海洋钻井用旋转支撑转盘液压传动设计.pdf

2 0 l 1 年 第 4 O卷 第 5期第 5 3页 汕 矿场 机械 OI L F I E LD E QUI P MENT 文 章 编 号 1 O01 34 8 2 2 01 1 0 5 - 0 0 53 0 4 海洋钻井 用旋转支撑转盘液压传动设计 王学义 ， 黄悦 华 ， 赖笑辉 宝 鸡 油 机 械 有 限 责 仟 公 司 ， 陕 西 宝 鸡 7 2 1 0 0 2 摘要 机械 驱动 旋 转 支撑 转盘存 在传 动链 长 、 部 件 多、 整机 质量 大、 在 钻 井平 台布置 困难等 问题 。设 计 了液 压驱动 的旋 转 支撑 转盘 ， 低速 大扭 矩 液压 马达安 装在 常规转 盘输入 轴 端 ， 采 用先进 的 闭式液 压控 制 系统和远 程 电液 比例控 制方 案 。在 海 洋钻 井平 台的应 用 表 明 ， 该 转 盘 体积 小， 质 量轻 ， 拆 装 布 置方便 ， 便 于 实现精 确 和智 能控 制 ， 满足 了海 洋钻 井 的工 艺要 求 。 关键 词 液压旋 转 支撑转 盘 ； 液 压 系统 ； 电液 比例控 制 中图分类 号 TE9 5 l 文献 标识 码 A Hy d r a u l i c Tr a ns m i s s i o n De s i g n o f Ro t a r y s u p po r t Ta b l e f o r Of f s h o r e Dr i l l i ng W ANG Xue y i ， HU ANG Yue hu a， LAI Xi a o hui Ba o j i Oi l Ji e l d M“ hi n e r y Co ． ， j l d． ， B a o j i 7 2 1 0 0 2， C h i n a Ab s t r a c t Hyd r a ul i c r o t a r y s u pp or t d e v i c e h a s b e e n de s i gn e d b e c a us e r o t ar y s up po r t d e v i c e b e i n g d r i v e n by m a c hi ne r y ha d s ome pr o bl e ms ， s uc h a s l o ng t r a ns m i s s i o n c h a i n， mo r e p a r t s ， l a r g e qu a l i t y， a nd i t s l a y ou t d i f f i c u l t y i n of f s ho r e d r i l l i ng pl a t f o r m ．Hi g h t or q ue hy dr a u l i c mot or wa s i n s t a l l e d i n i n put s h a f t o f t he c o nv e n t i o na l r o t a r y t a b l e d i r e c t l y ．The s c h e me o f a dv a nc e d c l o s e d t yp e h yd r a ul i c s y s t e m a nd e l e c t r on i c pr o po r t i o na l r e mo t e c o nt r o l wa s us e d ． The a pp l i c a t i on on of f s ho r e d r i l l i n g p l a t f or m s ho we d t ha t i t s s m a l l s i z e， l i g ht we i g ht ，c o nv e n i e n t d i s a s s e mb l y a n d a r r a ng e me n t ， c o nv e ni e n t f o r a