海洋鉆井用旋轉支撐轉盤液壓傳動設計

王學義,黃悅華,賴笑輝

(寶雞石油機械有限責任公司,陜西寶雞721002) *

海洋鉆井用旋轉支撐轉盤液壓傳動設計

王學義,黃悅華,賴笑輝

(寶雞石油機械有限責任公司,陜西寶雞721002)*

機械驅動旋轉支撐轉盤存在傳動鏈長、部件多、整機質量大、在鉆井平臺布置困難等問題。設計了液壓驅動的旋轉支撐轉盤,低速大扭矩液壓馬達安裝在常規(guī)轉盤輸入軸端,采用先進的閉式液壓控制系統(tǒng)和遠程電液比例控制方案。在海洋鉆井平臺的應用表明,該轉盤體積小,質量輕,拆裝布置方便,便于實現(xiàn)精確和智能控制,滿足了海洋鉆井的工藝要求。

液壓旋轉支撐轉盤;液壓系統(tǒng);電液比例控制

由于海洋鉆井大功率頂驅的使用,已不需要轉盤按鉆井工況設計轉速,在下入隔水管、懸持鉆具、活動鉆具時,要求轉盤具有較大的支撐能力和通孔直徑,較高的扭矩和較低的轉速。另外,常規(guī)機械驅動轉盤和電驅動轉盤傳動鏈長、部件多、整機質量大,在海洋鉆井平臺布置比較困難,而液壓旋轉支撐轉盤能滿足上述要求。目前,德國WIRTH公司有RTSS605-H型液壓驅動旋轉支撐轉盤,美國NOV公司也有類似的液壓旋轉支撐轉盤,但是結構相當復雜,液壓系統(tǒng)及控制形式很不相同。國內某修井機制造商也設計了高速馬達和減速器安裝在常規(guī)轉盤輸入軸端的液壓驅動轉盤,主要用于修井作業(yè)[1]。筆者基于常規(guī)石油鉆機轉盤,開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的液壓旋轉支撐轉盤(hydraulic rotary-support table)用于海洋鉆井平臺。

1 液壓旋轉支撐轉盤基本結構

功率較小、通孔直徑為?952.5 mm的轉盤(稱為ZP375型轉盤)采用液壓驅動,最高轉速20 r/ min左右,更適用于海洋鉆井平臺。為滿足現(xiàn)代海洋鉆井工藝的需要開發(fā)的旋轉支撐轉盤結構如圖1。CA70型徑向柱塞馬達[2]安裝在 ZP375型轉盤的輸入軸端,反扭矩由扭力臂和支撐板傳遞,由轉盤箱體承受。徑向柱塞馬達和轉盤的連接方式是把馬達所帶的鎖緊盤安裝在馬達安裝套的外壁,整體移動馬達使轉盤的輸入軸插入馬達的安裝孔內,緊固鎖緊盤上的螺栓,利用鎖緊盤的斜楔將軸向力變?yōu)閺较蛄?壓迫馬達安裝套變形,使馬達牢固地安裝在轉盤的輸入軸上。

圖1 海洋鉆井用液壓旋轉支撐轉盤結構

2 主要技術參數(shù)

轉盤

開孔直徑 ?952.5 mm(37.5英寸)

額定靜載荷 7 000 kN

最大工作扭矩(5 r/min時) 45 000 N·m

最大工作扭矩時最高轉速 5 r/min

齒輪傳動比 3.62

最高工作轉速 15 r/min

液壓系統(tǒng)

最大流量 246 L/min

最高壓力 21 MPa

液壓泵型號 A4VG140EP2

液壓馬達型號 CA70

液壓馬達的沖洗流量 15 L/min

電機功率 42.6 kW

電機轉速 1 780 r/min

3 液壓傳動原理及特點[3]

液壓系統(tǒng)原理如圖2。該系統(tǒng)為閉式液壓系統(tǒng),通過電液比例控制方式實現(xiàn)了對液壓旋轉支撐轉盤所需的扭矩和速度的控制,具有制動和反扭矩釋放功能。

3.1 控制回路

變量液壓泵排量由速度電位計手柄控制。主控制器讀取速度電位計手柄信號并對其進行處理,輸出2路PWM信號分別控制電控變量液壓泵的先導比例電磁閥,通過線性電壓或電流信號的輸出控制先導比例電磁閥的控制壓力,改變電控變量液壓泵的斜盤擺角,從而實現(xiàn)排量的變化,改變液壓馬達的轉速。將電位計手柄搬到不同的位置,控制液壓旋轉支撐轉盤的正轉、反轉、停止和無級變速。通過添加啟動/停止斜坡,實現(xiàn)動作平緩無沖擊。這樣,控制液壓旋轉支撐轉盤速度正、反方向比例變化并能在某位鎖定,在中位時轉盤停止并制動。

操作扭矩電位計控制手輪控制液壓旋轉支撐轉盤扭矩。主控制器讀取扭矩電位計控制手輪信號并對其進行處理,輸出1路PWM信號控制橋式調壓總成的比例電磁溢流閥,改變比例電磁溢閥的調定壓力,從而實現(xiàn)液壓旋轉支撐轉盤扭矩范圍的調整。旋轉支撐轉盤通常為高速低扭和低速大扭矩的作業(yè)工況。為減少主液壓泵電機的功率,對主液壓泵設置了恒功率輸出特性,這樣,當外載荷較大使壓力> 9 MPa時,隨著壓力的提高,主液壓泵的排量變小,液壓馬達的轉速減小,即液壓旋轉支撐轉盤轉速降低,扭矩增大。

