海洋钻井平台立柱式排管机设计.pdf

20l 0钾 第 1 期 第 3 9卷 第 4 5贞 汕 矿 场 机 械 OI L F I E LD EQU1 P MENT 2 0 1 0 ， 3 9 1 4 5 ～ 4 9 o o 文 章 编 号 1 0 01 - 3 48 2 2 01 0 0 1 0 0 45 ～ 05 海洋钻井平 台立柱式排 管机 设计 崔学政 ， 刘文庆 ， 肖文生 ， 张 富强 ， 董磊 中国石油大学 华东机 电 工程学院 ， 山东 东营 2 5 7 0 6 1 摘要 排 管机 用 于在钻 台排 放 架与 井 口之 间往返 自动抓 取 与排放 钻 杆 ， 是 海洋钻 井 平 台钻杆 自动排 放 中最为繁忙的装置。介绍了立柱式排管机 总体机械结构组成及主要技 术参数 、 液压 系统原理及 控 制 方式 。设计 的排 管机 适 合 于双联 井架钻 机 ， 具 有操 作灵 活 可靠 、 运动 稳 定 、 操 作 空间 大等优 势 ， 适 合深 水半 潜 式钻 井平 台及 钻 井船钻 台立根 自动排放 操 作 。 关键 词 钻 杆 ； 排 管机 ； 自动 排放 ； 立柱 ； 设计 中图分 类号 T E 9 5 1 ． 0 3 文 献标 识码 A De s i g n f o r Co l u m n Pi p e Ra c ki n g De v i c e o f Of f s h o r e Dr i l l i n g Pl a t f o r m CUI Xu e z h e ng， LI U W e n qi ng， XI AO W e n ～ s he n g， ZHANG Fu qi a ng， DONG Le i Co l l e g e t f Me c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c En gi n e e r i n g， Ch i n a Un i v e r s i t y }Pe t r o l e u m ， Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ， C h i n n Ab s t r a c t Au t oma t i c p i pe r a c ki ng s y s t e m pl a y s a v e r y i m p or t a n t r ol e i n i m p r ov i ng s a f e t y a nd C O S t c ut t i n g o f of f s ho r e dr i l l i ng ． The p i pe r a c ki n g ma c hi ne i s u s e d f or t r a ns f e r r i n g d r i l l i ng p i pe s be t we e n t he we l l c e n t e r a n d s e t ba c k a r e a ．Pi p e r a c ki n g o n dr i l l f l o o r i s t he mos t f r e q u e nt pr oc e du r e i n a ut o ma t e d p i pe r a c k i ng o pe r a t i o n o f o f f s ho r e d r i l l i n g p l a t f o r m ． I n t hi s p a pe r，t h e ge ne r a l d e s i g n of c ol u m n pi pe r ac ki ng d e v i c e i s pr o v i de d， ma i n p a r a m e t e r s of t he me c ha ni s