HD－500型海洋鉆機的研制

歐陽志強

（衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司，湖南 衡 陽421002）

HD－500型海洋鉆機是衡陽中地裝備探礦工程機械有限公司與中交四航院有限公司聯合研發的船用液壓動力頭鉆機。該鉆機在港珠澳大橋島隧工程補充地質勘察（海域水深15～25m）中取得了良好的效果，現將情況介紹如下。

1 鉆機工作原理

HD－500型海洋動力頭鉆機是專業針對海洋、江河等非陸地地帶進行工程地質勘察施工而設計研發的一種新型全液壓鉆機。鉆機動力由柴油機提供，采用全液壓傳動；一個柱塞油泵供油實現馬達及動力頭輸出軸旋轉，輸出轉速和扭矩；兩個小齒輪油泵供油實現液壓絞車、泥漿泵及其他輔助液壓部件的工作；鉆機的各種操作全部采用手動多路換向閥進行集中控制。根據鉆進實際情況，通過各種調節閥可對鉆機進行速度快慢、大小等狀態的調節。鉆機通過動力頭的回轉、提升以及其他執行部件的輔助工作，運用不同的鉆進工藝，實現取樣和觸探，完成鉆探任務。鉆機液壓系統工作原理如圖1所示。

2 鉆機主要技術參數和結構設計

HD－500型海洋動力頭鉆機適用于金剛石繩索取心、沖擊回轉、反循環連續取心（樣）等多種高效鉆探工藝方法，也可用于工程地質鉆進。整個鉆機由動力站、液壓操控系統、動力頭、鉆塔、卷揚機、泥漿循環系統等部分組成。

2．1 主要技術參數

2．1．1 基本參數

鉆孔深度（水深100m 時）500、400、300m

鉆孔直徑91、110、127mm

2．1．2 動力站參數

動力：康明斯4BTAA3．9－C125渦輪增壓柴油機

功率：92 k W

2．1．3 動力頭參數

輸出轉速（正反）

1擋：110～188r／min；2擋：206～350r／min；

3擋：387～658r／min；4擋：705～1200r／min

額定輸出扭矩

1擋：5800～3394N·m；2擋：3097～1822N·m；

3擋：1648～969N·m；4擋：905～532N·m

2．1．4 液壓系統參數

主泵：160L／min，25MPa

副泵：64L／min，16MPa

輔助泵：40L／min，12MPa

液壓油冷卻：風冷

2．1．5 鉆塔和給進系統參數

給進行程：6500mm

給進進度：快速和慢速，帶變速控制

推進力：動力頭自重

提拔力：100k N

圖1 液壓系統工作原理圖

鉆探角度：90°

鉆桿提拔長度：6000mm

鉆塔垂直高度：9m

額定負載能力：400k N

2．1．6 卷揚機參數

（1）8噸絞車

提升能力（單繩第一層）：80k N

單繩提升最大速度：42m／min

鋼纜尺寸：Φ20mm×40m

（2）5噸絞車

提升能力（單繩第一層）：50k N

單繩提升最大速度：40m／min

鋼纜尺寸：Φ18mm×50m

（3）2噸絞車

提升能力（單繩第一層）：20k N

單繩提升最大速度：35m／min

鋼纜尺寸：Φ14mm×150m

2．1．7 泥漿泵型號：BW－250或BW450／5

2．2 鉆機結構設計

2．2．1 動力站

圖2 動力站外形圖

動力站（圖2）是鉆機的動力源，主要由動力機、液壓油泵、油箱、水箱、冷卻器、防護罩及底座等部件組成。動力機為康明斯4BTAA3．9－C125型柴油機，發動機驅動液壓柱塞油泵轉動，將化學能轉化為液壓能，再通過操縱臺上的多路換向閥，將壓力油分配到液壓執行機構，實現鉆機的各種功能。動力機配置了全包散熱器，其前部安裝有液壓油冷卻器，油泵吸油口設置過濾器，工作液壓油流回油箱前通過濾油器和冷卻器過濾和冷卻。動力站底部有接油盤，以避免油污對施工船體的污染。整個動力站設計有可拆卸式防護罩，用于隔音和保護柴油機。動力站的總體布置以船形滑橇為基礎，設計為高度較低的長方體，便于運輸、安裝和移動。

