鉆桿自動(dòng)排放轉(zhuǎn)運(yùn)和移運(yùn)系統(tǒng)分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 敬

（渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧 盤錦124010）＊

在海上鉆井過程中，需要將鉆桿從井口移送到鉆桿排放架或從鉆桿排放架移送到井口。其特點(diǎn)是具有危險(xiǎn)性，是一個(gè)重復(fù)性高而勞動(dòng)強(qiáng)度大的過程，需花費(fèi)大量時(shí)間，多人合作共同完成。在海上鉆井作業(yè)中常遇風(fēng)浪，工作環(huán)境惡劣，安全性更為突出；同時(shí)，海上鉆井成本很高，加快鉆井速度，縮短鉆井周期顯得尤為重要［1－2］。

海洋鉆井平臺(tái)上的鉆桿從井架排放到鉆桿架上需要經(jīng)過鉆桿的轉(zhuǎn)運(yùn)和移運(yùn)2個(gè)過程。本文針對(duì)鉆桿自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和鉆桿自動(dòng)移運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。

1 技術(shù)分析

本設(shè)計(jì)主要參數(shù)：鉆井深度7 000m，鉆桿直徑127mm（5英寸），壁厚12.7mm （0.5英寸），長(zhǎng)12 m，質(zhì)量35.79kg／m；鉆桿接頭外徑147mm，鉆桿組合長(zhǎng)度457.2mm，質(zhì)量32.62kg／m。在海洋上鉆井為了節(jié)省鉆桿的安裝時(shí)間，通常將3根鉆桿用鉆桿接頭組合成立根，單根立根質(zhì)量1 350kg、總長(zhǎng)37.37m。

1.1 自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)

鉆桿自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)鉆桿從井架上的垂直位置轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置。在這個(gè)過程中需要一個(gè)能夠從垂直位置轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置的轉(zhuǎn)運(yùn)臂，采用液壓缸推動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)從垂直位置轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置的過程。在鉆桿從井架上的垂直位置轉(zhuǎn)換到水平位置的過程中還需要機(jī)械手抓緊機(jī)構(gòu)抓緊鉆桿，防止鉆桿從轉(zhuǎn)運(yùn)臂上滑落［3－5］。

1.2 自動(dòng)移運(yùn)系統(tǒng)

鉆桿自動(dòng)移運(yùn)系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)鉆桿從轉(zhuǎn)運(yùn)臂上轉(zhuǎn)運(yùn)到鉆桿架上。在這個(gè)過程中，需要一個(gè)能夠從轉(zhuǎn)運(yùn)臂上抓住鉆桿并且移動(dòng)到鉆桿架上的移動(dòng)系統(tǒng)，該移動(dòng)系統(tǒng)由水平移動(dòng)的小車、抓住鉆桿起升降落的機(jī)械手、存放鉆桿的鉆桿架組成。由于3根鉆桿組合成的立根較重，因此采用液壓缸帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆桿的起升和下降過程［3－5］?？紤]到鉆桿的水平移動(dòng)平穩(wěn)性和精確定位，以液壓馬達(dá)為小車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2 鉆桿自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆桿自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)由轉(zhuǎn)運(yùn)臂、伸縮臂、機(jī)械手總成和底座4部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆桿自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 轉(zhuǎn)運(yùn)臂

轉(zhuǎn)運(yùn)臂的作用是實(shí)現(xiàn)鉆桿從井架上的垂直位置轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置，是短伸縮臂、長(zhǎng)伸縮臂、機(jī)械手總成、轉(zhuǎn)運(yùn)液壓缸和伸縮臂伸縮液壓缸的支撐部件。由于3根鉆桿組合成的立根較長(zhǎng)，因此轉(zhuǎn)運(yùn)臂總體采用等邊角鋼桁架結(jié)構(gòu)，即節(jié)約了大梁的鋼材，而且總體質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也較好，經(jīng)濟(jì)上也比較合理。

轉(zhuǎn)運(yùn)臂由轉(zhuǎn)耳、轉(zhuǎn)耳連接鋼板、大梁角鋼、支撐角鋼、輔助支撐角鋼和連接鋼板組成，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)運(yùn)臂結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)耳連接鋼板的功能是連接轉(zhuǎn)耳與轉(zhuǎn)運(yùn)臂的大梁角鋼，使轉(zhuǎn)運(yùn)臂能夠從垂直位置轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置；大梁角鋼的功能是為轉(zhuǎn)運(yùn)臂支撐短伸縮臂、長(zhǎng)伸縮臂、機(jī)械手總成、轉(zhuǎn)運(yùn)液壓缸和伸縮臂伸縮液壓缸等提供安裝條件；支撐角鋼的功能是支撐大梁角鋼，防止其發(fā)生彎曲和扭曲變形；輔助支撐角鋼的功能是提高支撐角鋼的抗彎扭變形的能力；連接鋼板的功能是將短伸縮臂、長(zhǎng)伸縮臂、機(jī)械手總成、轉(zhuǎn)運(yùn)液壓缸和伸縮臂伸縮液壓缸等部件連接在轉(zhuǎn)運(yùn)臂上。