ms a r e i n t r o duc e d，hy dr a ul i c s y s t e m c ha r t a nd c o nt r o l m o d e of t he me c ha ni s m s a r e p r e s e n t e d ． The p i pe r a c k i n g ma c h i ne i nt r o duc e d i n t h i s pa p e r f i t s f o r du a l de r r i c k r i g，whi c h ha s man y a dv a n t a ge s l i ke r e l i a bl e op e r a t i on， wor ki n g s t a bi l i t y， l a r ge r wor ki n g r a ng e a n d c a n be us e d o n s e mi s ub m e r s i bl e dr i l l i n g pl a t f o r m or d r i l l i ng s hi p f o r p i pe r a c ki ng o pe r a t i o n． Ke y wo r ds d r i l l i ng p i pe； p i pe r a c k i ng d e v i c e； a u t o m a t e d p i pe r a c k i ng； c ol u m n； d e s i g n 海洋 钻 井平 台作业 自动化 操作 的关键 是各 类 管 件 包 括 钻 杆 、 钻 铤 等 ， 以下 统 称 为 钻 杆 的 自动 排 放 ， 钻 杆 自动排 放 系 统 可 以 实 现 钻 杆从 甲板 排 放 架 到井 口、 到钻 台排放 架 立 根 盒 之 间 的往 复 自动 化 排放 ， 排管 机是 钻 杆 自动排 放 系统 的一 个 重 要 组 成 部分 ， 主要 用 于钻 井过 程 巾在 钻 台排 放 架 与 井 口之 问往返 自动抓取与排放钻杆 。传统的钻杆排放操作 方式需要丁作人员与钻杆直接接触 ， 在起下钻过程 中 ， 司钻 、 井 台钻工 、 井 架工要 手 动密 切配 合 ， 稍有 不 慎便 可 能造 成事 故 。特 别是 在指 梁与 井 口之 间移送 钻 杆立 根时 ， 需要 二 层 台上 的井 架 工 直 接 接拆 移 送 立根 ， 危 险性 较 大 。另外 ， 在 海 上 作 业 常遇 风 浪 ， 工 作环境恶劣 ， 安全 问题更 为突 出， 钻井成本很高 ， 因 此加 快钻 井 速 度 、 缩 短 钻 井 周 期 就 显 得 尤 为 重 要 。 实现 钻井 过程 中的钻 杆 自动 化 操 作 ， 避 免 人 与 钻 杆 的直接接触 ， 可加快起下钻速度 ， 对降低海上钻井作 收 稿 E t 期 2 0 0 9 0 7 - 0 6 基金项 目 家高技术研究发展计 划 8 6 3计划 “ 深水半潜式 钻井船设 计与建造关键技术 ” 2 0 0 6 A A0 9 A1 0 4 部分成果 作者简介 崔 学政 1 9 6 1 ～ 。 男 ， I j_ I 尔安 匠人 ， 教授 ， 工 学硕 士， 主要从事机 械设计及 理论 和石油 机械设 计教学 与科研 工作 ， E ma i l c u i x z u p c ． e d u ． c n。 ． ． 石 油 矿 场 机 械 2 O 1 O年 1月 业成 本 ， 提高作业 安全 性将发 挥重要 作用 。 1 总体方案及 主要结构 1 ． 1总体 方案 立柱式 排管机 主要用 于实 现在井 口与钻台排放 架之间往返 自动移送钻杆立根操作， 还可与钻杆 自 动上下 钻 台系统 、 动 力辅 助 鼠洞 、 铁钻 工配合 完成离 线单根 接成立 根操 作 ， 而不 需要 借助起 升 系统 ， 不影 响钻进 。