戴克文，李曉光，張曉軍，任偉，王嘉波，朱興

（遼寧陸海石油裝備研究院有限公司，遼寧 盤錦 124010）

海洋鉆井平臺(tái)關(guān)節(jié)式抓管機(jī)夾持器設(shè)計(jì)

戴克文，李曉光，張曉軍，任偉，王嘉波，朱興

（遼寧陸海石油裝備研究院有限公司，遼寧 盤錦 124010）

關(guān)節(jié)式抓管機(jī)是海洋鉆井平臺(tái)的重要組成部分，主要用于將懸臂梁堆場(chǎng)上的鉆井管具抓取到自動(dòng)化貓道上。夾持器是關(guān)節(jié)式抓管機(jī)的核心部件，主要負(fù)責(zé)鉆具的抓取工作。主要介紹了夾持器的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成、主要技術(shù)參數(shù)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)。該夾持器采用電控液的控制方式，具有夾持力大、控制精準(zhǔn)、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

鉆井平臺(tái)；關(guān)節(jié)式抓管機(jī)；夾持器；液壓系統(tǒng)

自動(dòng)化鉆井是目前海洋鉆井技術(shù)的主要發(fā)展方向，鉆具移運(yùn)排放系統(tǒng)是鉆井自動(dòng)化的重要組成部分。海洋鉆井平臺(tái)鉆具移運(yùn)排放系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在鉆機(jī)鉆進(jìn)的同時(shí)，完成立根的連接，立根的移動(dòng)和準(zhǔn)備工作，在起下鉆時(shí)實(shí)現(xiàn)二層臺(tái)立根的自動(dòng)排放。遼寧陸海石油裝備研究院有限公司從2014年開始對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，于2016年研制成功，并完成了聯(lián)合調(diào)試，成功應(yīng)用于TZ400自升式海洋鉆井平臺(tái)。這標(biāo)志著我國(guó)鉆具移運(yùn)排放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，打破了國(guó)外多年在此領(lǐng)域的壟斷地位。

1 關(guān)節(jié)式抓管機(jī)夾持器技術(shù)研究

在海洋鉆井作業(yè)中，夾持器的主要作用是完成單根的抓取，在下鉆前，通過關(guān)節(jié)式抓管機(jī)將單根由堆場(chǎng)抓至自動(dòng)貓道機(jī)，在起鉆后，通過關(guān)節(jié)式抓管機(jī)將單根由自動(dòng)貓道機(jī)抓至堆場(chǎng)。夾持器所有動(dòng)作完全采用液壓驅(qū)動(dòng)，體積小、效率高。可實(shí)現(xiàn)一次抓取多根不同直徑的管具，替代以往需要更換不同直徑吊具的難點(diǎn)，節(jié)省操作時(shí)間，提高效率。全部采用液壓遠(yuǎn)程操控，改善了操作人員的工作環(huán)境，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.1 夾持器的技術(shù)參數(shù)

抓管載荷：3.5噸

吊爪回轉(zhuǎn)角度：±180°

適用管具直徑長(zhǎng)度：3.5m～14m

抓管尺寸（同時(shí)夾持）：

2-7/8” ——6根，5-1/2” ——3根，6-5/8”——3根，8”——1根，9-1/2”——1根，13-3/8”——1根，20”——1根。

1.2 夾持器的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾持器主要由稱重傳感器、連接件、連接套、旋轉(zhuǎn)部件、橫梁連接件、平衡液缸、吊爪焊接件、限位機(jī)構(gòu)、活動(dòng)吊爪等部件組成，見圖1。

圖1 夾持器機(jī)械結(jié)構(gòu)

連接件通過稱重傳感器與關(guān)節(jié)臂連接，是夾持器與關(guān)節(jié)臂的過渡部件，稱重傳感器同時(shí)可以作為連接軸，承受著整個(gè)夾持器和所夾持管具的重量，并實(shí)時(shí)顯示其重量，在過載時(shí)向中控發(fā)出報(bào)警信號(hào)。連接套上方通過軸與連接件連接，該軸方向與稱重傳感器的方向垂直，以確保夾持器可在兩個(gè)方向活動(dòng)；連接套下方通過銷軸與旋轉(zhuǎn)部件連接，旋轉(zhuǎn)部件的軸孔為長(zhǎng)條孔，當(dāng)鉗爪落地失去載荷后，連接套會(huì)通過長(zhǎng)條孔提供一段緩沖距離，確保各個(gè)連接銷或機(jī)械部件不會(huì)受到?jīng)_擊造成損壞?；剞D(zhuǎn)部件靠液壓馬達(dá)、減速機(jī)通過齒輪驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)軸承來旋轉(zhuǎn)，同時(shí)配有編碼器，編碼器會(huì)將實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度反饋給中控系統(tǒng)。橫梁連接件上方通過銷軸與旋轉(zhuǎn)部件連接，下方通過溝槽卡住吊爪焊接件的軌道，可通過平衡液缸驅(qū)動(dòng)，在吊爪焊接件上來回滑動(dòng)。當(dāng)夾持器未夾持在鉆具重心時(shí)，會(huì)導(dǎo)致夾持器傾斜，這時(shí)可通過平衡液缸的動(dòng)作，使得夾持器處于水平狀態(tài)，確保抓管的穩(wěn)定性。吊爪焊接件和活動(dòng)吊爪是抓管的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，吊爪焊接件上焊有固定的吊爪，通過活動(dòng)吊爪的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)管具的夾持和松開，活動(dòng)吊爪由液缸驅(qū)動(dòng)，具有運(yùn)行穩(wěn)定、夾持力大等優(yōu)勢(shì)。在吊爪將管具抓起后，管具上方會(huì)有間隙，這時(shí)限位機(jī)構(gòu)開始工作，限位機(jī)構(gòu)通過自身的液缸驅(qū)動(dòng)限位壓板，將管具壓緊，達(dá)到了管具夾持的目的。夾持器抓管見圖2。

