海洋鉆井平臺關節式抓管機夾持器設計

戴克文，李曉光，張曉軍，任偉，王嘉波，朱興

（遼寧陸海石油裝備研究院有限公司，遼寧 盤錦 124010）

海洋鉆井平臺關節式抓管機夾持器設計

戴克文，李曉光，張曉軍，任偉，王嘉波，朱興

（遼寧陸海石油裝備研究院有限公司，遼寧 盤錦 124010）

關節式抓管機是海洋鉆井平臺的重要組成部分，主要用于將懸臂梁堆場上的鉆井管具抓取到自動化貓道上。夾持器是關節式抓管機的核心部件，主要負責鉆具的抓取工作。主要介紹了夾持器的機械結構組成、主要技術參數、液壓系統和電氣系統。該夾持器采用電控液的控制方式，具有夾持力大、控制精準、運行穩定等優點。

鉆井平臺；關節式抓管機；夾持器；液壓系統

自動化鉆井是目前海洋鉆井技術的主要發展方向，鉆具移運排放系統是鉆井自動化的重要組成部分。海洋鉆井平臺鉆具移運排放系統可以實現在鉆機鉆進的同時，完成立根的連接，立根的移動和準備工作，在起下鉆時實現二層臺立根的自動排放。遼寧陸海石油裝備研究院有限公司從2014年開始對該系統進行技術攻關，于2016年研制成功，并完成了聯合調試，成功應用于TZ400自升式海洋鉆井平臺。這標志著我國鉆具移運排放系統實現了國產化，打破了國外多年在此領域的壟斷地位。

1 關節式抓管機夾持器技術研究

在海洋鉆井作業中，夾持器的主要作用是完成單根的抓取，在下鉆前，通過關節式抓管機將單根由堆場抓至自動貓道機，在起鉆后，通過關節式抓管機將單根由自動貓道機抓至堆場。夾持器所有動作完全采用液壓驅動，體積小、效率高。可實現一次抓取多根不同直徑的管具，替代以往需要更換不同直徑吊具的難點，節省操作時間，提高效率。全部采用液壓遠程操控，改善了操作人員的工作環境，減輕了操作人員的勞動強度。

1.1 夾持器的技術參數

抓管載荷：3.5噸

吊爪回轉角度：±180°

適用管具直徑長度：3.5m～14m

抓管尺寸（同時夾持）：

2-7/8” ——6根，5-1/2” ——3根，6-5/8”——3根，8”——1根，9-1/2”——1根，13-3/8”——1根，20”——1根。

1.2 夾持器的機械結構設計

夾持器主要由稱重傳感器、連接件、連接套、旋轉部件、橫梁連接件、平衡液缸、吊爪焊接件、限位機構、活動吊爪等部件組成，見圖1。

圖1 夾持器機械結構

連接件通過稱重傳感器與關節臂連接，是夾持器與關節臂的過渡部件，稱重傳感器同時可以作為連接軸，承受著整個夾持器和所夾持管具的重量，并實時顯示其重量，在過載時向中控發出報警信號。連接套上方通過軸與連接件連接，該軸方向與稱重傳感器的方向垂直，以確保夾持器可在兩個方向活動；連接套下方通過銷軸與旋轉部件連接，旋轉部件的軸孔為長條孔，當鉗爪落地失去載荷后，連接套會通過長條孔提供一段緩沖距離，確保各個連接銷或機械部件不會受到沖擊造成損壞。回轉部件靠液壓馬達、減速機通過齒輪驅動回轉軸承來旋轉，同時配有編碼器，編碼器會將實時旋轉角度反饋給中控系統。橫梁連接件上方通過銷軸與旋轉部件連接，下方通過溝槽卡住吊爪焊接件的軌道，可通過平衡液缸驅動，在吊爪焊接件上來回滑動。當夾持器未夾持在鉆具重心時，會導致夾持器傾斜，這時可通過平衡液缸的動作，使得夾持器處于水平狀態，確保抓管的穩定性。吊爪焊接件和活動吊爪是抓管的執行機構，吊爪焊接件上焊有固定的吊爪，通過活動吊爪的運動來實現管具的夾持和松開，活動吊爪由液缸驅動，具有運行穩定、夾持力大等優勢。在吊爪將管具抓起后，管具上方會有間隙，這時限位機構開始工作，限位機構通過自身的液缸驅動限位壓板，將管具壓緊，達到了管具夾持的目的。夾持器抓管見圖2。

圖2 夾持器抓管圖

1.3 夾持器的液壓系統設計

夾持器抓取管具時，液壓系統執行機構動作順序依次為液壓馬達、夾緊液缸、限位液缸、平衡液缸，各動作通過多路閥的換向來實現，該系統供油、回油通過快插接頭與油源連接，拆裝方便。夾緊缸負責驅動活動吊爪抓取管具，在無桿腔設有平衡閥，確保活吊爪抓取管具后不會自己打開。此外，夾緊缸管路中還設有電磁換向閥，在不給電的情況下，夾緊缸不會動作，確保抓管的安全性。限位液缸負責驅動限位機構，限位液缸同樣設有平衡閥，確保在無操作的情況下，限位機構不會受外界的干擾而動作，同時壓緊壓力達到平衡閥設定壓力，系統自動液壓，以確保管具既能被壓緊又不會被損傷。在夾緊液缸和限位液缸的管路或閥塊中均設有測壓接頭和壓力繼電器，以保護管路的安全性，并能在需要時檢測系統壓力。系統在液壓馬達、平衡液缸的管路中也都設有平衡閥，確保系統的安全可靠性。多路閥為多個比例控制閥集成體，可通過開口量控制系統動作速度。夾持器液壓原理見圖3。

1.4 夾持器的電氣系統設計

系統主要采用電液比例控制形式，即主要動作都由電液比例閥控制，各個執行機構比例閥、控制閥均集成為多路閥。編碼器可將信號傳遞給PLC，PLC經過運算后發出控制指令，所有操作均集中在控制室內。控制室內設有操作手柄和觸摸屏，系統將各個動作集成在控制手柄上，觸摸屏可實時顯示夾持器工作狀態，如系統在運行過程中出現偏差，可通過觸摸屏隨時進行修正。

圖3 夾持器液壓原理圖

2 技術特點及優勢

（1）該夾持器結構緊湊、占地面積小，采用輕量化設計，在拆裝、運輸上都非常便捷。

（2）該夾持器一次最多可抓取6根管具，大大的提高了作業效率。

（3）該夾持器動作全部由液壓驅動，具有運行穩定、安全可靠等優勢。

（4）該系統采用電液比例控制，由控制室內的操作手柄執行，操作便捷、控制精準、自動化程度高，大大的提高了系統的工作效率，改善了操作人員的工作環境。

3 結語

目前，遼寧陸海研究院有限公司已完成了該項目的研發、制造、調試等工作。通過現場試驗表明，該關節式抓管機夾持器能夠很好的實現管具的抓取工作，回轉機構、吊爪機構、限位機構、平衡液缸等執行機構配合良好，達到了設計和使用要求，并成功應用于TZ400自升式海洋鉆井平臺，得到了專家和用戶的一致認可。管具抓取試驗見圖4。

圖4 夾持器管具抓取試驗

[1]崔學政，張富強，肖文生等.海洋鉆井平臺折臂起重機設計[J].石油礦場機械, 2009, 38 (11) : 28–31 .

[2]劉文慶，崔學政，張富強.鉆桿自動排放系統的發展和典型結構[J].石油礦場機械，2007,36（11）：74-77.

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1671-0711（2017）12（上）-0112-02