难怪钻井平台在海上稳如泰山,原来全靠这条链子!

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 一闻,钢铁行业研究人员

  在之前的文章中,我们给大家介绍过“蓝鲸1号”海上钻井平台,它为中国首次试采可燃冰成功立下了汗马功劳,在中国油气开发走向深海的过程中,另一座钻井平台同样具有里程碑意义,它就是“海洋石油981”。

  “海洋石油981”是中国自主设计建造的首座第六代深水半潜式钻井平台,代表了世界海洋石油钻井平台的一流水平。这座平台面积比一个标准足球场还要大、自重超过3万吨、承重量达到12万吨的“超级巨兽”,其最大作业水深可达3000米,最大钻井深度可达10000米。

  

  

  (“海洋石油981”深水半潜式钻井平台)

  在几千米深的茫茫大海中,要固定一座如此庞大又沉重的钻井平台,同时承受狂风、海浪和洋流的冲击,可谓难上加难,那么这是怎么做到的呢?

  原来,是12根世界顶级超高强度R5级系泊链,承担了这一使命。这些链条的单根长度就达到1700米,直径达到84毫米,总重量超过3000吨。

  (一)系泊链——海洋石油开采离不开的那条固定链

  移动式海洋钻井平台要在狂风大浪中连续进行石油勘探开采,前提是平台能够固定在工作海区。

  目前,世界各国的大型海洋平台主要采用两种定位系统:系泊定位系统和动力定位系统。由于系泊定位具有投资少、使用和维修方便等特点,已成为当前主要采用的定位系统,广泛应用于各类深海平台。

  

  

  (海洋钻井平台系泊定位系统)

  系泊链是系泊定位系统的核心,在深海2000米以下扎根,遇到十二级以上的大风也岿然不动,这是系泊链应用于深水海洋平台时要具备的定力,它不仅承受着海洋平台的静载荷作用,而且要承受环境载荷作用,确保平台岿然不动。

  由于长期工作在海水中,承受风、波浪和洋流外力作用,以及海水带来的微生物腐蚀和电化学腐蚀,系泊链很容易产生疲劳,进而导致失效,影响海洋平台的安全性和可靠性。

  

  

  (系泊链)

  近20年来,由于系泊系统失效造成全球海上设施事故的比例居高不下,而其中系泊链失效导致的事故又占到一半比例。2011年4月12日,墨西哥湾发生一起直径171毫米的单点系泊R5级链,由于氢脆导致深水平台倾斜入水事故。

  

  

  (因系泊链失效,海洋平台倾斜入水)

  国际上,将系泊链按性能不同分为R3、R3S、R4、R4S、R5等若干等级,不同等级系泊链的尺寸、生产工艺和性能检验都相应的标准。

  采用高等级钢材研发高等级的系泊链不仅可以获得更高的强度,还可以减轻系泊系统的总重量,降低系泊系统的晃荡惯性,使浮式平台具有更大的出水高度和更好的稳定性。

  (二)系泊链钢——高性能、高附加值、高难度的“三高”钢材

  由于工作环境严苛且事关重大,制造系泊链所用的材料,不同于一般的工业用链条、船舶用系泊链和矿山用链条材料,不仅要求强度高、韧性好,而且还要求冷弯性能和焊接性能好,具有耐海水腐蚀、抗疲劳、耐磨损等特性,技术要求非常高。

  

  

  (系泊链钢的力学性能要求)

  以目前最高级R5级系泊链钢为例,其抗拉强度和屈服强度分别达到1000兆帕和760兆帕,屈服强度和抗拉强度比≤0.92,意味着一个指甲盖大小面积的钢材上,要承受高达10吨的力。

  随着强度的提高,钢材的韧性往往会受到影响,致使系泊链易发生韧性失效,因此系泊链钢还要经过-20℃条件下严格的夏比冲击试验。

  在出厂之前,除常规的试验之外,还要进行一系列的附加试验,包括裂纹尖端位移、热处理敏感性、时效应变、热塑性、慢拉伸以及环境诱导裂纹敏感性和结构寿命分析等。

  系泊链钢对工艺的要求高,因此产品的附加值也很高,目前常用的高等级R4和R5级系泊链价格高达每吨2-3万元。但是,由于性能要求严格,系泊链钢的生产难度极大。

  

