JC30DB-Ⅱ型海洋修井絞車(chē)設(shè)計(jì)與分析

楊曉剛, 陳思祥, 張小龍, 任鋼峰, 畢小鈞

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000； 2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721000)

隨著我國(guó)海洋油氣勘探技術(shù)的快速發(fā)展，海上油氣開(kāi)發(fā)越來(lái)越受重視。考慮到經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性，以及潮濕高含鹽的作業(yè)環(huán)境等因素，標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的海洋修井機(jī)將是未來(lái)我國(guó)海洋平臺(tái)主流技術(shù)發(fā)展方向[1-3]。HXJ180DB型海洋修井機(jī)是針對(duì)我國(guó)淺海固定式平臺(tái)上修井作業(yè)而研發(fā)的，具有先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)與高移運(yùn)性特點(diǎn)，主要配備在海洋叢式井作業(yè)平臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)橫向和縱向雙向移動(dòng)，滿足多功能海洋平臺(tái)面積小、井口多、平臺(tái)承載能力小和安全性要求[4-7]。

目前的JC30DB型兩擋絞車(chē)存在的主要問(wèn)題是體積較大，特別是沿絞車(chē)滾筒軸方向?qū)挾瘸叽巛^大，難以滿足現(xiàn)有海洋鉆井平臺(tái)對(duì)修井機(jī)空間布局緊湊的特殊要求。針對(duì)這一問(wèn)題，本文對(duì)現(xiàn)有JC30DB型兩擋絞車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。新絞車(chē)的總體結(jié)構(gòu)是縱向布局，采用交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)[8]，配備獨(dú)立的自動(dòng)送鉆電機(jī)。通過(guò)側(cè)向懸掛減速箱的形式，極大地縮減了絞車(chē)滾筒軸方向?qū)挾瘸叽纾冉鉀Q了油缸起升井架過(guò)程中絞車(chē)的干涉問(wèn)題，又滿足了海洋修井機(jī)對(duì)絞車(chē)提升性能的所有要求。

1 絞車(chē)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

JC30DB-Ⅱ型兩擋海洋修井機(jī)絞車(chē)的傳動(dòng)原理如如圖1所示，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。絞車(chē)采用單軸滾筒形式，絞車(chē)由1臺(tái)600 kW的交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)聯(lián)軸器、兩擋二級(jí)齒輪減速器傳動(dòng)滾筒軸。滾筒軸的轉(zhuǎn)速由交流變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。自動(dòng)送鉆裝置由1臺(tái)45 kW的交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)推盤(pán)離合器、二級(jí)齒輪減速器傳動(dòng)滾筒軸，具有應(yīng)急起下鉆具和自動(dòng)送鉆功能。

圖1 JC30DB-Ⅱ型兩擋海洋修井機(jī)絞車(chē)的傳動(dòng)原理

主電機(jī)冷卻方式為強(qiáng)制風(fēng)冷。離合器采用軸向推盤(pán)離合器。絞車(chē)配有防碰過(guò)卷閥，可與液壓盤(pán)式剎車(chē)聯(lián)動(dòng)，防止游車(chē)上碰天車(chē)。絞車(chē)的所有控制(電、氣、液)均集中在鉆機(jī)司鉆房?jī)?nèi)。絞車(chē)的所有部件均安裝在1個(gè)底座上，構(gòu)成1個(gè)獨(dú)立運(yùn)輸單元，便于安裝和運(yùn)輸[9-11]。

1—底座；2—絞車(chē)架；3—液壓盤(pán)剎；4—軸承座；5—滾筒體；6—主電機(jī)；7—潤(rùn)滑系統(tǒng)；8—空氣系統(tǒng)；9—自動(dòng)送鉆裝置；10—減速箱；11—滾筒軸。圖2 JC30DB-Ⅱ型兩擋海洋修井機(jī)絞車(chē)的總體結(jié)構(gòu)

1.2 剎車(chē)系統(tǒng)

