海洋鉆井用旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤液壓傳動設(shè)計(jì)

王學(xué)義,黃悅?cè)A,賴笑輝

(寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西寶雞721002) *

海洋鉆井用旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤液壓傳動設(shè)計(jì)

王學(xué)義,黃悅?cè)A,賴笑輝

(寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西寶雞721002)*

機(jī)械驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤存在傳動鏈長、部件多、整機(jī)質(zhì)量大、在鉆井平臺布置困難等問題。設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤,低速大扭矩液壓馬達(dá)安裝在常規(guī)轉(zhuǎn)盤輸入軸端,采用先進(jìn)的閉式液壓控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程電液比例控制方案。在海洋鉆井平臺的應(yīng)用表明,該轉(zhuǎn)盤體積小,質(zhì)量輕,拆裝布置方便,便于實(shí)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(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤;液壓系統(tǒng);電液比例控制

由于海洋鉆井大功率頂驅(qū)的使用,已不需要轉(zhuǎn)盤按鉆井工況設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速,在下入隔水管、懸持鉆具、活動鉆具時,要求轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速。另外,常規(guī)機(jī)械驅(qū)動轉(zhuǎn)盤和電驅(qū)動轉(zhuǎn)盤傳動鏈長、部件多、整機(jī)質(zhì)量大,在海洋鉆井平臺布置比較困難,而液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤能滿足上述要求。目前,德國WIRTH公司有RTSS605-H型液壓驅(qū)動旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤,美國NOV公司也有類似的液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤,但是結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜,液壓系統(tǒng)及控制形式很不相同。國內(nèi)某修井機(jī)制造商也設(shè)計(jì)了高速馬達(dá)和減速器安裝在常規(guī)轉(zhuǎn)盤輸入軸端的液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)盤,主要用于修井作業(yè)[1]。筆者基于常規(guī)石油鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤,開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤(hydraulic rotary-support table)用于海洋鉆井平臺。

1 液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤基本結(jié)構(gòu)

功率較小、通孔直徑為?952.5 mm的轉(zhuǎn)盤(稱為ZP375型轉(zhuǎn)盤)采用液壓驅(qū)動,最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)如圖1。CA70型徑向柱塞馬達(dá)[2]安裝在 ZP375型轉(zhuǎn)盤的輸入軸端,反扭矩由扭力臂和支撐板傳遞,由轉(zhuǎn)盤箱體承受。徑向柱塞馬達(dá)和轉(zhuǎn)盤的連接方式是把馬達(dá)所帶的鎖緊盤安裝在馬達(dá)安裝套的外壁,整體移動馬達(dá)使轉(zhuǎn)盤的輸入軸插入馬達(dá)的安裝孔內(nèi),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(dá)安裝套變形,使馬達(dá)牢固地安裝在轉(zhuǎn)盤的輸入軸上。

圖1 海洋鉆井用液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)

2 主要技術(shù)參數(shù)

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速 5 r/min

齒輪傳動比 3.62

最高工作轉(zhuǎn)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(dá)型號 CA70

液壓馬達(dá)的沖洗流量 15 L/min

電機(jī)功率 42.6 kW

電機(jī)轉(zhuǎn)速 1 780 r/min

3 液壓傳動原理及特點(diǎn)[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(shí)現(xiàn)了對液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)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(jì)手柄控制。主控制器讀取速度電位計(jì)手柄信號并對其進(jìn)行處理,輸出2路PWM信號分別控制電控變量液壓泵的先導(dǎo)比例電磁閥,通過線性電壓或電流信號的輸出控制先導(dǎo)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(shí)現(xiàn)排量的變化,改變液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。將電位計(jì)手柄搬到不同的位置,控制液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止和無級變速。通過添加啟動/停止斜坡,實(shí)現(xiàn)動作平緩無沖擊。這樣,控制液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤速度正、反方向比例變化并能在某位鎖定,在中位時轉(zhuǎn)盤停止并制動。

