海上鑽井平台能抵抗多大風浪，關鍵在這種材料

出品| 網易新聞 作者| 一聞，鋼鐵行業研究人員

　　在海洋油氣資源開發中，有一種設備可謂功不可沒，那就是海上鑽井平台。其中，自升式平台因為可以在200米深度以內的海域靈活地蹲下和站立，成為應用最為廣泛的平台。

　　我們都知道，海洋環境十分複雜，十幾級的大風是家常便飯，更不用提海嘯、海水腐蝕等問題，那麼，這些動輒數千噸重的海上巨無霸究竟是如何在海上屹立不倒的？

（一）可伸縮的樁腿：自升式鑽井平台靈活性的關鍵

　　通俗地說，自升式海洋平台就是具備自升能力的功能性平台，它通過一定長度的、可以自行升降的樁腿來實現高度的變化，以適應不同作業水深的要求。

　　平台一般由鑽井模塊、船體模塊、抬升模塊三部分組成，其中鑽井模塊由各種作業機械組成，船體模塊類似於駁船，用於承載機械和生活設施，抬升模塊主要負責平台的升降，核心部件就是樁腿。

　　自升式海洋平台在進行鑽井作業時，平台首先把樁腿下放至海底並進行預壓，然後船體沿樁腿升高到距離海面一定高度，保證作業不受各種海況條件的影響；作業結束需要移動時，船體沿樁腿降至海面，然後樁腿升起，平台就變身為一艘駁船，可以自己航行或通過拖船拖到新的位置進行作業。

　　由於用鋼少、造價低，且在各種海況下都能平穩地進行鑽井作業，自升式海洋平台具備了其他平台不可比擬的優勢。

（二）齒條：為海洋平台爬升架起200米「長梯」

　　自升式海洋平台升降由一整套升降系統完成，目前使用最多的是齒輪齒條式升降裝置。

　　所謂齒輪齒條式升降裝置，就是在海洋平台的每根樁腿上設置兩根齒條，對應於每根齒條上設置若干成對的小齒輪，動力通過樁邊馬達驅動齒輪減速箱，然後傳遞給與齒條嚙合的小齒輪，從而帶動平台升降。

　　相較頂升液壓缸式等升降裝置，齒輪齒條式可以實現連續升降，速度快，而且操作靈活。在環境條件惡劣的海洋中，平台升降快、所需時間短，就意味著平台更安全，而且時間越短，平台就位費用就越低。因而，現在新造的自升式平台多數都採用齒輪齒條升降方式。

　　目前，國內建造的主力自升式海洋平台作業深度可達400英尺（120米），樁腿長度達到170米以上。對於500英尺海洋平台，樁腿長度則更要超過200米。作為樁腿的核心部分，齒條也要達到同樣的長度。自升式鑽井平台一般都有三條以上可以上下移動的樁腿，支撐著龐大的海洋平台，承受惡劣的作業環境。

　　如果說樁腿是海洋平台的「長腿」，那麼齒條就是架起的一把長長的梯子，有了它，「長腿」不僅可以方便地上上下下，而且在站立時有了鋼筋鐵骨的支撐。

　　當海洋平台需要進行升降時，齒條就與齒輪嚙合，讓齒輪帶動整個平台在自己身上爬升或下降，從而實現平台升降；當升降至預定位置或平台作業時，樁腿鎖緊系統就開始發揮作用，齒條通過與鎖緊齒條嚙合，與樁腿融為一體，把平台載荷轉移到海底，保證萬噸重的平台不受風、流、浪等自然環境的影響，實現安全鑽井作業。

　　由於一直都處於受力狀態，同時還要受海洋環境的低溫和侵蝕影響，齒條對強度、低溫韌性、疲勞性能、抗動態撕裂能力等要求都很高，製造齒條用的鋼板相應也成為整個海洋平台中技術要求最高、生產難度最大、產品附加值最好的鋼材。

（三）軋制鋼板就像擀麵皮，齒條用鋼標準高

　　國際上的海洋平台用齒條鋼普遍採用美標（ASTM）中的A517Q和A514Q，二者對化學成分、力學性能、熱處理的溫度等做了嚴格規定。

　　但由於該規範只針對厚度為150 mm以下的產品，而海洋平台用的齒條鋼厚度很多在150-180mm之間，450英尺及以上平台的齒條鋼厚度甚至達到200mm以上，因此，在ASTM 標準的基礎上，平台建造方通常都提出額外的定製化要求，比如對雜質元素及氣體元素做更加嚴格的規定、對強度和衝擊韌性的要求更高等。