剎車(chē)形式為能耗制動(dòng)+液壓盤(pán)剎。由于交流變頻電機(jī)具有能耗制動(dòng)功能，在下鉆作業(yè)和減速工況時(shí)，游動(dòng)系統(tǒng)的懸重通過(guò)絞車(chē)滾筒拖動(dòng)主電機(jī)反轉(zhuǎn)，使電機(jī)進(jìn)入“發(fā)電”狀態(tài)，變頻系統(tǒng)通過(guò)直流母線上配置的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，將位能和動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載定量及定位的自動(dòng)控制。可編程邏輯控制器(PLC)通過(guò)變頻器、電機(jī)軸及滾筒軸編碼器采集主電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和滾筒的轉(zhuǎn)速等數(shù)字信號(hào)，判斷游車(chē)所處工況，計(jì)算出游車(chē)的位置和游動(dòng)系統(tǒng)的懸重與速度，通過(guò)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)數(shù)字程序發(fā)出控制信號(hào)，使主電機(jī)以設(shè)定的速度驅(qū)動(dòng)滾筒，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)下鉆和減速工況時(shí)合理的功率利用與工作時(shí)效。由于交流變頻電機(jī)在轉(zhuǎn)速為零時(shí)也能輸出額定轉(zhuǎn)矩，所以可實(shí)現(xiàn)鉆具懸停。能耗制動(dòng)使液壓盤(pán)剎僅作為游動(dòng)系統(tǒng)的安全駐車(chē)和緊急制動(dòng)使用，克服了液壓盤(pán)剎操作手感差，剎車(chē)片需經(jīng)常調(diào)整間隙，剎車(chē)片易磨損等缺點(diǎn)，可避免因誤操作引起的溜鉆、頓鉆事故，延長(zhǎng)盤(pán)剎剎車(chē)片的使用壽命，提高修井機(jī)的工作效率。電控系統(tǒng)和液壓盤(pán)式剎車(chē)具有互鎖功能，即當(dāng)電控系統(tǒng)失電時(shí)，液壓盤(pán)剎能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剎車(chē)。

絞車(chē)液壓盤(pán)剎設(shè)有安全鉗+工作鉗共4副，工作鉗與安全鉗形成安全互鎖并互為備份。其中，安全鉗為可調(diào)節(jié)式油缸，可以調(diào)節(jié)剎車(chē)副間隙，提高了剎車(chē)塊的利用率，延長(zhǎng)其更換周期。工作鉗采用浮動(dòng)式油缸結(jié)構(gòu)，有自動(dòng)補(bǔ)償功能。液壓系統(tǒng)采用雙液壓源雙回路外加2個(gè)蓄能器的形式，具有多重保護(hù)功能，提高了可靠性和安全性。

1.3 絞車(chē)減速箱

絞車(chē)減速箱選用兩擋齒輪傳動(dòng)，即高速和低速2個(gè)擋位，可分別滿足鉆井工藝對(duì)輕載和重載要求，充分利用了絞車(chē)功率，有效提高了鉆機(jī)起下鉆的工作效率。由電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器同步將動(dòng)力輸入減速箱輸入軸，經(jīng)齒輪傳動(dòng)減速后傳給滾筒軸，絞車(chē)變速過(guò)程完全由主電機(jī)交流變頻控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

絞車(chē)減速箱采用兩級(jí)大模數(shù)硬齒面齒輪傳動(dòng)，箱體為剖分式結(jié)構(gòu)。齒輪及軸承潤(rùn)滑采用強(qiáng)制潤(rùn)滑形式，能有效保證軸承等充分潤(rùn)滑。絞車(chē)換擋通過(guò)減速箱上的換擋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，換擋機(jī)構(gòu)配有鎖擋保護(hù)裝置。

1.4 潤(rùn)滑系統(tǒng)

潤(rùn)滑系統(tǒng)配2套電動(dòng)潤(rùn)滑裝置(1套備用)，為減速箱提供充分的潤(rùn)滑。配潤(rùn)滑壓力檢測(cè)裝置，可實(shí)現(xiàn)低油壓報(bào)警，保證減速箱安全運(yùn)行。絞車(chē)底座的油箱內(nèi)設(shè)有盤(pán)管和電加熱器，在環(huán)境溫度較低時(shí)，可向盤(pán)管內(nèi)通入蒸汽，加熱油箱內(nèi)潤(rùn)滑油；在環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，可向盤(pán)管內(nèi)通入冷卻水，降低油箱內(nèi)潤(rùn)滑油溫度，保證絞車(chē)正常工作。

2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)SY/T6803-2016《海洋修井機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)的要求[12]，HXJ180DB型海洋修井機(jī)最大鉤載1 800 kN，因此要求絞車(chē)最大快繩拉力不低于220 kN。

絞車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 JC30DB-Ⅱ型兩擋海洋修井機(jī)絞車(chē)的主要技術(shù)參數(shù)

3 滾筒軸有限元計(jì)算

3.1 滾筒軸受力分析

由于絞車(chē)采用減速箱側(cè)向懸掛結(jié)構(gòu)，所以對(duì)絞車(chē)滾筒軸進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核最為關(guān)鍵。絞車(chē)滾筒軸在絞車(chē)工作過(guò)程中受到快繩拉力、軸上其它零部件的重力，減速箱重力，以及軸承支反力作用。

