系列頂驅(qū)通用試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

李淑芳， 衛(wèi)才俊， 王秉武， 李晨， 任克忍

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞 721002）

0 引言

鉆機(jī)頂部驅(qū)動(dòng)裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)頂驅(qū)）作為鉆機(jī)的關(guān)鍵配套設(shè)備之一，是集機(jī)、電、液和智能化控制于一體的技術(shù)密集型產(chǎn)品，屬于當(dāng)今石油鉆井中的前沿技術(shù)與裝備，其主要功能是驅(qū)動(dòng)鉆柱旋轉(zhuǎn)、旋緊或松開(kāi)鉆柱接頭、沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)完成鉆井作業(yè)[1－3]。近年來(lái)寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制的頂驅(qū)產(chǎn)品規(guī)格由鉆機(jī)名義井深3000～9000 m實(shí)現(xiàn)全覆蓋，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式包括傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)式頂驅(qū)、可靠性更高的變頻電動(dòng)機(jī)直驅(qū)頂驅(qū)等，產(chǎn)品已形成系列化。

頂驅(qū)的負(fù)載特性、輸出功率及轉(zhuǎn)矩特性等直接決定其基本功能的實(shí)現(xiàn)及可靠性，為了完成對(duì)出廠前頂驅(qū)進(jìn)行相關(guān)性能的試驗(yàn)，筆者針對(duì)系列頂驅(qū)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了功能齊全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的通用性試驗(yàn)裝置，用于完成系列頂驅(qū)的各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，確保其使用的安全性和可靠性。

1 試驗(yàn)要求及試驗(yàn)裝置需求分析

GB/T 31049－2014《石油鉆機(jī)頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置》中明確規(guī)定了頂驅(qū)的試驗(yàn)項(xiàng)目包括：拉伸載荷試驗(yàn)、動(dòng)力水龍頭試驗(yàn)、剎車(chē)試驗(yàn)、管子處理裝置試驗(yàn)、主通道密封試驗(yàn)、液壓系統(tǒng)試驗(yàn)和電控系統(tǒng)試驗(yàn)。其中動(dòng)力水龍頭試驗(yàn)包含了空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、轉(zhuǎn)矩加載運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、松緊扣試驗(yàn)和堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)。管子處理裝置試驗(yàn)包含了旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)、傾斜機(jī)構(gòu)空載及浮動(dòng)試驗(yàn)、內(nèi)防噴器控制試驗(yàn)。

根據(jù)上述試驗(yàn)要求，考慮到系列頂驅(qū)試驗(yàn)的通用性，經(jīng)過(guò)總結(jié)和梳理，將試驗(yàn)內(nèi)容總結(jié)為動(dòng)力水龍頭的載荷試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)、頂驅(qū)裝置整體的動(dòng)作性能試驗(yàn)及靜水壓試驗(yàn)等4大類(lèi)，如表1所示。

表1 頂驅(qū)試驗(yàn)要求及試驗(yàn)裝置需求

2 載荷試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

載荷試驗(yàn)裝置采用臥式加載方式，以2000T拉力機(jī)為主體，配套載荷試驗(yàn)連接件組成。

2.1 2000T拉力機(jī)

該拉力機(jī)主要由框梁總成、2000T液壓缸系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，配套不同的連接件后即能夠滿足額定載荷1350～9000 kN頂驅(qū)的載荷試驗(yàn)要求。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 2000T拉力機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 載荷試驗(yàn)連接件

以勘察船鉆機(jī)配套的DQ40頂驅(qū)為例，進(jìn)行吊環(huán)通道載荷試驗(yàn)（試驗(yàn)載荷4500 kN）時(shí)，產(chǎn)品吊環(huán)端通過(guò)工裝吊環(huán)、工裝吊卡與提升設(shè)備靜載試驗(yàn)裝置的液壓缸活塞桿相連；產(chǎn)品提環(huán)端通過(guò)特制的工裝連接板與靜載裝置的雙耳座相連，銷(xiāo)軸固定，如圖2所示。

圖2 DQ40頂驅(qū)吊環(huán)通道載荷試驗(yàn)組裝示意圖

3 動(dòng)作性能試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

頂驅(qū)整體動(dòng)作性能試驗(yàn)旨在驗(yàn)證設(shè)備功能及安全性。動(dòng)作性能試驗(yàn)裝置主要由立于地坑中的工裝井架、工裝液壓站和針對(duì)不同頂驅(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的連接工裝組成，如圖3所示。

