钻井平台桩腿齿条板的制造技术

钻井平台桩腿齿条板的制造技术

石磊李心砚

石磊李心砚中国一重集团海洋工程事业部116113

摘要桩腿是海洋自升式钻井平台的重要组成部分，齿条板是其主要结构件之一，本文采用锻造方法制造齿条板，具体从材料选择到锻造成型以及机械加工方面讲述齿条板的制造方法。

关键词桩腿锻造齿条板火焰切割

1．概述

海洋工程特厚钢板的制造，常采用轧制和锻造两种方式。自升式钻井平台JU—2000E的设计齿条厚度为177.8mm，由于齿条板宽厚比和表面积都很大，在生产中需要很大的轧制力，因此，轧机设备复杂庞大，而且对产品宽、厚尺寸精度和板形以及表面质量的控制也变得十分困难和复杂，况且生产特厚板轧机需具备厚度为120mm以上压力淬火能力，国内几家钢企的轧机配套压力淬火机的能力为120mm～150mm,极限可达180mm，采用轧制方法难以保证齿条板心部力学性能和Z向性能。锻造能够提高材料的致密性，改善材料的各向异性，可以细化晶粒使强度增加，基于上述特点，本文采用锻造的方式制造齿条板，详细介绍了齿条板从锻造毛坯到切割成型的过程。

齿条板外形基本尺寸见图1：

图1齿条板外形尺寸

2．齿条板制造技术

2.1齿条板材料选择

目前海上钻井平台桩腿齿条板厚度在127mm～180mm之间，450ft及以上的平台齿条板厚度甚至达到200mm以上。

齿条板材料具有超细化、超洁净、超均质的组织和成分特征，由于是钻井平台的主要承力构件，且基于其长期服务于海上的环境载荷要求，设计对材料要求的强度和低温冲击韧性都很高。

齿条板材料为调质钢ASTMA517GRQ，屈服强度≥690MPa，抗拉强度为790/930MPa,V型缺口冲击最小平均值：纵向在-37℃、T/4厚时为69J，在-27℃、T/2厚时为69J，火焰切割齿应无裂纹和分层，T/4厚度处的HBS为260，细晶粒最高含硫量为0.01%，最高含碳量为0.18%。

上述高强度、低温冲击韧性要求及大厚度等综合因素的影响形成了对材料制造很高的技术要求。

2.2齿条板锻造成型

齿条板锻造过程如下：

2.2.1炼钢：钢材经过粗炼、精炼需达到规范要求的冶炼成分，如表1，

2.2.2锻造：铸锭脱模后进行化学成分分析，满足上述规范要求，经切割水口、冒口后在水压机上进行锻造，锻造的过程分为：镦粗、冲孔、拔长和扩孔，锻造完的钢锭成筒节状。

2.2.3轧制：把筒节状钢锭经过筒节轧机精整到尺寸。

2.2.4热处理：精整后的筒节要进行热处理，具体工艺如图2：

图2锻后热处理工艺曲线图

热处理的过程分为正火、淬火和回火。正火可以消除锻造应力，细化晶粒，提高材料的强度、硬度，改善材料的切削加工性能，淬火采用水淬，淬火后为贝氏体组织，强度和硬度都得到提高，但韧性下降，需要进行回火处理，该锻件采用高温回火方式，回火可以减小淬火应力，稳定组织，使材料的强度，塑性和韧性得到较好的配合，即具有高的综合力学性能。

2.2.5气割：气割筒节为两个半圆筒节。

2.2.6展平：加热到一定温度，用水压机把半圆筒节展平成钢板。

2.3齿条板机械加工

展平后的钢板厚度超过177.8mm，使用龙门铣床对厚板进行铣削加工，在基准面对厚板进行划线，粗加工后尺寸为在成品尺寸的长度、厚度和宽度方向双边各留有加工余量，需要注意的是，展平后的板子经切削加工，内部残余应力会使板子产生恢复圆筒状的趋势，所以在切削过程中要对板子进行夹紧固定，还要反复翻转切削，使钢板切削变形量最小。粗加工后钢板表面要进行打磨处理，不允许出现黑皮、凹坑、裂纹等缺陷。

为检验产品的内部组织，粗加工后对钢板进行超声波探伤检验，采用ASTMA578标准C级检验，经检验，合格。

对钢板进行精加工到尺寸。

2.4齿条板切割

传统的冷加工方式可以采用滚削、插削、铣削以及数控线切割等，优点是切割变形小，不会改变材料的机械性能，但生产效率较低，能耗大，无法满足市场的需求。目前国内外使用较多的是采用数控火焰切割机切割齿条，此方法属于热加工，切割变形大，还会影响齿条的力学性能，因此需要对切割工艺制定特殊要求。

为防止齿条切割变形，需要一套专用的工装胎架对齿条进行轴向和径向方向的夹紧和固定。切割前还要对齿条板进行预热处理，当齿条厚度大于100mm时，合金钢切割预热温度的计算公式：

式中T—预热温度，℃；Ceq—碳当量，％；δ—工件厚度，mm。

依据Fe—C合金相图与预热计算公式，并结合生产经验，对于ASTMA5l7材质的合金钢板，预热温度选为150—250℃。

为防止温降过快引起齿条切割变形，切割过程中需要加保温装置，保温罩采取随机床轨道行走的方式，可以边切割边保温。

切割时需要注意的参数有：割嘴距离钢板的高度，割嘴与钢板之间的高度太低，容易引起齿面上边缘形成凸出塌边，高度太高，会在齿面下边缘产生挂渣；为保证切口表面光洁，切割氧的压力大小要适当，既能保证切透，还要控制切割宽度；根据不同的燃气，调节预热火焰的强度；切割速度直接影响到切割过程的稳定性和齿面的质量：速度过快会使齿面出现凹陷和挂渣等质量缺陷，严重时会造成切割中断；速度过慢会使切口上边缘熔化塌边、下半部分出现深沟凹坑等，根据切割经验，切割速度一般在150mm～200mm／min。

火焰切割完毕后要立刻进行保温处理，以消除热应力。

齿条切割完毕需要达到的主要公差要求如下：

齿距公差：±0.5mm；

压力角误差：±10′；

拱形挠度：±1.8mm／10m；

齿面粗糙度：12.7μm；

切割面的垂直度：±0.005齿厚mm；

齿形对称度：±0.5mm；

如果一次切割加工后达不到切割要求，需要进行打磨和矫形处理。

3．结论

通过对齿条板大锻件的成功试制,弥补了轧制方法制造特厚钢板的不足。本文研究掌握了自升式钻井平台桩腿齿条板的制造技术，使用锻造方式制造齿条板是可行的，试验证明：锻造成型的齿条板具有材料致密性强，机械性能稳定等优点，但锻造工序复杂，成本较高，对锻造方式的优化有待进一步研究。齿条板大锻件的成功试制，对打破国外垄断，提高我国海洋工程领域高端装备制造市场竞争力具有重大的意义。

参考文献

【1】http://wenku.baidu.com/view/294660e94afe04a1b071de15.html

【2】ASTMA517/A517M－93(1999)压力容器用淬火加回火高强度合金钢板

【3】聂熙，谭帅，林青。自升式钻井平台桩腿齿条火焰切割工艺。2011年中国科技博览