（机械工程专业论文）油井用套管和钻杆调质生产线设计.pdf

上海交通大学硕士研究生学位论文 油井用套管和钻杆调质生产线设计 = = ；一j 7 摘要 本文结合生产实际，主要从市场背景、建设意义、生产线的选址、 生产线设计的网络计划技术、平面布置及其组织管理等方面对油井用套 管和钻杆生产线进行了较为全面的论述，采用加权平均法对不同的生产 方案进行了决策，述及了设备选型应依据的原则和注意的问题，并对设 备故障采取预防性措施的必要性、物料存储及路径优化以及生产线适应 连续生产能力的评价等方面进行了理论性的探索。 采取预防性措施，应考虑所付出的代价是否合理，可表述为：采取 预防性措施的成本应不大于因故障不能及时修复造成的损失。丫 通过对物料进行分类，分析其流程、批次等，对物料存储及其周转 路径进行了优化，以使物料存储合理，保持生产周转畅通。 生产线适应连续生产能力通过相应的设备能力反应出来，而设备适 应连续生产的能力则由设备的可维修性、可靠性及加工速度( 节拍) 以 数学式子表示。通过这样的探索，试图对相似的生产线进行比较和评价， 为技术的不断发展提出理论依据。 此外，本文还对钻杆调头系统的功用、工作原理及结构设计等进行 了叙述。该系统为适应该生产线的特点而设计，工作可靠，经济实用。 关键诃生产线设计，物料存储，可维修性，设备布局，转位机构 上海交通大学硕士研究生学位论文 q u e n c h a n dt e m p e rp r o d u c t i o nl i n ed e s i g n f o rc a s i n g & d r i l lp i p e a b s t r a c t i nc o m b i n a t i o nw i ma c t u a lp r o d u c t i o n t h i sa r t i c l ep r o v i d e sr e l a t i v e l y c o m p r e h e n s i v ed e s c r i p t i o nf o rc a s i n ga n dd r i l l i n gp i p ep r o d u c t i o nl i n e 、i 廿l m a i n l yc o n c e r n i n g m a r k e t b a c k g r o u n d ，c o n s t r u c t i o ns i g n i f i c a t i o n ，s p o t s e l e c t i o no f p r o d u c t i o nl i n e ，n e t w o r kp r o g r a mt e c h n o l o g yo fp r o d u c t i o nl i n e ， p l a n ep l a c e m e n t a sw e l la so r g a n i z a t i o na n d m a n a g e m e n t w e i g h t e da v e r a g e m e t h o di sa p p l i e dt od i f f e r e n tp l a no f p r o d u c t i o n1 i n e t h ea r t i c l en o t o n l y s t a t e s p r i n c i p l e s f o r c h o o s i n ge q u i r ，m e n t a n d r e l e v a n tp r o b l e m sw h i c hd e s e r v ea t t e n t i o n ，b u ta l s ou n d e r t a k et h e o r e t i c a l r e s e a r c hi nt h ef o l l o w i n ga s p e c t ss u c ha sn e c e s s i t yo fi n i t i a t i n gp r e v e n t i v e m e a s u r e st os o l v ee q u i p m e n tf a i l u r e s ，m a t e r i a ls t o c k ，p a t ho p t i m i z a t i o na n d e v a l u a t i o no f p r o d u c t i o nl i n ef o rc o n t i n u o u sp r o d u c t i o n t h er a t i o n a l i t yo fc o s tt ob ep a i ds h a l lb ep u ti n t oc o n s i d e r a t i o nw h e n p r e v e n t i v em e a s u r e sa r et a k e n t h ec o s tf o rt a k i n gp r e v e n t i v