深海底鉆機自動接桿卸桿儲管機構(gòu)

魏治利， 臧 龍， 謝振權(quán)， 楊琦峰， 畢 進

(1.湖南飛碟新材料有限責任公司，湖南 長沙 410007； 2.長沙礦山研究院，湖南 長沙 410012)

0 引言

海底地層中蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，包括石油、天然氣、多金屬結(jié)核結(jié)殼、熱液硫化物、天然氣水合物及海洋生物等，這一些資源具有重要的社會經(jīng)濟價值。從2003年開始，國家大洋資源勘探工作的目標從大洋金屬結(jié)核結(jié)殼轉(zhuǎn)向海底熱液硫化物。對于熱液硫化物礦一般采用海底中深孔巖心取樣鉆進行鉆探。鉆機裝配于大型遠洋科學(xué)調(diào)查船上，用鎧裝臍帶電纜吊放到海底，通過鎧裝臍帶電纜供電和通訊遙控在海底鉆進并取得巖心。當海底巖心取樣鉆機的鉆進深度超過10 m時，一般需要使用依次連接的多根鉆桿，要求鉆機在海底能夠全自動遙控接卸鉆桿鉆具，并采取分段取心技術(shù)，即從儲管架上取出鉆桿一根根連接下去，提鉆時再一根根卸開鉆桿或鉆具并放回儲管架。由于鉆機工作在深海底，受到洋流、深水壓力、海底地形等的影響，因此，對鉆機各部件的可靠性、結(jié)構(gòu)和易操作性有著嚴格的要求。目前，國外已經(jīng)有的深海鉆機均采用與陸地自動接卸桿鉆機類似的鉆桿鉆具儲管機構(gòu)，帶有離合器和剎車裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作可靠性較差，不便于水下攝像觀察工作狀況，生產(chǎn)成本也較高。

為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供高性能、高質(zhì)量的鉆機，2012年，湖南飛碟新材料有限責任公司(以下簡稱飛碟公司)和長沙礦山研究院成功合作開發(fā)了鉆深能力20 m的機型。其中，飛碟公司承擔了鉆桿鉆具儲管機構(gòu)的開發(fā)，對穩(wěn)定鉆機的技術(shù)性能，提升整機的行業(yè)技術(shù)水平，縮小與國外發(fā)達國家的技術(shù)差距具有重要的意義。

1 儲管架工作原理與結(jié)構(gòu)

海底自動接桿卸桿儲管機構(gòu)，通過上、下托架安裝在鉆架框架上面。在上托架下方安裝有一個分度盤,分度盤上均勻分布著與存儲架上存儲的鉆桿數(shù)相等的定位銷孔,在管架轉(zhuǎn)動軸的上端套有轉(zhuǎn)動插銷架,通過轉(zhuǎn)動油缸的推動繞管架轉(zhuǎn)動軸的中心雙向擺動旋轉(zhuǎn),其擺動旋轉(zhuǎn)角度等于分度盤上每相鄰兩個定位孔繞分度盤中心形成的夾角,在轉(zhuǎn)動插銷架上裝配有轉(zhuǎn)動插銷油缸。在上托架上相應(yīng)位置裝有定位插銷油缸。轉(zhuǎn)動插銷油缸和定位插銷油缸在液壓上并聯(lián)且反向連接,工作時油缸活塞桿一個伸出另一個收縮，相互配合轉(zhuǎn)動油缸推動分度盤旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)精準分度。

在實際工作中，按照鉆孔工藝要求設(shè)計成雙排或單排儲管架，一個儲管架就可提供20個或10個鉆桿管位。為簡化結(jié)構(gòu)，提高精準度，本次設(shè)計采用兩個單排轉(zhuǎn)籠式儲管架，分別存放鉆桿和鉆具管組件。每個儲管架各帶兩只同步擺動式雙機械手，分別用于鉆桿鉆具在孔口和儲管架管口位之間的運送和裝配。

兩個轉(zhuǎn)籠式儲管架結(jié)構(gòu)基本相同，都采用轉(zhuǎn)動油缸驅(qū)動、正反雙向擺角轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)動插銷油缸驅(qū)動錐形插銷精確定位機構(gòu)。擺動式雙機械手，用于雙向抓取、移送鉆桿或鉆具管。鉆架框架下部安裝并聯(lián)的雙夾持器和卸扣器，分別用于夾持套管和鉆桿鉆具，并與機械手配合擰卸鉆桿鉆具下部絲扣。鉆桿上部絲扣則通過動力頭上的主軸螺紋與機械手配合進行擰卸。鉆桿儲管架總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鉆桿儲管架總體結(jié)構(gòu)圖