2．2．2 液壓操控系統

液壓操控系統（圖3）是鉆機的控制裝置，主要由液壓油泵、液壓馬達、多路換向閥、調速閥、壓力表、膠管和臺架等部件組成。液壓油路由一個主液壓油路回路和兩個輔助液壓油路回路組成。通過操縱多路換向閥相應的手柄可控制鉆機動力頭的正反向旋轉和卷揚機等輔助液壓執行部件的動作。通過各調速閥可控制鉆機鉆進速度，操縱臺上的各壓力表和顯示儀可對柴油機、液壓油泵泵壓、泥漿泵壓力、鉆機鉆進孔底壓力、動力頭轉速、液壓油油溫等進行監控。操縱臺下部也設計有接油盤，以防液壓油意外泄露對船體的污染。

圖3 操縱臺外形圖

2．2．3 動力頭

動力頭（圖4）是給鉆具提供扭矩、轉速的部件，其主要作用是將液壓能轉化為機械能，輸出旋轉運動，實現鉆具的旋轉。主要由液壓馬達、變速箱、傳動箱、水龍頭、配重塊、潤滑系統和安裝支架等部分組成。鉆機的給進主要是靠動力頭自重來實現的。動力頭設置四檔輸出速度，以適應以金剛石鉆進為主體的多種鉆探工藝對轉速的要求，同時有利于處理孔內事故，性能穩定可靠，維護方便。

2．2．4 鉆塔

鉆塔（圖5）是鉆機的主要起升設備，其主要作用是安放天車、吊鉤起升設備，并用來下鉆具、下套管和快速倒桿等。鉆塔主要由底架、下塔、中塔、上塔、天車、拉索和拉索油缸等組成。鉆塔的結構設計為懸吊式，鉆探時無需將鉆塔移離孔口，在保證需求強度的同時更加穩定、安全。

2．2．5 卷揚機

卷揚機（圖6～9）是鉆機的起重機械，其主要是用于控制動力頭自重給進的快慢速和起下鉆具、套管。該卷揚機系統由4臺能力不同的液壓絞車組成，其中8噸絞車主要通過減速機構帶動卷筒拉緊和松開鋼絲繩來實現下套管和拔套管以及處理井底事故等；5噸絞車主要用于懸持動力頭，控制動力頭自重給進的快慢速和提升鉆具等；2噸絞車主要用于打撈巖心管，進行繩索取心；沖擊絞車主要用于沖擊鉆進和反沖擊撥管，4臺絞車全部由液壓馬達啟動。

圖4 動力頭

圖5 鉆塔

圖6 8噸絞車

圖7 5噸絞車

圖8 2噸絞車

圖9 沖擊絞車

2．2．6 泥漿循環系統

為了隨時清洗孔底已破碎的巖石，確保連續鉆進，鉆機配有泥漿循環系統。該系統包括泥漿池、泥漿泵（圖10）、泥漿管線以及泥漿調節和配置設備等。

3 關鍵問題的解決

該項目研究設備首批要求用于港珠澳大橋工程的海洋工程勘探，國內沒有成型的設備，國外進口設備價格高，時間長。項目的研發主要有以下幾個創新點：

（1）液壓補給鉆進

液壓補給鉆進是首次用到勘探鉆機上，這種給進技術的應用很大程度上提高了勘探施工的質量，能夠連續取出原狀土樣，為工程設計提供了最為可靠的數據樣本。它是通過氣囊壓力油來壓縮氣體實現能量的儲存與釋放，以此來抵消船體由于海浪而升高和沉降（圖11）。這種技術的應用解決了以前（圖12）因加重塊給船體變化鉆進而帶來的難題。

圖11

圖12

（2）軸承式減磨撥叉機構

由于變檔齒輪的支承是靠撥叉，重力始終作用在摩擦副上，以前的為滑塊式撥叉機構（圖13），為滑動摩擦，改進后的為減磨式撥叉機構（圖14）。它的應用使回轉機構由原來的滑動摩擦變為滾動摩擦，這種摩擦形式的改變在立式回轉中大大降低了設備高速運轉下的發熱現象，提高了設備的可靠性。

圖13 滑塊式撥叉機構

圖14 軸承式減磨撥叉機構

（3）數字化、人性化的控制系統

該項目設備采用液壓驅動、電液控制，并帶自動檢測和報警等機電一體化功能。施工工人可以通過數字化顯示儀器，直觀、方便的隨時掌握施工工況，即海底鉆探中孔內情況。降低了鉆探孔內事故的發生率，可提前采取預防措施，提高鉆進效率。

圖15 控制系統

（4）模塊化結構設計

模塊化結構設計主要是將設備的各功能性部件以模塊的形式進行整合。這種設計給施工提供了極大的方便，搬遷運輸方便靈活，同時模塊化功能齊全，能滿足各種復雜地層的施工工藝要求，安全性強，不破壞船體。布置圖如圖16所示。

