船用一體化游車大鉤研制

王文君，嚴亮，強亮，王安義，嚴小妮，李洪波

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

0 引言

傳統游車大鉤與天車、水龍頭、吊環等配套使用，主要用于懸吊和起下鉆柱作業，鉤體部分無法繞游車部分旋轉，海上作業時，船舶搖擺會導致起下管柱作業時產生偏載，容易對設備造成過度磨損甚至破壞，另外，不具備吊環傾斜機構會導致無法實現管柱自動交接功能[1-2]。

傳統游車大鉤上增加吊環傾斜機構是未來的發展趨勢，南陽二機和江漢四機在該方面進行了研究和試驗，但未見成熟可靠的產品投入市場。另外，在游吊產品上增加旋轉關節以適應船舶橫搖和縱搖方面，國內外僅有NOV公司TDX-1250頂驅在其懸掛體處增加了旋轉關節以適應船舶橫搖工況，但因為沒有鎖緊機構而導致在與動力貓道交接管柱過程中無法對正。為此，創新性地研制了一種船用游車大鉤，增加了吊環傾斜機構和鉤體旋轉鎖緊機構，取消了傳統游車大鉤的旋轉和跳扣功能，適用于船舶起下作業時自動交接管柱工況。

1 工作流程

該游車大鉤是一種與吊環、液壓吊卡和動力貓道配合用于起、下管柱的提升設備，既可以配合天車和絞車實現井底管柱的提升和下放，也可以配合吊環、液壓吊卡和動力貓道進行管柱的自動交接，并在進行上述兩種作業時，能自適應船舶的橫搖和縱搖工況。

起鉆作業操作流程為：下放游車大鉤至井口，液壓吊卡扣合井中管柱接頭；操作“吊環浮動”打開（“鉤體鎖緊/松開”松開）后，稍微上提游車大鉤，提出卡瓦；繼續上提游車大鉤，提出井中一柱后，坐放卡瓦；用液氣大鉗或鐵鉆工卸開管柱下端接頭與井口管柱接頭的連接扣；操作“吊環浮動”關閉（“鉤體鎖緊/松開”鎖緊）后，緩慢上提游車大鉤，用動力貓道的擋臂扶持管柱下端；下放游車大鉤，同時動力貓道的小車向后滑動，最終將管柱水平放置在動力貓道上；打開液壓吊卡，用動力貓道送走管柱；繼續下放游車大鉤，當吊卡接近井口管柱時，操作“吊環前傾/后傾”至后傾；稍微下放游車大鉤，吊環前傾，吊卡扣合井中管柱接頭；至此，進入下一根管柱的起鉆操作。

下鉆作業大致為起鉆作業的反過程，具體作業操作流程為：下放管柱入井，操作“吊環浮動”打開（“鉤體鎖緊/松開”松開）后，在井口坐放卡瓦；打開液壓吊卡，吊環后傾；稍微上提游車大鉤后，操作“吊環浮動”關閉（“鉤體鎖緊/松開”鎖緊）后，操作“吊環前傾/后傾”前傾至動力貓道處；打開液壓吊卡，扣合動力貓道上的管柱；緩慢上提游車大鉤，同時操作“吊環前傾/后傾”后傾至提起管柱；操作“吊環浮動”打開（“鉤體鎖緊/松開”松開），吊卡回傾至井口；下放游車大鉤，使管柱下端公扣導入井口管柱母扣中，并用液氣大鉗或鐵鉆工上緊；稍微上提游車大鉤，提出卡瓦；下放管柱入井，至井口坐放卡瓦；至此，進入下一柱管柱的下鉆操作。主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

2 結構設計及強度分析

2.1 總體結構設計

如圖1所示，YG585游車大鉤主要由游車大鉤本體、旋轉鎖緊機構、吊環傾斜機構、滑車總成、雙導軌總成、液壓電控系統等組成。游車大鉤本體與滑車總成之間采用銷軸耳板連接，滑車總成通過兩向滾輪結構將載荷傳遞到導軌總成上，導軌總成與井架各段后背梁固連，游車大鉤本體相對井口的前后、左右方向均可調整。

圖1 YG585一體化游車大鉤

游車大鉤本體包括游車部分和大鉤部分，兩者之間采用雙銷軸連接，筒體與鉤體之間采用單銷軸連接，鉤體可以繞銷軸中心相對旋轉，實現鉤體左、右方向傾斜，通過旋轉鎖緊機構可調整左右傾斜角度。

