HXJ135DB海洋修井機鉤載能力分析及改造設計

陳俊，丁輝，張超

?

HXJ135DB海洋修井機鉤載能力分析及改造設計

陳俊1，丁輝1，張超2

（1.中海油服油田生產事業部，天津 300452；2.中海油天津分公司，天津 300452）

HXJ135DB海洋修井機在正常作業工況下，無法達到額定鉤載能力的要求，給交流變頻電機的正常使用和修井作業帶來了一定的隱患風險。通過對修井機裝機功率、絞車輸入功率、傳動比及傳動效率等幾個方面進行分析，提出了改變絞車傳動比的改造設計。現場改造應用結果表明，本次改造設計雖降低了絞車的提升速率，但滿足了提升能力的要求，設備運行可靠，滿足了作業要求。

海洋修井機；交流變頻電機；絞車；額定鉤載

近年來，中海油渤海油田新建了數臺交流變頻HXJ135DB海洋修井機，在解封、提鉆作業過程中，當交流變頻電機處于額定功率600 kW時，絞車的提升鉤載僅能達到901 kN，提升鉤載0.49 m/s，無法達到HXJ135海洋修井機額定鉤載1000 kN的設計規范要求[1]，給交流變頻電機的正常使用和修井作業帶來了一定的隱患風險。

為了解決上述問題，通過對HXJ135DB海洋修井機裝機功率、絞車輸入功率、傳動比及傳動效率等幾個方面進行計算分析，并結合HXJ135DB海洋修井機的現場情況，提出了改變絞車傳動比的改造設計。2016年8月～2017年4月，先后對中海油渤海油田3臺HXJ135DB海洋修井機鉤載能力進行了提升改造，當交流變頻電機處于額定功率600 kW時，絞車的提升鉤載達到1088 kN、0.4 m/s，一方面滿足了設計規范和現場作業工況的要求，另一方面確保了HXJ135DB海洋修井機交流變頻電機正常使用。

1 HXJ135DB海洋修井機

1.1 基本參數

海洋修井機：HXJ135DB

交流變頻電機：YJ23F9/600 kW（山西永濟）

絞車：HJC20DB

轉盤：ZP275

游車大鉤：YG135

最大鉤載：1350 kN

游動系統：4×5

1.2 結構原理

HXJ135DB海洋修井機絞車和轉盤共用一臺600 kW交流變頻電機驅動，通過降距分動箱、傳動軸、角傳動箱、絞車鏈條箱將動力傳遞給絞車，通過降距分動箱、傳動軸將扭矩傳遞給轉盤[2]。降距分動箱僅可通過換擋齒輪實現轉盤的正反轉功能，無換擋功能。HXJ135DB海洋修井機傳動系統如圖1所示。

圖1 HXJ135DB海洋修井機傳動系統

1.3 存在的主要問題

根據油井深度和鉆具重量，在常規作業過程中，HXJ135DB海洋修井機連續作業的提升噸位一般在800～900 kN之間，如需處理特殊工況作業時，連續作業的提升噸位將達到950～1000 kN，此時電機將處于過載運行，如按處理卡堵事故要求的最大鉤載1350 kN時，電機將處于1.5倍的過載運行。

如交流變頻電機一直處于過載或短時間過載頻次較多，將會大大降低交流變頻電機的使用壽命，甚至會導致交流變頻電機的直接損壞。交流變頻電機在額定載荷運行時，電機的發熱量與散熱量達到平衡，繞組溫度穩定。在過載情況下，電機損耗增加主要表現為定子和轉子的銅耗增加，一般認為，增加的熱損耗全部用于銅耗的增加，即：

式中：為額定電流，＝714 A；R為額定電阻，Ω；1為過載電流，A；max為過載最大電阻，Ω；為繞組比熱容，＝418 J/(kg·K)；為繞組比銅的質量，＝178 kg；Δ為溫升，K；為過載時間，s。

YJ23F9交流變頻電機允許達到的極限溫度為180℃，當過載1.15（690 kW）時，能連續作業時間為5 min，當過載1.5（900 kW）時，能連續作業時間為1.5 min，因此，電機僅能滿足短時間的作業，無法滿足額定鉤載工況要求。

2 鉤載能力分析

2.1 絞車裝機功率校核

HXJ135DB海洋修井機最大設計鉤載max＝1350 kN，額定鉤載額＝1000 kN，游車大鉤最大鉤速空＝1.5 m/s（空載）。YJ23F9交流變頻電機的額定功率額＝600 kW，額定轉速額＝660 r/min，恒功率最高轉速額＝1060 r/min，額定轉矩額＝8670 N·m，恒功率調速范圍＝1.6，電機效率＝0.95。

