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升降式水上泡沫钻探平台的研究生产管理QC小组 1小组概况1 1小组注册情况表1小组情况表 1 2小组成员情况 1 3小组活动情况小组本课题活动情况见表3 为保证QC小组活动有序展开 我们对各阶段的计划进行了安排 2 选择课题2 1问题提出2004年我院研究开发了水上泡沫钻探工作平台 水上钻探泡沫平台 该平台装置能在水上进行钻探作业 但在浅海区 和水位波动的河流 受潮汐和水流影响 容易搁浅 存在安全隐患 只能在平静水面使用 适用性较差 图片1本次QC小组活动前的水上泡沫钻探平台 2 2确定课题我们QC小组结合自身实际 运用质量管理的方法指导工作 确保安全 经济 高效的完成升降式水上泡沫钻探平台的研制 经过小组成员讨论 一致决定本QC小组活动要攻克的课题为 升降式水上泡沫钻探平台的研究 3 设定目标目标一 根据互联网查询 本地区潮汐变化高差最大为3 2m 最大风浪高度4 8m 河流水库水位最大高差3 8m 再考虑其它安全因素 所以设定钻探平台起升高度为10m 目标二 根据300型工勘钻机设备和人的重量为6T 按照 电力工程钻探技术规程 DL T5096 2008 的要求 水上钻探平台载重安全系数为5 所以设计平台有效浮力30T 设备要求便于拆卸搬运 4 提出方案并确定最佳方案4 1钻探平台方案从适用水域的钻进平台深度上划分 可划分为深水钻进平台和浅水钻进平台 从国内目前使用的水上钻探平台类型看 主要有以下方案 固定平台 船式 单体船和双体船 平台 拼装浮动平台 三种方案对比 固定平台 如海洋石油钻井平台 一般属于深水钻进平台 它是制约深海石油勘探的关键设备 由于石油勘探深度达几千米 且海水则受波浪 潮汐等综合影响 水情变化复杂 起落频繁 所以海洋石油钻井平台往往体大量重 使用的海上钻探平台重量从100吨级到1000吨级 这样的平台与我们的使用环境有很大的差异 我们没有能力和必要建设那么大的钻探平台 与目标不符 船式 单体船和双体船 平台 与海洋石油钻井平台截然不同的是 在国内尤其是广西地区输变电 水电 核电项目的前期勘测生产过程中 经常遇到需要在近海 江河湖泊进行勘察钻探的情况 由于是近水勘探 一般钻孔直径小 孔深浅 深度在100m以内 勘探深度远小于石油勘探 但是搬迁频繁 且现场条件千差万别 所以使用的水上钻探平台与也海洋石油钻井平台有着本质区别 适用于输变电 水电 核电项目的浅水近海钻探平台必须具有可短时间装拆 重量轻 可自行升降以避免水流和潮汐影响 整体强度高并可抵抗一定级别风浪 防腐性能较好等特点 因此使用的水上钻探平台规模小 重量小 一般小至几吨 大到100吨级 但是该平台存在以下缺点 1 整体重量大 平台的浮体船舱要达到设计的浮力 船舱的体积要求大 因此平台运输 组装 拆卸必须要有起重设备 对于很多输变电 水电 核电工程来说现场条件往往不具备 使用起来不方便 与目标不符 2 平台采用钢板包覆的船舱浮体 钢板受海水腐蚀严重 使用寿命短 更为严重的是封闭船舱一旦破损 平台有沉没的危险 拼装浮动平台 我院近几年完成的勘察项目中 有水上勘察钻探的项目约30项 主要有钦州跨海高压输电线路 广西防城港核电厂一期勘察 力丘河金顶水电站勘察 长洲水利枢纽三线四线船闸 南宁电厂勘察 柳南铁路勘察 北海电厂勘察 钦州电厂海堤 来宾电厂灰坝等 在这些项目中使用的水上钻探平台均采用拼装浮动平台 包括拼油桶平台 拼装泡沫平台 拼装木板棚架管平台等 在浅海中的应用效果更显著 由于平台轻便 移孔就位时更容易和便利 大大地降低了劳动强度和节约了平台材料的成本 组合拆卸方便 移动性好等特点获得钻探人员的好评 提高了现场的工作效率 取得明显的经济效益 与目标相符 结合我们的勘探业务范围和环境影响 因此采用 拼装浮动平台 方案 4 2平台升降方案平台升降方式 