2 主要部件結(jié)構(gòu)特點

2.1 分度盤總成

分度盤總成由上托架、管架轉(zhuǎn)動軸、分度板、轉(zhuǎn)動插銷架、分度轉(zhuǎn)動油缸、轉(zhuǎn)動插銷油缸、定位插銷油缸等主要部件組成。分度盤總成的結(jié)構(gòu)見圖2、圖3。

圖2 分度盤結(jié)構(gòu)正視圖

圖3 分度盤結(jié)構(gòu)后視圖

分度板和轉(zhuǎn)動插銷架通過管架轉(zhuǎn)動軸安裝在上托架中心孔兩側(cè)，能夠繞軸心自由旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動插銷架上安裝有轉(zhuǎn)動插銷油缸，油缸活塞桿連接錐形插銷，工作時可進入分度板上的定位孔內(nèi)。分度轉(zhuǎn)動油缸一端用銷軸連接在上托架上，另一端用銷軸連接在轉(zhuǎn)動插銷架上，工作時可推動轉(zhuǎn)動插銷架雙方擺動旋轉(zhuǎn)。定位插銷油缸安裝在上托架上，油缸活塞桿端頭裝有錐形插銷，工作時可進入分度板上的定位孔內(nèi)，實現(xiàn)定位分度功能?？紤]到海水壓力的作用，轉(zhuǎn)動插銷油缸和定位插銷油缸的內(nèi)缸徑完全相等，活塞桿與錐形插銷的截面尺寸也完全相同，避免了誤操作的產(chǎn)生。上托架進行了內(nèi)外壓力平衡處理，適應(yīng)海底作業(yè)。部件連接處需要旋轉(zhuǎn)運動的結(jié)構(gòu)，分別采用了銅襯套和不銹鋼材料，具有較好的自潤滑和防腐蝕功能。

2.2 隔板與護欄

儲管架轉(zhuǎn)動軸的上、下裝有兩個隔板總成，外圍裝配兩個圓形護欄。護欄與隔板之間留有適當間隙，防止鉆桿鉆具意外掉落。在護欄朝向機械手的方向開有一個缺口，方便鉆桿鉆具運送，進出隔板。護欄通過支撐座固定在上、下油管走線槽上。隔板總成用法蘭串裝在管架轉(zhuǎn)動軸上，管位口的位置，在試機時精準定位后配焊，具有很高的防沖擊性。有助于機械手準確地抓取、放置鉆桿鉆具。

兩個隔板總成均勻同步旋轉(zhuǎn)一圈，有10個管位，都必須處在護欄缺口中間的同一位置，以便于機械手準確抓取鉆桿鉆具。每一個隔板管位口旁邊安裝有鉆桿夾緊鉗，彈性有力地夾緊鉆桿鉆具，防止掉落。隔板與護欄的結(jié)構(gòu)見圖4、圖5。

圖4 隔板和圍欄結(jié)構(gòu)圖

圖5 隔板總成圖

隔板總成由隔板、鉆桿夾緊鉗、夾緊鉗座、彈簧、彈簧座、法蘭等組成。鉆桿夾緊鉗通過夾緊鉗座連接在隔板上，能夠自由旋轉(zhuǎn)。螺旋彈簧給予它很強的膨脹力，隔板管位口有鉆桿時便緊緊地卡住鉆桿，沒有鉆桿時，裝有限位螺釘進行限制。鉆桿在機械手的幫助下能夠順利撞開鉆桿夾緊鉗進、出管口位置。

2.3 機械手

由機械手旋轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂帶動同軸雙夾持器進行雙向擺動旋轉(zhuǎn)。機械手夾持器上的夾持口具有3個固定的停留位置，一個是抓管位置，即處于隔板管位口；一個是鉆桿對接位置，即處于與動力頭主軸同心位；另外一個是機械手閑置位，即機械手不工作位置，此時，有足夠的空間方便動力在滑道上移動。機械手旋轉(zhuǎn)油缸，是兩作用雙活塞油缸，有長、短兩個活塞桿，通過伸縮，形成3個行程狀態(tài)，能夠滿足工藝要求。

夾持器包括V形夾緊塊、夾緊油缸、連接塊、銷軸、油缸固定銷等。夾緊油缸工作時驅(qū)動V形夾緊塊旋轉(zhuǎn)，卡緊或松開鉆桿鉆具，這種結(jié)構(gòu)具有限止鉆桿多個自由度的功能，可靠性好，從未出現(xiàn)鉆桿意外掉落的現(xiàn)象。機械手結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 機械手結(jié)構(gòu)圖

