馮守宇，鄧忠彬，李 浩，蔣代強

(1. 天津濱海概念人力資源有限公司 天津300452；2. 中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部 天津300452； 3.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津300452)

1 轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)的功能

隨著海洋石油產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，海洋石油工程取得了巨大的進步，海洋石油修井機的驅(qū)動方式也發(fā)生了巨變，由傳統(tǒng)的柴油機變速箱驅(qū)動方式改為電機驅(qū)動方式。由于交流變頻電機具有噪音小、振動小、轉(zhuǎn)矩大、能實現(xiàn)無級變速等優(yōu)點，再加上無廢氣產(chǎn)生，對大氣和海洋環(huán)境沒有任何破壞，由交流變頻電機取代柴油機作為動力系統(tǒng)已成為修井機未來發(fā)展的必然趨勢。

轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)是海洋石油修井機旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的核心部件。在海洋石油電驅(qū)修井機的設(shè)計中，轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性直接影響到井下作業(yè)的進度和安全。它采用目前最先進的交流變頻電機和鏈條減速箱為轉(zhuǎn)盤提供動力，通過控制按鈕和觸摸屏完成對轉(zhuǎn)盤的方向和扭矩控制。可以實現(xiàn)無極變速，能更精確地完成作業(yè)任務(wù)[1]。其功能如下：

①用轉(zhuǎn)盤鉆進或處理事故時，用于旋轉(zhuǎn)鉆柱；

②為鉆具提供足夠大的扭矩和必要的轉(zhuǎn)速；

③起下鉆時，承托井中管柱重量或鉆桿柱重量；

④完成鉆具、鉆桿、管柱的連接、卸扣以及打撈作業(yè)；

⑤鉆進時承受鉆柱上的反作用力矩；

⑥鉆定向井時調(diào)整和控制下井鉆頭的方位。

2 轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)的組成及工作原理

轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)由轉(zhuǎn)盤主電機、轉(zhuǎn)盤主電機冷卻風(fēng)機、鼓型齒式聯(lián)軸器、鏈條箱、慣剎氣胎離合器、橇座、萬向聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器、轉(zhuǎn)盤等主要部件組成。

轉(zhuǎn)盤的扭矩由轉(zhuǎn)盤主電機(交流變頻電機)經(jīng)鼓型齒式聯(lián)軸器、鏈條減速箱、萬向聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器傳遞給轉(zhuǎn)盤，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進、修井等功能[2]。由于采用了交流變頻電機，可根據(jù)鉆修井工藝的要求，手動調(diào)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，達到控制轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速的目的，以獲得理想的轉(zhuǎn)速和扭矩。轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)組成 Fig.1 Components of turntable drive system

3 轉(zhuǎn)盤驅(qū)動裝置的主要部件設(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)盤主電機選型設(shè)計

轉(zhuǎn)盤主電機的選型應(yīng)參照中國海洋石油總公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QHS 2007.1—2013《海上石油平臺修井機 第1部分：設(shè)計》[3]，根據(jù)最大鉤載來選擇轉(zhuǎn)盤，根據(jù)轉(zhuǎn)盤的扭矩來選擇電機。該電機必須具備一類二區(qū)的防爆能力，如最大鉤載為1350kN，轉(zhuǎn)盤選擇ZP275，最大扭矩為28kN·m，若鏈條箱的傳動比為3.67，則電機的扭矩應(yīng)選擇在7.6kN·m。根據(jù)廠家交流變頻電機的選型手冊，應(yīng)選擇YJ23L10交流變頻電機作為轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)的原動力。電機在額定點應(yīng)具有1.5倍過載能力，持續(xù)時間1.5min，間隔5min。主要參數(shù)如下：

額定功率600kW；額定電壓690V；額定電流IN＝605A；額定頻率fN＝33.5Hz；額定轉(zhuǎn)速nN＝661r/min，額定轉(zhuǎn)矩TN＝8669N·m；防爆等級ExdeIIBT3Gc。