  

  (系泊链所用钢材性能要求极为严格)

  系泊链用圆钢的典型生产工艺流程为:废钢、热装铁水——电弧炉冶炼——LF(钢包精炼炉)精炼——RH(真空循环脱气炉)脱气——大方坯连铸——初轧开坯——连轧成材——钢材退火——表面剥皮——超声波探伤——检验、包装入库。部分大规格圆钢的生产,还要采用模铸工艺组织生产。

  为了保证产品成分和性能指标满足要求,经过电弧炉冶炼生产的优质钢水,必须经过LF炉精炼和RH炉脱气环节,以大幅降低钢中的氧、氮、氢含量,去除夹杂物。

  轧制完成后,还要将表面有缺陷的一层剥去。最后经超声波探伤,确认无质量问题后,方可出厂。

  

  

  (RH炉主要用于钢水脱氢、脱碳和升温)

  (三)国产系泊链钢——从举步维艰到后来居上

  自上世纪七十年代开始,系泊链钢的生产技术就被日本、瑞典、西班牙等少数远洋强国垄断。中国在系泊链钢方面起步较晚,90年代中期才开始开发,发展过程举步维艰。

  当时,各国船级社仅对系泊链钢的性能指标做了简单要求,并没有对具体元素的成分以及如何生产进行详解。

  中国钢铁企业充分发挥协作精神,攻克了系泊链钢性能范围要求窄、表面质量要求高、尺寸控制精度要求严等工艺难点,快速掌握了生产技术和工艺,在原材料表面质量控制、焊接工艺参数优化、热处理工艺及检验试验等方面达到了世界先进水平。

  

  

  (中国企业制造的系泊链)

  2000年,中国已经具备了当时海洋用最高级别——R4级系泊链钢规模生产能力,并且拥有自主知识产权。由国产钢所制造的系泊链经受住了2006墨西哥湾特大飓风的考验,成为了当时唯一没有出问题的一组。

  2010年,针对深海石油钻井平台对更高级别系泊链用钢的需求,国产R5级系泊链钢应运而生并实现成功制链。

  国产R5级系泊链分别应用于俄罗斯维堡船厂承建的两个深海钻井平台和中海油“海洋石油981”深海钻井平台,推动中国系泊链产业一跃进入世界先进水平。

  鉴于该技术的突出贡献,超深水半潜式钻井平台“海洋石油981”配套R5系泊链项目还获得了2014年度国家科学技术进步特等奖。

  

  

  (R5系泊链经受超强“梅花”台风考验,使海洋石油981平台安全脱险。)

  2017年7月12日,全球首个系泊链国际标准ISO 20438《船舶与海洋技术——系泊链》正式出版发布。该标准由中国企业主导编制,它的发布意味着全球系泊链设计和生产都将执行中国标准,标志着中国企业在系泊链制造和技术研发上达到世界领先水平。

  

  

  (中国企业主导编制的全球首个系泊链国际标准ISO 20438《船舶与海洋技术——系泊链》)

  2019年4月,中国钢铁企业成功研发出了世界最高级别的R6级极限性能系泊链钢,并顺利通过了DNVGL船级社的认证,成为世界首家获得R6级系泊链钢认证证书和世界首家具备批量生产R6级系泊链钢能力的企业,填补了该产品在世界上的空白。

  结语

  在能源需求不断增加、陆上油气资源日渐沽竭等因素的作用下,海洋油气资源的重要性将日益凸显。未来,全球海洋油气特别是深海油气的勘探开发将以更快的速度增长。已经处于全球领先水平的中国系泊链产业,必将为中国油气开发走向深海提供有力支撑,也必将随着海洋油气产业的发展继续领跑世界。

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  编辑| 史文慧

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