系列頂驅(qū)通用試驗裝置設計

李淑芳， 衛(wèi)才俊， 王秉武， 李晨， 任克忍

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞 721002）

0 引言

鉆機頂部驅(qū)動裝置（以下簡稱頂驅(qū)）作為鉆機的關鍵配套設備之一，是集機、電、液和智能化控制于一體的技術密集型產(chǎn)品，屬于當今石油鉆井中的前沿技術與裝備，其主要功能是驅(qū)動鉆柱旋轉、旋緊或松開鉆柱接頭、沿導軌上下移動完成鉆井作業(yè)[1－3]。近年來寶雞石油機械有限責任公司研制的頂驅(qū)產(chǎn)品規(guī)格由鉆機名義井深3000～9000 m實現(xiàn)全覆蓋，產(chǎn)品結構形式包括傳統(tǒng)的機械傳動式頂驅(qū)、可靠性更高的變頻電動機直驅(qū)頂驅(qū)等，產(chǎn)品已形成系列化。

頂驅(qū)的負載特性、輸出功率及轉矩特性等直接決定其基本功能的實現(xiàn)及可靠性，為了完成對出廠前頂驅(qū)進行相關性能的試驗，筆者針對系列頂驅(qū)的結構特點，設計了功能齊全、經(jīng)濟實用的通用性試驗裝置，用于完成系列頂驅(qū)的各項試驗驗證，確保其使用的安全性和可靠性。

1 試驗要求及試驗裝置需求分析

GB/T 31049－2014《石油鉆機頂部驅(qū)動鉆井裝置》中明確規(guī)定了頂驅(qū)的試驗項目包括：拉伸載荷試驗、動力水龍頭試驗、剎車試驗、管子處理裝置試驗、主通道密封試驗、液壓系統(tǒng)試驗和電控系統(tǒng)試驗。其中動力水龍頭試驗包含了空負荷運轉試驗、轉矩加載運轉試驗、松緊扣試驗和堵轉試驗。管子處理裝置試驗包含了旋轉頭旋轉試驗、傾斜機構空載及浮動試驗、內(nèi)防噴器控制試驗。

根據(jù)上述試驗要求，考慮到系列頂驅(qū)試驗的通用性，經(jīng)過總結和梳理，將試驗內(nèi)容總結為動力水龍頭的載荷試驗、運轉轉矩加載試驗、頂驅(qū)裝置整體的動作性能試驗及靜水壓試驗等4大類，如表1所示。

表1 頂驅(qū)試驗要求及試驗裝置需求

2 載荷試驗裝置設計

載荷試驗裝置采用臥式加載方式，以2000T拉力機為主體，配套載荷試驗連接件組成。

2.1 2000T拉力機

該拉力機主要由框梁總成、2000T液壓缸系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，配套不同的連接件后即能夠滿足額定載荷1350～9000 kN頂驅(qū)的載荷試驗要求。其具體結構如圖1所示。

圖1 2000T拉力機結構示意圖

2.2 載荷試驗連接件

以勘察船鉆機配套的DQ40頂驅(qū)為例，進行吊環(huán)通道載荷試驗（試驗載荷4500 kN）時，產(chǎn)品吊環(huán)端通過工裝吊環(huán)、工裝吊卡與提升設備靜載試驗裝置的液壓缸活塞桿相連；產(chǎn)品提環(huán)端通過特制的工裝連接板與靜載裝置的雙耳座相連，銷軸固定，如圖2所示。

圖2 DQ40頂驅(qū)吊環(huán)通道載荷試驗組裝示意圖

3 動作性能試驗裝置設計

頂驅(qū)整體動作性能試驗旨在驗證設備功能及安全性。動作性能試驗裝置主要由立于地坑中的工裝井架、工裝液壓站和針對不同頂驅(qū)結構設計的連接工裝組成，如圖3所示。

利用提環(huán)將整個頂驅(qū)置于工裝橫梁上，支撐架對產(chǎn)品進行支撐定位后進行試驗。4 m深的凸”型“地坑的設計使得在廠房內(nèi)有足夠空間實現(xiàn)各類型頂驅(qū)的動作性能試驗要求。

圖3 動作性能試驗裝置示意圖

試驗裝置主要技術參數(shù)如下：試驗井架高度9600 mm、試驗井架最大載荷9000 kN、井架最大開檔尺寸3000 mm、液壓站最大流量400 L/min、主電動機功率55 kW×3、回油過濾器過濾精度10 μm、地坑規(guī)格為6290 mm（長）×4420 mm（最寬處）×4000 mm（高）。

除了能夠滿足系列頂驅(qū)的動作性能試驗要求外，配套工裝將其功能擴展，完成了天車型鉆柱升沉補償試驗樣機的功能試驗（如圖4）。

圖4 動作試驗裝置的現(xiàn)場應用

4 運轉轉矩加載試驗裝置設計

轉矩運轉試驗是為了驗證頂驅(qū)動力水龍頭在最大連續(xù)輸出轉矩工況下的可靠性。試驗裝置要求能夠提供持續(xù)且穩(wěn)定的旋轉轉矩，能夠在動力水龍頭主軸上施加動態(tài)轉矩。