承載環(huán)焊接在機械手豎管上，外側(cè)面與上、下托架接觸，支撐著機械手與鉆桿鉆具的總質(zhì)量。旋轉(zhuǎn)臂與機械手豎管之間采用緊配合鍵聯(lián)接，很好地消除了間隙，方便夾持器實現(xiàn)精準地抓取鉆桿。夾持器也焊在機械手豎管上，具有微調(diào)角度位置的能力，能夠消除部件制造和裝配誤差，實現(xiàn)無阻力地抓取鉆桿。鉆桿鉆具被卡緊后，兩端與動力主軸、雙夾持器中心同軸度高。在實際反復(fù)工作過程中，機械手豎管容易彎曲變形，夾持器位置發(fā)生改變，為了克服這一個不良現(xiàn)象，我們采用了壁厚10 mm的無縫鋼管，取得了較好的效果。

2.4 液壓油缸

一般采用兩作用單桿或雙桿活塞式液壓缸，利用液壓力推動活塞作正、反兩個方向的運動，帶動其它工作部件往復(fù)直線或旋轉(zhuǎn)運動。它具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、裝拆方便、易于維修、可帶緩沖裝置及連接方式多樣等特點。

壓力：本設(shè)計采用G級壓力標準，適用于16～25 MPa;

密封：G級缸采用耐高壓、密封可靠的V形組合密封圈；

防塵：液壓缸采用聚胺脂或丁腈橡膠無骨架式防塵圈；

導(dǎo)向：采用聚胺脂或丁腈橡膠耐磨帶；

適用溫度：-40～80 ℃，不適用低于或高于這個范圍值的溫度；

結(jié)構(gòu)：由缸筒、活塞桿、導(dǎo)向套、活塞、橡膠密封件等組成。

油缸缸體采取調(diào)質(zhì)處理，HB=240～285。內(nèi)表面鍍鉻后再進行研磨拋光，外表面涂耐油油漆?；钊麠U初加工后調(diào)質(zhì)HB=230～285,精加工時高頻淬火至HRC=45～55。外表面鍍鉻后拋光處理。3種主要工作油缸的結(jié)構(gòu)見圖7～9。

圖7 定位插銷油缸結(jié)構(gòu)圖

圖8 機械手轉(zhuǎn)動油缸結(jié)構(gòu)圖

圖9 機械手夾緊油缸結(jié)構(gòu)圖

定位插銷油缸通過油缸壓板用6個螺栓固定在上托架上。錐形插銷用螺紋連接在油缸活塞桿一端，外圈裝有耐磨帶與上托架定位孔產(chǎn)生往復(fù)運動，通過伸縮進、出分度板定位孔。

機械手轉(zhuǎn)動油缸，是一個兩作用雙活塞桿油缸，長、短兩個活塞桿通過配合或單獨工作，形成3個總行程長度，推動機械手夾持器旋轉(zhuǎn)，以達到接卸鉆桿鉆具的工藝要求。油缸有4個進出壓力油口，它的分布位置和方向要方便油管的安裝，并且不妨礙其它部件的運行。

機械手夾緊油缸，通過兩個安裝孔用油缸固定銷裝配在夾持器內(nèi)。工作時，油缸在一定范圍內(nèi)繞安裝孔中心軸擺動，活塞桿驅(qū)動V形夾緊塊松開或卡緊鉆桿鉆具。

油缸一般采用不銹鋼銷軸連接，裝配后保證各部件運動靈活，無卡阻現(xiàn)象。在額定負荷下，使油缸以設(shè)計的最低速度全行程往復(fù)3次以上，無爬行等現(xiàn)象。油缸的活塞停留在全行程的一端，以1.5倍的額定壓力，保持15 min，油缸不得有內(nèi)、外泄漏和明顯的變形現(xiàn)象。

3 主要技術(shù)參數(shù)

通過市場調(diào)查，參考了國內(nèi)外同類型的幾種鉆機的技術(shù)特征后，所設(shè)計的深海底鉆機儲管機構(gòu)技術(shù)參數(shù)如下：

(1)由于深海底工作環(huán)境的特殊性，海水壓力30 MPa以上，要求產(chǎn)品具有較高的抗高壓、耐腐蝕性。產(chǎn)品做一次防護措施后能連續(xù)在海底工作1個月。

(2)額定油壓為21 MPa時，驅(qū)動儲管機構(gòu)油缸工作，相關(guān)運動件旋轉(zhuǎn)自如，速度平穩(wěn)，工作效率高。

(3)儲管架穩(wěn)定性好，保證硫化物取心率≥50%，硬巖取心率≥70%。巖心完好性對礦產(chǎn)資源評價具有重要的意義，對提高鉆機取心率有重要的影響，同時，取心率是評價鉆機性能的重要參數(shù)。