em e a s u r e ss h a l l b ea b o v ed a m a g ec a u s e d b yu n t i m e l y s o l v e d e q u i p m e n t f a i l u r e s b yc l a s s i f y i n g m a t e r i a l sa n da n a l y z i n gt h e i r p r o c e s s e s a n db a t c h e s ， m a t e r i a l s t o r a g e a sw e l la st u r n o v e rp a t hh a sb e e no p t i m i z e di no r d e rt o r a t i o n a l i z em a t e r i a ls t o r a g ea n d k e e pp r o d u c t i o n t u r n o v e r t h r o u g h t h es u i t a b i l i t yo fp r o d u c t i o nl i n ef o rc o n t i n u o u sp r o d u c t i o nc a l lb e r e f l e c t e db yr e l e v a n te q u i p m e n t p e r f o r m a n c e ，w h i l ea d a p t a b i l i t yo fe q u i p m e n t t oc o n t i n u o u s p r o d u c t i o n c a nb ei n d i c a t e d b yt h e i r m a i n t e n a n c ea b i l i t y ， r e l i a b i l i t y ，a n dp r o c e s ss p e e d i nm a t h e m a t i cf o r m a t t h i sk i n do fr e s e a r c ht r i e st oc o m p a r ea n de v a l u a t es i m i l a rp r o d u c t i o n l i n es oa st o p u tf o r w a r dt h e o r e t i c a l b a s i s f o rc o n s i s t e n t d e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y b e s i d e st h ea b o v ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sa r t i c l ea l s od e s c r i b e st h ef u n c t i o n , 上海交通大学硕士研究生学位论文 o p e r a t i o np r i n c i p l e a n ds t r u c t u r e d e s i g no fd r i l l i n gp i p er o t a r yt r a n s p o r t s y s t e m ，w h i c h i sd e s i g n e dt of i tf o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so f p r o d u c t i o nl i n e t h i s s y s t e m i se c o n o m i c a l ，p r a c t i c a la n dr e l i a b l ei no p e r a t i o n k e yw o r d s s t o r a g eo fm a t e r i a l ，d e s i g no fp r o d u c t i o nl i n e ，m a i n t e n a n c e a b i l i t y ，p l a c e m e n to fe q u i p m e n t ，r o t a r yt r a n s p o r ts y s t e m 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学雠文储签名历 日期：缈舜r 月砷日 指导教师签名：黼 ) 日期：a 胗每i j 一月l 7 日 上海交通大学 学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名矽殇 日期：7 磷j ，月力日 上海交通大学硕士研究生学位论文 第一章综述 石油和天然气是宝贵的能源，它不仅对国家的经济、军事等有重大影响，也在人 们的日常生产生活中发挥着重要作用。