羅立臣　馬冬輝　孟慶元

（天津中海油工程設(shè)計(jì)有限公司 天津300452）

液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤在海洋固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

羅立臣馬冬輝孟慶元

（天津中海油工程設(shè)計(jì)有限公司 天津300452）

海洋固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)空間狹小、布局緊湊、要求設(shè)備具有尺寸小、質(zhì)輕、集成度高、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)，而傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動(dòng)方式存在傳動(dòng)鏈長(zhǎng)、傳動(dòng)部件多、傳動(dòng)裝置復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸龐大等問題，在模塊鉆機(jī)尺寸有特殊要求的情況下安裝難度大、使用和維修不便，影響總體布局和結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)。針對(duì)上述情況，通過液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤與電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤小巧輕便、易于建造安裝、能夠優(yōu)化鉆臺(tái)結(jié)構(gòu)、操作維護(hù)費(fèi)用低、安全可靠等特點(diǎn)，可為空間有特殊要求的海洋固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)提供一定的參考。

模塊鉆機(jī)；液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤；電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤；設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引 言

轉(zhuǎn)盤是鉆機(jī)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)及分配、改變動(dòng)力傳遞方向、旋轉(zhuǎn)和懸掛鉆具的重要設(shè)備。海洋固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)選用的轉(zhuǎn)盤驅(qū)動(dòng)通常為目前技術(shù)相對(duì)成熟的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，然而電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有傳動(dòng)鏈較長(zhǎng)、傳動(dòng)部件多、傳動(dòng)裝置復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大以及質(zhì)量重等特點(diǎn)，具體布置時(shí)也存在一定限制。海洋固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)由于空間狹小、布局緊湊，所以要求設(shè)備具有尺寸小、質(zhì)量輕、集成度高、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)。然而電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤尺寸經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)備不易安裝和操作維修，且導(dǎo)致主機(jī)過重，影響主機(jī)的移運(yùn)性能，作業(yè)效率也較低，給現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用帶來較大不便［1］。針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外研究改進(jìn)、開發(fā)創(chuàng)新了多種新型石油鉆機(jī)，涌現(xiàn)出許多新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)，液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤就是其中之一［2］。液壓驅(qū)動(dòng)因?yàn)槌叽缧?、質(zhì)量輕、傳遞扭矩大、傳動(dòng)鏈短、省去了電控設(shè)施等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)式平臺(tái)和鉆井船上的應(yīng)用遠(yuǎn)大于電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，因此對(duì)于在海上固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)上推廣液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤具有重要意義。

1　液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì)

1.1液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的構(gòu)成

液壓轉(zhuǎn)盤采用液壓傳動(dòng)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，省去復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)鏈［3］。以ZP375轉(zhuǎn)盤為例，液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1　液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)

ZP375轉(zhuǎn)盤為7 000 m模塊鉆機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置轉(zhuǎn)盤，主要參數(shù)如下：

