DM13.7/4.5分段式動力貓道結(jié)構(gòu)設(shè)計*

張開發(fā)，李旭陽，楊小亮

(1.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314； 2.機械工業(yè)油氣鉆采裝備工程研究中心，甘肅 蘭州 730314； 3.甘肅省油氣鉆采裝備工程研究中心，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

陸地鉆機鉆井作業(yè)中管柱處理作業(yè)包括管柱在管子堆場與鉆臺間的運移及放置、在鉆臺上接卸立根、起下鉆時的鉆柱上卸扣、井架內(nèi)立根來回移送及排放等操作[1]。目前國內(nèi)鉆井行業(yè)人工操作上下鉆具需要3～4名工人配合，操作效率低、工人勞動強度大、安全性差、鉆具的損壞程度也很高。因此，研究先進(jìn)的自動化程度高的井場鉆具自動上、下鉆臺裝置具有重要的現(xiàn)實意義。

隨著自動化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展，為減輕工人勞動量，提升工人工作效率，提高操作安全性，石油鉆采行業(yè)鉆機配套設(shè)備研究逐漸深入，動力貓道便是其中一種自動化管柱輸送設(shè)備。動力貓道的作用是將地面管子堆場區(qū)的管柱以單根的形式輸送至鉆臺面小鼠洞(井口)位置，或反向操作[2]。按其結(jié)構(gòu)形式大體分為3種：鋼絲繩拉升式動力貓道、水平式動力貓道和液缸舉升式動力貓道[3]。目前為滿足輸送較長管柱，國內(nèi)動力貓道結(jié)構(gòu)普遍較長，在特定地區(qū)運輸較為困難。筆者對DM13.7/4.5動力貓道運移臂與坡道采用分段式設(shè)計方案進(jìn)行設(shè)計分析，以期能達(dá)到有效解決這一運輸難題的目標(biāo)。

1 總體方案設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

DM13.7/4.5動力貓道主要由基座、坡道、運移臂、支撐臂、甩鉆具滑車、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成，其中運移臂與坡道為分段式結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用耳板銷軸的連接方式，拆卸運輸時可將其翻折，滿足特殊地區(qū)運輸要求；其結(jié)構(gòu)如圖1所示，翻轉(zhuǎn)折疊后如圖2所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖1.基座 2.支撐臂 3.運移臂下段 4.運移臂上段 5.運移臂伸縮段 6.坡道上段 7.坡道下段

圖2 折疊運輸圖

1.2 工作原理

文中提出的動力貓道方案適用于陸上鉆機，用于完成鉆桿、鉆鋌、套管等管柱輸送作業(yè)。采用機、電、液一體化設(shè)計，通過鋼絲繩拉升及滑車移動實現(xiàn)管柱在地面排管區(qū)與鉆臺區(qū)的雙向輸送。其實現(xiàn)過程主要分為以下幾個步驟。

(1) 運送的管柱放置在一側(cè)的排管架上，通過控制排管架支腿油缸的起升使排管架表面、排管架上的管柱滾動至基座定位銷處停止。

(2) 控制基座翻料油缸工作，翻料機構(gòu)將停放在定位銷處的管柱輸送至運移臂滑車內(nèi)。

(3) 控制液壓絞車工作，起升運移臂，使運移臂沿坡道起升，到指定位置停下后運移臂內(nèi)伸縮缸工作，運移臂伸縮段伸出，到指定位置停止。

(4) 運移臂內(nèi)液壓馬達(dá)工作，通過鏈條帶動運移臂滑車在V型槽內(nèi)運動，同時安全擋銷伸出，防止管柱從高空掉落等事故發(fā)生，直至小車到達(dá)指定位置完成輸送過程。

反之可將管柱從鉆臺面輸送至地面排管區(qū)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

動力貓道結(jié)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主要設(shè)計參數(shù)

2 各部件方案設(shè)計

2.1 基座結(jié)構(gòu)設(shè)計

基座是動力貓道的安裝基礎(chǔ)，主要由基座主體、排管架、翻料裝置等部分組成?；捎眯弯摵附佣?，運移臂、支撐臂可收縮至基座內(nèi)。內(nèi)部設(shè)有進(jìn)料機構(gòu)，可以為運移臂輸送鉆桿；外部與排管架鉸接，工作時排管架展開，為基座運送管柱，運輸時排管架收至基座兩側(cè)并用銷軸固定，便于運輸。