石油和天然气埋藏在地下几百米到几千米深的 岩层中，为了寻找和开采石油，需要钻井，一口井从开钻到完钻，需要根据已掌握的 地质情况和要求的钻井深度而拟定井深结构，不断进行下钻专钻进接单根( 钻 杆) - - ) 起钻专换钻头专下钻等重复作业，在此过程中，还需下入套管，并在套 管与井壁的环形空间注入水泥封固( 固井) “。司见，钻杆和套管是石油勘探开发中 的重要生产物资。 1 1 钻杆和套管结构功能简介 1 1 1 结构和功能 钻杆和套管均属油井管，油井管按用途可分为以下三种： 1 钻杆( d r i l lp i p e ) ：钻探油井用的无缝钢管q ，一般占油井管用量的3 ； 2 套管( e a s i n g ) ：从地表下入己钻井眼作衬壁的管子。用于固定油井井壁，为 无缝钢管或直缝焊管，约占油井管用量的7 3 - - , 7 6 ； 3 油管( t u b i n g ) ：下入井中，用作产液或注液的管子。用于抽取原油，约占油井 管用量的1 7 - - 2 2 。 钻杆也称单根，它与钻头、钻铤、方钻杆等配合连接起来组成钻柱，其上通过螺 纹与水龙头相接。钻杆两端对焊钻杆接头，接头上加工有特制的螺纹。图l l 示出 了钻杆的结构简图。 图中，a ) 为钻杆杆体， b ) 为焊有接头的钻杆成品。 图1 1 钴杆 f i g 1 1d r i l lp i p e 钻井过程中，钻杆一方面要传递钻机的动力，驱动钻头旋转，另一方面要将水龙 上海交通大学硕士研究生学位论文 头输入的高压、高速钻井液传输到井底，以帮助破碎岩石和清除井底岩屑：此外，在 深井时，钻杆还要承受很大的钻柱自重，因此，对钻枰的要求是很高的。钻杆与钻杆 之间是通过杆端的内外螺纹进行连接的，使用中，杆端螺纹既要起到连接作用，传递 扭矩，又要密封，使通过钻杆体内的高压钻井液不发生泄漏，因此对钻杆螺纹的要求 是很高的。为保证螺纹的质量，单独加工螺纹接头，然后将螺纹接头焊接在钻杆杆体 上。为保证焊接的强度，钻杆两端处要进行加厚。一般来说，钻杆可重复使用。 套管根据作用不同，又分为表层套管、技术套管和油层套管”。 表层套管用以加固上部疏松岩层的井壁和安装防喷器，为下一步钻井创造良 好条件； 技术套管位于表层套管以内，是为了隔绝上部的高压油、气、水层或漏失层 及坍塌层； 油层套管下入井内的最后层套管，形成坚固的井筒，使生产层的油或气油 井底沿这层套管流至井口。 油井完工之后，套管即被封固在地下，一般不再重复使用，因此套管用量较大。 图1 2 示出了不同套管的作用示意图。 l ：五_ = 二j # 。4 叫 鳖毫t 搿 ? ：鬣 ：身一t 、 瓣i 娄 鹫；寒 图l 2 井身结构 丘g 】一2 s 虹v c t u r eo f w e l l 图中，1 一表层套管；2 表层套管水泥环；3 一技术套管：4 一地层上部水、气层： 2 一 一 6 7 8 2 - 。 、 、 ， 、 、 、 、 k 上海交通大学硕士研究生学位论文 5 一技术套管水泥环；6 一油层套管；7 一油层套管水泥环；8 一主油层。 本课题所述的生产线，主要对油层套管进行处理，套管与钻杆的结构相似，只是 两端均加工有外螺纹，且两端不需加厚，图l 一3 为不同状态的套管的结构。 图中，a ) 平端套管， b ) 带有接箍的成品套管， c ) 加工螺纹的套管。 j 图l 一3 套管c a s i n g 堍l 一3c a s i n g 套管与套管之间用按箍连接，下入井眼后，在套管与井壁的环形空间注入水泥进 行封固固井。由于油层套管要埋入地下深达几千米，长达几十年，承受地下高温 高压的地质条件，经受油气等复杂介质的侵蚀，一旦套管出现质量问题，将会导致整 口油井报废，因此对套管钢质的要求也是较高的。 1 1 2 钻杆和套管的技术要求 如上所述，石油天然气工业中，对钻杆、套管的要求是很高的，随着石油勘探技 术的发展，特别是近几年深井钻探、定向井、水平井技术的推广应用，对钻杆套管的 要求也越来越高。调质处理( 淬火+ 高温回火) 就是一种提高钴杆套管性能的有效方 法。资料表明，经淬火和回火的钢材具有优良的综合机械性能，尤其是低温冲击韧性 有显著提高。也发现屈服强度5 6 7 0 m p a 的钢材经淬火和回火后比具有同样屈服强 度经常化和回火的钢材有较好的抗硫化氢应力腐蚀脆裂的能力。 表1 一l 列出了3 7 m n 5 的套管调质处理前后的拉伸性能，未经处理时，仅相当于 j 5 5 钢级o 的要求，处理后则可达到n 8 0 钢级g 。 事实上，当要求最低屈服强度增加到9 0 m p a 以上时，采用淬火和回火的方法是最 经济的“。 目前，在石油天然气行业，世界上大多数国家采用美国石油学会a p i ( a m e r i c a n p e l r o l e u mi n s t i t u t e ) 制定的规范。 3 上海交通大学硕士研究生学位论文 表l 一1 项目 屈服强度抗拉强度延伸率冲击功 皿aj 处理前 4 2 87 1 92 43 8 【处理后 7 1 98 1 32 41 0 4 a p i 钻杆规范( s p e e5 dd r i l lp i p e ) 和套管和油管规范( s p e e5 c tc a s i n ga n d t u b i n g ) ，分别对钻杆和套管的制造工艺、材料化学成分、机械性能、尺寸、重量、 长度和直线度等都做了详细的要求，对检验和试验方法也给出了具体的规定。