通孔直徑： 952.2 mm （37.5 in）

最大靜載荷： 5 850 kN

最大工作扭矩： 32 kN·m

最高轉(zhuǎn)速： 300 r/min

齒輪傳動(dòng)比： 3.56

1.2液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的原理

液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2　液壓系統(tǒng)原理圖

液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的閉式液壓系統(tǒng)由主液壓回路、冷卻回路、過濾回路、補(bǔ)油回路、控制回路、制動(dòng)回路組成。主液壓回路由雙向變量柱塞泵、柱塞馬達(dá)組成［4］。系統(tǒng)主泵的變量由斜盤控制，液壓轉(zhuǎn)盤馬達(dá)經(jīng)行星減速器（減速比i=8.7）后給轉(zhuǎn)盤提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，主泵高壓出口處設(shè)有雙向溢流閥，用于液壓油泵與液壓馬達(dá)的過載保護(hù)；系統(tǒng)產(chǎn)生的部分熱油經(jīng)沖洗閥、冷卻器返回油箱，采用2-6齒輪泵作為補(bǔ)油泵，2-1為低壓溢流閥，控制補(bǔ)油壓力；粗過濾器設(shè)在補(bǔ)油泵的吸油管路上，精過濾器設(shè)在散熱回路的排油管上?？刂苹芈罚簭闹鞴苈啡毫π盘?hào)，經(jīng)過減壓閥直接伺服油缸，改變斜盤擺角，多余油液經(jīng)梭閥 、溢流閥回油箱。制動(dòng)回路：通過先導(dǎo)閥手柄回到中位，封鎖變量泵的進(jìn)出油口，使液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)靜液壓制動(dòng)（低扭矩制動(dòng)），轉(zhuǎn)盤高扭矩（反扭矩）釋放時(shí)，通過調(diào)節(jié)高壓溢流閥，使柱塞馬達(dá)變成油泵工況，通過溢流閥令馬達(dá)緩釋鉆桿產(chǎn)生反扭矩［5］。

2　電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤與液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的應(yīng)用對(duì)比

以陸豐7-2模塊鉆機(jī)為例，比較液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤與電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤。

2.1項(xiàng)目介紹

陸豐7-2模塊鉆機(jī)是7 000 m交流變頻驅(qū)動(dòng)模塊鉆機(jī)，上部組塊與模塊鉆機(jī)整體采用低位浮拖法安裝在導(dǎo)管架上，低位浮拖對(duì)整體設(shè)施的質(zhì)量質(zhì)心要求非常嚴(yán)格，本項(xiàng)目要求模塊鉆機(jī)質(zhì)量不能超過2 100 t，所以，最大限度壓縮模塊鉆機(jī)內(nèi)部空間，優(yōu)化總圖布局，設(shè)備輕型化，為結(jié)構(gòu)減重等成了設(shè)計(jì)的重中之重。在已配置1臺(tái)高性能頂驅(qū)的情況下，使用轉(zhuǎn)盤鉆井的可能性非常小，轉(zhuǎn)盤承擔(dān)的任務(wù)更多是懸掛鉆具、夾持鉆具、配合鉆具上卸扣、應(yīng)急工況下活動(dòng)鉆具等，所以不需要很高的轉(zhuǎn)速。在此種情況下，經(jīng)過論證，確認(rèn)使用ZP375型號(hào)液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤。

2.2質(zhì)量對(duì)比

電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤主要包括：傳動(dòng)軸、減速箱、電機(jī)（包括風(fēng)機(jī)和鹽霧過濾器）、氣胎離合器等主要部件，見圖3。

圖3　電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)

在總體質(zhì)量方面，液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤重7 970 kg較電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的17 555 kg質(zhì)量約輕了10 t，極大地減輕了鉆機(jī)總體質(zhì)量，降低了結(jié)構(gòu)承載力要求。所以液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤更具適用性。

2.3尺寸對(duì)比

液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤與電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的尺寸對(duì)比如表1所示。

表1　尺寸對(duì)比表

轉(zhuǎn)盤的安裝尺寸主要受限于鉆臺(tái)面井架下方支撐梁的影響，70/450模塊鉆機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置的井架底部開檔為9 144 mm×9 144 mm，轉(zhuǎn)盤中心和井架大腿中心重合，所以鉆臺(tái)中心到井架大腿中心之間的距離只有4 572 mm，梁的面板邊緣距離轉(zhuǎn)盤中心尺寸為4 347 mm。電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤安裝圖見下頁圖4，液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤安裝圖見下頁圖5。

圖4　電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤安裝圖

圖5　液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤安裝圖

由圖3可知電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤裝置安裝所需的最小尺寸約為4 364 mm，此距離未包括安裝所需的安全距離。這就導(dǎo)致轉(zhuǎn)盤電機(jī)會(huì)跟井架大腿支撐梁出現(xiàn)干涉（圖中陰影部分），轉(zhuǎn)盤電機(jī)安裝非常困難，尤其是電機(jī)尾部的轉(zhuǎn)盤編碼器安裝難度非常大，給建造帶來很大麻煩。在其他項(xiàng)目中發(fā)生過為了轉(zhuǎn)盤的安裝而對(duì)井架底部大梁面板切割的情況，嚴(yán)重影響了梁的整體性和強(qiáng)度，為高載荷、高頻率、高振動(dòng)的鉆井作業(yè)帶來一定風(fēng)險(xiǎn)。