圖2 夾持器抓管圖

1.3 夾持器的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夾持器抓取管具時(shí)，液壓系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作順序依次為液壓馬達(dá)、夾緊液缸、限位液缸、平衡液缸，各動(dòng)作通過多路閥的換向來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)供油、回油通過快插接頭與油源連接，拆裝方便。夾緊缸負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)活動(dòng)吊爪抓取管具，在無桿腔設(shè)有平衡閥，確?；畹踝ψト」芫吆蟛粫?huì)自己打開。此外，夾緊缸管路中還設(shè)有電磁換向閥，在不給電的情況下，夾緊缸不會(huì)動(dòng)作，確保抓管的安全性。限位液缸負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)限位機(jī)構(gòu)，限位液缸同樣設(shè)有平衡閥，確保在無操作的情況下，限位機(jī)構(gòu)不會(huì)受外界的干擾而動(dòng)作，同時(shí)壓緊壓力達(dá)到平衡閥設(shè)定壓力，系統(tǒng)自動(dòng)液壓，以確保管具既能被壓緊又不會(huì)被損傷。在夾緊液缸和限位液缸的管路或閥塊中均設(shè)有測(cè)壓接頭和壓力繼電器，以保護(hù)管路的安全性，并能在需要時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)壓力。系統(tǒng)在液壓馬達(dá)、平衡液缸的管路中也都設(shè)有平衡閥，確保系統(tǒng)的安全可靠性。多路閥為多個(gè)比例控制閥集成體，可通過開口量控制系統(tǒng)動(dòng)作速度。夾持器液壓原理見圖3。

1.4 夾持器的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要采用電液比例控制形式，即主要?jiǎng)幼鞫加呻娨罕壤y控制，各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)比例閥、控制閥均集成為多路閥。編碼器可將信號(hào)傳遞給PLC，PLC經(jīng)過運(yùn)算后發(fā)出控制指令，所有操作均集中在控制室內(nèi)?？刂剖覂?nèi)設(shè)有操作手柄和觸摸屏，系統(tǒng)將各個(gè)動(dòng)作集成在控制手柄上，觸摸屏可實(shí)時(shí)顯示夾持器工作狀態(tài)，如系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)偏差，可通過觸摸屏隨時(shí)進(jìn)行修正。

圖3 夾持器液壓原理圖

2 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

（1）該夾持器結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，采用輕量化設(shè)計(jì)，在拆裝、運(yùn)輸上都非常便捷。

（2）該夾持器一次最多可抓取6根管具，大大的提高了作業(yè)效率。

（3）該夾持器動(dòng)作全部由液壓驅(qū)動(dòng)，具有運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠等優(yōu)勢(shì)。

（4）該系統(tǒng)采用電液比例控制，由控制室內(nèi)的操作手柄執(zhí)行，操作便捷、控制精準(zhǔn)、自動(dòng)化程度高，大大的提高了系統(tǒng)的工作效率，改善了操作人員的工作環(huán)境。

3 結(jié)語

目前，遼寧陸海研究院有限公司已完成了該項(xiàng)目的研發(fā)、制造、調(diào)試等工作。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該關(guān)節(jié)式抓管機(jī)夾持器能夠很好的實(shí)現(xiàn)管具的抓取工作，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、吊爪機(jī)構(gòu)、限位機(jī)構(gòu)、平衡液缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)和使用要求，并成功應(yīng)用于TZ400自升式海洋鉆井平臺(tái)，得到了專家和用戶的一致認(rèn)可。管具抓取試驗(yàn)見圖4。

圖4 夾持器管具抓取試驗(yàn)

[1]崔學(xué)政，張富強(qiáng)，肖文生等.海洋鉆井平臺(tái)折臂起重機(jī)設(shè)計(jì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械, 2009, 38 (11) : 28–31 .

[2]劉文慶，崔學(xué)政，張富強(qiáng).鉆桿自動(dòng)排放系統(tǒng)的發(fā)展和典型結(jié)構(gòu)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007,36（11）：74-77.

[3]王定亞，忽寶民，惠曉英，王璐，喬曉鋒.海洋鉆井平臺(tái)折臂式抓管機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J]. 石油機(jī)械, 2016, 44(08): 42-46.

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1671-0711（2017）12（上）-0112-02