1) 滾筒軸所承受的快繩力Fmax=220 kN，快繩拉力夾角θ=5°。

2) 滾筒軸上零部件包括滾筒體總成、剎車(chē)盤(pán)、鋼絲繩，總重力為50 kN。

3) 減速箱重力作用于滾筒軸上的分力為22.5 kN。

4) 滾筒軸的最大轉(zhuǎn)矩[13]。

式中：Dm為滾筒平均直徑；Dm=693.4mm；Fmax為滾筒軸所承受的快繩力。

3.2 滾筒軸有限元計(jì)算結(jié)果

滾筒軸的應(yīng)力和變形如圖3～4所示。滾筒軸材料選用45CrMo，屈服極限ReL=785 MPa。

滾筒軸的許用應(yīng)力[14]

式中：SYmin為屈服強(qiáng)度，SYmin=ReL；FDS為安全系數(shù)，F(xiàn)DS=1.67。

從滾筒軸的應(yīng)力云圖(圖3)可以看出，滾筒軸的最大應(yīng)力σmax=120.77 MPa<[σ]，所以滾筒軸的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 滾筒軸的應(yīng)力云圖

滾筒軸的許用撓度[y]≤0.000 5L(L為支承跨距)[15]。當(dāng)L=1 062 mm 時(shí)，[y]=0.53 mm。從滾筒軸的位移云圖可以看出，滾筒軸的最大總變形量ymax=0.4 mm<[y]，所以滾筒軸的剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 滾筒軸的位移云圖

4 控制系統(tǒng)

4.1 過(guò)卷防碰控制

該絞車(chē)過(guò)卷防碰閥裝于滾筒上部橫梁上，其安裝位置為當(dāng)游車(chē)上升至防碰高度時(shí)，滾筒快繩端能觸動(dòng)過(guò)圈閥的位置。只要過(guò)卷防碰閥打開(kāi)，防碰回路啟動(dòng)，產(chǎn)生的防碰氣信號(hào)驅(qū)動(dòng)壓力開(kāi)關(guān)產(chǎn)生電信號(hào)，使絞車(chē)主電機(jī)斷電或摘離自動(dòng)送鉆離合器，并使液壓盤(pán)剎剎車(chē)。

4.2 自動(dòng)送鉆控制

當(dāng)啟動(dòng)自動(dòng)送鉆電機(jī)時(shí)，絞車(chē)會(huì)斷開(kāi)主電機(jī)，自動(dòng)送鉆離合器自動(dòng)掛合。當(dāng)游動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行至防碰高度，或減速箱鎖擋故障，或送鉆電機(jī)故障，或緊急制動(dòng)時(shí)，自動(dòng)送鉆離合器分離，液壓盤(pán)剎剎車(chē)。自動(dòng)送鉆離合器設(shè)有反饋回路，當(dāng)自動(dòng)送鉆離合器損壞或泄漏時(shí)，離合器的壓力迅速下降，使反饋壓力開(kāi)關(guān)產(chǎn)生斷電信號(hào)，使自動(dòng)送鉆電機(jī)懸停或停機(jī)，液壓盤(pán)剎剎車(chē)。獨(dú)立的自動(dòng)送鉆形式使絞車(chē)具有較高的安全性、可靠性。

5 應(yīng)用

寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司近年來(lái)生產(chǎn)了多臺(tái)HXJ180DB型海洋修井機(jī)，已經(jīng)應(yīng)用于中海油曹妃甸6-4油田項(xiàng)目，中海油旅大6-2油田項(xiàng)目，中海油旅大4-2油田項(xiàng)目，中海油渤中19-4油田項(xiàng)目等。其配套的JC30DB-Ⅱ型兩擋海洋修井機(jī)絞車(chē)布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡(jiǎn)單，運(yùn)輸方便，且提高了修井機(jī)作業(yè)效率，降低了修井機(jī)作業(yè)成本，受到油田用戶的一致好評(píng)。

6 結(jié)論

1) 常規(guī)JC30DB型兩擋絞車(chē)通常采用橫向布置，寬度約為5 000 mm。JC30DB-Ⅱ型兩擋海洋修井機(jī)絞車(chē)采用了縱向布置，將絞車(chē)的寬度壓縮到3 250 mm，避免了絞車(chē)工作時(shí)與井架起升油缸干涉的問(wèn)題。

2) 絞車(chē)變速箱采用側(cè)向懸掛式布置。經(jīng)有限元分析，滾筒軸強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。與常規(guī)JC30DB型絞車(chē)相比，該布局形式省去了鼓齒聯(lián)軸器，壓縮了減速箱與滾筒之間的距離，充分滿足了海洋修井機(jī)對(duì)布局緊湊性的特殊要求。

3) 采用交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車(chē)，其維護(hù)費(fèi)用低，使用安全可靠，易于操作管理，具有安全保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的免維護(hù)運(yùn)行。這種負(fù)載功率因數(shù)高, 能耗低、傳動(dòng)效率高的交流變頻電驅(qū)動(dòng)絞車(chē)將是海洋修井機(jī)配套絞車(chē)發(fā)展的必然趨勢(shì)[16-18]。