液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤裝置安裝所需的最小尺寸約為2 050 mm，由于長(zhǎng)度方面比電機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)短約2 300 mm，所以很好地解決了轉(zhuǎn)盤安裝時(shí)的碰撞問題，降低了建造安裝難度。

2.4安全性對(duì)比

轉(zhuǎn)盤下方為與防噴器連接的喇叭口，為泥漿敞開區(qū)，泥漿中可能攜帶有毒有害、易燃易爆的氣體，根據(jù)API RP 505《1級(jí)0區(qū)、1區(qū)和2區(qū)石油設(shè)施電氣安裝區(qū)域劃分的推薦做法》，將其劃分為一級(jí)一類危險(xiǎn)區(qū)。所以要求電機(jī)采用防爆電機(jī)。因?yàn)榇藚^(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)，轉(zhuǎn)盤冷卻風(fēng)機(jī)無法就地取風(fēng)，需要外接引風(fēng)管將進(jìn)風(fēng)口引到安全區(qū)域，風(fēng)管安裝鹽霧過濾器（圖6中紅色方框內(nèi)），延緩海水濕度大和鹽分重對(duì)電機(jī)的腐蝕，鹽霧過濾器和風(fēng)管的安裝困難，在本來有限的空間內(nèi)，占用維修通道，影響風(fēng)管附近泥漿槽的清理和閥門的維修。從圖6冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)管和鹽霧過濾器的安裝可以看出，該區(qū)域空間非常狹小，不便于操作。

圖6　冷卻風(fēng)機(jī)風(fēng)管和鹽霧過濾器的安裝

此外，鉆臺(tái)上鉆井作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)盤區(qū)非常臟，尤其下鉆作業(yè)時(shí)，泥漿從鉆桿流出漫延到整個(gè)轉(zhuǎn)盤區(qū)域，泥漿和沖洗泥漿的水滴濺到轉(zhuǎn)盤電機(jī)上，要求電機(jī)防護(hù)等級(jí)較高。然而防護(hù)等級(jí)過高，影響電機(jī)散熱，所以轉(zhuǎn)盤電機(jī)區(qū)域的工作環(huán)境非常惡劣，影響電機(jī)的使用壽命。如果設(shè)備使用不當(dāng)，還會(huì)造成安全事故。

由于液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤不存在用電設(shè)備，無需采用防爆設(shè)備，設(shè)備使用的液壓油在液壓站處冷卻，所以不需要單獨(dú)的冷卻設(shè)備，很好地解決了電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤工作環(huán)境惡劣、散熱差、冷卻風(fēng)機(jī)鹽霧過濾器和風(fēng)道安裝困難的難題，節(jié)約鉆機(jī)內(nèi)部空間，非常適合在相對(duì)狹小的空間使用，安全性和可靠性大大提高。

2.5所需公用資源對(duì)比

所需公共資源對(duì)比如表2所示。

表2　公用資源對(duì)比表

可見，液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤所需公用資源少，減少了設(shè)備接口和維修點(diǎn)。

3　結(jié) 論

液壓轉(zhuǎn)盤采用液壓驅(qū)動(dòng)，具備大扭矩功能，在使設(shè)備瘦身的同時(shí)，優(yōu)化功能配置；并且，由于功率大幅減小，成本也隨之大幅降低，從而提高鉆機(jī)整機(jī)的性價(jià)比。