利用提環(huán)將整個(gè)頂驅(qū)置于工裝橫梁上，支撐架對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行支撐定位后進(jìn)行試驗(yàn)。4 m深的凸”型“地坑的設(shè)計(jì)使得在廠房?jī)?nèi)有足夠空間實(shí)現(xiàn)各類(lèi)型頂驅(qū)的動(dòng)作性能試驗(yàn)要求。

圖3 動(dòng)作性能試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)如下：試驗(yàn)井架高度9600 mm、試驗(yàn)井架最大載荷9000 kN、井架最大開(kāi)檔尺寸3000 mm、液壓站最大流量400 L/min、主電動(dòng)機(jī)功率55 kW×3、回油過(guò)濾器過(guò)濾精度10 μm、地坑規(guī)格為6290 mm（長(zhǎng)）×4420 mm（最寬處）×4000 mm（高）。

除了能夠滿足系列頂驅(qū)的動(dòng)作性能試驗(yàn)要求外，配套工裝將其功能擴(kuò)展，完成了天車(chē)型鉆柱升沉補(bǔ)償試驗(yàn)樣機(jī)的功能試驗(yàn)（如圖4）。

圖4 動(dòng)作試驗(yàn)裝置的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4 運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)是為了驗(yàn)證頂驅(qū)動(dòng)力水龍頭在最大連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩工況下的可靠性。試驗(yàn)裝置要求能夠提供持續(xù)且穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，能夠在動(dòng)力水龍頭主軸上施加動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。

4.1 試驗(yàn)臺(tái)原理

轉(zhuǎn)矩加載技術(shù)又稱(chēng)測(cè)功技術(shù)，目前機(jī)械行業(yè)內(nèi)多采取能量回收式或能量吸收式方案，其中能量回收式方案因一次性投資大，在產(chǎn)量較少或試驗(yàn)頻次較低的場(chǎng)合中應(yīng)用較少。能量吸收式一般可根據(jù)加載設(shè)備的工作原理分為磁粉制動(dòng)式、電渦流制動(dòng)式和電力制動(dòng)式，磁粉制動(dòng)式僅適用于低速小轉(zhuǎn)矩工況，而電力制動(dòng)式投入較大。試驗(yàn)臺(tái)一般由驅(qū)動(dòng)設(shè)備、加載設(shè)備、調(diào)速傳動(dòng)設(shè)備和轉(zhuǎn)矩檢測(cè)設(shè)備等主要部分構(gòu)成。此類(lèi)試驗(yàn)方案實(shí)質(zhì)上都應(yīng)用了原動(dòng)機(jī)→從動(dòng)機(jī)→測(cè)功機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 能量吸收式轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)臺(tái)原理圖

針對(duì)系列頂驅(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)加載試驗(yàn)臺(tái)，其原理是：采用頂驅(qū)產(chǎn)品作為驅(qū)動(dòng)裝置，以電磁渦流剎車(chē)作為加載裝置，由產(chǎn)品帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，其內(nèi)部激磁線圈產(chǎn)生加載轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)品的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩加載要求。

4.2 試驗(yàn)臺(tái)性能參數(shù)的確定

試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)滿足12000 m鉆機(jī)及以下級(jí)別頂驅(qū)的試驗(yàn)需求，以12000 m鉆機(jī)配套頂驅(qū)為例：額定載荷為9000 kN，連續(xù)鉆井轉(zhuǎn)矩為85 kN·m，主軸試驗(yàn)轉(zhuǎn)速100 r/min，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間4 h，根據(jù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功率計(jì)算公式：

式中：P為試驗(yàn)臺(tái)最大輸出功率，kW；T為12 000 m鉆機(jī)配套頂驅(qū)的連續(xù)鉆井轉(zhuǎn)矩，kN·m；n為頂驅(qū)裝置主軸試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)式（1）計(jì)算可知，試驗(yàn)臺(tái)功率應(yīng)大于890 kW，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大于85 000 N·m。

4.3 方案設(shè)計(jì)