c c u r a t e a n d i nt e l l i g e nt c on t r ol ， a nd i t s pe r f o r ma nc e f ul l y me e t r e q ui r e me nt s o f o f f s h or e d r i l l i ng p l a t f or m． Ke y wor d s h yd r a ul i c r o t a r y s up po r t t a b l e； hy d r a ul i c s y s t e m ； e l e c t r o hy dr a u l i c p r o po r t i o ni ng c o n t r o 1 由于海 洋钻 井 大 功率 顶 驱 的 使 用 ， 已 需 要 转 盘按 钻井工 况设 计 转 速 ， 在 下 入 隔水 管 、 悬 持 钻 具 、 活动 钻具 时 ， 要 求转 盘 具 有 较 大 的支 撑 能 力 和 通孔 直径 ， 较高 的扭 矩和 较低 的转速 。另 外 ， 常规机 械驱 动转 盘和 电 驱 动 转 盘 传 动 链 长 、 部 件 多 、 整 机 质 量 大 ， 在 海洋 钻井平 台 布置 比较 困难 ， 而液压 旋转 支撑 转盘 能满 足上述 要 求 。 目前 ， 德 国 WI R TH 公 司有 RTS S 6 0 5 一 H 型液 压 驱 动 旋 转 支 撑 转 盘 ， 美 V 公 司也 有类 似 的液压 旋 转 支 撑 转 盘 ， 但 足结 构 相 当 复杂 ， 液 压 系统及 控 制 形 式 很不 相 同 。国 内某 修 井 机制造 商也 设计 了高速 马达 和减速 器安 装在 常规转 盘输入 轴端 的液压 驱动转 盘 ， 主要用 于修 井作 业_ 】 ] 。 笔者 基于 常规石 油 钻机 转 盘 ， 开 发 了具 有 自主 知识 产权 的液压 旋转 支撑转 盘 h y d r a u l i c r o t a r y s u p p o r t t a b l e 用 于海 洋钻 井平 台 。 l 液压旋转支撑转 盘基本 结构 功 率较 小 、 通 孑 L 直 径 为 0 9 5 2 ． 5 mm 的 转 盘 称 为 Z P 3 7 5型 转 盘 采 用 液 压 驱 动 ， 最 高 转 速 2 O r ／ mi n左 右 ， 更 适 用 于 海 洋 钻井 平 台 。为满 足 现 代 海 收 稿 日期 2 0 1 0 - 1 1 3 O 作 者 简 介 工 学 义 1 9 6 4 一 ， 男 ， 陕 西 宝 鸡 人 ，r 稃师 ， 1 9 8 7年 毕 业 于 长沙 铁 道 学 院 起 重 运 输 卜 j 1 程 机 械 々、 I ， 主 要 从 事 石 油 机 械 设计 与 研 究 工作 ， E ma i l x y w3 4 3 1 6 3 ． c o m。 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 1 年 5 月 洋钻 井工 艺 的需 要 开 发 的 旋转 支撑 转 盘 结 构 如 图 1 。C A7 O型径 向 柱塞 马达 l 2 ] 安 装 在 Z P 3 7 5型 转 盘 的输 入轴端 ， 反扭矩 由扭力臂 和支撑 板传递 ， 由转盘 箱体 承受 。径 向柱塞 马达和转 盘 的连 接方式是把 马 达所 带的锁 紧盘安装 在 马 达安 装套 的外壁 ， 整 体移 动马达使 转盘 的输入 轴 插入 马 达 的安 装孔 内， 紧 固 锁紧盘上 的螺栓 ， 利 用锁 紧 盘 的斜 楔将 轴 向力 变为 径 向力 ， 压迫 马达 安装套 变形 ， 使 马达牢 固地 安装在 转 盘 的输入 轴上 。 5 4 1 一 Z P 3 7 5型 转 盘 ； 2 一 锁 紧盘 ； 3 一 CA7 O型 径 向柱 塞 马 达 ； 4 一 扭力臂 ； 5 一反扭矩支撑板 图 1 海洋钻井用液压旋转支撑转盘结构 2 主要技术参数 转 盘 开孔直 径0 9 5 2 ． 