頂驅承載和上卸扣扭矩傳遞結構設計及強度分析*

時琦昊，魏孔財，張 濤，狄世民

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

目前，頂部驅動鉆井裝置作為鉆井的核心裝備，在國內外的應用都已經趨于成熟，極大提高了石油天然氣的勘探開發作業效率，并已成為石油鉆井行業的標準產品[1]。

頂驅是集機、電、液一體化的鉆井裝備，它可從井架上部空間直接旋轉鉆桿，沿專用導軌向下送進，完成鉆桿旋轉鉆進，循環鉆井液，接立柱，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井作業[2]。眾多的功能也導致了頂驅結構復雜，因此頂驅結構簡單又能很好的實現其功能是頂驅研發人員一直不斷思考的問題。

根據對國內外頂驅的研究可知，頂驅承載和上卸扣時提供反扭矩系統是不同時工作的。對于頂驅承載系統，現有的結構形式有兩種，其一是主要采用螺紋，即減速箱體中的連接套加工內螺紋，管子處理系統的承載軸上加工外螺紋。安裝時，將管子處理系統承載軸上的外螺紋旋入減速箱體連接套上的內螺紋，并旋緊；其二是在頂部驅動鉆井裝置主軸上加工環形外螺紋，用帶環形內螺紋的支撐塊連接，用于承受整個鉆柱載荷。此兩種連接形式，結構復雜，加工難度大，成本高，如果加工精度與設計要求稍有偏差，不但會造成螺紋旋合不緊，且會使動力水龍頭和管子處理系統不對正，影響其它系統的安裝[3]。對于頂驅上卸扣扭矩傳遞系統，由于其背鉗大多都是懸掛在回轉頭上，而回轉頭可以旋轉，這就需要設計制動裝置對回轉頭進行制動，以為頂驅在上卸扣時提供反扭矩。制動裝置的形式有插銷制動，還有齒輪嚙合制動，而這兩種制動形式缺點明顯，導致頂驅結構復雜性，而且在進行制動時，效率低下，有時則需要人為干預才能實現其功能。

筆者對頂驅的承載和上卸扣扭矩傳遞系統進行了研究，并對其進行了全新的結構設計，使頂驅能承受最大工作載荷，在上卸扣時還可以將扭矩直接傳遞到鉆機井架的反扭矩梁，省去制動裝置。此結構對頂驅的精簡化設計具有重要的意義，同時，新結構的設計，降低了維護保養的復雜程度，節省成本。

1 頂驅上卸扣扭矩傳遞結構設計

1.1 結 構

頂驅承載和上卸扣扭矩傳遞結構主要有夾緊鉗、反扭矩臂、反扭矩架、承載軸、卡箍、圓柱銷、連接套及扭矩傳遞鍵等組成，其結構總裝圖如圖1所示。

圖1 頂驅承載和上卸扣扭矩傳遞結構示意圖

其中，承載軸和連接套為頂驅承受軸向載荷的關鍵零部件。

1.2 工作原理

由夾緊鉗將鉆桿夾緊，頂驅主軸旋轉，旋扣扭矩通過夾緊鉗傳遞到反扭矩臂，再由反扭矩臂通過反扭矩架傳到承載軸，承載軸為管子處理裝置中的關鍵件，不但可以承受整個鉆柱載荷，且還可以傳遞上卸扣扭矩，還為管子處理系統及夾緊鉗系統中的液壓元件進行通油。扭矩通過鍵連接套，連接套安裝在減速箱體內，并安裝銷，扭矩通過連接套由銷傳遞給減速箱體，進而由減速箱體傳遞到井架反扭矩梁上，用卡箍將連接套和承載軸進行連接，可以承受整個軸向鉆柱載荷。

1.3 技術參數

表1為頂驅技術參數。

表1 頂驅技術參數

頂驅軸向承受最大載荷，上卸扣傳遞最大扭矩。

2 有限元分析依據及要求

按照API規范8C(第5版，2012年4月)，ANSI/API 8C/ISO 13535-2002，“鉆進和采油提升設備規范(PSL1和PSL2)”中第4節“設計”中的第4.3節“強度分析”中的內容確定部件的應力分析和強度設計。

2.1 等效應力

基于彈性理論的強度分析，最大許用應力ASmax，即：

(1)

式中：YSmin是規定的最小屈服強度；SFD是設計安全系數。

2.2 極限強度(塑性)分析

截面的平均應力，應小于或等于最大許用應力。

(2)

式中：TSmin是規定的極限拉力強度；SFD是設計安全系數。

3 承載關鍵零部件及傳扭系統強度分析

3.1 承載軸強度分析

承載軸材料機械性能為：密度ρ=7.87×103kg/m3，屈服強度σS=880 MPa，熱脹系數1.28×10-5，熱導率44 W/(m·K)，最大載荷4 500 kN。圖2所示為承載軸的加載和約束圖。對承載軸進行網格劃分后，進行Miss應力分析，如圖3所示。

圖2 承載軸加載和約束圖 圖3 承載軸Miss應力圖

由圖3可知，承載軸的高應力出現在其臺階處，最大應力為360 MPa。

根據計算，承載軸滿足設計要求。

3.2 連接套強度分析

連接套機械性能為：密度ρ=7.87×103kg/m3，屈服強度σS=880 MPa，熱脹系數1.28×10-5，熱導率44W/(m·K)，最大載荷4 500 kN。圖4所示為連接套的加載和約束圖。對連接套進行網格后，進行Miss應力分析，如圖5所示。由圖5可知，最大應力為209.2 MPa。

圖4 連接套加載和約束圖 圖5 連接套Miss應力圖

根據計算，承載軸滿足設計要求。

3.3 傳扭系統強度分析

傳扭系統機械性能為：密度ρ=7.87×103kg/m3，屈服強度σS=880 MPa，熱脹系數1.28×10-5，熱導率44 W(m·K)，最大扭矩98 kNm。

將反扭矩臂、反扭矩架、鍵、承載軸、連接套及銷固定安裝，在夾緊鉗口施加最大扭矩，通過上卸扣扭矩傳遞系統直接將扭矩傳遞到減速箱體，由減速箱體傳遞鉆機井架反扭矩梁上，減速箱體不作為研究的對象，只對上卸扣扭矩傳遞系統進行強度分析。圖6所示為傳扭系統的加載和約束圖。對傳扭系統進行網格劃分后，進行Miss應力分析，如圖7所示。

圖6 傳扭系統加載和約束圖 圖7 傳扭系統Miss應力圖

根據計算，承載軸滿足設計要求。

4 結 語

通過對頂驅承載和上卸扣傳扭結構的全新設計，優化了頂驅復雜的承載結構和上卸扣傳扭系統，結構設計新穎，加工制造簡單，簡化了維護保養的步驟，提高了頂驅作業的效率，降低了工人勞動強度；同時，對新設計的結構進行強度分析結果可知，其安全系數均滿足API 8C設計要求，為后續頂驅的整個試制奠定了技術基礎。