3.2 轉(zhuǎn)盤主電機風(fēng)機的選型設(shè)計

由于轉(zhuǎn)盤主電機功率較大，在工作的時候瞬間會產(chǎn)生巨大熱量，故需要進行散熱處理。一般采取風(fēng)冷的方式進行散熱。采用11kW交流異步電動機對電機內(nèi)部的定子和轉(zhuǎn)子進行散熱處理，并將熱量通過風(fēng)道排放到安全區(qū)域。為了防止在沒有開風(fēng)機的情況下，轉(zhuǎn)盤主電機意外啟動，在風(fēng)道處應(yīng)設(shè)計風(fēng)壓開關(guān)和檢修開關(guān)，與轉(zhuǎn)盤主電機的啟動按鈕連鎖啟動，確保轉(zhuǎn)盤主電機在正常散熱的情況下啟動，從而杜絕主電機因過熱而造成損壞的事故發(fā)生。在海洋的鹽霧環(huán)境下，為了避免鹽霧和潮氣進入電機內(nèi)部引發(fā)電機故障，在電機的進風(fēng)口需設(shè)計鹽霧過濾器，對空氣中的鹽霧進行過濾和攔截。

3.3 交流變頻器選型設(shè)計

交流變頻器的選擇應(yīng)根據(jù)電機的功率來選擇。同時還要考慮滿足電機過載要求。

如選用的西門子S120800kW的變頻器，基準(zhǔn)負載電流724A，過載1.5倍可以達到1086A，允許時間60s(間隔時間5min)，而主電機1.5倍過載時電流為714A×1.5＝1071A＜1086A，因此變頻器滿足電機1.5倍過載要求(5min內(nèi)允許過載1min)。

3.4 鏈條箱的設(shè)計

鏈條減速箱的功能是可實現(xiàn)一級減速，提供所需要的傳動比。鏈條箱由箱體、輸入軸總成、輸出軸總成附件組成。

鏈條箱箱體為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，具有足夠的強度和剛度，箱子頂部設(shè)有蓋板，便于觀察鏈條運轉(zhuǎn)情況。另外箱體上需設(shè)有空氣濾清器孔等。

輸入軸總成與動力端相連，由輸入軸、輸入鏈輪、左右軸承、左右軸承座、軸承蓋、油封等件組成。輸出軸總成與傳動軸相連，由輸出軸、輸出鏈輪、左右軸承、左右軸承座、軸承蓋、油封、慣剎離合器等零件組成。

轉(zhuǎn)盤鏈條箱鏈條和軸承采用飛濺潤滑方式。

3.5 轉(zhuǎn)盤的選型設(shè)計

轉(zhuǎn)盤是一個用兩個錐齒輪將動力端傳來的水平旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)榇怪毙D(zhuǎn)運動的機構(gòu)。轉(zhuǎn)盤總成主要由轉(zhuǎn)盤、法蘭、轉(zhuǎn)盤固定裝置等組成。轉(zhuǎn)盤的安裝應(yīng)在鉆臺上找正井口中心后，現(xiàn)場配焊定位裝置。轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)盤梁之間一般采用 V形定位塊連接[3]。

轉(zhuǎn)盤的選型取決于轉(zhuǎn)盤的主要參數(shù)。如最大鉤載為1350kN，轉(zhuǎn)盤選擇ZP275。主要參數(shù)如下：

通孔直徑698.5mm；最大靜載荷5000kN；最大扭矩28kN·m；傳動比3～4；最高轉(zhuǎn)速300r/min；中心距1353mm。

3.6 轉(zhuǎn)盤剎車系統(tǒng)的設(shè)計

轉(zhuǎn)盤剎車系統(tǒng)采用氣胎離合器來完成轉(zhuǎn)盤的剎車。充氣剎車，放氣抬離合，可實現(xiàn)過扭矩保護，當(dāng)電動機斷電、氣胎離合器進氣時實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤制動。轉(zhuǎn)盤剎車應(yīng)設(shè)計安裝在轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器之后，以便在轉(zhuǎn)盤剎車后轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器能實時監(jiān)測轉(zhuǎn)盤的動態(tài)扭矩。

3.7 橇座的設(shè)計

橇座用來安裝固定主電機和鏈條箱，便于安裝和運輸。橇座通過4組V形定位塊固定在鉆臺橇上。交流變頻電機通過4條螺栓與底座上的墊塊連接，采用調(diào)整墊調(diào)節(jié)安裝高度，鏈條箱輸出軸總成一端與氣胎離合器磨擦轂相連接。橇座主梁由20#工字鋼組焊而成，整體剛性好；為方便安裝運輸時吊運，橇座四周應(yīng)設(shè)計有吊裝耳。

3.8 司鉆房按鈕控制的設(shè)計

根據(jù)實際需要，在司鉆房的操作臺上應(yīng)設(shè)計一些控制按鈕或開關(guān)，以方便司鉆對轉(zhuǎn)盤進行精確控制。它包括選擇開關(guān)、控制旋鈕、相關(guān)指示和按鈕。

