一種軌道式鐵鉆工的研制*

蒲亞昭，趙 瓏，鄒 斌

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730300)

鐵鉆工是現(xiàn)代鉆井作業(yè)過程中必不可少的自動化設(shè)備之一，主要用于鉆桿、鉆鋌、井下工具等鉆具上扣、卸扣和緊扣、沖口的連續(xù)作業(yè)，替代液壓大鉗，降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率和安全性，也是目前最先進(jìn)的管具上卸扣工具[1-2]。歐美國家技術(shù)成熟，以NOV、HAWK為代表，產(chǎn)品種類繁多；國內(nèi)陸地伸縮臂式鐵鉆工技術(shù)比較成熟，海洋平臺軌道式鐵鉆工起步較晚，基本依靠進(jìn)口，制約因素多，維護(hù)保養(yǎng)成本高，國內(nèi)僅寶雞石油機械有限公司為海洋鉆井平臺生產(chǎn)過一臺[3-4]。

針對海洋鉆井平臺的使用要求，研制生產(chǎn)的新型軌道式鐵鉆工可滿足2-7/8″～9-3/4″范圍內(nèi)鉆具的使用，其采用軌道移動方式，鐵鉆工由液壓馬達(dá)驅(qū)動在2條10 m的齒型軌道上行走，每根軌道由3段拼接而成，可單獨拆換，便于維修更換。對比伸縮式鐵鉆工具有移動距離遠(yuǎn)、設(shè)備剛性強、自動化集成度高、使用范圍廣等優(yōu)勢。鐵鉆工具有無線遙控模式和本地操作箱控制模式，同時設(shè)備本地備有液壓手柄，用于維修或應(yīng)急操作。力矩鉗、行走機構(gòu)、升降油缸均安裝有傳感器，定位精準(zhǔn)。上卸扣扭矩為數(shù)字化設(shè)定和顯示，可實現(xiàn)精確的扭矩控制，夾持力可調(diào)，最大程度保護(hù)鉆具螺紋。旋扣鉗具備獨立升降功能，使設(shè)備可以處理某些特殊工具[5]。鐵鉆工自動模式操作簡單，PLC程序控制，安全可靠，具有一鍵上扣、卸扣功能，作業(yè)時間小于25 s，可實現(xiàn)往返停機位置、工作待機位置、井口工作位置的功能，能夠遠(yuǎn)距離遙控操作鐵鉆工進(jìn)行作業(yè)，使操作人員遠(yuǎn)離井口危險區(qū)域。同時也解決了平臺長期依賴進(jìn)口、維護(hù)保養(yǎng)成本高、備件采購周期長等問題，實現(xiàn)了國產(chǎn)設(shè)備完全替代進(jìn)口，具有廣闊的市場前景。

1 軌道式鐵鉆工設(shè)計方案及實施

1.1 軌道式鐵鉆工主要技術(shù)參數(shù)

圖1所示為軌道式鐵鉆工總體結(jié)構(gòu)圖。軌道式鐵鉆工主要由液壓移動升降車、力矩鉗、旋扣器、扶正器、旋扣器升降裝置、接頭探測器、電氣控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠完成液壓升降車行走、液壓升降車升降、旋扣器升降、旋扣器夾緊、旋扣、力矩鉗夾緊、力矩鉗沖卸扣等一系列動作，具有本地控制和遠(yuǎn)程遙控器控制功能，操作面板上有遠(yuǎn)程和本地切換按鍵，可實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，鐵鉆工本體及遙控器上均設(shè)有緊急停機按鍵，按下該按鍵，液壓系統(tǒng)仍然保持壓力。蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司(以下簡稱“蘭石”)軌道式鐵鉆工主要技術(shù)參數(shù)見表1。

序號技術(shù)參數(shù)參數(shù)值1鉆具范圍2-7/8″～9-3/4″2最大卸扣扭矩162 000 N·m(120 000 lbf·ft)3最大旋扣扭矩4 060 N·m(2 900 lbf·ft)4旋扣轉(zhuǎn)速100 r/min5軌道寬度及長度1.44 m,10 m6上卸扣角度35°(±17.5°)7上卸扣扭矩調(diào)節(jié)可設(shè)定、調(diào)節(jié)上、卸扣扭矩8旋扣器升降行程850 mm9滑架升降行程900 mm10控制方式本地控制+遠(yuǎn)程遙控11外形尺寸及質(zhì)量1 700 mm×1 900 mm×2 700 mm,8 000 kg12使用環(huán)境潮濕、鹽霧環(huán)境

1.2 軌道式鐵鉆工主要結(jié)構(gòu)

1.2.1 鐵鉆工液壓移動升降車

圖2所示為液壓移動升降車結(jié)構(gòu)圖。液壓移動升降車用于實現(xiàn)鐵鉆工的水平移動和整體高度的升降調(diào)節(jié)，由2個液壓馬達(dá)驅(qū)動鐵鉆工在軌道上前后移動，同時檢測裝置的位移傳感器檢測移動距離，2個升降液壓缸實現(xiàn)鐵鉆工高度的升降，升降行程為900 mm，液壓缸內(nèi)置高精度位置控制傳感器控制升降高度，同時在架體極限位置安裝接近開關(guān)進(jìn)行雙重保護(hù)。