操作扭矩電位計(jì)控制手輪控制液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤扭矩。主控制器讀取扭矩電位計(jì)控制手輪信號并對其進(jìn)行處理,輸出1路PWM信號控制橋式調(diào)壓總成的比例電磁溢流閥,改變比例電磁溢閥的調(diào)定壓力,從而實(shí)現(xiàn)液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤扭矩范圍的調(diào)整。旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)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(jī)的功率,對主液壓泵設(shè)置了恒功率輸出特性,這樣,當(dāng)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(dá)的轉(zhuǎn)速減小,即液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速降低,扭矩增大。

3.2 冷卻及補(bǔ)油回路

徑向柱塞馬達(dá)驅(qū)動常規(guī)轉(zhuǎn)盤時常產(chǎn)生大量的熱,高溫將降低油液的粘度,從而導(dǎo)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(dá)的最大功率。因此,系統(tǒng)配備外沖洗泵對馬達(dá)殼體進(jìn)行冷卻,外冷卻油經(jīng)馬達(dá)殼體、冷卻器返回油箱。液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的熱油經(jīng)內(nèi)沖洗閥將熱油置換出去,由冷卻器降溫后返回油箱。為了補(bǔ)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(bǔ)油泵。補(bǔ)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(bǔ)充冷卻油液。低壓溢流閥用于控制補(bǔ)油壓力。

3.3 過載保護(hù)及制動回路[4]

在停機(jī)過程中,為了保護(hù)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(hù)液壓馬達(dá),在液壓馬達(dá)進(jìn)出口處有1個雙向溢流閥。根據(jù)閉式回路的特點(diǎn),操作速度電位計(jì)手柄回到中位、使液壓泵的斜盤傾角為零,封閉進(jìn)出通路,從而液壓泵的進(jìn)出口流量為零,液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為零,液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤停止運(yùn)轉(zhuǎn)。同時,由于在液壓馬達(dá)進(jìn)出口處有1個調(diào)定壓力遠(yuǎn)高于系統(tǒng)壓力的雙向溢流閥,液壓馬達(dá)無法轉(zhuǎn)動,也能實(shí)現(xiàn)液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤的制動。此屬于系統(tǒng)制動,也叫內(nèi)制動。

3.4 扭矩調(diào)節(jié)及反扭矩釋放回路

當(dāng)液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤需要設(shè)定扭矩時,操作扭矩電位計(jì)控制手輪調(diào)節(jié)橋式調(diào)壓總成的比例電磁溢流閥,改變比例電磁溢閥的調(diào)定壓力即可。由于液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤驅(qū)動鉆桿,鉆桿的彈性扭轉(zhuǎn),積聚大量的扭轉(zhuǎn)勢能。這樣,當(dāng)液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤停止運(yùn)轉(zhuǎn)時,幾千米長鉆桿具有非常巨大的扭轉(zhuǎn)勢能迫使液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤倒轉(zhuǎn);需要釋放鉆桿反扭矩時,必需慢慢調(diào)低橋式調(diào)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(dá)緩慢釋放鉆桿產(chǎn)生的反扭矩,使鉆桿的彈性扭轉(zhuǎn)勢能轉(zhuǎn)化為熱量,防止發(fā)生鉆桿脫扣事故。

圖2 液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤液壓系統(tǒng)原理

4 結(jié)論

1) 通孔直徑為?952.5 mm的液壓旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤已在海洋鉆井平臺上應(yīng)用,具有部件少、外形尺寸小、整機(jī)質(zhì)量輕、安裝布置方便等特點(diǎn)。

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

3) 采用電液比例控制元件,便于實(shí)現(xiàn)精確和智能控制,整體經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)盤,構(gòu)成海洋鉆井用旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤。

[1] 應(yīng)保連,余利軍.液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)盤[J].機(jī)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(xué)出版社,1998.

[3] 林建亞,何存興.液壓元件[M].北京:機(jī)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(jī)傳動及控制[J].石油礦場機(jī)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(xué)義(1964-),男,陜西寶雞人,工程師,1987年畢業(yè)于長沙鐵道學(xué)院起重運(yùn)輸與工程機(jī)械專業(yè),主要從事石油機(jī)械設(shè)計(jì)與研究工作,E-mail:xyw343@163.com。