圖16

4 作業環境

4．1 場地環境

本次勘察地點位于珠江口零丁洋海域，距離珠海市香州港約11海里，距離香港大嶼山約3海里。勘察水域水深約在8～20m之間。該水域受珠江河水水流和潮汐水流綜合影響，在大潮期間退潮時水流很急，流速可達5節左右，部分區域有不規則潮流，海況主要受季節風影響，冬季主要受東北季候風影響，海浪較大；春夏季主要受東南風影響，來自外海的涌浪較大，一般而言春夏季午后涌浪較大。

圖17 施工現場

4．2 地層條件

該區域的覆蓋層主要為海相、海陸交互沉積層，厚度較大，一般在60～70m左右，上部為淤泥～淤泥質土，厚度在8～25m不等，中部為粘土夾砂，層厚約在10～25m之間，下部主要為粗砂層，最厚達約40m，基巖主要為混合花崗巖。

圖18 巖心

5 HD－500型鉆機主要優點

HD－500型鉆機主要的優點是具有波浪補償功能、全液壓驅動、控制臺操作簡單、動力頭自由活動空間大等。

5．1 波浪補償功能

HD－500型鉆機設計了鉆具行程波浪補償器，分為重力式與液壓補償平衡式兩種，這也是HD－500型鉆機的核心技術所在。在進行鉆探過程中，當因海浪上下波動而造成鉆探船上下浮動時，通過波浪補償器的使用，避免了鉆具隨鉆探船浮動而上下波動，從而避免了鉆機對地層的擾動，提高了勘察質量，這是傳統的鉆機所不具備的功能。

5．2 全液壓驅動

HD－500型鉆機的動力頭、卷揚、水泵均為液壓驅動，相對傳統的鉆機而言，驅動部分體積小而有力；動力頭的4個不同檔速，使鉆桿的驅動扭矩與轉速可在很大的范圍內實行無級調速，以滿足鉆進過程中對扭矩與鉆速的不同需求，同時，由于采用了全液壓傳動與驅動，可以實行集中控制。

5．3 控制平臺操作簡單

HD－500型鉆機控制平臺集成程度較高，動力頭、8噸卷揚、5噸卷揚、2噸卷揚和泥漿泵的操縱均集中在一個控制平臺上，且控制平臺上的操縱閥操作簡單，減少了鉆機操作人員的勞動強度，提高了舒適度。

5．4 動力頭活動空間大

HD－500型鉆機采用了動力（水龍）頭，它固定在一矩形鋼制框架內，通過框架兩側耳孔與緊崩在井架頂部與底部的鋼絲繩相貫通，鋼絲繩作為動力頭上下的導軌，鋼絲繩上端與伸縮液缸相固定，以便放松與緊崩鋼絲繩，且當鋼絲繩放松時，動力頭可方便地置于側邊，同時動力頭可在5噸卷揚的控制下自由的上下升降，這樣大大方便了井口的作業。同時，由于動力頭可以自由的上下升降，鉆探平臺上余留的套管高度可較自由的控制，不像傳統鉆機那樣機頭是固定高度的，鉆探平臺上余留的套管高度很受節制，并且在潮汐漲退的影響下要頻繁的更換短套管。

6 HD－500型鉆機的改進

HD－500鉆機在港珠澳大橋島隧工程中的使用，得到了國內外的專家高度評價，但有幾方面還應進一步改進，以滿足本鉆機的發展需要。

6．1 改進波浪補償器

不管是重力式還是液壓式，均存在難調平衡的問題，如果能增加一個稱重裝置，根據稱出鉆具的重量來調配相應的配重砝碼或油壓壓力，或許能解決調平衡難的問題。另外，對于重力式波浪補償器，應增加一些重量較輕的砝碼，同時把配置器的固定連接栓調整至平臺之上；對于液壓式波浪補償器，應調整壓力表讀數或注明壓力與鉆具重量的相應關系。

6．2 改善液壓油管

盡量的多采用塑料高壓油管，最好全部采用塑料高壓油管，如此能降低鉆機安裝的難度，且塑料高壓油管不存在銹蝕的問題，如出現爆裂也容易更換。

6．3 改善液壓油管連接方式

盡可能的采用并聯聯接，當其中某個組成部件的液壓油管損壞時，可以關閉該部件的油管閥門，鉆機可以繼續工作，這在緊急情況下尤為必要。

6．4 改善液壓卷揚的反應速度

如果可能，可考慮改善2噸卷揚和8噸卷揚的反應速度，以便能使用2噸卷揚進行標貫試驗，必要時使用8噸卷揚打反錘。

6．5 改善操作臺的密封性

操作臺內有較多電子元件，而野外作業條件差，經常受降雨等因素影響，如操作臺密封性不好，其內的電子元件很容易進水損壞。