基座前端設(shè)有前搭板，與基座主體鉸接；工作時與基座主體相連接可滿足運移臂輸送長度，運輸時前搭板拆卸，滿足運輸要求。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基座結(jié)構(gòu)圖1.前搭板 2.基座主體 3.排管架 4.翻料裝置

2.2 支撐臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

支撐臂作用主要是支撐運移臂，由型鋼焊接而成，前端安裝有導(dǎo)向滾輪，當(dāng)運移臂開始起升動作時可以在基座的軌道上滑移；支撐臂外側(cè)安裝有導(dǎo)向耐磨板，并可通過調(diào)整墊片對寬度進(jìn)行微調(diào)。支撐臂與運移臂鉸接，并與基座、坡道形成連桿機構(gòu)。支撐臂背側(cè)安裝管夾，可用于安裝控制系統(tǒng)所需管線。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 支撐臂結(jié)構(gòu)圖1.支撐臂主體 2.導(dǎo)向板 3.調(diào)整墊板 4.導(dǎo)向滾輪

2.3 運移臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

運移臂主要作用是輸送鉆桿，此次設(shè)計為分段式結(jié)構(gòu)，主體分為三段：上段、下段以及伸縮段。運移臂上下段采用銷軸耳板的連接形式，工作時上下段用銷軸固定，滿足長度要求；運輸時將固定銷軸取出，上段向上翻折，滿足運輸長度要求。伸縮段通過耳板、伸縮油缸與運移臂前段相連，可在運移臂前段內(nèi)自由伸縮，使運移臂整體長度滿足運輸管具的要求。前段內(nèi)部設(shè)有檢測裝置，當(dāng)檢測裝置檢測到伸縮段復(fù)位時伸縮油缸停止工作，設(shè)備更加安全可靠。運移臂主體采用焊接H型鋼結(jié)構(gòu)，中間焊接有承載管具的V型槽。

此外，運移臂設(shè)有安全擋銷機構(gòu)、鉆具雙向翻出機構(gòu)、滑車及其驅(qū)動機構(gòu)。安全擋銷機構(gòu)用于在輸送管具過程中防止管具的墜落，鉆具雙向翻出機構(gòu)的作用是將管具甩出至左右排管架上，二者均采用液缸驅(qū)動；滑車由主體及拖車兩部分組成，拖車通過耳板銷軸與主體連接，向鉆臺面輸送鉆桿時拖車拆卸，滑車主體沿運移臂滑動；甩鉆具時將拖車安裝在滑車主體上，可完成“上一甩三”的輸送操作?；囉梢簤厚R達(dá)驅(qū)動鏈條旋轉(zhuǎn)，鏈條帶動小車做往返運動，運移臂后段還設(shè)有鏈條張緊機構(gòu)。運移臂前端設(shè)有導(dǎo)向滾輪，運移臂在起升過程中，滾輪沿著坡道內(nèi)的軌道向上移動，有效提高運動效率。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 支撐臂結(jié)構(gòu)圖1.運移臂前段 2.運移臂前段 3.滑移小車 4.運移臂伸縮段 5.伸縮缸 6.翻料機構(gòu) 7.液壓馬達(dá) 8.傳動機構(gòu)

2.4 坡道結(jié)構(gòu)設(shè)計

坡道由上段與下段兩部分組成，動力貓道工作時坡道上下兩段采用耳板銷軸固定的連接方式，運輸時將連接銷軸拆卸，坡道下段可翻折至基座上方，滿足運輸需求。整體結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有鉆機坡道相似，采用型材焊接而成，其與地面基礎(chǔ)呈55°夾角。

坡道背面安裝有驅(qū)動運移臂上下運動的液壓絞車，通過安裝在坡道上的滑輪組成起升運移臂。為了保證作業(yè)安全，起升絞車設(shè)有護(hù)罩，且滑輪組的主軸與防墜落裝置拉桿相連，若鋼絲繩意外斷裂，滑輪組在彈簧作用下移動位置，帶動3個防墜翻板伸出卡住運移臂，以避免運移臂自由下落造成安全事故。