5 mm 3 7 ． 5 英 寸 额定静 载荷 7 0 0 0 k N 最 大工作扭 矩 5 r ／ mi n时 4 5 0 0 0 N m 最大 工作扭矩 时最 高转速 5 r ／ rai n 齿轮 传动 比 3 ． 6 2 最 高工作转速 l 5 r ／ rai n 液压 系统 最大流 量 2 4 6 L／rai n 最高压 力 2 l MP a 液压泵 型号 A4 VG1 4 0 E P2 液压马 达型号 CA7 0 液 压马达 的冲洗 流量 1 5 L ／mi n 电机 功率4 2 ． 6 k W 电机 转速 3 液压传动原理及特点口 液压系 统 原 理 如 图 2 。该 系统 为 闭式 液 压 系 统 ， 通过 电液 比例 控 制方 式实 现 了对液 压 旋转 支撑 转盘所需 的扭矩 和速 度 的控制 ， 具 有制 动 和反扭 矩 释放 功能。 3 ． 1 控 制回路 变量液 压泵排量 由速度 电位计 手柄控制 。主控 制器读取速度电位计手柄信号并对其进行处理， 输 出 2路 P WM 信号 分别控 制电控变量液压 泵的先导 比例电磁阀 ， 通过线性电压或 电流信号的输出控制 先导 比例 电磁 阀的控 制压 力 ， 改变 电控 变 量液压 泵 的斜盘摆 角 ， 从而 实现排量 的变化 ， 改变液 压马达 的 转速 。将 电位计手 柄搬 到 不 同的位 置 ， 控制 液压 旋 转 支撑转 盘的正转 、 反转 、 停止和无 级变速 。通过 添 加启动／ 停止斜坡 ， 实现动作平缓无 冲击。这样， 控 制 液压旋转 支撑 转 盘速 度正 、 反 方 向 比例变化 并能 在某位 锁定 ， 在 中位时转 盘停止并制动 。 操作 扭矩 电位 计控制手轮控 制液压旋 转支撑转 盘扭矩 。主控制器 读取 扭矩 电位 计控制手轮 信号并 对其进 行处 理 ， 输 出 1路 P WM 信号 控制 桥式调 压 总成 的比例 电磁溢 流 阀 ， 改 变 比例 电磁 溢 阀的调 定 压 力 ， 从而实 现液压旋转 支撑转盘扭 矩范 围的调 整 。 旋转 支撑转盘通 常为高速低扭 和低速 大扭矩 的作业 工况 。为减少主 液压 泵 电机 的功率 ， 对 主 液压 泵设 置 了恒 功率输 出特性 ， 这样 ， 当外载荷较 大使压力 9 MP a 时 ， 随着压力 的提 高 ， 主液压 泵 的排 量 变小 ， 液压马达 的转速减 小 ， 即液 压旋 转 支撑转 盘 转速 降 低 ， 扭 矩增大 。 3 ． 2 冷却及补 油 回路 径 向柱 塞 马达 驱 动 常规 转 盘 时 常产 生 大量 的 热 ， 高 温将降低油 液的粘度 ， 从 而导致液压 系统元件 使用寿命 的下降 ； 同时 ， 低粘度 也将降低 马达 的最大 功率 。因此 ， 系统 配备 外 冲洗泵 对 马达壳 体 进行 冷 却 ， 外冷却 油经马达壳 体、 冷却器返 回油箱 。液压 系 统产生 的热 油经 内冲洗 阀将 热 油 置换 出去 ， 由冷 却 器 降温后返 回油箱 。为了补充基本液 压 回路 由于散 热 和泄漏而损失 的液 压 油 ， 系统 采用齿 轮 泵作 为补 油泵 。补油泵经 高压 溢 流 阀块 中的 单 向阀 ， 向基本 液压 回路 的低压 管路 补充冷 却油 液 。 低 压溢 流 阀用 于控 制补油压力 。 3 ． 3过载保护及 制动 回路 在停 机过程 中 ， 为 了保护 主液压泵免受 冲击 ， 在 第 4 0卷第 5 期 王学义 ， 等 海洋钻井用旋转支撑转盘液压传动设计 该 泵高压 出 口处配 有 2个 高压 溢 流 阀 块 ； 同样 为 了 保 护液压 马达 ， 在液 压 马 达 进 出 口处 有 1个 双 向溢 流 阀 。根 据闭 式 回路 的特 点 ， 操 作 速 度 电位计 手 柄 回到 中位 、 使 液 压 泵 的斜 盘倾 角 为 零 ， 封 闭 进 出通 路 ， 从 而液 压泵 的进 出 口流量为 零 ， 液 压马 达 的转 速 为零 ， 液压 旋转 支撑转 盘停 止运 转 。