排 管机结构 形式 与钻 台排放架 指梁结 构形 式密切相关， 根据钻机型式及钻杆立根容量等因素 ， 排 放架 可设计成 星型 、 平行 型 和 X Y型 。海 洋 钻井 平 台大 型钻 机广 泛采 用 平 行 型结 构 ， 因为 平行 型排 放架 内可以存放较大数量的钻杆 ， 而且可以与甲板 钻杆 自动传送系统实现较好 的配合， 排放架指梁可 以调 节 ， 以满 足不 同 直径 管 柱 的要 求 。本 文 设 计 方案适合采用平行型排管架结构。 如 图 1 ， 排 管机 中心 具有 柱形 结 构 ， 立柱 是 排 管 机 的核 心承 载部件 ， 设计有 2个 自由度 ， 顶端 和底端 各 有 1 个 小车 机构 ， 可使排 管机沿 平行 型排放 架上 、 下 专用轨 道 同步 移 动 ， 以便 在 不 同 的排 放 架位 置 进 行 钻 杆 立 根 操 作 。立 柱 还 可 以 绕 自身 轴 线 旋 转 1 8 0 。 ， 带 动安装 于立 柱 上 的 2个 机 械手 臂 位 于 不 同 的方向 ， 以实现钻 杆 立根 选 择 面 向井 口或 面 向排 放 架 。面 向井 口时 ， 允许钻 机在井 口进 行立根 操作 ； 面 向排放 架时 ， 允 许 在 排 放架 取 放 立根 。安 装 于 立 柱 上的机 械手臂分 为上 部 的举 升臂 和下部 的扶 正臂 ， 2 个 机 械手 臂 相对 于立 柱 都具 有 2个 自由度 ， 2个 手 臂 的末端 均装有 夹 持手 爪 ， 可 以稳定 地 抓 住钻 杆 立 根 ， 举 升臂 和扶正 臂 末端 手 爪 能 同步 上 下 移动 或 同 步前 后移动 来提放 钻杆立 根或 前后送 取立 根 。 1 ． 2立柱 及上 下小车 有 3种设 计思 路 ①从 立柱 移动驱 动功 能 出发 ， 可只在 底部小 车上 设 计 驱动 装 置 ， 在立 柱顶 部 仅设 有滑轨 ， 以简化 驱动传 动链 ， 缺点 是 由于顶部无 驱动 力 ， 会造成 直线 运动不稳 定 ； ②从 提高运动 稳定性 出 发 ， 立 柱顶 部应设 计驱 动小 车 ； ③从立 柱转 动驱 动功 能出发， 在底部小车 内设计转动驱动装置就可 以实 现稳定 驱动立 柱 回转 。 立 柱移 动采用 上 、 下 小车 同步驱 动 ； 立柱 转动 仅 设计底部小车驱动。立柱总体结构如 图 1 ， 为一 铅 垂立式杆柱 ， 顶端与底端为驱动小车提供 了安装机 架 ， 中部设计安装 2 个操纵机械手臂。 就 直线 驱动 机 构来 看 ， 底 部 和顶 部小 车 的构 件 组成 、 工作原理完全相同， 只是顶部小车和底部小车 在上下方 向的整体构成上设计为反向布置， 顶部小 车没有立柱转动驱 动机构。图 2为底部小车结构， 包括立柱移动及转动驱动机构。小车左右移动驱动 运动链 对称 ， 液压 马达 与蜗 杆轴 固联 ， 通过 蜗轮减 速 后驱动左 、 右两侧对称设计的锥齿轮机构 ， 然后通过 两侧的圆柱齿轮与固定在轨道上 的齿条 啮合， 同时 驱动小 车沿 轨道 移动 。顶 部 和底部 小车通 过滚轮可 分别支 承在 二层 平 台滑 轨 与 钻 台滑 轨上 ， ． 二层 平 台 滑轨与井架固联 ， 钻台滑轨与钻台固聩， 轨道 为平面 直 轨 ， 侧 面安装 有齿 条 。利用蜗 轮蜗 杆的 自锁 功能 ， 可实现上 、 下小 车及 立柱 的 自锁定 位 。 1 一顶部滑轨 ； 2 - - 顶部 小车； 3 一排放架 ； 4 一举升臂组件 ； 5 一钻杆立根 ； 6 一立柱 ； 7 一扶正臂组件 ； 8 一底部小车 ； 9 - -- 底部滑轨 ； 1 O 一钻台 图 1 立 柱式 排管机结构 立柱转动驱动装置以底部小车本体为机架 ， 采 用 2个 串接 液 压 缸 同步 驱 动 ， 2个 液压 缸 中间设 有 齿条 ， 齿条与固联于立柱底端的齿轮啮合， 驱动立柱 绕 自身轴线旋转 。 