鉆桿自動排放轉運和移運系統分析及結構設計

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。其特點是具有危險性，是一個重復性高而勞動強度大的過程，需花費大量時間，多人合作共同完成。在海上鉆井作業中常遇風浪，工作環境惡劣，安全性更為突出；同時，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］。

海洋鉆井平臺上的鉆桿從井架排放到鉆桿架上需要經過鉆桿的轉運和移運2個過程。本文針對鉆桿自動轉運系統和鉆桿自動移運系統進行結構設計分析。

1 技術分析

本設計主要參數：鉆井深度7 000m，鉆桿直徑127mm（5英寸），壁厚12.7mm （0.5英寸），長12 m，質量35.79kg／m；鉆桿接頭外徑147mm，鉆桿組合長度457.2mm，質量32.62kg／m。在海洋上鉆井為了節省鉆桿的安裝時間，通常將3根鉆桿用鉆桿接頭組合成立根，單根立根質量1 350kg、總長37.37m。

1.1 自動轉運系統

鉆桿自動轉運系統主要是實現鉆桿從井架上的垂直位置轉動到水平位置。在這個過程中需要一個能夠從垂直位置轉動到水平位置的轉運臂，采用液壓缸推動轉運臂轉動實現從垂直位置轉動到水平位置的過程。在鉆桿從井架上的垂直位置轉換到水平位置的過程中還需要機械手抓緊機構抓緊鉆桿，防止鉆桿從轉運臂上滑落［3－5］。

1.2 自動移運系統

鉆桿自動移運系統主要是實現鉆桿從轉運臂上轉運到鉆桿架上。在這個過程中，需要一個能夠從轉運臂上抓住鉆桿并且移動到鉆桿架上的移動系統，該移動系統由水平移動的小車、抓住鉆桿起升降落的機械手、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機械手運動，實現鉆桿的起升和下降過程［3－5］。考慮到鉆桿的水平移動平穩性和精確定位，以液壓馬達為小車的驅動機構。

2 鉆桿自動轉運系統結構設計

鉆桿自動轉運系統由轉運臂、伸縮臂、機械手總成和底座4部分組成，其基本結構如圖1所示。

圖1 鉆桿自動轉運系統結構

2.1 轉運臂

轉運臂的作用是實現鉆桿從井架上的垂直位置轉動到水平位置，是短伸縮臂、長伸縮臂、機械手總成、轉運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，因此轉運臂總體采用等邊角鋼桁架結構，即節約了大梁的鋼材，而且總體質量輕，結構穩定性也較好，經濟上也比較合理。

轉運臂由轉耳、轉耳連接鋼板、大梁角鋼、支撐角鋼、輔助支撐角鋼和連接鋼板組成，基本結構如圖2所示。

圖2 轉運臂結構

轉耳連接鋼板的功能是連接轉耳與轉運臂的大梁角鋼，使轉運臂能夠從垂直位置轉動到水平位置；大梁角鋼的功能是為轉運臂支撐短伸縮臂、長伸縮臂、機械手總成、轉運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、長伸縮臂、機械手總成、轉運液壓缸和伸縮臂伸縮液壓缸等部件連接在轉運臂上。

2.2 長伸縮臂

長伸縮臂是實現機械手抓住的鉆桿從井架上收縮到轉運臂上和鉆桿從轉運臂上伸長到井架上2個過程，在長伸縮臂上安裝有伸縮液壓缸。由于海洋鉆井平臺上的井架底座長8m、寬8m，這就要求伸縮臂至少能夠伸長4m，使鉆桿能夠到達井口的位置。考慮到鉆桿自動轉運系統距井架底座保持一定的距離，經過計算長伸縮臂的尺寸和形狀如圖3所示。

圖3 長伸縮臂尺寸和形狀

2.3 短伸縮臂

短伸縮臂是實現機械手抓住的鉆桿從井架上收縮到轉運臂上和鉆桿從轉運臂上伸長到井架上2個過程的輔助伸縮臂。經過計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 轉運機械手總成

機械手總成的作用是在鉆桿從井架上的垂直位置轉動到水平位置的整個過程中緊緊抓住鉆桿，使其不能從轉運臂上滑脫。機械手總成主要由機械手指、抓緊液壓缸和連桿3大部分構成，基本結構如圖5所示。

圖5 轉運機械手結構

3 鉆桿自動移運系統結構設計

鉆桿自動移運系統由移動小車、大梁、機械手總成、起升液壓缸和鉆桿架5部分組成，基本結構如圖6所示。

圖6 鉆桿自動移運系統結構

3.1 移動小車

移動小車的作用是提供水平方向的靈活穩定移動，是鉆桿自動移運系統中的一個重要部件，由馬達、傳動齒輪、轉動軸、車輪和車體組成。考慮到移動的平穩性和精確性，采用液壓馬達帶動車輪轉動，從而實現整體的移動，基本結構如圖7所示。

圖7 移動小車結構

3.2 大梁

大梁的作用是連接移動小車，并為起升液壓缸提供安裝位置［6］，是3個起升液壓缸的支撐部件。支撐角鋼焊接在移動小車上，帶動起升液壓缸和鉆桿與移動小車一起運動。大梁采用等邊角鋼桁架結構，可以提高起升液壓缸的穩定性和精確性。基本結構如圖8所示。

圖8 大梁結構

3.3 移運機械手總成

機械手總成的作用是鉆桿從轉送臂上移動到鉆桿排放架上的整個過程中緊緊抓住鉆桿，使其不能從轉運臂上滑落。主要由機械手指、抓緊液壓缸和連桿3大部分構成，基本結構如圖9所示。

圖9 移運機械手結構

3.4 鉆桿排放架

鉆桿排放架的作用是為鉆桿存放和移動系統的精確排放提供一個架體，其基本結構如圖10所示。

圖10 鉆桿排放架結構

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上；支撐角鋼的功能是支撐大梁角鋼，防止其發生彎曲和扭曲變形。

4 結論

1） 分析了海上鉆井過程中鉆桿自動轉運和移動系統的工作原理，并進行了結構設計。

2） 考慮系統的穩定性能，在鉆桿轉運和移運過程中都采用了液壓系統，以實現較高的穩定性和精確性。

3） 該系統在各種工況下始終保持良好狀態，磨損小。

4） 具有結構簡單、拆裝維修方便的特點。

［1］李繼志，陳榮振.石油鉆采機械概論［M］.東營：中國石油大學出版社，2000.

［2］何 鴻.鉆井平臺鉆桿自動化排放系統方案設計［J］.石油礦場機械，2012，41（9）：82－84.

［3］朱云祖.自動化鉆井技術譯文集［M］.北京：石油工業出版社，1993.

［4］石美玉，楊國家，李富平，等.海洋鉆機鉆桿自動排放系統控制方案設計［J］.石油礦場機械，2011，40（12）：41－44.

［5］李富平，楊國家，石美玉，等.海洋鉆機鉆桿自動排放驅動裝置方案設計［J］.石油礦場機械，2011，40 （12）：48－50.

［6］劉延俊，王守城，楊前明，等.液壓與氣壓傳動［M］.北京：機械工業出版社，2006.