要解决潮汐 水位升降 水流冲击的影响 主要有以下方案 管柱支撑升降式 充气橡胶升降式 泡沫堆积升降式 通过上述比较试验分析 选择 管柱支撑升降式 作为平台升降方案最佳方案 4 3平台材料方案性能要求 1 韧性好 耐低温 耐扯裂 抗冲击性能优异 尤其适合于海上冬天作业使用 2 重量轻 便于安装和拆卸 运输方便 运输转移成本低 3 抗风浪冲刷 耐海水腐蚀 抗老化 使用寿命长 可长期在海水中平台浸泡 使用期可在10年以上 4 浮体材料不会产生积水渗漏问题 平台的承载能力能保持稳定 根据以上四点 我们选择了泡沫浮体材料 木材 油桶进行实验和论证 能满足以上四点的是泡沫浮体材料 对泡沫浮体材料有以下性能要求 1 泡沫材料要具有长期泡在海水的吸水性极低的性能 使得泡沫浮体平台受载的重量不大于泡沫材料的排水量时 不会发生沉没的危险 2 泡沫浮体材料的强度要高 但密度要低 易于水上漂浮 3 泡沫浮体材料中的孔穴相互独立 为闭孔泡沫材料 当发生被锐器刺破或碰损某一部位时 平台的承载能力不会发生明显变化 4 泡沫浮体材料的吸水性差 可长期泡在水中不降低其浮力 5 泡沫浮体材料的材料来源广 技术成熟 采购成本低 6 容易保养 养护成本低 主要有以下方案 化学交联聚乙烯泡沫塑料 聚苯乙烯泡沫塑料 聚氨酯泡沫塑料 软质聚氯乙烯泡沫塑料对上述4种材料进行比较试验 通过上述比较试验分析 化学交联聚乙烯泡沫塑料方案符合性能要求 选择方案一 化学交联聚乙烯泡沫塑料 方案为优选方案 4 4确定最佳方案确定最佳方案如下 5制定对策 6 对策实施对策实施一 选取浮体框架的材料设计浮体材料框架 1 固定限制泡沫浮体材料 设计的泡沫浮体材料主要为4组 每组为7块2 0m 0 6m 1 0m的泡沫块组成 浮体框架的主要作用是固定每组泡沫浮体 使每组泡沫的浮力充分发挥 2 连接泡沫浮体与整个平台 是泡沫浮体产程的浮力作用于整个平台 通过泡沫浮体框架与平台的横梁连接架连接 使每组的泡沫浮体材料产生的浮力作用与平台的连接横梁架 进而浮起整个钻探平台 浮体材料框架的设计要求 1 重量轻 2 泡沫浮体框架应为可拆卸的组合式结构 3 其强度能够达到围固泡沫浮体材料的目的 4 泡沫浮体框架与平台横梁连接架能够有效的连接 浮体框架材料的选择根据设计要求的重量 每组泡沫浮体框架的重量小于300kg以便人工搬运 有足够的强度 组合方便 所以选择结构用方型管钢 选择30 30 2 0的方管钢作为浮体框架材料 实施一效果检查 根据现有方管钢的型号及规格尺寸 计算每件的组合框架重量小于300kg 达到对策目标的要求 对策实施二 设计浮体框架的结构及连接浮体框架结构方案初步选择为2种 图2为第一种方案 其结构为框架结构 分上下 左右 前后6面 每面用30 30 2 0方管钢焊接成面 其中左右面 前后面与上面为焊接 下面与左右面 前后面为活动的螺栓连接 4个浮体框架之间用10 的等边角钢螺栓连接 主纵梁放置在4个浮体框架的上方 主纵梁与四个浮体框架之间用连接座螺栓连接 总体结构方案1参见图2所示 方案一的效果检查 1 浮体框架只有一面是螺栓连接 其它几面是焊接 框架的总体强度较好 拼装方便快速 2 框架的几个面焊接后 由于一个组合框架重量较重 体积较大 人工搬运及运输不方便 3 四个浮体框架之间采用10 等边角钢螺栓连接 稳定性好 但单个浮体框架重量增加 搬运不方便 4 主纵梁与框架的连接采用焊接在浮体框架上的连接座螺栓连接 连接螺栓多 定位困难 图3为第二种方案 其结构为框架结构 分上下 左右 前后6面 每面用30 30 2 0方管钢焊接成面 其中左右面 前后面与上下面皆为活动的螺栓连接 4个浮体框架之上分别连接有用10 槽钢焊接而成的连接横梁架 而4个连接横梁架的侧面与2条25 工字钢主纵梁的侧面螺栓连接 方案二的效果检查 1 浮体框架的6个面之间全部用螺栓连接 框架拼装方便 