1 ． 3机械 手臂 安装 于立柱 上 的机械手 臂分 为上部举 升臂 和下 部扶正臂， 2个机械手臂相对于立柱都具有 2个 自 由度 ， 手臂末端装有夹持爪， 可以稳固地抓住钻杆立 根 ， 同步上下 移动或 同步 前后 移动 ， 实现提放 钻杆立 根或前后送取立根。 第 3 9卷第 l期 崔 学 政 ， 等 海 洋 钻 井 平 台 立 柱 式 排 管 机 设 计 1 - - 立柱旋转齿轮齿条 ； 2 --一 蜗杆 ； 3 - 一锥齿 轮 4 - -d x 车移动齿轮齿条 ； 5 -- - 滚轮 ； 6 一立柱 图 2 底 部小车结构 a 举 升 臂 图 3为 举 升 臂组 件 ， 举 升臂 上 支 架 空套 在立 柱 上 ， 立 柱两 侧 固定 有齿 条 ， 下支 架 通过 齿 轮齿 条 啮合 与立 柱关 联 ， 上 、 下 支 架之 间安 装 伸缩 液 压缸 。举 升 主臂 、 举 升 副 臂 及 2根 附加 支 撑 臂 构 成 了 2个平 行 四边形 虚 约束 机构 。举 升 臂组 件具 有 2个 自由度 ， 其 中 1个 自由度 是 举 升 臂 整 体 沿 立 柱 上 下运 动 ， 带 动 夹持爪 及 钻杆 立 根上 提下 放 ， 是靠 举 升臂 液 压 马达驱 动齿 轮 减速 机构 后 由齿 轮齿 条机 构 来完 成 的 ， 当举 升液 马达 不工 作 时 ， 由锁 紧机 构将 举 升臂 下 支架锁 定 在 立柱 上 ； 另 1个 自由度 是 举 升 臂 液压 缸 驱动 上支 架 沿 立 柱 轴 线 上下 运 动 ， 根 据 椭 圆 机构 原 理 ， 夹 持爪 可 以在 水平 面 内做前 后 直线 运 动 ， 以实 现 钻杆立 根 靠近 或远 离立 柱 1立柱 ； 2 一 上支架 ； 3 - - 齿条 ； 4液压缸 ； 5 -- 液压马达 ； 6 ⋯下支架 ； 7 举 升副臂 ； 8举升主臂 ； 9 一手爪 图 3举升臂组 件结构 b 扶 正臂 图 4为 扶 正臂 组 件 ， 扶 正臂 支架 固定 在立 柱 上 ， 扶 正 主臂 及 副 臂 分 别 由 2条平 行 臂 构成 2 个平行四边形虚约束机构 。在支架和主臂之 间安 装有 液压 缸 。扶 正臂 组 件 也 具 有 2个 自由度 ， 其 中 1 个 自由度 由扶 正臂 液 压 缸 实 现 ， 另 1个 自由 度 由举 升 臂组 件通 过 立根 传递 实现 。扶 正臂 的设 置 消除 了钻 杆立 根在 移送 过 程 中产生 的 附加摆 振 。 2 1支架 ； 2立 柱 ； 3扶 正 副 臂 ； 4 液 压 缸 ； 5 一扶正主臂 ； 6 夹持爪 图 4扶正臂组件结构 举升臂和扶正臂构成的多个平行 四边形虚约束 机构 可保 证钻 杆 立根 始终 处 于稳定 的竖直 位置 并增 加承 载 能力 。 c 夹持 爪扶 正 臂 夹 持 爪 如 图 5 ， 通 过 液 压 缸 伸 缩实 现夹 持 爪 的 开合 ， 不 允 许所 夹持 的钻 杆 立 根 旋 转 。举升 臂 夹 持 爪 如 图 6 ， 沿 竖 直 方 向 由 3部 分组成 ， 底 部 机构 即夹 持 爪 与 扶 正臂 夹 持 爪 结 构 及 功能相 同 ； 中部 机 构并 联 3套滚 轮 夹持爪 ， 结 构 与扶 正 臂夹 持 爪基 本相 同 ， 只是 在爪 部增 设 了滚 轮 ， 可使 所 夹持 的钻杆 立根 旋转 ， 便 于旋 扣 ； 顶部 机构 即定 位 爪 用来 对 所夹 持钻 杆立 根 进行定 位 。 1 液压缸 ； 2 一 夹持 手爪 图 5 扶 正臂 夹持爪 4 8 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0年 1月 一 定位爪 ； 2 滚轮爪 ； 3 夹持爪 图 6 举 升臂央持爪 2主要技术参数 安全工作载荷 立柱 回转 角度 机械臂水 平操 作距 离 举 升臂垂 直操 作距 离 整 体高度 二 层 台安 装高 度 夹持 管材 尺寸 3 液压 系统及控制原理 液压 系统 原理如 图 7 。 