4.1 試驗臺原理

轉矩加載技術又稱測功技術，目前機械行業(yè)內(nèi)多采取能量回收式或能量吸收式方案，其中能量回收式方案因一次性投資大，在產(chǎn)量較少或試驗頻次較低的場合中應用較少。能量吸收式一般可根據(jù)加載設備的工作原理分為磁粉制動式、電渦流制動式和電力制動式，磁粉制動式僅適用于低速小轉矩工況，而電力制動式投入較大。試驗臺一般由驅(qū)動設備、加載設備、調(diào)速傳動設備和轉矩檢測設備等主要部分構成。此類試驗方案實質(zhì)上都應用了原動機→從動機→測功機的整體結構，如圖5所示。

圖5 能量吸收式轉矩加載試驗臺原理圖

針對系列頂驅(qū)運轉轉矩運轉加載試驗臺，其原理是：采用頂驅(qū)產(chǎn)品作為驅(qū)動裝置，以電磁渦流剎車作為加載裝置，由產(chǎn)品帶動運轉，其內(nèi)部激磁線圈產(chǎn)生加載轉矩，實現(xiàn)對試驗產(chǎn)品的運轉轉矩加載要求。

4.2 試驗臺性能參數(shù)的確定

試驗臺應滿足12000 m鉆機及以下級別頂驅(qū)的試驗需求，以12000 m鉆機配套頂驅(qū)為例：額定載荷為9000 kN，連續(xù)鉆井轉矩為85 kN·m，主軸試驗轉速100 r/min，連續(xù)運轉時間4 h，根據(jù)回轉運動功率計算公式：

式中：P為試驗臺最大輸出功率，kW；T為12 000 m鉆機配套頂驅(qū)的連續(xù)鉆井轉矩，kN·m；n為頂驅(qū)裝置主軸試驗轉速，r/min。

根據(jù)式（1）計算可知，試驗臺功率應大于890 kW，連續(xù)運轉轉矩大于85 000 N·m。

4.3 方案設計

如圖6所示，頂驅(qū)動力水龍頭作為驅(qū)動設備固定在試驗臺架上，軸頭與直角箱輸出端利用花鍵短節(jié)連接，將轉矩傳遞方向由豎直轉換為水平，直角箱與加載裝置電磁渦流剎車之間通過鏈條連接，其間安裝轉矩傳感器，冷卻裝置為電磁渦流剎車工作提供足夠的冷卻。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對試驗數(shù)據(jù)進行采集并輸出。

圖6 轉矩運轉加載試驗裝置示意圖

4.4 設備選型

1）加載裝置選用DWS70型電磁渦流剎車，最大加載轉矩110 kN·m，最高轉速150 r/min，

同樣根據(jù)式（1）可得該電磁渦流剎車最大吸收功率為1727.7 kW，能夠滿足系列頂驅(qū)的運轉轉矩加載試驗要求。

2）冷卻水箱。從能量守恒角度考慮，電磁渦流剎車吸收的能量絕大部分轉化為熱量被試驗介質(zhì)帶走，為保證設備不至于過熱，應對試驗過程中熱量導致的溫升進行計算。根據(jù)做功計算公式：

結合式（1）可計算頂驅(qū)運轉產(chǎn)生的能量：

式中，t為連續(xù)運轉時間，h。

由式（3）計算可知，頂驅(qū)裝置在主軸轉速為100 r/min，加載轉矩85 kN·m的情況下連續(xù)運轉4 h產(chǎn)生的總熱量為1.28×106kJ。

選用清水作為試驗介質(zhì)，水的比熱容C=4.187 kJ/(kg·K)，假設試驗用水的初始溫度設為15℃，最高工作溫度不允許超過78℃，根據(jù)比熱容公式：

式中：m為冷卻水的質(zhì)量，kg；Q為試驗產(chǎn)生的總熱量，kJ；Δt為溫度差，℃。

根據(jù)式（4）計算可知，完全吸收頂驅(qū)試驗產(chǎn)生的能量，需要的清水約為48 m3。由于水箱四周沒有保溫措施且上部開放，自然散熱條件較好，實際散熱情況優(yōu)于理論計算，選用50 m3水箱可滿足散熱要求。

3）直角箱。由于頂驅(qū)裝置主軸試驗轉速為100 r/min，而電磁渦流剎車恒扭段的轉速在100～150 r/min之間，因此直角箱的減速比i≈1,即可滿足要求，作用主要是將轉矩加載的方向由豎直轉換為水平。

4）轉矩傳感器應兼顧低轉矩和高轉矩試驗狀態(tài)下的測量精度。高轉矩測量宜選用量程為100 kN·m左右的傳感器，安裝于直角箱傳動鏈輪與電磁渦流剎車之間，此時則需要考慮機械傳動效率對試驗結果的影響。低轉矩測量宜選用量程為30 kN·m左右的傳感器，直接安裝于中心管下方可直接測量輸出轉矩，數(shù)據(jù)可靠性較高。

5）其它。針對該運轉加載試驗裝置配套了包括花鍵短節(jié)、支撐架、加高座等系列工裝，可滿足不同的結構形式頂驅(qū)裝置的轉矩運轉加載試驗要求，如圖7所示。

圖7 頂驅(qū)裝置運轉轉矩加載試驗現(xiàn)場

5 結論

1）通過對頂驅(qū)裝置試驗要求的分析與總結，將其歸納為靜水壓試驗、載荷試驗、動作性能試驗和運轉轉矩加載試驗等4種試驗形式，并完成相應試驗裝置的設計，形成完整規(guī)范的試驗方案。2）試驗裝置設計通用性強，配套不同的工裝即可滿足系列頂驅(qū)裝置甚至多種類型新產(chǎn)品的試驗要求，應用前景良好。