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ZJ50DB型石油鉆機直驅(qū)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置研制及應(yīng)用

2024-10-21 00:00:00周曉坤
今日自動化 2024年4期

[摘 要]轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置是石油鉆機的核心部件之一。常規(guī)的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置是高速交流變頻電機,其通過齒輪減速箱驅(qū)動轉(zhuǎn)盤工作。文章研制的ZJ50DB 型石油鉆機直驅(qū)轉(zhuǎn)盤采用低速大扭矩交流變頻電機直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤工作,取消了大型傳動機構(gòu)齒輪減速箱,簡化了傳動方式,減少了中間故障點,降低了維護(hù)保養(yǎng)成本,整體尺寸小,質(zhì)量輕,方便拆裝和運輸。

[關(guān)鍵詞]石油鉆機;轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置;低速大扭矩交流變頻電機;直驅(qū)

[中圖分類號]TE922 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487(2024)04–0071–03

轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置是鉆機減速鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆井的地面旋轉(zhuǎn)設(shè)備,是石油鉆機的核心部件之一。其主要功用為:①減速井中鉆具,并提供足夠大的扭矩和必要的轉(zhuǎn)速;②下套管或起下鉆時,承托井中全部套管柱或鉆桿柱重量;③完成接卸鉆頭,處理事故時倒扣、進(jìn)扣等輔助工作。常規(guī)的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置,通過交流變頻電機和齒輪減速箱為轉(zhuǎn)盤提供動力,傳動系統(tǒng)復(fù)雜,傳動鏈冗長,減速箱及附屬設(shè)備占據(jù)大量鉆臺空間,且運移困難,易發(fā)生故障。此外,常規(guī)的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置運轉(zhuǎn)時噪聲大、能耗高。近年來,國家加大非常規(guī)能源的開發(fā)力度,鉆遇地層日益復(fù)雜,鉆井難度不斷增加,特殊油氣層開采需要的水平井、定向井,以及新型鉆井工藝、超深井等特殊鉆井工藝技術(shù)不斷出現(xiàn),從而對轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置的性能提出了更高的要求。開發(fā)傳動型式簡單、鉆井效率高、設(shè)備可靠性高、鉆井現(xiàn)場人員技能要求低的新型轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置成為大勢所向。隨著石油鉆采裝備的自動化、智能化發(fā)展,以及大功率電機的成功研制和電機控制技術(shù)的大力發(fā)展,直驅(qū)技術(shù)在石油鉆采領(lǐng)域被快速推廣。

1 直驅(qū)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)及技術(shù)分析

文章研制的ZJ50DB 型石油鉆機直驅(qū)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置,取消了中間傳動齒輪減速箱,采用1 臺低速大扭矩交流變頻直驅(qū)電機通過球籠式萬向聯(lián)軸器直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤,標(biāo)準(zhǔn)化程度高,應(yīng)用可靠。該裝置主要由ZP375 轉(zhuǎn)盤、交流變頻直驅(qū)電機、球籠式萬向聯(lián)軸器、慣剎及慣剎護(hù)罩等組成。低速大扭矩交流變頻電機的應(yīng)用,在同等功率要求下,可以顯著減少轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置的體積和質(zhì)量。轉(zhuǎn)盤慣剎采用氣壓控制的鉗盤式慣性剎車,可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤防反轉(zhuǎn)功能。慣剎護(hù)罩上留有較大觀察窗,方便觀察慣剎運行情況及剎車鉗的維護(hù)保養(yǎng)。ZP375 轉(zhuǎn)盤通過單、雙耳板及銷軸固定,拆裝靈活。其具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 主要部件及其主要技術(shù)參數(shù)

2.1 ZP375轉(zhuǎn)盤及主要技術(shù)參數(shù)

ZP375 轉(zhuǎn)盤主要由主補心裝置、轉(zhuǎn)臺裝置、錐齒輪副、輸入軸總成、鎖緊裝置、底座、上蓋等部件組成。輸入軸外端連接法蘭盤,內(nèi)側(cè)是傳動的小錐齒輪,軸通過一對圓柱滾子軸承及軸套座在殼體上。在軸的中間裝有制動棘輪,通過棘爪和大小錐齒輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的制動。轉(zhuǎn)臺通空中裝有方補心和方卡瓦,方補心和方卡瓦用鎖銷固定在轉(zhuǎn)臺體上,保證其在鉆井時不會因振動而跳出來。在鉆臺臺肩下方裝有大錐齒輪。齒輪上方裝有迷宮密封圈,用以防止泥漿漏入齒輪油池。ZP375 轉(zhuǎn)盤的通孔直徑為952.5 mm(37–1/2"),最大靜載荷為5 850 kN,最大工作扭矩為32 365 N · m,最高轉(zhuǎn)速為300 r/min,齒輪傳動比為3.56,外形尺寸(長× 寬× 高) 為2 443 mm×1 810 mm×718 mm, 質(zhì)量為8 010 kg(包括轉(zhuǎn)盤補心)。