1 2 0 k N O～ 1 8 0 。 1 ． 05 ～ 2 ． 95 m 7 ． 8 ～ 28 m 3 1 ．9 m 2 4 ．5 m O6 0． 3 ～ O5 0 8 mm 2 ～2 O英 寸 1 一过滤器 ； 2 一 冷却 器； 3 一电动机 ； 4 双联泵 ； 5 - - 一 变量泵 ； 6 电磁溢流阀 ； 7 一举 升臂 升降马达 ； 8 --底部小车液压马达 ； 9 一顶部小车液压马达 ； 1 0 ～扶正臂 伸缩液压缸 ； l 1 一举升臂伸缩液压缸 ； 1 2 立柱旋转液压缸 ； 1 3 一举升臂锁紧液压 缸； 1 4 一扶正臂夹持爪液压缸 ； 1 5 举 升臂下部夹持爪液压缸 ； 1 6 举升臂 中部滚轮爪液压缸 ； 1 7 ⋯举升臂上部定位爪液压缸 ； 1 8 电液 比例调速阀 ； 1 9 一 电液换向阀 ； 2 0 -- 一 液压锁 ； 2 1 一限速阀 ； 2 2 一缓冲阀 图 7 液压 系统原理 第 3 9 卷第 1期 崔学政 ， 等 海洋钻井 平台立柱式排管机设计 3 ． 1 钻杆 自动排放系统 钻 杆 自动 排 放 系 统 中 ， 通 过 电液 转 换 元 件 把控 制信 号进 行功 率放 大 ， 对 液压执 行 机构 进行 方 向 、 位 置和 速度 控制 。排 管 机 采 用 3泵 3回路 系 统 ， 液 压 系统的工作压力为 2 0 MP a ， 采用开式循环方式 。双 联齿轮左泵为小车移动和升臂升降 回路提供液流 ； 双 联 齿轮右 泵 为立柱 旋 转和 臂水 平 伸缩 回路 提供 液 流 。2个 回路 采用 电液 比例 调 速 阀对执 行 构 件 进 行 调 速控 制 。轴 向变量 柱 塞泵 为机 械臂 夹 持爪 夹持 及 锁 紧 回路提 供液 流 ， 采 用 电液 换 向 阀按 工 序 要 求 由 P L C控制 通 、 断液 流 。 夹持爪 夹持 回路 、 锁紧 回路 及立柱 旋转 回路 均 设 计 了液压 锁 。为 防止重力 超速 ， 在举 升 臂 回缩 回路 和 举升臂 下降 回路安 装 了限速 阀。小 车移 动 回路 设 计 了缓 冲阀 。各换 向阀均设计 了手动 应急控制 装置 。 3 ． 2 排 管机 液压 系统 在排 管机 液压 系统 中 ， 为保 证 上 、 下 小 车移 动 回 路 和举 升 臂两 侧升 降 回路 中 的 同步 驱 动 问题 ， 通 过 计 算 机采用 主 从式 同步 控 制 ， 让其 中一 个 回路 作 为 主 回路按 照系 统设 定 的速 度 运 行 ， 以 主 回路 执 行 构 件 位 置输 出为 理想 输 出 ， 从 回路 为 随动 回路 ， 实 时跟 踪 主 回路 的理 想输 出并 达 到 同步驱 动 。举 升臂 和扶 正 臂末 端夹 持爪 水平 运 动 的 同步 问题 由于二 者传 动 链 差别 很大 ， 动 力油 缸位 置 布置 也 大 不 相 同 ， 因 此 2 回路的理论瞬时流量需按运动几何关 系确定 。首先 由预设 程序 解算 出瞬 时 流 量 关 系 ， 然 后 按 照 主 从 式 的同步 控制 进行 实 时流 量协 调控 制来 实 现 同步 。所 有 控制 措施 都是 通过 不 断调 整 比例 调速 阀 的开 口来 ” ” 一 “” ” 达 到调 整 流量 目的 。 为 了 实现排 管 机各 执行 机构 的位 置 与速度 的伺 服 控制 ， 需要 多个 传 感器 的 实时监 测 ， 由于在执 行机 构 上安 装传 感器 不 方 便 ， 传 感 器 设 计 安 装 在 液 马达 轴 或液 压缸 上 。 