海洋钻机主要部件对材料的要求优化方案

（1）井架井架作为石油钻机的重要组成部分，用于安放天车、游车等提升设备，承受着各种作业载荷，其各项指标直接影响整个钻井平台的运行。井架及底座的设计和制造应当符合API Spec 4F规范。钻机井架底座主体材料具有如下特点：

1）适应超深井钻机各种作业工况^[5]。针对超深井钻机井架底座工况复杂，作业环境恶劣等特点，主体材料既要具有较高的强度指标，又要有一定的塑性和常温、低温冲击韧性。提高井架用钢的强度水平，可以提升井架的承载能力，减轻井架自重。

2）材料应具有较好的现场焊接性^[5]。超深井钻机井架底座主体构件主要是以型材或板材组焊件的形式制成，且多处关键构件的承载焊缝受力较大，要求在正常的焊接工艺条件下得到质量较高的焊缝。

3）井架的表面处理应满足海洋环境的防腐要求。井架表面一般采用热浸锌，然后再涂耐海洋气候的油漆。井架表面的另一种表面防腐措施，采用喷锌或喷铝，然后再涂耐海洋气候的油漆。

（2）天车天车是安装在井架顶部的定滑轮组，与游车用钢丝绳联系组成一套滑轮系统，它承受最大钩载和快绳、死绳的拉力，并把这些载荷传递到井架和底座上。天车的设计和制造应当符合API Spec 4F和8C规范。为增加轮槽的耐磨性能，轮槽表面应进行表面淬火处理。天车由天车架、主滑轮总成、导向轮总成和围栏等组成，根据需要还可配置捞砂滑轮、辅助滑轮、天车起重架及防碰梁（松木）等附属部件。天车用材料具有如下特点：

1）天车架一般采用低合金结构钢焊接而成，材质的选用应满足强度、低温韧性和可焊性的要求，钢板多采用Q345D，也有采用Q420E或Q460E的情况。

2）天车主滑轮轴、快绳轮轴和死绳轮轴采用中碳合金调质钢，材质的选用应满足强度、塑性和低温韧性的要求。

3）天车的表面处理应满足海洋环境的防腐要求。

（3）游车游动滑车是钻机提升系统的重要组成部分。它与天车、大钩和水龙头等配套使用。在钻井过程中，主要用于悬吊和起下钻柱和下套管等作业。游车的设计和制造应符合API Spec 8C规范的要求。游车的主承载件包括：滑轮、滑轮轴、左（右）侧板、提环和提环销组成。游车用材料具有如下特点：

1）滑轮可采用整体铸造滑轮，也可采用锻焊滑轮。滑轮的材质可免做冲击试验。

2）左（右）侧板采用较厚的低合金结构钢焊接而成，材质的选用应满足强度、低温韧性和可焊性的要求，钢板的材质多采用Q345E，也有采用Q420E或Q460E的情况。对于API Spec 8C规范PSL2级产品，左（右）侧板应避免焊接结构，从而可避免焊缝的体积无损检测难于实施的问题。

3）其他主承载件采用中碳合金调质钢，材质的选用应满足强度、塑性和低温韧性的要求。

（4）大钩海洋深水钻机大钩载荷的确定与浅水平台钻机有着很大不同。一方面，深水钻井过程中，钻井平台的升沉运动会导致隔水管、套管、钻杆等产生很大的动载效应，在某些情况下动载荷甚至会超过静载荷；另一方面，随着水深的增加，隔水管与防喷器越来越重，因此在确定大钩载荷时也必须考虑下隔水管与防喷器工况。合理确定深水钻机所需的大钩载荷，是深水钻机选材与设计必须要考虑的问题。大钩的设计和制造应符合API Spec 8C规范的要求。大钩的主承载件包括：提环、提环销、提环座、钩杆、上筒体、下筒体和钩体。大钩用材料具有如下特点：

1）提环、提环座和钩体宜采用低碳合金钢铸件，应满足强度、塑性、低温韧性和可焊性的要求。所谓可焊性是针对铸件缺陷的焊补。

2）其他主承载件采用合金调质钢，材质的选用应满足强度、塑性和低温韧性的要求。

（5）顶部驱动装置顶驱装置主要由水龙头-钻机总成、导向滑车总成、钻杆上卸扣装置三部分组成。顶驱的核心部件为动力水龙头。动力水龙头的主承载件包括：中心管、壳体、提环、提环销、悬挂套、悬挂体、卡套和保护短节等。承压件有鹅颈管和泥浆管线等。顶驱装置主要部件用钢要求如下：

1）壳体宜采用低碳合金钢铸件，应满足强度、塑性、低温韧性和可焊性的要求。所谓可焊性是针对铸件缺陷的焊补。壳体也可采用钢板焊接件。

2）鹅颈管宜采用低碳合金钢铸件，应满足强度、塑性、低温韧性和可焊性的要求。

3）其他主承载件采用中碳合金调质钢，材质的选用应满足强度、塑性和低温韧性的要求。

4）由于顶驱在钻进过程摆动，带动导轨振动，振动幅度过大，会损坏导轨，甚至发生危险。顶驱导轨一般选用强韧性较好的低合金高强度H型钢。

（6）绞车钻机绞车是整部钻机的核心部件，具有起下钻具、下套管、控制钻压、送进钻具、处理卡钻事故、整体起放井架等功能。其性能好坏直接关系到整部钻机的使用效果，用户对绞车的使用性能和可靠性能格外关注。绞车的设计和制造应符合API Spec 7K规范的要求。钻机绞车主要由以下几部分组成：绞车架、滚筒轴总成、中间轴总成、输入轴总成、润滑系统、控制系统、制动系统等部分组成。制动系统的刹车形式有：液压盘式刹车、带式刹车、交流变频电机能耗制动、电磁涡流刹车和EATON气动推盘式刹车。API Spec 7K规范确定了绞车的主载荷路径，仅限于主滚筒刹车工作时承受快绳载荷的零部件，因此，绞车的主承载件至少包括：滚筒体、滚筒轴和刹车系统的零件。绞车用材料具有如下特点：(www.xing528.com)