2.2 長(zhǎng)伸縮臂

長(zhǎng)伸縮臂是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓住的鉆桿從井架上收縮到轉(zhuǎn)運(yùn)臂上和鉆桿從轉(zhuǎn)運(yùn)臂上伸長(zhǎng)到井架上2個(gè)過程，在長(zhǎng)伸縮臂上安裝有伸縮液壓缸。由于海洋鉆井平臺(tái)上的井架底座長(zhǎng)8m、寬8m，這就要求伸縮臂至少能夠伸長(zhǎng)4m，使鉆桿能夠到達(dá)井口的位置?？紤]到鉆桿自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)距井架底座保持一定的距離，經(jīng)過計(jì)算長(zhǎng)伸縮臂的尺寸和形狀如圖3所示。

圖3 長(zhǎng)伸縮臂尺寸和形狀

2.3 短伸縮臂

短伸縮臂是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓住的鉆桿從井架上收縮到轉(zhuǎn)運(yùn)臂上和鉆桿從轉(zhuǎn)運(yùn)臂上伸長(zhǎng)到井架上2個(gè)過程的輔助伸縮臂。經(jīng)過計(jì)算短伸縮臂的尺寸和形狀如圖4所示。

圖4 短伸縮臂尺寸和形狀

2.4 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手總成

機(jī)械手總成的作用是在鉆桿從井架上的垂直位置轉(zhuǎn)動(dòng)到水平位置的整個(gè)過程中緊緊抓住鉆桿，使其不能從轉(zhuǎn)運(yùn)臂上滑脫。機(jī)械手總成主要由機(jī)械手指、抓緊液壓缸和連桿3大部分構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

3 鉆桿自動(dòng)移運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆桿自動(dòng)移運(yùn)系統(tǒng)由移動(dòng)小車、大梁、機(jī)械手總成、起升液壓缸和鉆桿架5部分組成，基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 鉆桿自動(dòng)移運(yùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 移動(dòng)小車

移動(dòng)小車的作用是提供水平方向的靈活穩(wěn)定移動(dòng)，是鉆桿自動(dòng)移運(yùn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件，由馬達(dá)、傳動(dòng)齒輪、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、車輪和車體組成?？紤]到移動(dòng)的平穩(wěn)性和精確性，采用液壓馬達(dá)帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整體的移動(dòng)，基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 移動(dòng)小車結(jié)構(gòu)

3.2 大梁

大梁的作用是連接移動(dòng)小車，并為起升液壓缸提供安裝位置［6］，是3個(gè)起升液壓缸的支撐部件。支撐角鋼焊接在移動(dòng)小車上，帶動(dòng)起升液壓缸和鉆桿與移動(dòng)小車一起運(yùn)動(dòng)。大梁采用等邊角鋼桁架結(jié)構(gòu)，可以提高起升液壓缸的穩(wěn)定性和精確性?；窘Y(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 大梁結(jié)構(gòu)

3.3 移運(yùn)機(jī)械手總成

機(jī)械手總成的作用是鉆桿從轉(zhuǎn)送臂上移動(dòng)到鉆桿排放架上的整個(gè)過程中緊緊抓住鉆桿，使其不能從轉(zhuǎn)運(yùn)臂上滑落。主要由機(jī)械手指、抓緊液壓缸和連桿3大部分構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 移運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)

3.4 鉆桿排放架

鉆桿排放架的作用是為鉆桿存放和移動(dòng)系統(tǒng)的精確排放提供一個(gè)架體，其基本結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 鉆桿排放架結(jié)構(gòu)

分隔板的功能是將鉆桿分隔開，提高鉆桿排放的精確度；大梁角鋼的功能是為支撐角鋼提供焊接位置；輔助支撐角鋼的功能是提高支撐角鋼的抗彎扭變形的能力；底連接桿的功能是連接底部大梁角鋼，并且還承受鉆桿的重力；固定板的功能是將鉆桿鉆桿排放架牢牢地固定在海洋鉆井平臺(tái)上；支撐角鋼的功能是支撐大梁角鋼，防止其發(fā)生彎曲和扭曲變形。

4 結(jié)論

1） 分析了海上鉆井過程中鉆桿自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和移動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2） 考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，在鉆桿轉(zhuǎn)運(yùn)和移運(yùn)過程中都采用了液壓系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)較高的穩(wěn)定性和精確性。

3） 該系統(tǒng)在各種工況下始終保持良好狀態(tài)，磨損小。

4） 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝維修方便的特點(diǎn)。

［1］李繼志，陳榮振.石油鉆采機(jī)械概論［M］.東營(yíng)：中國石油大學(xué)出版社，2000.

［2］何 鴻.鉆井平臺(tái)鉆桿自動(dòng)化排放系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（9）：82－84.

［3］朱云祖.自動(dòng)化鉆井技術(shù)譯文集［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1993.

［4］石美玉，楊國家，李富平，等.海洋鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（12）：41－44.

［5］李富平，楊國家，石美玉，等.海洋鉆機(jī)鉆桿自動(dòng)排放驅(qū)動(dòng)裝置方案設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40 （12）：48－50.

［6］劉延俊，王守城，楊前明，等.液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.