虽然 a p i 声称，a p i 标准的制定和发布，无意以任何方式限制任何人采用其它的做法瞳“3 6 ，但是，由于a p i 规范的严密性和通用性，以及a p i 在石油天然气行业的声誉， 按a p i 生产的石油产品得到广泛的认可。因此，以s p e o5 d 和s p e c 5 c t 规范作为该 生产线钻杆和套管的技术要求，不仅使钴杆和套管生产有可操作的依据，而且也为以 后的市场销售带来方便。 表1 2 列出了该生产线的几种钢级的a p is p e e5 d 和a p i s p e e5 c t 的机械性能 要求2 。 表1 2 屈服强度抗拉强度 i 钢级p s i d s l m mi n a xm m n 8 08 0 0 0 0 1 1 0 0 0 01 0 0 0 0 0 x 一9 59 5 0 0 0 1 2 5 0 0 01 0 5 0 0 0 g 一1 0 51 0 5 0 0 01 3 5 0 0 0“5 0 0 0 另外，对于直度的要求如下： a p is p e e5 d 8 6 ”：所有4 1 2 及更大规格的钻杆都应进行直度测量。偏离直线值 或弦高不得超出以下规定： a 从管子一端测量至另一端的总长度的o 2 0 。 b 在每端5 f t 范围内，不得超出0 1 2 5 i n 。 a p i s p e e5 c t 7 8 0 ：所有管子均应进行外观检查并有适当的直度。必要时，对于 4 1 2 及更大规格的管子，应按如下方法检查直度： t 1 全长直度应用绷绳检查。偏离直线的弦高不应超过从管子一端测量至另一端总 长度的0 2 0 。 b 为确定端部弯曲量，应使用至少6 a 长的直尺在弯曲部位外侧接触管子表面进行 测量。在弯曲部位，直尺与管子表面的距离不应超过01 2 5 i n 。 4 上海交通大学硕士研究生学位论文 对于a p is p e e5 d 和a p is p e e5 c t 的其它有关要求，本文不再详细列出。 1 2 生产背景 石油工业历来在国民生产中占有重要地位，从目前的能源结构分析，石油产品仍 然占据主导地位，在人们消耗的能源中，石油和天然气也直是主要的能源。2 0 0 1 年美国能源总需求中，石油占4 0 2 ，天然气占2 46 ”。虽然，世界范围内，人们不 断地进行替代能源的研究和探索，但在目前，石油和天然气仍然是主要的能源，而随 着经济的发展，人们生活水平的提高，能源的消耗越来越大，这就促使石油钻探开发 不断发展；另一方面，考虑到国际政治形势的因素，石油钻探开发的要求也存在巨大 的潜力。作为世界主要产油区的中东地区，局势一直动荡不安，受其影响，国际油价 直起伏不定，特别是近来国际反恐战争的开展，使当前的国际政治、经济形势更加 错综复杂，尤其是中东局势更趋恶化，另外，石油输出国组织( o p c ) 和非石油输出 国组织之间利益的矛盾以及石油输出国组织内部的利益冲突也对世界石油市场的供 需平衡产生很大影响，而石油价格又会对全球经济产生影响。这些因索也促使世界主 要能源消耗国加强新区块的勘探开发，以确保石油、天然气的市场供给，减少油价的 波动，保证经济的平稳增长。美国总统布什上台以来，多次要求加强在美国本土的石 油开发，这即一部分代表了其经济利益，也反应了美国的政治战略考虑。显然，对石 油勘探和开发的需求，必然会拉动对油井管尤其是钻杆、套管需求的增长。 就国内来看，随着我国经济的迅速发展，虽然石油年产量逐年增加，但仍满足不 了国民经济持续高速发展的需要，从1 9 9 3 年起，我国的石油进口就已大于出口，成 为净进口国。特别是近年汽车行业的发展、乘用车辆的普及，对石油资源的需求也日 益增长。近两年每年进口均在7 0 0 0 万吨左右。 。而市场经济的发展，尤其是进入 w t o ，我国石油市场已与国际接轨，因此，国际石油价格的波动对我国经济的影响 也是显而易见的。与其它行业相比，石油价格的波动，影响石油行业的发展更为明显， 1 9 9 6 年前后，油价持续下跌，最低跌至约1 0 5 桶，石油行业普遍低迷，其内部机械 企业大部分亏损，而1 9 9 8 年开始，油价持续上涨，最高约达3 2 $ ，桶，石油开采经济 效益猛增，机械企业普遍实现扭亏，油价对国内石油行业产生了重要影响。以胜利油 田为例。1 9 9 6 年前后，关停油井一千余口，钻井队大幅缩减，且大多处于放假、停 工状态：而到1 9 9 8 年，则油田所有钻井队全部开工，且任务饱满。 另外，反恐战争可能波及我国的石油安全。“9 - 1 1 ”事件以后，美国对阿富汗的塔利 班政府实施了严厉的军事打击。专业人士指出，美国的真正目的是实现美国在中亚的 军事存在。这种形势对我国战略资源来源及通道都构成了现实的威胁。不仅如此，在 上海交通大学硕士研究生学位论文 9 0 年代中后期，我国石油战略在贯彻“走出去”意图的过程中，在海外实现了一定的 产权收购和获取“份额油”的机会。