同时 ， 由于在 液 压马 达进 出 口处 有 1 个 调定 压力 远高 于系 统压力 的 双 向溢流 阀 ， 液压 马达 无法 转动 ， 也能 实现 液压旋 转 支撑 转盘 的制动 。此属 于 系统制 动 ， 也 叫 内制动 。 3 ． 4扭矩调 节及 反扭 矩释 放 回路 当液 压旋 转 支 撑转 盘 需 要设 定扭 矩 时 ， 操 作 扭 矩 电位计控 制手 轮调 节桥式 调压 总成 的 比例 电磁溢 流阀 ， 改变 比例 电磁 溢 阀 的调定 压 力 即 可 。由 于液 压 旋转 支撑 转盘驱 动钻 杆 ， 钻 杆 的弹性扭 转 ， 积 聚大 量 的扭 转势 能 。这 样 ， 当液 压 旋转 支 撑 转 盘停 止 运 转 时 ， 几 千米 长钻 杆具 有 非 常 巨 大 的扭 转 势能 迫 使 液 压旋 转支撑 转盘倒 转 ； 需要 释放钻 杆反扭 矩时 ， 必 需 慢慢 调低桥 式调压 总成 的 比例 电磁 溢流 阀压力 缓 慢 溢流 。这样 ， 通 过液 压 马 达缓 慢 释 放 钻杆 产 生 的 反 扭矩 ， 使 钻 杆的 弹性扭转 势 能转化 为热量 ， 防止 发 生 钻杆脱 扣事 故 。 9 1 O 液压站 1 速度 电位计控制手柄 ； 2 扭矩 电位计控制手轮 ； 3 主控制器 ； 4液压马达 ； 5双向溢流 阀 6 快速接头 ； 7 高压滤油器 ； 8 桥式调压总成 ； 9 一 内冲洗阀； 1 O 一外冲洗泵 ； I l 一齿轮泵 ； 1 2 一 主溢流阀 ； 1 3 一低压溢流阀 ； 1 4 高压溢流 阀块 ； 1 5 一 先 导 比例 电磁 阀 ； 1 6 一 电 机 ； 1 7 一 电控 变 量 液 压 泵 ； 图 2 液 压 旋 转 支 撑 转 盘 液 压 系统 原 理 4 结 论 1 通 孔直径 为 0 9 5 2 ． 5 mm 的液压 旋转 支 撑转 盘 已在 海洋 钻井 平 台上 应 用 ， 具 有 部 件少 、 外 形 尺寸 小 、 整机 质量 轻 、 安 装布 置方便 等 特点 。 2 液 压 系统采用 闭环 控制 ， 调速 范 围广 且无 级 可调 。节能 ， 高 效 ， 可控 性 好 ， 换 向平稳 无 冲 击 ， 操 作 响应快 。 3 采 用 电液 比例 控制 元件 ， 便 于 实现精 确和智 2 0 1 1年第 4 O卷 第 5 期第 5 6页 石油矿 o I L Fl ELD 场机械 EQUI PMENT 文 章 编 号 1 0 01 3 48 2 2 01 1 0 5 0 05 6 - 03 组合式钻井液气体分离器研制 朱焕 刚， 燕修良， 杨德京 ， 孙伟涛 ， 薄其场 胜利石油管理局 钻井工艺研究院， 山东 东营 2 5 7 0 1 7 摘要 为满足 大排 量 、 高含 气钻 井液的 气体 分 离要 求 ， 通过 结构 优选 、 数值 模拟 和 室 内试 验 ， 研 制 了 组合式钻 井液 气体分 离器。该分 离器结合 重力式分 离器和管柱 式旋流分 离器的优 点 ， 处理 量大 ， 分 离效率 高， 可 以应 用于欠平衡 钻 井工艺 中。 关键词 钻 井液 ； 气体 分 离器； 管柱式 ； 组 合式 中图分 类号 TE 9 2 6 文献标 识码 A De v e l o p me nt o f Co mb i n e d M u d Ga s S e p a r a t o r ZHU Hu a n g a n g， YAN Xi u l i a n g， YANG De j i n g， S UN W e i t a o ， B O Qi c h a n g Dr i l l i n g Te c hn o l o gy Re s e ac h I n s t i t ut e， She ngl i Pe t r o l e u m Admi n i s t r at i o n， Do n gyi ng 2 57 01 7， Ch i n a Abs t r a c t W e h a v e d e v e l o p e d