快速 2 框架的几个面采用螺栓连接 一个组合框架拆分后重量较轻 体积小 人工搬运及运输方便 3 四个浮体框架之上分别采用10 槽钢焊接而成的横梁架螺栓连接 而横梁架侧面连接于主纵梁的侧面 连接强度好 4 主纵梁与横梁架的螺栓连接定位困难 5 4个连接横梁架之间除主纵梁外 没有连接 抗压能力较之方案一稍差 实施二效果检查 通过两种方案的效果检查做对比分析 我们决定采用方案二的结构方式 方案二的框架结构重量为285kg 达到了对策目标 对策实施三 选取支腿材料升降式水上钻探泡沫平台不同于普通的水上钻探平台的特点是 升降式水上钻探泡沫平台在水上作业时 整个平台在水面以上一定高度作业 平台依靠几个支撑支腿固定支撑于水面以下的水底岩土层上 平台上的人员作业不受潮汐 水位变化的影响 水上钻探人员的工作条件有很大的改善 钻探作业的效率有很大的提高 所以支撑支腿的好坏直接影响平台的稳定及工作安全 平台工作对支撑支腿的主要要求如下 1 支腿材料的强度及变形满足平台的要求 2 支腿支撑的稳定性要满足平台工作要求 3 支腿材料要强度高 重量轻 便于运输 搬运及装卸 4 单段支腿的重量小于300kg 便于人员装卸 5 支腿各段之间的连接 支腿与平台的连接要牢固 强度高 6 支腿与支撑管靴之间的连接简便 牢固 7 平台与支撑支腿之间可固定 同时平台与支腿可延垂直方向相对移动 支撑支腿材料的选择根据平台支撑支腿的作用 平台设计的要求及查文献资料 初步可选的材料有 无缝钢管 型钢 工字钢 槽钢 钢轨等 高强度合金钢钢管等材料 材料规格尺寸参见下表 上述材料列表中 从材料作为支撑管住的支撑受力特性来看 钢管是作为柱支撑的最好材料 从材料重量来看 高强度合金钢管及槽钢是最轻的 从材料的强度来看高强度的合金钢管是最好的 所以初步选择 194 9 52的高强度合金钢管作为支撑支腿的材料 对策实施三效果检查 支撑支腿作为平台的主要承力部件 其受力条件主要是压杆承压受力 所以应选择整条的管柱作为受力管 但整条12m管柱的重量约为530kg 运输及搬运在没有起重机械的情况下不方便 所以管柱在满足强度及变形要求的情况下 设计成分段连接 各段之间采用合适的连接方式进行连接 支腿各段之间采用矩形锥扣连接 194 9 52的高强度合金钢管每段重量265kg小于300kg达到了对策目标 对策实施四 支撑支腿的连接结构设计设计满足强度及变形要求的支腿 平台是可升降式的 所以要求支腿与平台可固定 但同时也可延竖直方向相对移动 因此我们设计有支腿连接管 它把支腿与平台连接在一起 支腿在支腿连接管中通过 同时通过支腿连接管上的下垫叉把支腿与支腿连接管相对固定 通过平台上的起拔连接管及上垫叉 支撑管柱也可与平台的升降油缸连接 由于平台与支撑支腿之间的连接是通过平台支腿连接管及起拔连接管连接的 平台支腿连接管及起拔连接管上分别设置有上 下垫叉 通过上 下垫叉与支腿上焊接的定位卡块卡紧 实现平台与支腿的固定定位 实施四效果检查 1 绕X轴弯曲时的最小整体稳定性安全系数 2 522 该截面距离构件顶端 0 000 m 3 绕Y轴弯曲时的最小整体稳定性安全系数 2 524 该截面距离构件顶端 0 000 m 5 平台整体上升最大12m有足够的强度满足要求 上升高度最大12m 达到了对策目标 对策实施五 选取相对低密度 高强度的泡沫浮体材料 化学交联聚乙烯泡沫塑料 根据泡沫浮体框架方案二 设计的泡沫浮体材料主要为4组 每组为7块 2 0m 0 6m 1 0m的泡沫块组成 浮体框架的主要作用是固定每组泡沫浮体 使每组泡沫的浮力充分发挥 为了适应水上钻探泡沫平台对浮体材料的要求 我们与化学交联聚乙烯泡沫塑料产厂家进行了联系 以求制造相对低密度 高强度的泡沫浮体材料 实施五效果检查 浮力 1T m 4组 7块 2 0m 0 6m 1 0m 33 6T总浮力达到33 6吨 厂家承诺使用期可在10年以上 