鉤體旋轉鎖緊機構安裝在筒體上，采用鉸軸油缸頂伸結構鎖緊鉤體，吊環前傾/后傾時，通過電控互鎖，定位鎖緊機構自動鎖緊，鉤體不能左右擺動，便于配合動力貓道處理鉆具，保證設備和人員安全，吊環浮動時，定位鎖緊機構打開，鉤體可以左右擺動，避免船舶橫搖或縱搖時對設備本體造成過度磨損甚至破壞。為適應不同海域船舶作業時的傾斜角度需求，設有角度調節機構，最大可調節±6°。

吊環傾斜機構安裝在鉤體下部，由傾斜油缸推動吊環，可實現前傾、后傾和中位浮動動作：前傾可將吊卡送至動力貓道處，配合動力貓道處理鉆具；后傾可避讓井口位置，便于解開吊卡；中位為吊環浮動狀態，可使吊環自動恢復到月池中心位置，便于對扣作業。吊環的前傾、后傾和中位浮動動作可在司鉆操作臺進行控制。

滑車總成與游車大鉤本體通過單、雙耳板和銷軸連接，通過滑車體上的滾輪總成Ⅰ和滾輪總成Ⅱ扶正游車大鉤主體沿導軌作上、下滑動。滑車總成設有調節機構，可調整游車大鉤本體相對井口的前后和左右方向位置，便于井口對中調整。滑車總成兩側設有鎖緊耳板，可在雙導軌總成對應位置穿入連接銷軸后，將滑車總成和游車大鉤本體固定在雙導軌上，便于倒大繩或者直立運輸狀態時使用。

采用左右整體式雙導軌結構，共分為4段，后側與井架各段后背梁固連，頂部設有吊耳，連接在天車底部的吊耳上，用于懸吊雙導軌總成和游車大鉤的質量。雙導軌總成布置在游車大鉤的后側，與滑車總成配合使用，可將船舶橫搖和縱搖時產生的反轉矩傳遞到井架各處后背梁上。雙導軌設有調節機構，可調整雙導軌總成相對井架3個方向的位置。

液壓系統主要由液控閥組、液壓管線等部分組成，液壓動力源可由鉆機液壓站提供，用于控制定位鎖緊機構的鎖緊/打開、吊環的前傾/后傾和浮動動作。液壓系統為液壓吊卡預留供回油接口。司鉆在司鉆控制臺上操作，實現所有游車大鉤的動作控制。電磁換向閥及控制閥符合電氣設備防爆要求，滿足海洋使用環境。

安裝運輸總成可用于游車大鉤本體、滑車總成和最下端的運輸，也可用于游車大鉤的直立安裝，方便天車和游車穿繩。一個限位塊用于鉤體正常工作旋轉角度的限位，防止因意外情況下鉤體旋轉角度過大而造成設備損壞，另一個限位塊可保證運輸和吊裝過程中鉤體不會因隨意轉動而造成人員或者設備損害。

2.2 關鍵零部件有限元分析

利用有限元軟件ANSYS對游鉤本體、滑車總成和雙導軌總成進行強度分析。

1）首先進行游鉤本體有限元分析。主要包括左右側板、滑輪軸、筒體、鉤體、連接銷Ⅰ和連接銷Ⅱ等主承載件，主要零件應力結果如圖2～圖4所示。根據API Spec 8C規定，鉤體副鉤與吊環接觸部位發生最大應力429.34 MPa＜σs=520 MPa，鉤體其余部位和其它主承載件Von Mises應力均小于許用應力[σ]=σs/ns=520÷2.25=231.1 MPa[3]，因此游鉤本體各主承載件強度滿足API SPEC 8C規范要求。

圖2 左側板Von Mises應力云圖

圖3 筒體Von Mises應力云圖

圖4 鉤體Von Mises應力云圖

2）滑車與游鉤本體通過4組單雙耳板和銷軸連接，滑車與雙導軌通過2個方向的滾輪接觸（制動工況下通過銷軸連接在導軌的翼板上），滑車的載荷主要是游鉤本體的偏載、起下鉆時海底管柱的偏載和環境載荷等。其中，最主要的是起下鉆時海底管具的偏載，作用點是吊環和鉤體懸掛點處，滑車承載狀態如圖5所示。根據API Spec 8C中關于導向小車的計算要求和船舶橫搖、縱搖工況需求，滑車總成有限元分析包括剎車載荷（PLC Ⅰ，2）、水平拉力載荷（PLC Ⅰ，4）、含環境載荷的剎車載荷（PLC Ⅱ，2）、含環境載荷的水平拉力載荷（PLC Ⅱ，4）、異常垂直加速度（PLC Ⅲ，1）、異常環境載荷（PLC Ⅲ，1）、意外橫搖（PLC Ⅲ，1）、制動狀態（PLC Ⅲ，1），最大應力發生在含環境載荷的水平拉力載荷（PLC Ⅱ，4）工況，結果如圖6所示，最大應力值230.44 MPa＜[σ]=σs/ns=335÷1.33=251.9 MPa，因此滑車強度滿足API Spec 8C規范要求。

