液壓驅動轉盤在海洋固定平臺模塊鉆機上的設計與應用

羅立臣　馬冬輝　孟慶元

（天津中海油工程設計有限公司 天津300452）

液壓驅動轉盤在海洋固定平臺模塊鉆機上的設計與應用

羅立臣馬冬輝孟慶元

（天津中海油工程設計有限公司 天津300452）

海洋固定平臺模塊鉆機空間狹小、布局緊湊、要求設備具有尺寸小、質輕、集成度高、運行安全可靠等特點，而傳統電機驅動轉盤的驅動方式存在傳動鏈長、傳動部件多、傳動裝置復雜、結構尺寸龐大等問題，在模塊鉆機尺寸有特殊要求的情況下安裝難度大、使用和維修不便，影響總體布局和結構形式的設計。針對上述情況，通過液壓驅動轉盤與電驅動轉盤進行對比，總結出液壓驅動轉盤小巧輕便、易于建造安裝、能夠優化鉆臺結構、操作維護費用低、安全可靠等特點，可為空間有特殊要求的海洋固定平臺模塊鉆機提供一定的參考。

模塊鉆機；液壓驅動轉盤；電機驅動轉盤；設計與應用

引 言

轉盤是鉆機中實現動力傳動及分配、改變動力傳遞方向、旋轉和懸掛鉆具的重要設備。海洋固定平臺模塊鉆機選用的轉盤驅動通常為目前技術相對成熟的電機驅動，然而電機驅動具有傳動鏈較長、傳動部件多、傳動裝置復雜、結構尺寸大以及質量重等特點，具體布置時也存在一定限制。海洋固定平臺模塊鉆機由于空間狹小、布局緊湊，所以要求設備具有尺寸小、質量輕、集成度高、運行安全可靠等特點。然而電機驅動的轉盤尺寸經常導致設備不易安裝和操作維修，且導致主機過重，影響主機的移運性能，作業效率也較低，給現場應用帶來較大不便［1］。針對上述問題，國內外研究改進、開發創新了多種新型石油鉆機，涌現出許多新結構、新技術，液壓驅動轉盤就是其中之一［2］。液壓驅動因為尺寸小、質量輕、傳遞扭矩大、傳動鏈短、省去了電控設施等優點，在移動式平臺和鉆井船上的應用遠大于電機驅動轉盤，技術已經相當成熟，因此對于在海上固定平臺模塊鉆機上推廣液壓驅動轉盤具有重要意義。

1　液壓驅動轉盤的設計

1.1液壓驅動轉盤的構成

液壓轉盤采用液壓傳動的方式進行驅動，省去復雜的機械傳動鏈［3］。以ZP375轉盤為例，液壓驅動轉盤結構組成如圖1所示。

圖1　液壓驅動轉盤結構

ZP375轉盤為7 000 m模塊鉆機的標準配置轉盤，主要參數如下：

通孔直徑： 952.2 mm （37.5 in）

最大靜載荷： 5 850 kN

最大工作扭矩： 32 kN·m

最高轉速： 300 r/min

齒輪傳動比： 3.56

1.2液壓驅動轉盤的原理

液壓系統原理如圖2所示。

圖2　液壓系統原理圖

液壓驅動轉盤的閉式液壓系統由主液壓回路、冷卻回路、過濾回路、補油回路、控制回路、制動回路組成。主液壓回路由雙向變量柱塞泵、柱塞馬達組成［4］。系統主泵的變量由斜盤控制，液壓轉盤馬達經行星減速器（減速比i=8.7）后給轉盤提供旋轉動力，主泵高壓出口處設有雙向溢流閥，用于液壓油泵與液壓馬達的過載保護；系統產生的部分熱油經沖洗閥、冷卻器返回油箱，采用2-6齒輪泵作為補油泵，2-1為低壓溢流閥，控制補油壓力；粗過濾器設在補油泵的吸油管路上，精過濾器設在散熱回路的排油管上?？刂苹芈罚簭闹鞴苈啡毫π盘?，經過減壓閥直接伺服油缸，改變斜盤擺角，多余油液經梭閥 、溢流閥回油箱。制動回路：通過先導閥手柄回到中位，封鎖變量泵的進出油口，使液壓馬達實現靜液壓制動（低扭矩制動），轉盤高扭矩（反扭矩）釋放時，通過調節高壓溢流閥，使柱塞馬達變成油泵工況，通過溢流閥令馬達緩釋鉆桿產生反扭矩［5］。

