測力盤式轉盤扭矩傳感器在渤海油田的推廣應用

李 鋒，李曉軍

(中海油服油田生產事業部鉆修井作業公司 天津300452)

0 引 言

海洋石油鉆修機在作業過程中，最頻繁的操作就是鉆進和打撈作業。動力系統通過轉動軸或鏈條箱的鏈條帶動轉盤轉動，將動力端的扭矩傳輸給轉盤，通過轉盤給鉆桿施加扭矩，利用轉盤的扭力來進行井下鉆進和打撈作業。轉盤的動態扭矩是司鉆了解井筒內管柱的受力狀況不可或缺的重要依據，而轉盤扭矩傳感器是獲得動態扭矩的唯一來源，因此它的可靠性直接影響到井下作業的效率和安全。

普通轉盤扭矩傳感器由于可靠性和準確度不理想，越來越不適應現場作業安全的需求。隨著海洋鉆修機技術的不斷發展，新型的轉盤扭矩傳感器在海洋平臺鉆修機上的推廣應用已經迫在眉睫[1]。

1 轉盤扭矩傳感器測量原理

在海洋石油鉆修機設備中，轉盤扭矩傳感器一般安裝在轉盤剎車和轉盤之間。轉盤的動態扭矩一般采用間接的測量方法進行測量：通過測量傳動軸或鏈輪的扭矩，乘以轉盤的傳動比間接計算出轉盤的扭矩，通過傳動軸或鏈輪的正反轉來獲得轉盤的正扭矩和反扭矩。轉盤扭矩的信號輸出一般有電流和頻率兩種，將該信號直接連接到鉆井參數儀的采集板上，通過采集、計算并顯示在鉆井參數儀的顯示屏上，供作業人員參考。工作原理見圖1。

圖1 轉盤扭矩傳感器的工作原理Fig.1 Working principle of rotary torque sensor

2 普通轉盤扭矩傳感器的設計缺陷

在鉆修井過程中轉盤扭矩參數的精確測量一直是令業界人士頗為頭痛的一個問題，人們長期以來一直在探索轉盤扭矩精確測量的方法[2]。

目前渤海油田使用最普遍的轉盤扭矩傳感器為惰輪式扭矩傳感器和傳動軸貼片式扭矩傳感器。2004年以前渤海油田全部采用惰輪式扭矩傳感器，2004年以后大量引入傳動軸貼片式扭矩傳感器。根據對渤海油田鉆修機作業現場使用情況的調查，這兩種傳感器在實際使用過程中不夠理想，存在設計缺陷，嚴重制約了鉆修井作業的正常進行[3]。

2.1 惰輪式扭矩傳感器

該傳感器通過轉盤輸入軸上的鏈輪的緊張程度(張力)來間接測量轉盤扭矩，只是測量的是扭矩的趨勢，并不是真實的扭矩，且反向扭矩無法測量。

2.2 傳動軸貼片式扭矩傳感器

該傳感器通過測量傳動軸上的電子貼片應變橋電信號的變化量來測量傳動軸的扭矩，乘以轉盤的傳動比進而獲得轉盤的扭矩。海洋鉆修機上配備的多為電子貼片式轉盤扭矩傳感器，由于該傳感器的使用環境、設計構造等原因導致經常出現如下問題：①故障頻發；②無法現場維修；③維修成本高；④維修工期長。

3 測力盤式轉盤扭矩傳感器

3.1 測量原理

測力盤式轉盤扭矩傳感器由外殼總成、端蓋、法蘭盤、傳動輪、測力盤等組成，其外形如圖2所示。

該傳感器采用斜齒牙嵌離合器的工作原理：當動力端將力矩傳輸到傳動軸上的轉盤扭矩傳感器，斜齒牙嵌離合器端面斜齒盤與傳動軸嚙合后，軸向力使被動輪可以沿傳動軸的花鍵移動，將動力端扭矩的軸向分量傳遞給測力盤(由于測力盤的限制，嚙合的斜齒不會脫開)，測力盤的載荷傳感器的內圈承載面承受軸向載荷，載荷傳感器的應變橋電路產生微應變，經過電路處理輸出 4～20mA(三線制)直流信號，傳輸給鉆井參數儀計算并顯示出真實的轉盤扭矩動態值(傳感器的扭矩值乘以轉盤的傳動比)。

圖2 測力盤式扭矩傳感器外形圖Fig.2 External view of force-plate torque sensor

3.2 主要技術指標

①測量范圍：-10000～10000Nm；

②測量精度：±3%F.S；

③外形尺寸：414mm×295mm×258mm；

④適應環境溫度：-35～70℃；

⑤供電電壓：9～36VDC；

⑥輸出信號：4～20mA(三線制)；

⑦安全過載：120%F.S。

3.3 使用特點

測力盤式轉盤扭矩傳感器是一套通過測量轉盤輸入軸的扭矩來反映轉盤扭力的傳感器，它能真實地反映轉盤的動態扭矩。該型傳感器的最大特點在于使用壽命長，便于現場維修，能大幅縮短維修時間，節省維修、運輸等費用，同時能減輕作業人員的勞動強度[4]。具有如下優點：扭矩真實穩定；能測量正反扭矩[5]；易于安裝和維護；測量精度高；使用壽命大幅提高。

該測力盤式轉盤扭矩傳感器的測量單元為測力盤，而測力盤的核心部件為可靠性非常高的載荷傳感器，因此該傳感器一經安裝運行非?？煽?，故障率非常低。

4 現場推廣使用情況

2012年以來，筆者單位先后承擔了 BZ35-2WHPA、BZ35-2WHPA、BZ29-4WHPC、QHD32-6WHPH、QHD32-6WHPG等多個鉆修井機的建造任務。在這些項目中均配套安裝了測力盤式轉盤扭矩傳感器，經過近 5年的安裝運行及跟蹤試驗，傳感器運行穩定、正常。通過現場測試，測力盤式轉盤扭矩傳感器統均能正確反應轉盤的動態扭矩，提高了現場作業效率。目前，在渤海油田已得到了業主和使用方的廣泛認可。隨著測力盤式轉盤扭矩傳感器的推廣應用，渤海油田生產作業效率將邁上一個新的臺階。