2.2 交流變頻直驅(qū)電機及主要技術(shù)參數(shù)

該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置采用的低速大扭矩交流變頻直驅(qū)電機能效等級不低于GB 18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》中的二級。該電機性能、強度、溫升、振動、噪聲等方面均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,且符合石油鉆機的實際使用工況。電機適應(yīng)變頻器拖動和控制要求且采取了降噪措施,盡量降低了噪聲。該電機使用進(jìn)口SKF 軸承,采用進(jìn)口潤滑脂。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動靈活,軸承平穩(wěn)輕快,無停滯,滿足傳動要求。

該電機的額定電壓為600 V, 額定功率為600 kW,額定電流為702 A,額定頻率為20.5 Hz,額定轉(zhuǎn)速為400 r/min,恒功最高轉(zhuǎn)速為650 r/min,最高轉(zhuǎn)速為1 100 r/min,額定轉(zhuǎn)矩為14 325 N · m,額定效率為93.7%。根據(jù)該交流變頻直驅(qū)電機的特性參數(shù)對ZP375 轉(zhuǎn)盤的傳動動力作匹配計算,其結(jié)果見表1、圖2。

ZP375 轉(zhuǎn)盤最高轉(zhuǎn)速為300 r/min,最大工作扭矩為32 365 N·m,從表1、圖2 結(jié)果可以看出,采用該交流變頻直驅(qū)電機,能實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤最高轉(zhuǎn)速345.2 r/min,最大扭矩為38 353 N · m,滿足使用要求。由于該交流變頻直驅(qū)電機傳到轉(zhuǎn)盤時的最大扭矩38353 N · m超出了轉(zhuǎn)盤及鉆桿的最大扭矩32 365 N · m,故電控系統(tǒng)對電機輸出扭矩進(jìn)行了限制,從而避免了電機扭矩過大損壞轉(zhuǎn)盤或鉆桿。

2.3 球籠式萬向聯(lián)軸器及主要技術(shù)參數(shù)

球籠式萬向聯(lián)軸器是一種金屬彈性元件的柔性聯(lián)軸器,主要由外殼、內(nèi)球籠、外球籠、保持架等部分組成。其傳動方式是通過球籠外環(huán)和星形內(nèi)環(huán)分別與主、從動軸相聯(lián),傳力鋼球的中心位于通過聯(lián)軸器中心的平面內(nèi),并裝在由球形外環(huán)和星形內(nèi)環(huán)外球面凹槽組成的滾道中。兩個球面的中心與萬向聯(lián)軸器的中心重合,這樣保證了所有鋼球中心都在兩軸軸線間夾角的平分面上,從而保證了聯(lián)軸器主、從動軸間的轉(zhuǎn)速得以保持同步。該球籠式萬向聯(lián)軸器的設(shè)計、加工都以旋轉(zhuǎn)中心為基準(zhǔn),因此具有更高的動平衡精度。安裝距離的調(diào)整和軸向伸縮是通過球籠本體實現(xiàn)的,滑移阻力小,此外最大擺動角度為8°,傳動精度高,運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。該萬向軸最高轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,公稱轉(zhuǎn)矩為32 000 N · m,疲勞轉(zhuǎn)矩為112 000 N · m,伸縮量為–50~30 mm。

該球籠式萬向聯(lián)軸器的最大工作扭矩為9 091 N · m,最高轉(zhuǎn)速為1 068 r/min。

另外根據(jù)轉(zhuǎn)盤輸出法蘭與慣性剎車剎車盤的接口尺寸,以及總體設(shè)計空間,判斷所選球籠式萬向聯(lián)軸器滿足使用要求。

2.4 氣控盤式剎車及主要技術(shù)參數(shù)