2　電機驅動轉盤與液壓驅動轉盤的應用對比

以陸豐7-2模塊鉆機為例，比較液壓驅動轉盤與電機驅動轉盤。

2.1項目介紹

陸豐7-2模塊鉆機是7 000 m交流變頻驅動模塊鉆機，上部組塊與模塊鉆機整體采用低位浮拖法安裝在導管架上，低位浮拖對整體設施的質量質心要求非常嚴格，本項目要求模塊鉆機質量不能超過2 100 t，所以，最大限度壓縮模塊鉆機內部空間，優化總圖布局，設備輕型化，為結構減重等成了設計的重中之重。在已配置1臺高性能頂驅的情況下，使用轉盤鉆井的可能性非常小，轉盤承擔的任務更多是懸掛鉆具、夾持鉆具、配合鉆具上卸扣、應急工況下活動鉆具等，所以不需要很高的轉速。在此種情況下，經過論證，確認使用ZP375型號液壓驅動轉盤代替傳統的電機驅動轉盤。

2.2質量對比

電機驅動轉盤主要包括：傳動軸、減速箱、電機（包括風機和鹽霧過濾器）、氣胎離合器等主要部件，見圖3。

圖3　電機驅動轉盤結構

在總體質量方面，液壓驅動轉盤重7 970 kg較電機驅動轉盤的17 555 kg質量約輕了10 t，極大地減輕了鉆機總體質量，降低了結構承載力要求。所以液壓驅動轉盤更具適用性。

2.3尺寸對比

液壓驅動轉盤與電驅動轉盤的尺寸對比如表1所示。

表1　尺寸對比表

轉盤的安裝尺寸主要受限于鉆臺面井架下方支撐梁的影響，70/450模塊鉆機標準配置的井架底部開檔為9 144 mm×9 144 mm，轉盤中心和井架大腿中心重合，所以鉆臺中心到井架大腿中心之間的距離只有4 572 mm，梁的面板邊緣距離轉盤中心尺寸為4 347 mm。電機驅動轉盤安裝圖見下頁圖4，液壓驅動轉盤安裝圖見下頁圖5。

圖4　電機驅動轉盤安裝圖

圖5　液壓驅動轉盤安裝圖

由圖3可知電機驅動轉盤裝置安裝所需的最小尺寸約為4 364 mm，此距離未包括安裝所需的安全距離。這就導致轉盤電機會跟井架大腿支撐梁出現干涉（圖中陰影部分），轉盤電機安裝非常困難，尤其是電機尾部的轉盤編碼器安裝難度非常大，給建造帶來很大麻煩。在其他項目中發生過為了轉盤的安裝而對井架底部大梁面板切割的情況，嚴重影響了梁的整體性和強度，為高載荷、高頻率、高振動的鉆井作業帶來一定風險。

液壓驅動轉盤裝置安裝所需的最小尺寸約為2 050 mm，由于長度方面比電機驅動馬達短約2 300 mm，所以很好地解決了轉盤安裝時的碰撞問題，降低了建造安裝難度。

2.4安全性對比

轉盤下方為與防噴器連接的喇叭口，為泥漿敞開區，泥漿中可能攜帶有毒有害、易燃易爆的氣體，根據API RP 505《1級0區、1區和2區石油設施電氣安裝區域劃分的推薦做法》，將其劃分為一級一類危險區。所以要求電機采用防爆電機。因為此區域為危險區，轉盤冷卻風機無法就地取風，需要外接引風管將進風口引到安全區域，風管安裝鹽霧過濾器（圖6中紅色方框內），延緩海水濕度大和鹽分重對電機的腐蝕，鹽霧過濾器和風管的安裝困難，在本來有限的空間內，占用維修通道，影響風管附近泥漿槽的清理和閥門的維修。從圖6冷卻風機風管和鹽霧過濾器的安裝可以看出，該區域空間非常狹小，不便于操作。

圖6　冷卻風機風管和鹽霧過濾器的安裝

此外，鉆臺上鉆井作業時轉盤區非常臟，尤其下鉆作業時，泥漿從鉆桿流出漫延到整個轉盤區域，泥漿和沖洗泥漿的水滴濺到轉盤電機上，要求電機防護等級較高。然而防護等級過高，影響電機散熱，所以轉盤電機區域的工作環境非常惡劣，影響電機的使用壽命。如果設備使用不當，還會造成安全事故。