如圖6所示，頂驅(qū)動(dòng)力水龍頭作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備固定在試驗(yàn)臺(tái)架上，軸頭與直角箱輸出端利用花鍵短節(jié)連接，將轉(zhuǎn)矩傳遞方向由豎直轉(zhuǎn)換為水平，直角箱與加載裝置電磁渦流剎車(chē)之間通過(guò)鏈條連接，其間安裝轉(zhuǎn)矩傳感器，冷卻裝置為電磁渦流剎車(chē)工作提供足夠的冷卻。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并輸出。

圖6 轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)加載試驗(yàn)裝置示意圖

4.4 設(shè)備選型

1）加載裝置選用DWS70型電磁渦流剎車(chē)，最大加載轉(zhuǎn)矩110 kN·m，最高轉(zhuǎn)速150 r/min，

同樣根據(jù)式（1）可得該電磁渦流剎車(chē)最大吸收功率為1727.7 kW，能夠滿足系列頂驅(qū)的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)要求。

2）冷卻水箱。從能量守恒角度考慮，電磁渦流剎車(chē)吸收的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱量被試驗(yàn)介質(zhì)帶走，為保證設(shè)備不至于過(guò)熱，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中熱量導(dǎo)致的溫升進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)做功計(jì)算公式：

結(jié)合式（1）可計(jì)算頂驅(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量：

式中，t為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，h。

由式（3）計(jì)算可知，頂驅(qū)裝置在主軸轉(zhuǎn)速為100 r/min，加載轉(zhuǎn)矩85 kN·m的情況下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)4 h產(chǎn)生的總熱量為1.28×106kJ。

選用清水作為試驗(yàn)介質(zhì)，水的比熱容C=4.187 kJ/(kg·K)，假設(shè)試驗(yàn)用水的初始溫度設(shè)為15℃，最高工作溫度不允許超過(guò)78℃，根據(jù)比熱容公式：

式中：m為冷卻水的質(zhì)量，kg；Q為試驗(yàn)產(chǎn)生的總熱量，kJ；Δt為溫度差，℃。

根據(jù)式（4）計(jì)算可知，完全吸收頂驅(qū)試驗(yàn)產(chǎn)生的能量，需要的清水約為48 m3。由于水箱四周沒(méi)有保溫措施且上部開(kāi)放，自然散熱條件較好，實(shí)際散熱情況優(yōu)于理論計(jì)算，選用50 m3水箱可滿足散熱要求。

3）直角箱。由于頂驅(qū)裝置主軸試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為100 r/min，而電磁渦流剎車(chē)恒扭段的轉(zhuǎn)速在100～150 r/min之間，因此直角箱的減速比i≈1,即可滿足要求，作用主要是將轉(zhuǎn)矩加載的方向由豎直轉(zhuǎn)換為水平。

4）轉(zhuǎn)矩傳感器應(yīng)兼顧低轉(zhuǎn)矩和高轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)狀態(tài)下的測(cè)量精度。高轉(zhuǎn)矩測(cè)量宜選用量程為100 kN·m左右的傳感器，安裝于直角箱傳動(dòng)鏈輪與電磁渦流剎車(chē)之間，此時(shí)則需要考慮機(jī)械傳動(dòng)效率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。低轉(zhuǎn)矩測(cè)量宜選用量程為30 kN·m左右的傳感器，直接安裝于中心管下方可直接測(cè)量輸出轉(zhuǎn)矩，數(shù)據(jù)可靠性較高。

5）其它。針對(duì)該運(yùn)轉(zhuǎn)加載試驗(yàn)裝置配套了包括花鍵短節(jié)、支撐架、加高座等系列工裝，可滿足不同的結(jié)構(gòu)形式頂驅(qū)裝置的轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)加載試驗(yàn)要求，如圖7所示。

圖7 頂驅(qū)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)頂驅(qū)裝置試驗(yàn)要求的分析與總結(jié)，將其歸納為靜水壓試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)、動(dòng)作性能試驗(yàn)和運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩加載試驗(yàn)等4種試驗(yàn)形式，并完成相應(yīng)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，形成完整規(guī)范的試驗(yàn)方案。2）試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)通用性強(qiáng)，配套不同的工裝即可滿足系列頂驅(qū)裝置甚至多種類(lèi)型新產(chǎn)品的試驗(yàn)要求，應(yīng)用前景良好。