該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置選用的慣剎為氣壓控制的鉗盤式剎車,該氣控盤剎所有的執(zhí)行器都有可調(diào)節(jié)的功能,用以調(diào)節(jié)剎車鉗和剎車盤之間的間隙,補償剎車墊的磨損,維持彈簧剎車鉗的力矩。該氣控盤剎的最大制動力矩為13 387 N · m,滿足使用要求。

3 試驗

該ZJ50DB 型石油鉆機直驅(qū)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置進(jìn)行了轉(zhuǎn)盤空運轉(zhuǎn)試驗,試驗步驟如下。

(1)運轉(zhuǎn)前檢查轉(zhuǎn)盤鎖定裝置,確認(rèn)轉(zhuǎn)盤沒有被鎖住。

(2)啟動轉(zhuǎn)盤電機,調(diào)整轉(zhuǎn)盤正轉(zhuǎn)速為50 r/min(電機轉(zhuǎn)速為178 r/min),運轉(zhuǎn)5 min。

(3)調(diào)整轉(zhuǎn)盤正轉(zhuǎn)速為100 r/min(電機轉(zhuǎn)速為356 r/min),運轉(zhuǎn)5 min,之后使用慣性剎車進(jìn)行剎車。

(4)調(diào)整電機反轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為100 r/min(電機轉(zhuǎn)速為356 r/min),運轉(zhuǎn)5 min,之后使用慣性剎車進(jìn)行剎車。

(5) 調(diào)整轉(zhuǎn)盤正轉(zhuǎn)速為180 r/min( 電機轉(zhuǎn)速640 r/min),運轉(zhuǎn)5 min,之后使用慣性剎車進(jìn)行剎車。

試驗結(jié)果表明,各項試驗數(shù)據(jù)均符合設(shè)計要求。

4 油田應(yīng)用情況

該ZJ50DB 型石油鉆機直驅(qū)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置已經(jīng)在油田現(xiàn)場5 000 m 鉆機上得到了應(yīng)用,根據(jù)油田現(xiàn)場的反饋信息,該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置完全滿足使用要求,且占據(jù)鉆臺空間小,傳動可靠,工作時噪聲較小,整體尺寸小、質(zhì)量輕,方便拆裝和運輸,效果良好。

5 結(jié)論

該ZJ50DB 型石油鉆機直驅(qū)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置有以下特點。

(1)該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置采用低速大扭矩交流變頻直驅(qū)電機替代常規(guī)電驅(qū)動轉(zhuǎn)盤的高速交流變頻電機,通過球籠式萬向聯(lián)軸器直接驅(qū)動轉(zhuǎn)盤,省去了中間齒輪減速箱這一大型傳動機構(gòu),簡化了傳動鏈,提高了傳動效率和可靠性,同時減少了中間故障點,降低了運行維護(hù)成本,更加方便轉(zhuǎn)盤的維護(hù)與保養(yǎng)。

(2) 該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置更加節(jié)能環(huán)保。采用的低速大扭矩交流變頻直驅(qū)電機能效等級不低于GB 18613—2020《電動機能效限定值及能效等級》中的二級,降低了作業(yè)能耗,減少了碳排放量,更加節(jié)能。此外,該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置噪聲更低,據(jù)現(xiàn)場測量,較常規(guī)轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置降噪約5~10 db(A)。由于取消了齒輪減速箱機構(gòu),減少了機油潤滑系統(tǒng),無油污污染,更加環(huán)保。

(3)該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置慣性剎車采用氣壓控制的鉗盤式剎車,該氣控盤剎的剎車鉗是專門針對惡劣工部設(shè)計的,完全通過含不銹鋼成分的硅青銅合金壓鑄而成,結(jié)構(gòu)堅固,可對應(yīng)長時間運行和高強度的生產(chǎn),且其所需要的維護(hù)保養(yǎng)極少。此外,該氣控盤剎所采用的剎車墊沒有石棉,對剎車盤無損耗,并且提供了相當(dāng)穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的磨損老化率。

(4)該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置的傳動軸采用球籠式萬向聯(lián)軸器,通過其獨特的結(jié)構(gòu)和設(shè)計,實現(xiàn)了電機軸和轉(zhuǎn)盤軸的高精度同步旋轉(zhuǎn)。此外,該球籠式萬向聯(lián)軸器還具有使用壽命長、傳動效率高、平衡精度高、運行噪聲低、安裝簡便等優(yōu)點。

(5)該轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置安裝尺寸小、質(zhì)量輕,比常規(guī)的ZJ50DB 型石油鉆機用轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置約減輕4.8 t,更加方便拆裝和運輸。

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