由于液壓驅動轉盤不存在用電設備，無需采用防爆設備，設備使用的液壓油在液壓站處冷卻，所以不需要單獨的冷卻設備，很好地解決了電機驅動轉盤工作環境惡劣、散熱差、冷卻風機鹽霧過濾器和風道安裝困難的難題，節約鉆機內部空間，非常適合在相對狹小的空間使用，安全性和可靠性大大提高。

2.5所需公用資源對比

所需公共資源對比如表2所示。

表2　公用資源對比表

可見，液壓驅動轉盤所需公用資源少，減少了設備接口和維修點。

3　結 論

液壓轉盤采用液壓驅動，具備大扭矩功能，在使設備瘦身的同時，優化功能配置；并且，由于功率大幅減小，成本也隨之大幅降低，從而提高鉆機整機的性價比。

液壓傳動具備良好的變負載自適應能力，即在負載增大時自動減小轉速，輸出適應負載的大扭矩；反之，在負載減小時自動增大轉速，輸出適應負載的小扭矩，在整個負載變化過程中始終保持高效率工作。這一優勢使其非常適用于處理鉆井時的異常負載和進行事故處理。盡管目前海洋模塊鉆機轉盤常采用電驅動方式，液壓驅動轉盤使用頻率較低，但液壓轉盤在滿足海洋鉆井工藝要求的條件下，相比機械驅動和電驅動轉盤突顯尺寸小、結構簡單、安全性能高等優勢越來越受重視，液壓轉盤將會成為驅動轉盤的發展方向，值得不斷進行深入研究。

目前恩平23-1模塊鉆機（7 000 m模塊鉆機）和恩平18-1模塊鉆機（4 000 m模塊鉆機）正在進行設計工作，恩平18-1模塊鉆機的井架大腿跨度是9 000 mm×6 000 mm，其尺寸小于之前的陸豐7-2鉆井模塊的井架尺寸，整體結構更加緊湊，對轉盤的結構尺寸要求更高。有了陸豐7-2模塊鉆機的使用先例和以上對比分析，計劃在恩平23-1模塊鉆機和18-1模塊鉆機上使用液壓驅動轉盤。隨著液壓驅動轉盤在固定平臺模塊鉆機上使用日益增多，液壓驅動轉盤也勢必在固定平臺模塊鉆機上得到大力推廣和應用。

［1］ 應保連，余利軍，楊森．轉盤的液壓驅動設計［J］．石油機械，2004（3）：54-55.

［2］ 王學義，黃悅華，賴笑輝.海洋鉆井用旋轉支撐轉盤液壓傳動設計［J］.石油礦場機械，2011（5）：53-56.

［3］ 張仁杰，沃風林，李學文.小修井液壓轉盤的研制與應用［J］.石油機械，2009（9）：71-73.

［4］ 雷天覺.新編液壓工程手冊［M］.北京：北京理工大學出版社，1998：503-533.

［5］ 劉凱.液壓驅動轉盤的設計與性能分析［J］.煤炭技術，2006（6）：28-29.

Design and application of hydraulic drive rotary table of modular drilling rig on offshore fixed platform

LUO Li-chen MA Dong-hui MENG Qing-yuan
(CNOOC Tianjin Engineering Design Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

Owing to small space and compact layout, the modular drilling rig on the offshore fixed platform has to meet the requirement of small scale, light weight, high integration, operational safety and reliability. However, there are several problems for the traditional motor-driven pattern, such as long transmission chain, many transmission parts, complex transmission devices, large structural dimensions and heave weight, etc. As a result, it is difficult to be installed and is inconvenient for usage and repair under special requirements, which affects the design of overall layout and structural configuration. In view of the above situation, it compares the hydraulic drive rotary table with the electrical drive rotary table. It is concluded that the hydraulic drive rotary table can be characterized of small footprint, light weight, easy installation and construction, capability of structural optimization, low cost of operational maintenance, and great safety and reliability. It can provide certain reference for the modular drilling rig with the special space requirements on the offshore fixed platform.

modular drilling rigs; hydraulic drive rotary table; electrical driven rotary table; design and application

U674.38

A

1001-9855（2015）02-0074-05

2014-09-10；

2014-10-08

羅立臣（1980-），男，工程師，研究方向：海洋石油工程設計。馬冬輝（1984-），男，工程師，研究方向：海洋石油工程設計。孟慶元（1987-），男，碩士，助理工程師，研究方向：海洋石油工程設計。