1.2.2 鐵鉆工旋扣器

圖3所示為旋扣器結(jié)構(gòu)圖。旋扣器升降裝置由升降液壓缸提供動力，調(diào)節(jié)旋扣器的升降高度，升降行程為850 mm，液壓缸內(nèi)置位置控制傳感器，蓄能器與液壓缸相聯(lián)，保證旋扣器工作時始終處于浮動狀態(tài)，跟隨鉆具上下運動。旋扣器用于自動旋入或旋出鉆具作業(yè)，由4個液壓馬達(dá)，4個滾輪及支架，左、右滑架，左、右小臂，吊架、夾緊缸、閥塊等組成，閥塊控制背部夾緊缸伸出，推動左、右滑架，左、右小臂夾緊鉆具，4個液壓馬達(dá)帶動滾輪旋轉(zhuǎn)，利用摩擦力驅(qū)動鉆具的旋入和旋出。

1.2.3 鐵鉆工力矩鉗

圖4所示為力矩鉗結(jié)構(gòu)圖。力矩鉗有2個功能：一是夾緊，二是旋轉(zhuǎn)。首先底部傳感器檢測鉆具到位后，上、下層鉗的6個夾緊液壓缸伸出驅(qū)動牙板夾緊鉆具，其次是兩側(cè)沖扣液壓缸一推一拉，上層鉗旋轉(zhuǎn)，使鉆具繞著自身中心做回轉(zhuǎn)，上部檢測裝置檢測旋轉(zhuǎn)位置，完成鉆具接頭的緊扣、卸扣工作，液壓閥組及2個液壓同步馬達(dá)保證上下層鉗各自液壓缸的同步性，利用儲能增壓結(jié)構(gòu)，保證上卸扣時扭矩需要。

2 軌道式鐵鉆工液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)

2.1 鐵鉆工液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)分為液壓傳動系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)。液壓傳動系統(tǒng)用于傳遞動力和運動，控制系統(tǒng)主要是控制各種閥件的開閉，實現(xiàn)需要的流量和壓力。液壓缸傳動的有夾緊液壓缸和升降液壓缸，實現(xiàn)夾緊和高度的升降功能，馬達(dá)傳動的有旋扣鉗旋轉(zhuǎn)和小車行走。旋扣器隨動液壓系統(tǒng)由隨動液壓缸和蓄能器組成，蓄能器與液壓缸的無桿腔之間并聯(lián)連接，當(dāng)鉆具接頭旋入時，液壓缸無桿腔的油液擠壓到蓄能器內(nèi)，當(dāng)鉆具接頭旋出時，蓄能器內(nèi)的油液排向液壓缸無桿腔，保證旋扣時旋扣器始終處于浮動狀態(tài)，跟隨鉆具上下運動。力矩鉗液壓系統(tǒng)增壓后最高可增壓至52 MPa，對液壓缸、管線等要求較高。圖5所示為旋扣鉗液壓原理圖。

2.2 鐵鉆工電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制，控制對象為電磁換向閥、比例溢流閥、負(fù)載敏感比例多路閥、傳感器等，傳感器有接近開關(guān)、編碼器、壓力傳感器，可實現(xiàn)行鐵鉆工行走位移檢測、升降位移檢測、旋扣鉗升降位移檢測、力矩鉗加緊壓力檢測、沖卸口力矩檢測，沖卸扣力矩在零至最大范圍內(nèi)無級可調(diào)。圖6所示為無線控制器。

3 軌道式鐵鉆工主要件仿真計算

圖7所示為應(yīng)力分析圖，其中圖7a為旋扣器主體結(jié)構(gòu)裝配體的分析結(jié)果，最大應(yīng)力為116.94 MPa；圖7b為左、右支座的分析結(jié)果，最大應(yīng)力為19.7 MPa；圖7c為夾緊臂的分析結(jié)果，最大應(yīng)力為116.94 MPa；圖7d為支架的分析結(jié)果，最大應(yīng)力為60.1 MPa。選用常用的Q355D鋼板焊接而成，屈服極限為355 MPa，滿足設(shè)計要求。

a)旋扣器主體結(jié)構(gòu)裝配體 b)左、右支座

4 軌道式鐵鉆工的研制使用情況

鐵鉆工在廠內(nèi)進(jìn)行了大量的試驗測試整改優(yōu)化，各機構(gòu)在控制元件控制下按照設(shè)計的運動軌跡運行，運行快速平穩(wěn)，狀態(tài)良好，通過專家、客戶現(xiàn)場驗收后運往南海五平臺使用，目前已順利完成3口井作業(yè)，滿足海洋平臺鉆井作業(yè)要求，完全替代進(jìn)口。圖8所示為海洋平臺作業(yè)中的蘭石鐵鉆工。

5 結(jié)語

通過對軌道式鐵鉆工的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能參數(shù)、各部件構(gòu)成、工作原理、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、仿真計算等闡述，結(jié)合現(xiàn)場使用，證明該軌道式鐵鉆工性能良好，結(jié)構(gòu)緊湊，同時也解決了平臺長期依賴進(jìn)口，維護(hù)保養(yǎng)成本高，備件采購周期長等問題。

蘭石國內(nèi)首臺最大扭矩162 kN·m軌道式鐵鉆工的研制成功，具有良好的社會效益和廣闊的市場前景，為進(jìn)一步拓展海工裝備市場奠定了基礎(chǔ)。