　　大厚度的齒條用鋼技術標準極為苛刻，堪稱吹毛求疵。

　　首先，屈服強度一般要大於500Mpa；其次，要有-40℃衝擊韌性；再次，要抗層狀撕裂；殺手鐧則是衝擊韌性要檢測到鋼板厚度的1/2處，即鋼板中心位置。

　　在一塊鋼板中，力學性能最差的就是中心部位。

　　軋制鋼板就像擀麵皮，麵糰很厚的時候，擀麵杖很難把麵糰擀透，所以，對大厚度的齒條鋼來說，軋機的軋制力很難滲透到鋼板中心部位，造成鋼板中心部位塑性變形較小，無法改善中心部位的冶金缺陷，導致力學性能下降。

　　同時，在熱處理條件下，比如淬火，隨著鋼板厚度的增加，鋼板淬透性下降，造成鋼板中心部位和表面組織不均勻，也會帶來鋼板力學性能的降低。

　　簡單說就是，生產特厚鋼板容易，高強度、高韌性鋼板也不難，抗層狀撕裂鋼板也沒問題，但是把這些要求綜合到一起，還要保證中心部位的性能，那就是難上加難。

（四）打破德、日、法壟斷，海洋平台用上「中國腿」

　　受技術條件限制，2006年之前，國內海洋平台齒條用鋼全部依賴進口。但進口齒條鋼一方面採購周期長，增加產品製造周期，另一方面採購成本大，大大制約了海洋工程的發展，因此，開發國產大厚度海洋平台用鋼板具有非常重要的意義。

　　為打破國外壟斷，國內鋼鐵企業自2006年開始立項研發大厚度齒條鋼，先後研發並成功生產114mm、127mm、154mm等厚度的齒條用鋼。但是，隨著各國紛紛向深海鑽探領域發展，厚度177.8mm的齒條用鋼成為國際上公認的主打規格，而該厚度的齒條鋼長期被德國、日本、法國三個國家的鋼廠壟斷。

　　177.8mm厚度齒條鋼寬厚比和表面積都很大，在生產中需要極其大的軋制力，因此，軋機設備複雜龐大，對產品寬、厚尺寸精度和板形以及表面質量的控制變得十分困難和複雜，齒條板心部力學性能和Z向性能也較難保證。

　　為此，鋼廠技術人員設計採用了複雜的工藝流程（電爐冶煉 → LF爐精鍊 → VD／VOD爐真空精鍊 → 模鑄 → 鋼錠緩冷 → 鋼錠清理 → 加熱 → 軋制 → 在線熱矯 → 堆垛緩冷 → 表面檢查、修磨 → 探傷 → 調質處理 → 取樣檢驗），通過使用大型扁鋼錠、利用調質鋼生產線，採用合理的成分設計、潔凈鋼冶煉、晾鋼軋制、合適的淬火、回火溫度等先進工藝及技術，終於研發成功177.8 mm厚度齒條鋼板。

　　2015年11月，國內鋼廠首次成功批量生產177.8mm厚度齒條鋼，並應用於400英尺自升式鑽井平台。自此，中國成為全球第四個能夠生產177.8mm厚度齒條鋼的國家，大厚度海洋平台齒條鋼長期被國外壟斷的局面被徹底打破。

　　中國海洋鑽井平台，包括目前國內最大的自升式平台在內，終於用上了「中國腿」。

結語

　　當下，中國已經成為全球最大的自升式海洋平台製造國，對於自升式海洋平台來說，樁腿性能的優劣直接決定了平台的安全和使用壽命，而大厚度齒條鋼板正是製造平台樁腿的關鍵材料。

　　這種高強度、高韌性、具有強抗腐蝕能力的鋼板不僅可以承受上萬噸重的平台和海洋環境的巨大載荷，而且可以經受得住海浪、低溫、海嘯、地震的侵蝕和破壞，打造了平台的主要承力構件。它的自主生產，對於中國成為海洋工程用鋼強國具有十分重要的意義。

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編輯| 史文慧