HXJ135DB海洋修井機鉤載儲備系數為：

K＝max/額＝1.35 （2）

在提起最大井下管柱重量時，交流變頻電機的最大扭矩[3]為：

max＝額K/空＝7412.8 N·m （3）

提起最大井下管柱重量所用的扭矩max小于額，因此，絞車的輸入功率滿足設計使用要求。

2.2 絞車額定鉤載計算分析

HJC20DB絞車主滾筒的直徑0為520 mm，鋼絲繩的直徑為26 mm，主滾筒第二層鋼絲繩的平均直徑平為592.8 mm。絞車傳動比、傳動效率如表1所示。

表1 絞車傳動比、傳動效率

絞車傳動效率為：

絞車額定鉤載能力為：

＝8×2×額絞游/平＝870 kN （5）

從式（5）可知：海洋修井機額定鉤載能力受交流變頻電機額定扭矩、絞車傳動比、絞車主滾筒直徑及傳動效率等影響。

3 改造設計及應用

3.1 改造設計

從影響海洋修井機絞車額定鉤載能力各因素分析，結合HXJ135DB海洋修井機現場實際情況，遵循改造節約、便捷、操作等原則，確定采用增大絞車傳動比的設計方案，從而提升海洋修井機額定鉤載能力。

將絞車傳動系統的角傳動箱輸出端鏈輪從23齒減少為19齒，因此鏈條箱的傳動比從2.87增加到3.47，絞車傳動系統的傳動比將增加至6.35，改造之后的絞車理論鉤載提升能力如表2所示。

表2 絞車理論鉤載提升能力

當交流變頻電機達到額定扭矩輸出時，絞車額定鉤載將達到1050 kN，游車大鉤的速度0.4 m/s。由于絞車傳動系統的傳動比增大，游車大鉤在空載狀態下的最大鉤速從1.5 m/s減小至1.21 m/s。

3.2 現場應用

根據改造設計方案，先后對中海油渤海灣BZ35-2A/B&29-4C平臺HXJ35DB海洋修井機絞車傳動系統進行了改造，現場更換了海洋修井機角傳動箱輸出鏈輪、輸入萬向軸，并微調了角傳動箱的位置和絞車鏈條的松緊度。

改造后的海洋修井機三種工況下的鉤載能力測試結果如表3所示，實際測試值與理論值基本吻合，測試過程中，絞車傳動系統無異響，各點軸承溫升正常。

表3 改造后的海洋修井機鉤載能力測試結果

2017年3月，BZ35-2A平臺在進行大修作業時，HXJ135DB海洋修井機最大上提鉤載達到1092 kN，滿足現場作業要求。

4 結論

（1）以解決問題為出發點，分析海洋修井機HXJ135DB鉤載能力的影響因素，優化改造設計方案，采用增加絞車傳動比方式提升海洋修井機的額定鉤載能力，滿足現場使用的要求。

（2）交流變頻海洋修井機的恒功率調速范圍雖然很寬，但為了提高海洋修井機的動力利用率、加速起下鉆及作業機動性，建議交流變頻海洋修井機絞車應至少設置高速和低速兩個檔位。

（3）海洋修井機以最大鉤載為型名，其鉤載儲備系數K＝1.2～1.6，鑒于API規定鉤載儲備系數K≥2，建議在海洋修井機標準修訂或建造設計時，適當提高鉤載儲備系數和最大鉤載能力[3]。

[1]SY/T6803-2010海洋修井機[S].

[2]HXJ135DB海洋修井機操作使用說明書[Z]. 四川宏華石油設備有限公司，2015.

[3]陳如恒. 鉆機修井機設計使用中幾個容易混淆的問題[J]. 石油礦場機械，2005（6）：1.

Analysis and Design of the Rated Hook Load Capacity of the HXJ135DB Offshore Workover Rig

CHEN Jun1，DING Hui2，ZHANG Chao2

(1.COSL Production Optimization, Tianjin 300452, China; 2.CNOOC Tianjin Branch, Tianjin 300452, China )

Under normal operating conditions, The HXJ135DB offshore work over rig can not meet the rated hook load capacity, which brings risks for the normal operation of ac frequency converter motor and the operation of work over. Through the analysis of the installed power, draw work input power, transmission ratio and transmission efficiency and so on, proposed to the transformation mode of the increase transmission ratio of the draw work. Through the results of the application, the modified design has reduced the hoisting speed of draw work, but it has satisfied the requirement of lifting capacity, the equipment is reliable and satisfied the operation requirement.

offshore workover rig；AC variable-frequency motor；draw work；rated hook load

TE935

B

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.11.017

1006－0316 (2018) 11－0068－04

2018－01－08

陳俊（1982－），男，天津塘沽人，本科，工程師，主要從事海洋鉆（修）機裝備運維及管理工作。