DM13.7/4.5分段式動力貓道結構設計*

2023-01-30 02:11:36張開發李旭陽楊小亮

機械研究與應用 2022年6期

張開發，李旭陽，楊小亮

(1.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅蘭州 730314； 2.機械工業油氣鉆采裝備工程研究中心，甘肅蘭州 730314； 3.甘肅省油氣鉆采裝備工程研究中心，甘肅蘭州 730314)

0 引言

陸地鉆機鉆井作業中管柱處理作業包括管柱在管子堆場與鉆臺間的運移及放置、在鉆臺上接卸立根、起下鉆時的鉆柱上卸扣、井架內立根來回移送及排放等操作[1]。目前國內鉆井行業人工操作上下鉆具需要3～4名工人配合，操作效率低、工人勞動強度大、安全性差、鉆具的損壞程度也很高。因此，研究先進的自動化程度高的井場鉆具自動上、下鉆臺裝置具有重要的現實意義。

隨著自動化技術在工業生產領域的發展，為減輕工人勞動量，提升工人工作效率，提高操作安全性，石油鉆采行業鉆機配套設備研究逐漸深入，動力貓道便是其中一種自動化管柱輸送設備。動力貓道的作用是將地面管子堆場區的管柱以單根的形式輸送至鉆臺面小鼠洞(井口)位置，或反向操作[2]。按其結構形式大體分為3種：鋼絲繩拉升式動力貓道、水平式動力貓道和液缸舉升式動力貓道[3]。目前為滿足輸送較長管柱，國內動力貓道結構普遍較長，在特定地區運輸較為困難。筆者對DM13.7/4.5動力貓道運移臂與坡道采用分段式設計方案進行設計分析，以期能達到有效解決這一運輸難題的目標。

1 總體方案設計

1.1 總體結構設計

DM13.7/4.5動力貓道主要由基座、坡道、運移臂、支撐臂、甩鉆具滑車、液壓系統、電控系統等組成，其中運移臂與坡道為分段式結構設計，采用耳板銷軸的連接方式，拆卸運輸時可將其翻折，滿足特殊地區運輸要求；其結構如圖1所示，翻轉折疊后如圖2所示。

圖1 總體結構圖1.基座 2.支撐臂 3.運移臂下段 4.運移臂上段 5.運移臂伸縮段 6.坡道上段 7.坡道下段

圖2 折疊運輸圖

1.2 工作原理

文中提出的動力貓道方案適用于陸上鉆機，用于完成鉆桿、鉆鋌、套管等管柱輸送作業。采用機、電、液一體化設計，通過鋼絲繩拉升及滑車移動實現管柱在地面排管區與鉆臺區的雙向輸送。其實現過程主要分為以下幾個步驟。

(1) 運送的管柱放置在一側的排管架上，通過控制排管架支腿油缸的起升使排管架表面、排管架上的管柱滾動至基座定位銷處停止。

(2) 控制基座翻料油缸工作，翻料機構將停放在定位銷處的管柱輸送至運移臂滑車內。

(3) 控制液壓絞車工作，起升運移臂，使運移臂沿坡道起升，到指定位置停下后運移臂內伸縮缸工作，運移臂伸縮段伸出，到指定位置停止。

(4) 運移臂內液壓馬達工作，通過鏈條帶動運移臂滑車在V型槽內運動，同時安全擋銷伸出，防止管柱從高空掉落等事故發生，直至小車到達指定位置完成輸送過程。

反之可將管柱從鉆臺面輸送至地面排管區。

1.3 主要技術參數

動力貓道結構主要技術參數見表1。

表1 主要設計參數

2 各部件方案設計

2.1 基座結構設計

基座是動力貓道的安裝基礎，主要由基座主體、排管架、翻料裝置等部分組成。基座采用型鋼焊接而成，運移臂、支撐臂可收縮至基座內。內部設有進料機構，可以為運移臂輸送鉆桿；外部與排管架鉸接，工作時排管架展開，為基座運送管柱，運輸時排管架收至基座兩側并用銷軸固定，便于運輸。

基座前端設有前搭板，與基座主體鉸接；工作時與基座主體相連接可滿足運移臂輸送長度，運輸時前搭板拆卸，滿足運輸要求。其結構如圖3所示。

圖3 基座結構圖1.前搭板 2.基座主體 3.排管架 4.翻料裝置

2.2 支撐臂結構設計

支撐臂作用主要是支撐運移臂，由型鋼焊接而成，前端安裝有導向滾輪，當運移臂開始起升動作時可以在基座的軌道上滑移；支撐臂外側安裝有導向耐磨板，并可通過調整墊片對寬度進行微調。支撐臂與運移臂鉸接，并與基座、坡道形成連桿機構。支撐臂背側安裝管夾，可用于安裝控制系統所需管線。其結構如圖4所示。

