大，需在市場采購不同廠家的角鋼貨源進(jìn)行超出標(biāo)準(zhǔn)要求的低溫沖擊試驗(yàn)，有可能試驗(yàn)了許多批角鋼貨源也難以找到滿足要求的貨源。但也有個(gè)別鋼廠生產(chǎn)的普通Q345B角鋼產(chǎn)品化學(xué)成分穩(wěn)定，力學(xué)性能可靠，穩(wěn)定性能好，可達(dá)到更高質(zhì)量等級的性能要求，在船級社質(zhì)量監(jiān)造見證性能試驗(yàn)并征得同意后，可用于替代CCS AH36船用角鋼。

3.4 更改結(jié)構(gòu)法

當(dāng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用的船用角鋼貨源無法解決的情況下，也可以考慮變更設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，變角鋼為焊接H鋼，這樣由于H鋼是對稱構(gòu)件，和角鋼不對稱構(gòu)件相比，焊后變形小，易調(diào)校變形，且由于生產(chǎn)焊接H鋼所用低溫高等級鋼板市場貨源充足，相對容易生產(chǎn)。設(shè)計(jì)選用材料時(shí)，應(yīng)選用通用且市場上易采購的材料，盡量避免或減少高質(zhì)量等級鋼材和非標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格材料的使用。

3.5 降低載荷法

在無法獲得設(shè)計(jì)溫度下具有要求韌性的合適材料的情況下，也可考慮用低溫性能一般的材料替代原設(shè)計(jì)材料，前提是必須通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)降低或有效控制工作載荷的大小，不宜在滿額定載荷值下使用，這一做法在API SPEC 8C規(guī)范[8]4.2節(jié)設(shè)計(jì)條件中有提及，但可實(shí)施性不強(qiáng)。

3.6 特殊訂貨法

在以上辦法都還不能解決問題時(shí)，就只能尋找有能力的鋼廠技術(shù)洽談，特殊訂貨。由于一般鋼廠一種規(guī)格角鋼的最少起訂量一般為30 t，如果用量不大，或同時(shí)需要幾種規(guī)格角鋼的話，一般用戶負(fù)擔(dān)不起，且鋼廠需要準(zhǔn)備軋制角鋼所需的特殊鋼坯，調(diào)整軋輥，往往需要一定周期，市場經(jīng)濟(jì)條件下，急需貨源生產(chǎn)的用戶往往時(shí)間上等不起。這種情況下需要用戶多方查詢信息，看能否借助鋼材供應(yīng)商訂貨之際，借機(jī)增加訂單，或聯(lián)合幾家有需求的商家，共同下訂單，以滿足鋼廠最少起訂量的要求。筆者2010年以來多次到河北某特鋼集團(tuán)有限公司就船用角鋼進(jìn)行技術(shù)溝通和采購船用高等級角鋼，解決了當(dāng)時(shí)我公司為中海油田服務(wù)股份有限公司（COSL）200英尺自升式鉆井平臺(tái)7000 m井架生產(chǎn)急需的ABS AH36和迪拜300英尺自升式鉆井平臺(tái)井架所用CCS AH36 140×140×14角鋼，滿足了公司生產(chǎn)急需。為了減少采購規(guī)格型號(hào)，降低采購難度，有時(shí)需將用量不大，厚度、尺寸大小規(guī)格與大量使用的主規(guī)格型號(hào)統(tǒng)一成一種型號(hào)，通過材料代用或機(jī)械加工將大規(guī)格角鋼的肢高加工到小規(guī)格尺寸。二級鋼材市場網(wǎng)上船用角鋼貨源的信息很多，這些供應(yīng)商往往有價(jià)無貨，也需要和鋼廠特殊訂貨，個(gè)別經(jīng)銷商說有現(xiàn)貨，一旦用戶要現(xiàn)場驗(yàn)貨時(shí)，卻推三阻四，用戶需要對這些信息進(jìn)行核實(shí)，避免上當(dāng)受騙，造成損失，影響生產(chǎn)進(jìn)度和合同交貨期。用戶最好定期對常用船用角鋼的規(guī)格和一定時(shí)段內(nèi)的不同項(xiàng)目的用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和評估，合并到一起實(shí)行集中訂購，庫存儲(chǔ)備，以備不時(shí)之需。

4 國內(nèi)船用角鋼生產(chǎn)企業(yè)及現(xiàn)狀

國內(nèi)一些鋼鐵企業(yè)適應(yīng)市場需求，積極開發(fā)附加值高的船用型材[9-10]，目前國內(nèi)一些鋼鐵企業(yè)已經(jīng)取得中國船級社工廠認(rèn)可證書，可生產(chǎn)AH36鋼級以下各規(guī)格的等邊角鋼和不等邊角鋼，如濟(jì)南黃河特鋼有限責(zé)任公司、唐山盛財(cái)鋼鐵有限公司，個(gè)別企業(yè)，如安陽鋼鐵股份有限公司、宿遷南鋼金鑫軋鋼有限公司可生產(chǎn)DH36和DH40鋼級以下各規(guī)格的等邊角鋼和不等邊角鋼。EH36以上等更高鋼級的船用角鋼還無通過中國船級社工廠認(rèn)可的企業(yè)能生產(chǎn)，有待進(jìn)一步開發(fā)，同時(shí)大規(guī)格船用角鋼也有待豐富和完善。

5 結(jié)論

1）以角鋼為主的船用低溫高等級型材是海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)中井架生產(chǎn)常用材料，高等級船用型材的短缺，對海洋平臺(tái)井架的開發(fā)和生產(chǎn)帶來一定影響。

2）提出了解決船用高等級角鋼短缺的幾種思路，可臨時(shí)解決非重要場合船用高等級角鋼短缺的應(yīng)急。設(shè)計(jì)選用材料時(shí)，應(yīng)盡量選用通用且市場上易采購的材料。

3）目前我國國內(nèi)個(gè)別鋼廠已有能力生產(chǎn)DH36鋼級以下各規(guī)格的角鋼，EH36以上更高鋼級的船用角鋼有待開發(fā)。