1）滚筒体宜采用低碳合金钢铸件，应满足强度、塑性、低温韧性和可焊性的要求。

2）滚筒轴应进行静强度和疲劳强度计算。由于滚筒轴的直径较粗，宜选用淬透性好的中碳合金调质钢，以满足强度、塑性和低温韧性的要求。

3）绞车架一般采用低合金结构钢焊接而成，材质的选用应满足强度、低温韧性和可焊性的要求，钢板的材质多采用Q345D，也有采用Q420E或Q460E的情况。

4）其他主承载件采用合金调质钢，材质的选用应满足强度、塑性和低温韧性的要求。

（7）转盘转盘是钻机的重要部件，它是通过一对锥齿轮副实现减速，使转台获得一定范围内的转速和扭矩输出，驱动钻具进行钻井作业的设备。在钻进时，由转盘驱动方钻杆而旋转；起下钻和下套管时，它要承托钻具的全部重力，完成卸钻头、卸扣，处理事故时倒扣、进扣等辅助工作。通常需要配套驱动装置通过链轮或法兰传递动力驱动输入轴，进而带动转盘工作。转盘的设计和制造应符合API Spec 7K规范的要求。转盘主要由底座、转台装置、主补心装置、锥齿轮副、主轴承、输入轴总成、制动装置和上盖等零部件组成。APISpec7K规范确定的转盘主载荷是通过转盘中心的轴向载荷。转盘用材料具有如下特点：

1）底座一般采用低合金结构钢焊接而成，材质的选用应满足强度、低温韧性和可焊性的要求，钢板的材质多采用Q345D，也有采用Q420E或Q460E的情况。

2）转台宜采用低碳合金钢铸件，应满足强度、塑性、低温韧性和可焊性的要求。所谓可焊性是针对铸件缺陷的焊补。

3）锥齿轮副宜采用淬透性好的中碳合金调质钢，以满足强度、塑性和低温韧性的要求。小齿轮除进行调质处理外，可增加离子氮化处理，以提高其抗点蚀的能力。随着大型锥齿轮的磨削加工能力的发展，也可采用低碳合金钢经渗碳淬火、磨齿的工艺技术。

4）输入轴宜采用淬透性好的中碳合金调质钢，以满足强度、塑性和低温韧性的要求。

（8）钻井泵钻井泵是钻机循环系统的重要设备，可以说是钻机的“心脏”，其作用是通过钻井泵经循环管汇向井底输送钻井液，用以冷却钻头、清洁井底、破碎岩石、携带岩屑和平衡地层压力等。钻井泵的设计和制造应符合API Spec 7K《钻井及修井设备规范》和SY/T 6918标准。钻井泵由液力端和动力端组成。液力端主要由液缸、阀总成、缸套、活塞、活塞杆、排出管、空气包和安全阀等组成。动力端主要由机架、输入轴、曲轴、齿轮副、连杆、十字头、导板和中间拉杆等组成。API Spec 7K规范确定的钻井泵主承载件规定为承受排出压力的零部件，但易损件、密封件和紧固件除外。钻井泵用材料具有如下特点：

1）钻井泵液缸（俗称泵头）宜采用淬透性好的中碳合金结构钢经调质处理，以满足强度、塑性和低温韧性的要求。

2）钻井泵液力端其余承压件宜采用低碳合金钢，应满足强度、塑性、低温韧性和可焊性的要求。

3）缸套分为双金属缸套和陶瓷缸套。双金属缸套的内套一般采用高铬耐磨铸铁，硬度60～65HRC以上，具有良好的耐磨性。陶瓷缸套的内套一般采用氧化锆陶瓷，硬度达87HRA以上，具有很高的耐磨性。在我国海洋钻井过程中已有陶瓷缸套的应用。

4）阀体阀座宜采用合金渗碳钢，热处理硬度58HRC以上。

5）机架一般采用钢板焊接件，其中承受较高应力的板件采用材质Q345B。

6）十字头与导板为一对摩擦副，十字头宜采用球墨铸铁，导板宜采用灰铸铁。十字头上添加（可拆卸的）铜滑板是一种改进方案。

7）曲轴一般采用中碳合金钢铸件。也有曲轴采用组装式结构，此时可采用中碳合金钢锻件。曲轴材料的选用应满足静强度、疲劳强度和刚度的要求。对于铸造曲轴的材料，还应考虑可焊性的要求。

8）输入轴宜采用淬透性好的中碳合金调质钢，以满足强度、塑性和低温韧性的要求。结构设计时，应确保输入轴具有足够的刚度。

9）齿轮副一般采用中碳合金调质钢。为了减少泵的体积和重量，提高齿轮的承载能力，防止打齿和齿面点蚀的发生，可采用渗碳淬火和磨齿的制造工艺。

10）中间拉杆宜采用中碳钢或中碳合金钢，与密封接触的圆柱面宜采用镀硬铬和磨削，镀铬层最小厚度0.05mm。