但成功项目的主要配置地是苏丹等敏感国家。美国 这次借打击国际恐怖主义的名义已经公开宣称，任何支持过恐怖主义的国家或政府都 在美国的打击之列。苏丹很可能在这个名单上。这就给中国在海外的资源产地带来了 极大的不稳定因素。 因此，可以预见，从保障我国经济发展的安全战略和经济稳定的发展考虑，进一 步加大我国石油勘探开发的力度是很有必要的，这一需求的必然结果就是对钻杆、套 管需求的增长。 1 3 市场概况 油井管是一种高技术含量的关键钢材，随着对石油能源需求的日益扩大，油田开 发和建设的速度不断加快，因此对油井管的需求量也逐步增加。目前，国内在数量和 质量上都满足不了我国石油工业日益发展的需要。按我国石油行业技术规范推算，每 钻进一米油井，需用油井管约6 0 k g 。其中，套管4 8 k g ，油管1 0 k g ，钻杆2 k g ，近年 来。我国石油天然气行业，每年钻井进尺1 5 0 0 万米左右，这就意味着每年需要油井 管9 亿虹( 9 0 万吨) 左右，其中，套管约7 0 万吨，钻杆约3 万吨。以胜利油田为例， 其套管、钻杆的年需求量在1 0 万吨左右。 另据估算，在塔里木打一口6 4 0 0 米深的油井，成本约为1 1 亿元人民币，其中所 需的油井管费用占总成本的2 0 0 一3 0 唱。据此推算，仅此一口油井，所消耗的套管 即约达2 0 0 0 万元。 再以俄罗斯为例，俄罗斯石油天然气工业对石油专用管材的需求量大幅增长，据 统计，2 0 0 0 年前三个季度，俄罗斯的石油套管产量就已达到4 0 5 7 万t ，尽管如此， 2 0 0 0 年前三个季度俄罗斯仍共进口钢管7 6 5 2 万t ，其中，石油套管和油管的进口 量为1 7 8 2 万t ，而石油套管和油套管的出口量为5 8 9 万t ，主要出口独联体国家。 综上所述，石油套管钻杆市场前景是非常广阔的，也正是看到这一点，目前国内 已有几家正在着手建设或打算建设套管钻杆热处理生产线，如无锡西姆莱斯、天津无 缝钢管有限公司( 简称天津大无缝) 等。 1 4 国内外生产状况 目前我国石油天然气工业中使用的套管，直径范围：巾1 1 4 。3 m m 一巾5 0 8 m m ， 壁厚：5 2 1 m m 1 6 1 3 m m o ；钻杆直径范围：m 6 0 3 3 m m 巾1 3 9 7 m m ，壁厚：64 5 m m 1 0 5 4 m m 也；而两者的长度一般在1 0 m 左右，是典型的细长管。根据a p i 的要求， 管加工厂应拥有能对管子进行全长热处理的设备，还应配备有能进行所有规定试验和 检验的设备。因此，要进行钻杆套管的生产，设备投入大、技术含量高。目前，国内 6 上海交通大学硕士研究生学位论文 声称进行钻杆套管生产的有十几家，但仅有上海宝钢和天津大无缝两家可以进行热处 理，其它的一些生产厂，大多是以管端螺纹的加工为主n ”。而据介绍，宝钢石油钻 杆生产线是国内唯一的一条具有高技术水平的钻杆精整生产线哼。另外，无锡西姆莱 斯油管公司与我公司同时起步，兴建钻套管生产线，天滓大无缝准备投资近6 亿元， 重新建设一条高水平的生产线，据透露，该公司正在进行谓研。 国外情况比较复杂，日本、美国、独联体等国都具很强的钻杆套管加工能力，另 外阿根廷、德国、意大利、法国等一些欧美国家也有一定的生产能力“( 1 1 ) o 但作为 重要的战略物资和具有巨大市场需求的物资，进行钻杆套管的开发生产，我国企业还 是具有自身优势的。 1 5 生产线的建造意义 在国际市场上，油井管从来就是反映国家竞争力的重要战略物资，在2 0 世纪9 0 年代初，我国从日本进口的油井管，价格每年都递增2 0 。2 0 0 0 年以来，油井管的 价格日趋攀高，仅2 0 0 0 年的第一季度，美国的石油管材生产企业就两次提价，第二 次提价的幅度达3 0 - , 7 0 美元，吨。这既反映了油井管的战略意义，也从一个方面说明 了国际市场上，油井管的市场潜力。 另外，2 0 0 1 年1 2 月11 日，我国正式加入w t o 。我国石油机械行业面临着更大 的机遇和挑战。一方面，我们有相对廉价的劳动力的资源优势，另一方面，加入w t o ， 使我们有更多的机会，参与与国外的技术交流，从而获得新技术，弥补石油机械行业 与国外的技术差距。 从本公司的角度看，胜利油田机械公司成立于1 9 9 2 年7 月，以经营石油机械设 备和与美国威泽福合资生产皮带式抽油机为起点，逐步发展成为石油机械设备的生产 企业。且前已发展成为投资多元化、股权多样化的高技术公司，下设高原抽 油机分部、p c 泵分部、汇森机械公司、高原泵业公司、高原连续式抽油杆 公司等多个分公司。主要产品有：皮带式抽油机、螺杆泵及其地面驱动装 置、抽油泵、电潜螺杆泵、螺杆钻具、地面混输泵、连续式抽油杆等多种 石油机械产品。高原钻杆公司是为进行钻杆套管生产而准备成立的新公司。 因此，建设石油套管钻杆调质处理生产线，是一项具有重要意义的战略决策，石 油套管钻杆调质处理生产线的建设，不仅可适应我国石油天然气行业发展的需求，而 且将为企业今后的发展打下一个坚实的基础。 