圖4 支撐臂結構圖1.支撐臂主體 2.導向板 3.調整墊板 4.導向滾輪

2.3 運移臂結構設計

運移臂主要作用是輸送鉆桿，此次設計為分段式結構，主體分為三段：上段、下段以及伸縮段。運移臂上下段采用銷軸耳板的連接形式，工作時上下段用銷軸固定，滿足長度要求；運輸時將固定銷軸取出，上段向上翻折，滿足運輸長度要求。伸縮段通過耳板、伸縮油缸與運移臂前段相連，可在運移臂前段內自由伸縮，使運移臂整體長度滿足運輸管具的要求。前段內部設有檢測裝置，當檢測裝置檢測到伸縮段復位時伸縮油缸停止工作，設備更加安全可靠。運移臂主體采用焊接H型鋼結構，中間焊接有承載管具的V型槽。

此外，運移臂設有安全擋銷機構、鉆具雙向翻出機構、滑車及其驅動機構。安全擋銷機構用于在輸送管具過程中防止管具的墜落，鉆具雙向翻出機構的作用是將管具甩出至左右排管架上，二者均采用液缸驅動；滑車由主體及拖車兩部分組成，拖車通過耳板銷軸與主體連接，向鉆臺面輸送鉆桿時拖車拆卸，滑車主體沿運移臂滑動；甩鉆具時將拖車安裝在滑車主體上，可完成“上一甩三”的輸送操作。滑車由液壓馬達驅動鏈條旋轉，鏈條帶動小車做往返運動，運移臂后段還設有鏈條張緊機構。運移臂前端設有導向滾輪，運移臂在起升過程中，滾輪沿著坡道內的軌道向上移動，有效提高運動效率。其結構如圖5所示。

圖5 支撐臂結構圖1.運移臂前段 2.運移臂前段 3.滑移小車 4.運移臂伸縮段 5.伸縮缸 6.翻料機構 7.液壓馬達 8.傳動機構

2.4 坡道結構設計

坡道由上段與下段兩部分組成，動力貓道工作時坡道上下兩段采用耳板銷軸固定的連接方式，運輸時將連接銷軸拆卸，坡道下段可翻折至基座上方，滿足運輸需求。整體結構與現有鉆機坡道相似，采用型材焊接而成，其與地面基礎呈55°夾角。

坡道背面安裝有驅動運移臂上下運動的液壓絞車，通過安裝在坡道上的滑輪組成起升運移臂。為了保證作業安全，起升絞車設有護罩，且滑輪組的主軸與防墜落裝置拉桿相連，若鋼絲繩意外斷裂，滑輪組在彈簧作用下移動位置，帶動3個防墜翻板伸出卡住運移臂，以避免運移臂自由下落造成安全事故。

坡道兩側的V型板處分別設有一個甩鉆滑塊，通過油缸的伸縮，鋼絲繩帶動滑塊上下移動，配合滑移小車完成多根甩鉆功能。坡道底端設有高度調節裝置，在場地不平的工況下可對坡道位置進行調整，保證動力貓道穩定作業。在設備故障的情況下，坡道與現有鉆機的坡道功能相同，可提供人工操作方式。其結構如圖6所示。

圖6 坡道結構圖1.坡道前段 2.坡道滑輪組 3.甩鉆具裝置 4.坡道后段 5.防墜落裝置 6.液壓絞車 7.高度調節裝置

3 現場測試與結論

2021年12月，DM13.7/4.5分段式動力貓道結構運輸至試驗井場開展了功能動作試驗、載荷試驗、效率試驗及安全性試驗等，如圖7所示。驗收標準為分段式結構連接穩定，運移臂伸縮段運動平穩快速、控制準確到位、帶載舉升及輸送過程平穩，效率高。現場測試已完成不同規格鉆桿、鉆鋌、套管的輸送作業，輸送單根管柱最長為12 m，運移臂與坡道分段部分連接可靠穩定，動力貓道提升時無機身晃動、結構變形等現象，運移臂伸縮段可按設計時間快速平穩伸縮。該動力貓道輸送管柱作業時間為120 s左右，可承載4.5 t鉆鋌及24寸套管輸送，運行平穩，滿足設計需求。DM13.7/4.5分段式動力貓道有效降低了人工作業強度，提高了管柱輸送效率與作業安全性，有效改善鉆工作業環境，提升了鉆井作業的自動化、智能化水平。同時通過現場拆裝測試，DM13.7/4.5分段式動力貓道拆卸簡單，安裝方便，運移臂與坡道折疊翻轉后運輸長度僅為12.5 m，有效解決了動力貓道在川渝等特定地區運輸難的問題。