圖5 滑車承載結構圖

圖6 滑車架體Von Mises應力云圖

3）橫搖偏載和縱搖偏載通過滑車總車傳遞到雙導軌總成，再通過各段連接架傳遞到井架上；制動載荷（即游鉤質量懸掛在導軌上）通過滑車總車傳遞到雙導軌總成，再通過天車懸掛耳板傳遞到天車架上。對比滑車計算結果可知，帶環境載荷的水平拉力載荷（PLC Ⅱ，2）最為惡劣，另外制動狀態下導軌局部受載，故針對上述兩種工況，按滑車計算的滾輪處支反力作為雙導軌輸入進行雙導軌的有限元分析，結果如圖7和圖8所示。根據AISC 360規定，最大應力204.366 MPa ＜[σ]=σs/ns=335÷1.67=212.6 MPa[4]，因此雙導軌強度滿足AISC 360規范要求。

圖7 雙導軌總成Von Mises應力云圖1

圖8 雙導軌總成Von Mises應力云圖2

3 關鍵技術和創新點

3.1 一體化游車大鉤設計

如圖9所示，與傳統游車大鉤相比，一體化游車大鉤增配了吊環傾斜機構、鉤體旋轉鎖緊機構、滑車總成和雙導軌總成，解決了傳統游車大鉤無法配合動力貓道進行自動化管柱交接作業的問題[5]，極大地減輕起下鉆作業時鉆臺面工人的勞動強度。

圖9 吊環前傾圖

3.2 二維旋轉鎖緊功能

船舶橫搖時，鉤體與筒體可以相對旋轉，船舶縱搖時，吊環相對鉤體的兩側副鉤可以旋轉，保證吊環、吊卡和鉆具保持豎直狀態，從而實現二維旋轉功能，自適應船舶橫搖和縱搖工況，如圖10所示。通過更換角度限位塊可以調整其安裝角度，從而控制鉤體的允許旋轉角度，適應不同海域船舶作業需求，解決了船舶橫搖或者縱搖時，井底鉆具產生的側向偏載無法通過主體結構傳遞到 井架后背梁的問題[6-7]。

圖10 鉤體橫搖旋轉圖

3.3 太陽-行星輪滾輪結構

滑車總成結構如圖11所示，前后方向滾輪總成采用行星輪結構，中間是太陽輪，4個行星輪分布在四周[8]，工作時，兩個對角的行星輪與導軌面接觸，該結構既可以適應較大的滾輪和導軌面間隙，允許更大的導軌制造和安裝誤差，又能保證滾輪和導軌面接觸，更好地實現導向作用。

圖11 滑車總成結構圖

3.4 反向模擬船舶橫搖工藝

直立時無法模擬橫搖工況，水平時無法模擬游鉤重力效應，試驗過程采用逆向思維，通過增加專用工裝使鉤體傾斜模擬鉆井船傾斜后鉤體轉正的動作，解決了陸地試驗臺無法模擬船舶搖擺工況的問題。

4 試驗及使用情況

根據API Spec 8C 規范要求，完成游鉤本體型式試驗，如圖12所示，最大試驗載荷達到11 700 kN。廠內聯調試驗包括上提、下放試驗，吊環傾斜機構試驗，旋轉鎖緊機構試驗，電控互鎖試驗。各項試驗指標均滿足設計要求。

圖12 游鉤本體型式試驗

目前，該一體化游車大鉤在南海某船服役，最大作業水深為1400 m，作業時最大橫搖角度達±4°，運行狀態良好，如圖13所示。

圖13 南海某船現場作業

5 結論

YG585一體化游車大鉤設計過程采用了鉤體旋轉鎖緊、一鍵式操作、太陽-行星滾輪結構、三向可調式雙導軌等多項創新技術，可自適應鉆井船的橫搖和縱搖工況，并配合動力貓道實現自動化管柱處理作業，給未來游車大鉤產品的發展提供了借鑒。經各項試驗和現場使用表明，該游車大鉤具有承載結構合理、自適應環境性能良好、反應靈敏、安全可靠等特點，提高了作業效率，極大保障了設備和人員的安全性。

考慮在常規一體化游車大鉤和分體式游車大鉤上推廣應用，增加旋轉通道以實現連續旋轉，通過內力平衡以實現去導軌化，改進結構以適應分體式游車大鉤，這些將成為今后的主要研究方向。