上海交通大学硕士研究生学位论文 第二章生产线设计 钻杆和套管调质处理生产线设计，是一项系统工程。从狭义上讲，仅局限于生产 线中所用生产设备、检验和试验设备的设计和选型，以及各生产设施之间的布置；从 广义上讲，它涉及厂址选择、方案决策、能源供给、质量管理、人员配备等各个方面。 在制造技术日趋完善、设备生产日益专业化，和市场经济不断成熟的今天，深入并全 面地研究设备的设计，并局限于狭义的生产线设计，对于公司的实际是没有意义的。 因为，一是作为一条完整的生产线，涉及到热处理、矫直、探伤、水压试验等不同的 设备，其要求、技术性能不同，需要不同的专业知识，作为生产型企业，没有能力储 备如此众多的专门人才；二是生产线的设计与建设，是与经济效益密切相关的，市场 竞争的压力，不允许投入过多的时间和精力。因此，从企业实用的角度，是如何选择 适宜的设备，并尽快安装投产。本设计就是基于广义的生产线而言的，既包括设各造 型及其布置，也含有对其涉及因素的综合分析，但不对具体的设备进行深入的专业性 探讨。 2 1 选址决策 选址决策成为生产线设计的组成部分有两个主要原因：第一，它是一个长期责任 范畴，这样一旦出错，就很难克服；第二，选址决策经常会影响投资需要、运作成本、 税收及运作。不好的选址将会导致成本过高、劳动力缺乏、丧失竞争优势、原材料供 应不足或与此类似不利于运作的情况“”。 因此，在考虑建设钻杆和套管调质处理生产线时，地址选择是非常重要的。 与存在多种选址方案不同的是，该生产线初步选定了地址，选址决策的主要工作 是对其影响因素进行分析。 初步选定地址在东营市经济开发区公司新开发的工业园区内，有以下几方面的优 势： a 原材料运输，原材料为钢铁厂热轧坯管。目前，国内可进行热轧坯管生产的有 上海宝钢、天津大无逢、兰州钢管、烟台普宝等众多厂家，从其分布看，东营市基本 处于中间位置，且具有国内一流的公路交通网，铁路交通也比较方便，因此，原材料 运输不存在问题。 b 成品发运，东营市为国内第二大油田胜利油田的基地，生产的钻套管成品 可直接面向最终用户，若只生产热处理的半成品，则可直接送到油田现有的两个管子 加工厂，因此在成品发运方面独具优势。 上海交通大学硕士研究生学位论文 c 地理环境，东营市地处黄河三角洲，属新兴沿海城市，气候、环境适宜，近几 年实施的“大开放、大招商、大发展”战略，以及依托油田的优势，经济发展迅速， 培养和吸引了大批具有一定技能的各类人员，劳动力资源丰富。 d 能源供给，作为能源消耗大户，必须充分考虑水、电、气的供应保证，生产线 一旦建成开始生产，必须连续运作，所需能源必须充分保证。生产线所选的建设地址， 即公司工业园区的东侧，有油田的一条6 0 0 0 v 高压电力线，供水系统也比较完备，因 此，水、电供应，可依靠油田水、电供给网络，可以保证生产；煤气发生炉用煤采用 山西、山东两地优质煤，运输方便。 另外，作为地处油田基地的内部企业所具有的市场优势，以及经济开发区在东营 市近年大规模招商引资方面所享有的优惠政策，也为这一地址的选定和本项目的决策 提供了有利的支持。 2 2 方案的优化及决策 任何项目的实施都是为了最大限度的获取经济利益。一个项目是否实施，这是一 个决策过程；而这个项目如何实施，则是一个优化过程。这两个过程并不是孤立的， 而是相互影响的。要做出科学、正确的决策，首先要对待决策问题进行详细的调查研 究，根据实际与可能，确定决策目标，拟定多个可行方案，而对每一种方案都可以进 行优化，然后根据相应的决策理论，选定最佳方案，做出最后决策。 作为完整的钻套管，一般是指热轧无缝钢管，经调质热处理、定径、矫壹，并经 检验合格后，再进行丝扣加工等工序得到成品。 油井管丝扣的连接质量，直接影响到油井管的使用寿命。如果丝扣连接不好，不 仅使用寿命缩短，而且可能会发生不必要的事故。因此必须保证丝扣几何尺寸的精度。 要保证丝扣的精度，就必须保证油井管几何尺寸的精确。 而钢管在热处理过程中，由于加热和冷却不均，沿长度方向会发生翘曲，其断面 也会变形和弯曲。而且进热处理炉的钢管本身就具有一定的椭圆度，那么在热处理过 程中钢管断面的变形沿原有椭圆度的方向增加，如果热处理之前钢管外径的椭圆度为 1 5 2 ，那么在热处理之后的椭圆度会增加到4 4 6 “。这就是该生产线中需要 进行定径的原因。 同样，钢管在熟处理过程中，加热和冷却不均，还会沿长度方向会发生翘曲，影 响钢管的直线度，进而影响丝扣加工的质量“。另外，实际使用也对钻套管的直线度 提出了越来越高的要求。所以，热处理后的钻套管都应进行矫直。这就要求生产线中 设置矫直机和检测装置。 另外，a p t 规范还规定，所有要求无损检验的管子应检查其全长内外表面缺陷” 9 上海交通大学硕士研究生学位论文 ”、。这就要求生产线中设置漏磁探伤机和管端探伤机。 套管生产相对简单，而钻杆需要进行管端加厚，需要专门的设备：螺纹加工方面， 目前，胜利油田已拥有两家管子螺纹加工厂，具有年加工6 万吨的能力。因此，生产 线的建设，存在多种可行方案。 经过粗略分析，选定三种备选方案： 1 ) 仅对套管进行热处理； 2 ) 增加对钻杆的热处理； 3 ) 增加丝扣加工工序。 