液壓傳動(dòng)具備良好的變負(fù)載自適應(yīng)能力，即在負(fù)載增大時(shí)自動(dòng)減小轉(zhuǎn)速，輸出適應(yīng)負(fù)載的大扭矩；反之，在負(fù)載減小時(shí)自動(dòng)增大轉(zhuǎn)速，輸出適應(yīng)負(fù)載的小扭矩，在整個(gè)負(fù)載變化過程中始終保持高效率工作。這一優(yōu)勢(shì)使其非常適用于處理鉆井時(shí)的異常負(fù)載和進(jìn)行事故處理。盡管目前海洋模塊鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤常采用電驅(qū)動(dòng)方式，液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤使用頻率較低，但液壓轉(zhuǎn)盤在滿足海洋鉆井工藝要求的條件下，相比機(jī)械驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤突顯尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性能高等優(yōu)勢(shì)越來越受重視，液壓轉(zhuǎn)盤將會(huì)成為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的發(fā)展方向，值得不斷進(jìn)行深入研究。

目前恩平23-1模塊鉆機(jī)（7 000 m模塊鉆機(jī)）和恩平18-1模塊鉆機(jī)（4 000 m模塊鉆機(jī)）正在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，恩平18-1模塊鉆機(jī)的井架大腿跨度是9 000 mm×6 000 mm，其尺寸小于之前的陸豐7-2鉆井模塊的井架尺寸，整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，對(duì)轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)尺寸要求更高。有了陸豐7-2模塊鉆機(jī)的使用先例和以上對(duì)比分析，計(jì)劃在恩平23-1模塊鉆機(jī)和18-1模塊鉆機(jī)上使用液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤。隨著液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤在固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)上使用日益增多，液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤也勢(shì)必在固定平臺(tái)模塊鉆機(jī)上得到大力推廣和應(yīng)用。

［1］ 應(yīng)保連，余利軍，楊森．轉(zhuǎn)盤的液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)［J］．石油機(jī)械，2004（3）：54-55.

［2］ 王學(xué)義，黃悅?cè)A，賴笑輝.海洋鉆井用旋轉(zhuǎn)支撐轉(zhuǎn)盤液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011（5）：53-56.

［3］ 張仁杰，沃風(fēng)林，李學(xué)文.小修井液壓轉(zhuǎn)盤的研制與應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2009（9）：71-73.

［4］ 雷天覺.新編液壓工程手冊(cè)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1998：503-533.

［5］ 劉凱.液壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的設(shè)計(jì)與性能分析［J］.煤炭技術(shù)，2006（6）：28-29.

Design and application of hydraulic drive rotary table of modular drilling rig on offshore fixed platform

LUO Li-chen MA Dong-hui MENG Qing-yuan
(CNOOC Tianjin Engineering Design Co., Ltd., Tianjin 300452, China)

Owing to small space and compact layout, the modular drilling rig on the offshore fixed platform has to meet the requirement of small scale, light weight, high integration, operational safety and reliability. However, there are several problems for the traditional motor-driven pattern, such as long transmission chain, many transmission parts, complex transmission devices, large structural dimensions and heave weight, etc. As a result, it is difficult to be installed and is inconvenient for usage and repair under special requirements, which affects the design of overall layout and structural configuration. In view of the above situation, it compares the hydraulic drive rotary table with the electrical drive rotary table. It is concluded that the hydraulic drive rotary table can be characterized of small footprint, light weight, easy installation and construction, capability of structural optimization, low cost of operational maintenance, and great safety and reliability. It can provide certain reference for the modular drilling rig with the special space requirements on the offshore fixed platform.

modular drilling rigs; hydraulic drive rotary table; electrical driven rotary table; design and application

U674.38

A

1001-9855（2015）02-0074-05

2014-09-10；

2014-10-08

羅立臣（1980-），男，工程師，研究方向：海洋石油工程設(shè)計(jì)。馬冬輝（1984-），男，工程師，研究方向：海洋石油工程設(shè)計(jì)。孟慶元（1987-），男，碩士，助理工程師，研究方向：海洋石油工程設(shè)計(jì)。