(4)單個儲管架能安裝10根鉆桿，每根長度2.0 m,直徑76或91 mm。

(5)鉆孔深度>20 m，終孔尺寸一般為?75 mm。

(6)鉆機系統(tǒng)流量為80 L/min，額定壓力為21 MPa，馬達扭矩為354 N·m，轉(zhuǎn)速為845.5 r/min。鉆深20 m作業(yè)時間<6 h，鉆進硬巖最大普氏系數(shù)≮8。

(7)鉆機鉆孔傾角約90°，整機采用穩(wěn)定支持與調(diào)平技術(shù)。鉆機調(diào)平支腿設(shè)計了液壓馬達驅(qū)動絲桿螺母機構(gòu)向外伸展的結(jié)構(gòu)。

4 實際應(yīng)用

深海底鉆機在“海洋六號”、“大洋一號”調(diào)查船上使用正常。在西南印度洋中的28座海山完成了150多次的取樣作業(yè)，最長獲取到1.2 m的“白加黑”結(jié)殼巖心樣品，為中國大洋科學(xué)考察獲取了大量的實物樣品。部分巖心樣品見圖10。

圖10 采取的巖心樣品

深海底鉆機研究課題所涉及的研究內(nèi)容和獲取的多項研究成果，為各種類型的海底取樣設(shè)備、海底現(xiàn)場測量設(shè)備和海底綜合考查設(shè)備的研制開發(fā)提供了可借鑒的深海動力和遠程測控技術(shù)。深海儲管機構(gòu)技術(shù)的進一步優(yōu)化和固化，不僅可以使研發(fā)深海探測設(shè)備少走彎路，提高研發(fā)成功率，另一方面，為深海器件的國產(chǎn)化，產(chǎn)業(yè)化奠定技術(shù)基礎(chǔ)。從儲管機構(gòu)的技術(shù)參數(shù)與功能來看，還可運用于其他淺海、江河、湖泊，甚至陸地的各種設(shè)備，具有廣泛的應(yīng)用范圍。

儲管機構(gòu)安裝在鉆機上，在西南印度洋、南海等幾個施工工地進行了不同深度、不同工藝的打孔作業(yè)?？咨?0～30 m，終孔?51.8～75 cm，能夠正常鉆進，工作順利，綜合巖心采取率超過70%，達到了設(shè)計目標。深海底巖心取樣鉆機鉆進機構(gòu)外觀見圖11。

圖11 鉆進機構(gòu)外觀圖

5 結(jié)語

HDZ-20型儲管機構(gòu)于2012年8月出廠了2臺，12月14日升級后又出廠1臺。8月出廠的2臺，在“海洋六號”調(diào)查船上使用正常，取得了完整的結(jié)殼巖心樣品。2016年，最新研發(fā)的HDZ-30型儲管機構(gòu)，在西南印度洋、西太平洋富鈷結(jié)殼與稀土調(diào)查中得到應(yīng)用，進一步提升了在行業(yè)內(nèi)的影響力。該項目達到了大洋科學(xué)考察的預(yù)期目的，為海洋環(huán)境熱點問題研究提供了大量有價值的數(shù)據(jù)支撐，并獲得了較好的經(jīng)濟社會效益。因此，可以說，儲管機構(gòu)部分的結(jié)構(gòu)是典型的，合理的，技術(shù)性能是可靠的。為開展深海地質(zhì)調(diào)查與大洋科考，加快建設(shè)海洋強國科學(xué)活動，推進深海高新技術(shù)發(fā)展，以及人類和平利用海洋作出了重要的貢獻。

儲管機構(gòu)經(jīng)過幾個施工單位的實際應(yīng)用后，進行了改進完善，效果較好，該種機構(gòu)具有以下幾個特點：

(1)儲管架穩(wěn)定性好，沒有出現(xiàn)鉆桿意外掉落現(xiàn)象；

(2)鉆桿鉆具抓取、安裝時，管位口位置精準，實現(xiàn)無阻力夾持鉆桿鉆具；

(3)機械手夾緊鉆桿鉆具后與動力頭主軸同心度好，工作效率高，可靠性好；

(4)儲管架工作時，平穩(wěn)性能好，震動小，巖心管內(nèi)的巖心泄漏現(xiàn)象少見；

(5)在整個鉆進過程中，機械故障發(fā)生機率低，儲管架使用壽命長。