三种方案的工艺流程及其主要设备分析如下： 22 1 方案1 ) ，仅对套管进行热处理 工艺流程： + | 欢灰 _ 一漏磁探伤 一管端探伤卜一喷漆 _ 一水压试验 llllliiiii 所需要的主要设备及费用如表2 - 1 所示： 表2 一l 编号设备名称数目贾用( 力兀)各注 l煤气发生炉26 0 2淬火炉l2 0 0 3 淬火机构 l2 0 0 4回火炉l2 0 0 5 高压水除鳞装置 11 0 0 l 6定径机13 0 0 57 矫直机 13 ( i o i 8吹灰装置11 0 【9 漏磁探伤机 11 2 0 1 0管端探伤机24 0 1 0 上海交通大学硕士研究生学位论文 1 1 水压试验机 18 0 1 2 喷漆机 l1 0 1 3打标机l8 0 生产线中全 | 1 4 非标设备 l 1 0 0 部 1 5 水电气等辅助设施 】3 0 0 总计2 1 0 0 22 2 方案2 ) 增加对钻杆的热处理 如果要增加对钻杆的熟处理，则需增加对钻杆管端的加厚，由此会带来能源配套 设施的增加，如电力供应系统：专用变压器、高低压配电柜等。另外，钻杆与套管规 格不同，以及杆端加厚之后直径变化，还会影响到对生产线上各种设备进行调整，有 些还需配备专门的备件，这些也需要增加些费用，与设备相比，这些费用较小，分 析时忽略不计。 工艺流程： l 篁堑堑篁h 圭型l _ 一! 塑竺塑垫 _ 一竺塑塑! i r 。1 r一_-一 刊高压水除鳞卜_ 叫定径卜一定径冷床卜一矫直 一冷床及检测j 一翌! 壁 _ 正蚤习 可见，钻杆生产时，加厚钻杆之后的工艺，与方案1 ) 基本相同，但在实际生产 时，需对具体的工序参数或设备参数进行调整。 在钴杆加厚的工艺中，还存在两种选择方案，一种是( 1 ) ：采用一套中频感应加 热炉、加厚机，相应的电力配置为，一台中频变压器、一套高、低压电气柜。但该方 案需要在钻杆加厚一端后，将钻杆调头，才能再加厚另一端，为此，需增加钻杆调头 系统，需要自行设计和制造。 另一种方案是( 2 ) ：用两套中频感应加热炉、加厚机，这样，钻杆加厚过程中不 必调头，加厚生产速度快，生产产量大。无锡西姆莱斯钢管公司即采用该加厚方案， 上海交通大学硕士研究生学位论文 但该方案投入成本太高。 表2 2 列出了这两种方案的投资对比。 表2 2 i 单套成方案1方案2 f 编 设备名称 盔 数费用数费用 备注 l 号 1 ( 万元) 目( 万元)目( 万元) j ；1加厚机 3 0 0l3 0 026 0 0 包括两套设 【 中频感应加热 1 0 011 0 021 9 0备间的传送 2 炉 j 3 变压器 】0】1 02】9 4 高、低压电气柜 1 011 021 5 5 钻杆调头系统 511 0 费用总计4 3 0 8 2 4 所需要的主要设备及费用： 考虑到钻杆可重复使用，其用量不是太大( 见第一章) ，同时还有宝钢现有的生 产能力( 2 万吨) 、无锡西姆莱斯潜在的生产能力，因此，考虑若进行加厚时，采用 一套加厚设备，即方案( 1 ) 的方案。 这样，该方案中，主要设备及费用如表2 3 所列。 2 2 3 方案3 ) ，增加丝扣加工工序 。工艺流程： 加工丝扣和管接头，属钻套管产品的二次开发，其主要设备是数控管螺纹车床等， 生产是在钻套管经过整体探伤后进行的。增加丝扣加工后的主要工艺流程为： 陌赢压f b 再忑i 订斗眄 _ 同赢习 l - - - - - - - - - - - - - 一l - - - - - j l - _ jl j l 。- j ，区固- 匿- 圆- 园 叫皇鍪堑塑i = 兰墨窒望奎堂堡主堑塞生堂垡笙壅 一 增加丝扣加工后，也可以独立对外来已处理合格的套管进行加工。其工艺流程为： 表2 3 序号设备名称数目费用 备注 1 煤气发生炉 26 0 【2淬火炉 12 0 0 f 3淬火机构12 0 0 j4回火炉 】2 0 0 l 5高压水除鳞装置1 1 0 0 【6定径机1 3 0 0预留 f 7矫直机 l3 0 0 8 吹灰装置 11 0 j 9漏磁探伤机 11 2 0 i1 0管端探伤机 24 0 1 1 水压试验机 18 0 | 1 2 喷漆机 11 0 i 1 3打标机l8 0 【1 4非标设备l 1 0 0 生产线中全部 f 1 5水电气等辅助设施 13 0 0 1 6 加厚方案( 1 ) 所用 14 3 0 全部设备 f总费用 2 5 3 0不包括定径机 需要增加的设备在表2 4 中列出。 表2 4 1 编号设备名称数目费用( 万元)备注 i 1 数控管螺纹车床 22 0 0 成对购置，方便加工 2 拧扣机 14 0 仅一端拧上接箍 i 3 辅助设施 11 0 0 后段工序变化产生 i费用总计 3 4 0 上海交通大学硕士研究生学位论文 另外，增加丝扣加工后，需要增加套管接箍加工，一来充分利用数控管螺纹车床 的生产能力，二来，这也是完整套管的配套要求。这样，该方案还会涉及产品品种增 加，以及相应的存放问题，同时，配套完整的套管，由于套管两端直径不同，还要另 外配备试压机的密封，以在进行水压试验时更换。为简化分析，本文暂不考虑这些影 响。 