選擇開關(guān)包括：轉(zhuǎn)盤的啟/停、轉(zhuǎn)盤方向選擇(正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn))、轉(zhuǎn)盤慣剎(自動、剎車、解除)。

控制旋鈕包括：轉(zhuǎn)盤扭矩限制(0～150%)和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速給定(0～300r/min)。

轉(zhuǎn)盤變頻器相關(guān)指示包括：轉(zhuǎn)盤運行燈、轉(zhuǎn)盤故障燈、轉(zhuǎn)盤變頻電流表。

按鈕：轉(zhuǎn)盤變頻器故障復(fù)位。

3.9 PLC及觸摸屏的設(shè)計

轉(zhuǎn)盤離合器掛合的情況下，在正常模式時，通過觸摸屏來完成轉(zhuǎn)盤的操作。觸摸屏軟件操作界面 見圖2。

圖2 觸摸屏軟件操作界面 Fig.2 Operation interface of touch screen software

設(shè)計的觸摸屏至少應(yīng)該包含：啟動按鈕、停止按鈕、復(fù)位按鈕、快速回零按鈕、轉(zhuǎn)速減小按鈕、轉(zhuǎn)速增加按鈕、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)盤扭矩限制值。

通過設(shè)定轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速來計算并控制電機的轉(zhuǎn)速，從而控制轉(zhuǎn)盤的實際轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)盤扭矩限制值主要是限制轉(zhuǎn)盤逆變器的輸出。一旦井下有事情發(fā)生，出現(xiàn)卡鉆的情況，限制轉(zhuǎn)盤逆變器扭矩值的輸出可避免造成鉆桿擰斷等嚴(yán)重后果，保障鉆修井操作的安全性。

觸摸屏還要提供轉(zhuǎn)盤動態(tài)扭矩值的顯示。轉(zhuǎn)盤扭矩是通過轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器進行間接測量的。轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器對傳動軸扭矩的測量加上一定的傳動比，即為轉(zhuǎn)盤的動態(tài)扭矩。

3.10 轉(zhuǎn)盤的啟動條件的設(shè)計

由于轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)較為復(fù)雜，其啟動的過程需要按照一定的操作規(guī)程才能完成轉(zhuǎn)盤的啟動操作。具體條件如下：

①確保轉(zhuǎn)盤整流模塊DSU已經(jīng)合閘，并且處于正常狀態(tài)；

②轉(zhuǎn)盤逆變器處于“遠程”模式；

③轉(zhuǎn)盤逆變器已經(jīng)合閘，并處于正常狀態(tài)；

④檢修開關(guān)、風(fēng)機開關(guān)處于正常狀態(tài)；

⑤點擊“啟動”按鈕，程序?qū)⒆詣訂优c轉(zhuǎn)盤電機相關(guān)的輔助電機，如轉(zhuǎn)盤風(fēng)機、轉(zhuǎn)盤油泵，當(dāng)這些電機已經(jīng)啟動，有反饋信號(其反饋信號將顯示在轉(zhuǎn)盤電機參數(shù)里面)以后，程序再啟動變頻器；

⑥轉(zhuǎn)盤逆變器正常啟動后，轉(zhuǎn)盤的各項參數(shù)都會正常顯示，電流值一般在200A左右。

4 結(jié)語

海洋石油電驅(qū)修井機轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)性能的好壞在很大程度上取決于其主要部件的配合選型設(shè)計[4]。考慮到現(xiàn)場的實際情況，為了方便司鉆操作的便利性，系統(tǒng)的操作應(yīng)設(shè)計2種控制模式：正常模式(觸摸屏操作)和應(yīng)急模式(司鉆臺按鈕操作)。在系統(tǒng)的PLC電路出現(xiàn)故障的時候仍然能夠在應(yīng)急模式下完成轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)的操作。

綜上所述，電驅(qū)修井機轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)的選型設(shè)計中需要考慮各部件的配合特點，特別是考慮海洋石油現(xiàn)場的環(huán)境特點，防爆、防護及防腐要求。目前電驅(qū)修井機轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)還存在諸多問題，比如轉(zhuǎn)盤主電機的抗腐蝕能力尤其不足，應(yīng)注意避免安裝在不通風(fēng)和潮濕的地方。因此，在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)，全面優(yōu)化轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，讓電驅(qū)修井機轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計更加完美，將是海洋修井機設(shè)計師們不斷追求的目標(biāo)。