达到了对策目标 对策实施六 总体安装 陆地组装试验不同于水上钻探组装的程序 主要区别在于 在水上组装应从浮体框架组合体开始 浮体框架组合体提供整个平台的浮力 但浮体框架不能在陆地上支撑整个平台自重及附加荷载重量 陆地组装试验主要工作程序如下 12个步骤 1 首先选用能够支撑整个平台的支撑台 此次试验我们选用14个空的油桶作为2条主纵梁下部的支撑整个平台的支撑台 2 在油桶上连接左右主纵梁的前后段 3 螺栓连接平台横梁架与主纵梁在一起 4 连接4个卷扬机到平台横梁架上 5 连接油缸底座板在纵梁及横梁架上 6 连接钻机底架到连接横梁架上 7 铺设平台横向木梁及铺设平台机台板 8 吊装支撑管柱 钻机 液压系统动力机及部件 9 连接油缸 安装平台护栏等 10 起升整个平台到离开油桶一定距离 11 连接浮体框架到平台连接横梁和主纵梁 12 立钻架 吊套管 钻具等 平台实际组装过程图片 参见图片2 图片7所示 图片2连接主纵梁 平台横梁架 卷扬机 平台支腿连接管 油缸导向架 起拔连接管 图片3把钻机机座连接到横梁架上 图片4装配设备到平台上 图片5铺设平台横向机台木梁 图片6安装平台护栏 起升平台离开支撑油桶一米高度 图片7连接泡沫浮体框架到平台 立钻机架 吊装钻具等 实施六效果检查 经过整体安装 升降式水上钻探泡沫平台达到的技术指标参数见表9 符合对策表目标值的要求 7 效果检查根据表9 课题设定的目标已经实现 但是平台组装完成后 接下来要进行平台的各项功能测试工作 对平台的升降 主梁及横梁架的强度 平台起升过程的稳定性 支撑管柱的功能 液压系统的功能及稳定性等进行试验 1 平台起升试验继续操作平台的液压升降系统 使平台升高到平台浮体泡沫框架地面离开地面2 0m高度 此操作过程中对平台各项功能进行观察 包括液压系统的各项参数情况 2 平台在2 0m高位置上的钻探工作在平台离地面2 0m高的位置 卡紧上 下垫叉 固定平台在此位置 此时启动钻机进行场地的钻进工作 开孔用直径150的金刚石钻头钻穿地表混凝土地面 接下来用直径130mm的冲土钻头进行钻进 钻孔到深度5 0m的时候 停止钻探施工工作 在此钻探生产过程中 观察平台承力零部件的情况 平台的稳定性情况等 3 平台在3 0m高位置上的钻探工作继续升起平台到泡沫浮体框架底面距离地面3 0m高的位置 固定平台 进行钻探工作 此过程中观察平台的稳定性 各承力零部件的情况 4 平台在5 0m高位置上的钻探工作继续升起平台到泡沫浮体框架底面距离地面5 0m高的位置 固定平台 进行钻探工作 此过程中观察平台的稳定性 各承力零部件的情况 效果检查结论通过上述平台的组装及功能试验工作 形成对平台的评价 1 平台组装检查评价1 平台能够按照设计及制造要求成功组装完成 组装方便 2 主纵梁连接牢固 在平台起升 下降过程中无明显变形 3 平台支腿连接管 平台起拔连接管 平台卷扬机等连接部件连接紧固 无明显变形 2 平台液压升降系统的功能检查评价1 平台液压系统各零部件的连接方便 灵活 2 液压系统油缸活塞可按设计要求进行升降运动 3 液压系统工作压力达到16MPa 最高压力达到21Mpa 满足系统要求 4 由于采用快速接头进行管路的连接 国产快速接头发生内阀顶死而不通油路的现象 5 当操作液压系统进行平台下降时 平台向下移动速度过快 造成平台震动较大 6 采用快速调压溢流阀进行压力调节时 系统压力变化较快 造成油缸活塞移动冲击较大 3 平台总体检查稳定性评价平台总体稳定性是指平台在起升 下落及平台固定钻探作业时的平台变形 倾斜 晃动等性质 通过平台的功能试验可对上述性质作出评价 当平台固定钻探作业时 平台的稳定性满足要求 当平台升到3 0 5 0m时 平台在起升过程中 支撑管柱没有倾斜 平台稍有晃动 平台下降过程中 震动较大 平台稍有晃动 平台总体上是稳定的 4 平台承力零部件的强度检查评价平台在试验过