t he Co mb i ne d M ud Ga s Se p a r a t o r t o me e t t h e s i t u a t i o n o f l a r g e d i s pl a c e me n t a n d hi g h g a s c o nc e n t r a t i o n i n t h e m u d ga s s e p a r a t i o n， b y me a ns o f s t r uc t u r a l o p t i mi z a t i o n， nume r i c a l s i mul a t i o n a n d l a b or a t o r y e xp e r i me n t s ． Thi s s e pa r a t o r whi c h c a n be us e d i n u nd e r b a l a n c e d d r i l l i ng h a s t he a dv a nt a g e o f l a r g e c a p a c i t y a n d h i g h s e p a r a t i o n e f f i c i e n c y， c o m b i n i n g t h e a dv a n t a g e o f g r a v i t y s e p a r a t or a nd Ga s I i qu i d Cy l i nd r i c a l Cy c l on e ． Ke y wo r d s d r i l l i ng f l u i d； g a s s e p a r a t or ； c y l i n dr i c a l t y p e； c ombi n e d a pp l i c a t i o n 1 国内外研究现状 钻井 液气体分 离器是处 理气侵 钻井液 的专 用设 备 。 目前 ， 国内开式 钻 井 液循 环 系统 中广 泛应 用 的 还是传 统 的重 力式分 离器 立式 或卧式 。这种 分离 器利用气相与液相的密度差进行重力分离， 体积大、 笨重 、 投 资 大 ， 操 作 弹性 较 低 。在来 气 量 变 化较 大 时 ， 直接影 响液体 停 留时 间 ， 分 离效 果 明显 下 降 ， 气 体 处理能力远 小于 生产 商提 供 的气 体处 理量 ， 不 能 适应 欠平衡钻 井 ， 特别 是充气钻井作业 的发展要求 。 能控制， 整体经济性好。 4 该 液 压 控 制 系 统 还 可 用 于 通 孔 直 径 为 o l 2 5 7 ． 3 mm 4 9 ． 5 英 寸 和 1 5 3 6 ． 7 mm 6 o ． 5英 寸 的常规转 盘 ， 构成 海洋钻井 用旋转 支撑转盘 。 [ 2 ] E s ] 参考文献 E 4 3 i- i ] 应保连 ， 余利 军． 液 压驱动转 盘[ J ] ． 机械 工程 师， 2 0 0 3 11 54 5 5 ． 雷天觉． 新编液压 工程手册[ K ] ． 北 京 北京 理工大学 出版 社 ， 1 9 9 8 ． 林建亚 ， 何存兴． 液 压元件 [ M] ． 北 京 机 械工业 出版 社 ， 1 9 9 8 ． 郑 南 ， 李 鸿涛 ， 寇鸿 涛 ， 等 ． 超 级 单 根 液压 钻 机 传 动 及 控制[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 6 9 O 一 9 3 ． 收 稿 日期 2 0 1 0 1 1 - 3 0 基金项目 胜利 石油管理局试验室项 目“ 钻井液高效气液旋流分 离技术” 的部分研究成果 G S 0 8 0 4 7 作者 简介 朱焕刚 1 9 7 8 一 ， 男， 山东莱 芜人， 工程 师 ， 2 0 0 5年毕业 于 长江大 学 ， 现从 事欠 平衡技术 研究工作 ， E - ma i l z h u h u a n g a n g 1 2 6 ． c o m。