坡道兩側(cè)的V型板處分別設(shè)有一個甩鉆滑塊，通過油缸的伸縮，鋼絲繩帶動滑塊上下移動，配合滑移小車完成多根甩鉆功能。坡道底端設(shè)有高度調(diào)節(jié)裝置，在場地不平的工況下可對坡道位置進(jìn)行調(diào)整，保證動力貓道穩(wěn)定作業(yè)。在設(shè)備故障的情況下，坡道與現(xiàn)有鉆機的坡道功能相同，可提供人工操作方式。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 坡道結(jié)構(gòu)圖1.坡道前段 2.坡道滑輪組 3.甩鉆具裝置 4.坡道后段 5.防墜落裝置 6.液壓絞車 7.高度調(diào)節(jié)裝置

3 現(xiàn)場測試與結(jié)論

2021年12月，DM13.7/4.5分段式動力貓道結(jié)構(gòu)運輸至試驗井場開展了功能動作試驗、 載荷試驗、效率試驗及安全性試驗等，如圖7所示。驗收標(biāo)準(zhǔn)為分段式結(jié)構(gòu)連接穩(wěn)定，運移臂伸縮段運動平穩(wěn)快速、控制準(zhǔn)確到位、帶載舉升及輸送過程平穩(wěn)，效率高?，F(xiàn)場測試已完成不同規(guī)格鉆桿、鉆鋌、套管的輸送作業(yè)，輸送單根管柱最長為12 m，運移臂與坡道分段部分連接可靠穩(wěn)定，動力貓道提升時無機身晃動、結(jié)構(gòu)變形等現(xiàn)象，運移臂伸縮段可按設(shè)計時間快速平穩(wěn)伸縮。該動力貓道輸送管柱作業(yè)時間為120 s左右，可承載4.5 t鉆鋌及24寸套管輸送，運行平穩(wěn)，滿足設(shè)計需求。DM13.7/4.5分段式動力貓道有效降低了人工作業(yè)強度，提高了管柱輸送效率與作業(yè)安全性，有效改善鉆工作業(yè)環(huán)境，提升了鉆井作業(yè)的自動化、智能化水平。同時通過現(xiàn)場拆裝測試，DM13.7/4.5分段式動力貓道拆卸簡單，安裝方便，運移臂與坡道折疊翻轉(zhuǎn)后運輸長度僅為12.5 m，有效解決了動力貓道在川渝等特定地區(qū)運輸難的問題。

圖7 現(xiàn)場測試

4 結(jié) 論

針對目前配套大型鉆機動力貓道結(jié)構(gòu)普遍較長，川渝等特定地區(qū)運輸難的問題，通過創(chuàng)新研制DM13.7/4.5分段式動力貓道，在保證功能及效率的前提下解決運輸問題，滿足川渝山區(qū)等特定區(qū)域現(xiàn)場使用要求。經(jīng)現(xiàn)場測試得出以下結(jié)論。

(1) 本分段式動力貓道結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，整體運輸長度為12.5 m，相較于一體式13.7 m動力貓道運輸長度有效減少2～3 m，在滿足13.7 m動力貓道功能的基礎(chǔ)上同時滿足運輸需求，解決特定地區(qū)動力貓道運輸困難的問題。

(2) 分段式動力貓道安全可靠，運移臂配有安全擋銷，在輸送管柱的過程中安全擋銷彈出，防止管柱從高空掉落引發(fā)安全事故；坡道配有防墜落裝置，在起升鋼絲繩斷裂的情況下防墜落翻板彈出，運移臂卡在坡道上，可對下方工作人員產(chǎn)生有效保護(hù)。

(3) 現(xiàn)場試驗結(jié)果來看，分段式動力貓道運行平穩(wěn)，無明顯沖擊現(xiàn)象，不同工況下的實測數(shù)值符合理論設(shè)計值，滿足設(shè)計要求，后續(xù)會根據(jù)其實際表現(xiàn)進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化升級。