2 24 方案的优化和决策 各种方案提出以后，应当在充分论证的基础上，由主管领导组织有关人员进行方 案的优化及最后决策。对于上述方案，有几种不同组合实施方法： 1 、只进行套管热处理，不加工螺纹： 2 ) 套管热处理+ 丝扣加工； 3 1 套管热处理+ 钻杆热处理； 4 1 套管热处理+ 钻杆热处理+ 丝扣加工。 在3 ) 和4 ) 中，还存在生产套管及钻杆数量的优化问题，即分别生产多少套管和 钻杆，才能使整个生产线的经济效益最高。 22 5 套管和钻杆生产数量的优化 根据市场调查及实际生产工序研究，初步确定一生产规模，作为计算的初始条件： 假定只处理套管，年产量可达5 0 0 0 0 t ： 只处理钻杆，年产量可达1 0 0 0 0t 。 据此确定生产费用，则： 2 2 5 1 单位产品水电费： 根据生产线用电负荷( 见第3 2 能源配置) 进行估算。 a 只处理套管时： 。 名义用电负荷约：3 2 1 4 9 0 0 一3 5 7 = 1 9 5 7k w ； 生产线有效运转时间：6 0 0 0 小时； 按7 0 的实际用量计算，则实际用电量为： 1 9 5 7 6 0 0 0 x 7 0 = 8 2 1 9 4 0 0 ( k w h ) 按目前的峰谷平均电价0 4 5 元k w h 计算，则电费： 0 4 5x8 2 1 9 4 0 0 7 4 元吨： 5 0 0 0 0 由于生产线用水主要是循环水，水的消耗主要是蒸发，其耗量很少，考虑用水费 用后，只处理套管，则单位产品水电费以7 5 元吨计算： b 只处理钻杆时，分为两部分考虑：加厚和热处理。 加厚： 1 4 上海交通大学硕士研究生学位论文 名义用电负荷：9 0 0 + 3 5 7 = 1 2 5 7k w ； 加厚部分有效运转时间4 0 0 0 小时( 参见2 6 ) ， 按7 0 的实际用量计算，则实际用电量为： 1 2 5 7 4 0 0 0 7 0 - - - - - 3 5 1 9 6 0 0 ( k w h ) 热处理： 名义用电负荷约：3 2 1 4 9 0 0 一3 5 7 = 1 9 5 7k w ； 有效运转时间6 0 0 0 1 5 - - - - 1 2 0 0 小时： 按7 0 的实际用量计算，则实际用电量为： 1 9 5 7 1 2 0 0 7 0 = 1 6 4 3 8 8 0 ( k w h ) c 实际总用电量为： 3 5 1 9 6 0 0 + 1 6 4 3 8 8 0 = 5 1 6 3 4 8 0 ( k w h ) 则电费： 0 4 5x5 6 6 6 2 8 0 2 3 2 元吨： 1 0 0 0 0 考虑水的消耗，则只处理钻杆时，单位产品水电费以2 3 5 元吨计算； 2 25 2 单位产品员工工时： a 套管： 根据每班员工总数( 见3 3 人员配置) 3 3 人( 2 9 名操作人员+ 管理人员折合人数 4 名) ，三班，每班8 小时，每天2 0 0 吨，则，每吨工时：3 3 8 3 2 0 0 = 4 ( 人时) ； b 钻杆： 每班员工总数( 见3 3 人员配置) 3 7 人( 增加加厚机部分的操作人员4 名) ，三 班，每班8 小时，每天1 8 0 吨( 考虑加厚节拍慢) ， 则，每吨工时：3 7 8 3 1 8 0 = 5 ( 人时) 。 另外，根据市场情况，预设一吨产品能够创造出的经济价值： 钻杆每吨收益：出厂价一进厂价一辅助费用，约为1 5 0 0 元； 套管每吨收益：出厂价一迸厂价一辅助费用，约为1 0 0 0 元； 由于水电资源的供给受电网能力等其他因素的影响，雇佣员工要考虑食宿等现有 辅助设施等因素，因此，企业可提供的水电、人工等资源是有限的，不能超出。假定 一年可供电1 2 0 0 万k w h ，则电费为，0 4 5 1 2 0 0 = 5 4 0 万元，考虑水费，以5 5 0 万元为限；每班人员不超过4 0 人( 考虑厂房区域、工业园内食堂条件等的限制) ，则 年可用工时为，4 0 6 0 0 0 = 2 4 万( 人时) ；略去废品不计。将具体数据列于表2 5 上海交通大学硕士研究生学位论文 表2 5 、产品套管钻杆 资源约束 资源、( 每吨)( 每吨) l 水电费( 兀) 7 21 3 0 5 5 0 力兀 劳动力 45 2 1 万 i ( 人时)( 人时) l 利润( 元) 1 0 0 01 5 0 0 根据上述情况，可以建立数学模型，然后对数学模型进行优化求解。 设x 1 为套管的年生产数量( 万吨) ，x 2 为钻杆的年生产数量( 万吨) ，其目的是 为了生产利润最大，则优化的目标函数为； f i x ) = 1 0 0 0 x 1 + 1 5 0 0 x 2 ( 2 一1 ) 有关的约束方程为： 水电费约束：7 2 x 1 + 1 3 0 x 2 5 5 0 劳动力约束：4 x 1 + 5 x 2 2 4 变量的非负要求：x 1 0 ，x 2 0 产量约束( 考虑生产线的处理能力) ：x 1 + x 2 5 ( 万吨) 采用优化原理求解上述数学模型，最后求得在现有资源下，钻套管各自生产数量 的最优解，不但使资源得到最优利用