4 结语 钻 台排管 是 海洋 钻井 平 台钻杆 自动排放 巾最 为 繁忙 的工 序 ， 钻杆 自动 排 放 对 提 高海 洋 石 油 钻 井 作 业 安 全性 及 降低作 业成 本 有重 要作 用 。本文 设计 的 立柱 式排 管机 是 平行 型钻 台排 放 架 结 构 ， 采 用 液 压 伺 服 驱动 ， 轨 道上 可 同时安 装 2套排 管 机独立 工作 ， 特别适 用 于双 联井 架钻 机 ， 具有 操作 灵 活可靠 、 运 动 稳 定 、 操作 空 问大 等优 势 ， 适合 深水 半潜 式钻 井平 台 及 钻井 船钻 台立 根 自动 排 放 操 作 ， 稍 加 改 造 后也 可 适 合 j r - 型钻 台排放 架使 用 。 参 考 文献 [ 1 一 ] D a v i d ， R e i d ． Va r c o i n t e r n a t i o n a l I n c ．T h e D e v e l o p me n t o f A u t o ma t e d D r i l l i n g R i g s [ R] ． D a l l a s I A D c ／ s P E Dr i l l i ng Co nf e r e n c e， 1 99 8 ． [ 2 ]Ha n s e n M D， E g i l l Ab r a h a ms e n ． I mp r o v i n g S a f e t y P e r f o r ma n e e Th r o u g h Ri g Me c h a n i z a t i o n [ R] ． Ams t e r d a m，Th e Ne t h e r l a n d s S P E／ I ADC Dr i l l i n g C o n f e r e nc e， 20 0] ． E 3 ] 刘文 庆 ， 崔学政 ， 张富强． 钻杆 自动排 放 系统 的发 展及 典 型结 构[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 1 1 7 4 7 7 ． [ 4 ] 机械 设计 手册 编委 会． 机 械设 计手 册 第 4卷I- K] ． 北 京 机 械 工 业 } i { 版 社 ， 2 0 0 4 ． 下期 目次预告 徐 玉龙等 油井解堵蠕动机器人 的设计 与分析 许 亮斌等 近海石油平 台动 态鲁棒 疲劳可靠性研究 褚 荣光等 均匀地应力下套管壁厚 对储 气井井筒受力的影响 赵淑 兰等 动力猫道技 术的 国内外现状 和发 展趋势 王锡洲等 闸板 防喷器胶芯的 密封及损 坏机 理分析 郭永峰等 AS D D深水钻 井装置 的研 制与海上试验 杨从新等 基 于数值试验 的常规转速部分流泵喉部参数研 究 陈 磊等 油气井井下节流技术研 究与应 用 常玉连等 新型修 井作业油管钳 系统 与卡紧机构设计 王 中辉等 往复 泵泵阀的强度计算 肖力彤等C a me r o n结构的防喷 器壳体 有限元分析 冯 定等轻型 可搬 迁式海 洋模 块化 钻修机 模块 划 分方 案 研 究 马 强 李江华 李 文彬 等 谢 文 江 等 赵 军友 等 卢 明峰 等 穆金峰等 何 毅 斌 等 王志云 刘 飞 等 高加 索等 李 克 宁 丰士俊 称 重 式 油 井 自控 计 量 器研 究 与 应 用 铅 模 打捞 器 的 研 制 与 应 用 连 续 管 检 测 系统 及 设 计 方案 高钢 级 管 线 钢 应 变 时效 行 为 对 其 应 用 的 影 响 隔热管清洗技术研 究 外穿过式涡流探 头在抽 油杆 缺陷检测 中的应用 超 深稠 油螺杆泵举升工 艺技 术研 究与应用 基 于 热 分 析 的 低 速 重 载 齿 轮 传 动 冷却 方 法研 究 可调 式燃气管线 自动防喷安 全阀设计 智 能 完 井 新技 术 绞车滚筒乱绳原 因分析及解 决办法 新 型钻 井柴油机供油装置设计与应 用 新型卡 瓦打捞 筒的研制及应 用