3.2 冷卻及補油回路

徑向柱塞馬達驅動常規(guī)轉盤時常產(chǎn)生大量的熱,高溫將降低油液的粘度,從而導致液壓系統(tǒng)元件使用壽命的下降;同時,低粘度也將降低馬達的最大功率。因此,系統(tǒng)配備外沖洗泵對馬達殼體進行冷卻,外冷卻油經(jīng)馬達殼體、冷卻器返回油箱。液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的熱油經(jīng)內沖洗閥將熱油置換出去,由冷卻器降溫后返回油箱。為了補充基本液壓回路由于散熱和泄漏而損失的液壓油,系統(tǒng)采用齒輪泵作為補油泵。補油泵經(jīng)高壓溢流閥塊中的單向閥,向基本液壓回路的低壓管路補充冷卻油液。低壓溢流閥用于控制補油壓力。

3.3 過載保護及制動回路[4]

在停機過程中,為了保護主液壓泵免受沖擊,在該泵高壓出口處配有2個高壓溢流閥塊;同樣為了保護液壓馬達,在液壓馬達進出口處有1個雙向溢流閥。根據(jù)閉式回路的特點,操作速度電位計手柄回到中位、使液壓泵的斜盤傾角為零,封閉進出通路,從而液壓泵的進出口流量為零,液壓馬達的轉速為零,液壓旋轉支撐轉盤停止運轉。同時,由于在液壓馬達進出口處有1個調定壓力遠高于系統(tǒng)壓力的雙向溢流閥,液壓馬達無法轉動,也能實現(xiàn)液壓旋轉支撐轉盤的制動。此屬于系統(tǒng)制動,也叫內制動。

3.4 扭矩調節(jié)及反扭矩釋放回路

當液壓旋轉支撐轉盤需要設定扭矩時,操作扭矩電位計控制手輪調節(jié)橋式調壓總成的比例電磁溢流閥,改變比例電磁溢閥的調定壓力即可。由于液壓旋轉支撐轉盤驅動鉆桿,鉆桿的彈性扭轉,積聚大量的扭轉勢能。這樣,當液壓旋轉支撐轉盤停止運轉時,幾千米長鉆桿具有非常巨大的扭轉勢能迫使液壓旋轉支撐轉盤倒轉;需要釋放鉆桿反扭矩時,必需慢慢調低橋式調壓總成的比例電磁溢流閥壓力緩慢溢流。這樣,通過液壓馬達緩慢釋放鉆桿產(chǎn)生的反扭矩,使鉆桿的彈性扭轉勢能轉化為熱量,防止發(fā)生鉆桿脫扣事故。

圖2 液壓旋轉支撐轉盤液壓系統(tǒng)原理

4 結論

1) 通孔直徑為?952.5 mm的液壓旋轉支撐轉盤已在海洋鉆井平臺上應用,具有部件少、外形尺寸小、整機質量輕、安裝布置方便等特點。

2) 液壓系統(tǒng)采用閉環(huán)控制,調速范圍廣且無級可調。節(jié)能,高效,可控性好,換向平穩(wěn)無沖擊,操作響應快。

3) 采用電液比例控制元件,便于實現(xiàn)精確和智能控制,整體經(jīng)濟性好。

4) 該液壓控制系統(tǒng)還可用于通孔直徑為?1 257.3 mm(49.5英寸)和1 536.7 mm(60.5英寸)的常規(guī)轉盤,構成海洋鉆井用旋轉支撐轉盤。

[1] 應保連,余利軍.液壓驅動轉盤[J].機械工程師,2003 (11):54-55.

[2] 雷天覺.新編液壓工程手冊[K].北京:北京理工大學出版社,1998.

[3] 林建亞,何存興.液壓元件[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.

[4] 鄭 南,李鴻濤,寇鴻濤,等.超級單根液壓鉆機傳動及控制[J].石油礦場機械,2009,38(6):90-93.

Hydraulic Transmission Design of Rotary-support Table for Offshore Drilling

WANG Xue-yi,HUANG Yue-hua,LAI Xiao-hui
(Baoji Oilf ield Machinery Co.,Ltd.,Baoji721002,China)

Hydraulic rotary support device has been designed because rotary support device being driven by machinery had some problems,such as long transmission chain,more parts,large quality,and its layout difficulty in offshore drilling platform.High torque hydraulic motor was installed in input shaft of the conventional rotary table directly.The scheme of advanced closed type hydraulic system and electronic proportional remote control was used.The application on offshore drilling platform showed that its small size,light weight,convenient disassembly and arrangement,convenient for accurate and intelligent control,and its performance fully meet requirements of offshore drilling platform.

hydraulic rotary-support table;hydraulic system;electro-hydraulic proportioning control

1001-3482(2011)05-0053-04

TE951

A

2010-11-30

王學義(1964-),男,陜西寶雞人,工程師,1987年畢業(yè)于長沙鐵道學院起重運輸與工程機械專業(yè),主要從事石油機械設計與研究工作,E-mail:xyw343@163.com。