海底鉆機鉆桿輔助接卸裝置的研制

劉廣治

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

占地球表面積71%的海洋蘊藏著豐富的重要戰略資源，為國家經濟發展和國防建設所必需。目前，陸上資源消耗嚴重，深海資源勘探迫在眉睫。隨著深海高技術裝備的迅猛發展，深海資源勘探進入了全面發展的階段。我國在海洋擁有超過16萬平方公里的礦區，礦區包括多金屬結核、富鈷結殼和硫化物等，是經濟發展和國防建設不可或缺的潛在礦產資源。然而，在大規模開采之前必須開展前期的取樣分析，完成規模、儲量、成分、前景、環境評估等工作，這些工作主要需要海底鉆機來完成。

海底鉆機以其鉆探成本低、效率高，產品擾動小、易保壓，設備體積小、易操作，船舶適應能力強等優點，已成為海底資源勘探、海洋地質調查以及海洋科學考察不可或缺的重要技術裝備，得到了世界海洋強國的重視和應用。

海底鉆機是一種鉆探系統完全工作于海底的鉆探設備，水下工作時與母船僅靠一條具有承載能力的臍帶纜實現遠程控制。海底鉆機在選定站位作業必須一次成功取出合格樣品，否則還需要重新選址，重新收放，收放以及作業選址等花費的時間比鉆機實際工作的時間要多得多。因此，要求海底鉆機實際作業的各個環節必須可靠。

海底鉆機在實際作業中，鉆桿接卸的可靠性是影響海底鉆機整體作業可靠性的一個關鍵環節。尤其在大鉆深作業中，鉆桿的接卸要重復很多次，每次都需要機械手能夠準確無誤地送到指定位置，這在實際操作中很難保證，一旦鉆桿的接卸因為送鉆位置誤差導致鉆桿接不上或卸不下來，就必須回收海底鉆機。因此有必要研制一種海底鉆機的鉆桿輔助接卸裝置，用來消除鉆桿多次接卸后，機械手送鉆的位置誤差，保證海底鉆機鉆桿接卸的可靠性。

1 海底鉆機鉆桿輔助接卸裝置需要解決的問題

(1)大鉆深時，鉆桿的接卸過程要重復多次。機械手在協助反復接卸鉆桿時，如果不能保證鉆桿始終能夠送到準確位置，存在偏差時需要施加給動力頭主軸額外的力強行連接鉆桿螺紋，偏差越大，額外施加的力就越大，會給鉆桿螺紋和動力頭主軸轉接頭螺紋造成損傷，導致事故。因此，海底鉆機鉆桿輔助接卸裝置必須能夠消除機械手的送鉆誤差。

(2)當即將接入新鉆桿上端與動力頭連接后，新鉆桿處于一端固定一端自由的狀態，新鉆桿的自由端易受到洋流等外力影響偏離原來位置，鉆桿越長，影響越大。即將接入的新鉆桿的自由端很難與上一根鉆桿的上端對中連接。因此，海底鉆機鉆桿輔助接卸裝置在接卸新鉆桿時，必須能夠對新鉆桿的上下移動進行導向。這樣可以保證當新鉆桿上端與動力頭主軸連接后，另一端穿過導向裝置，依靠導向裝置限制鉆桿在外力作用下的偏離距離，保證新鉆桿能夠始終與動力頭主軸的同軸度在設計范圍內。

(3)卸扣時，若直接采用動力頭反轉卸扣，不能保證被卸鉆桿下端扣先被松開，因此需要設計一個機構，先將被卸鉆桿下端松扣，然后再利用動力頭反轉保證被卸鉆桿下端扣先被卸開。

(4)為保證新鉆桿與上根鉆桿可靠地接卸，上根鉆桿暴露于孔口位置的部分也需要保證與動力頭主軸的同軸度在設計范圍內。若直接采用夾持器夾持，會因夾持器兩端液壓缸不同步，造成夾持位置偏離與動力頭主軸的同軸位置，造成新鉆桿下接頭和上根鉆桿的上接頭之間接卸困難。因此，海底鉆機鉆桿輔助接卸裝置還需要對上根鉆桿強制對中，保證夾持器的夾持位置在設計位置。

(5)海底鉆機鉆桿的輔助接卸裝置不能妨礙動力頭的行程和增加鉆機的整體高度以及重量，否則會對母船的配套設施提出更高的要求。

2 海底鉆機鉆桿輔助接卸裝置設計方案

針對以上需要解決的問題，海底鉆機輔助接卸裝置應具備相應的功能。因此，海底鉆機鉆桿輔助接卸裝置需要具備消除送鉆位置誤差，鉆桿上下移動能夠導向，被卸鉆桿下端扣先卸開，能夠保證孔口位置的鉆桿與動力頭主軸同軸度在設計范圍內等功能。根據這些功能的要求，作者提出了相應的設計方案，結構如圖1所示，主要由彈簧對中機構、導向機構、沖扣機構和對中夾持機構組成。

圖1 海底鉆機鉆桿輔助接卸裝置結構圖Fig.1 Structural drawing of auxiliary loading and unloading device for drill pipe of subsea drilling rig

3 海底鉆機鉆桿輔助接卸裝置各個機構的構成和工作過程

3.1 彈簧對中機構

海底鉆機鉆桿輔助接卸裝置中的彈簧對中機構主要由兩側的對中液壓缸、導向限位組件、彈簧對中組件和卡瓦組成，見圖2。

圖2 彈簧對中機構Fig.2 Spring centering mechanism

彈簧對中機構的工作過程：正常鉆進時，彈簧對中機構不起作用，兩側對中液壓缸均處于全縮狀態，此時不影響動力頭上下運動；接卸鉆桿時，若機械手送鉆桿的位置正好為設計位置時，兩側彈簧壓縮量一致，彈簧作用于卡瓦，從而卡住鉆桿。當機械手送鉆桿的位置存在偏差時，彈簧對中機構先在機械手實際送鉆位置夾住鉆桿，機械手松開鉆桿后，由于兩側彈簧的壓縮量不一致，在彈簧力的作用下鉆桿自動回到設計位置。

3.2 導向機構

海底鉆機鉆桿輔助接卸裝置中的導向機構主要由兩側的對中液壓缸、導向限位組件、導向塊組成，如圖3所示。

圖3 導向機構Fig.3 Guide mechanism

導向機構的工作過程：正常鉆進時，導向機構不起作用，兩側對中液壓缸均處于全縮狀態，此時不影響動力頭上下運動；當動力頭與鉆桿上端連接后，彈簧對中機構中的對中液壓缸活塞桿全部縮回，動力頭帶動鉆桿向下移動，此時導向機構兩側的導向塊組成的圓的直徑稍大于鉆桿外徑，為鉆桿的移動導向，避免出現鉆桿一端固定另一端自由的狀態，保證鉆桿在移動過程中與動力頭的同軸度在控制范圍內。為了降低導向塊的摩擦系數，導向塊采用尼龍材料。

3.3 沖扣機構

海底鉆機鉆桿輔助接卸裝置的沖扣機構主要由沖扣液壓缸、夾緊組件和固定座組成，如圖4所示。

圖4 沖扣機構Fig.4 Punching mechanism

沖扣機構的工作過程：夾緊組件用于夾住鉆桿，夾緊組件可沿著固定座上中心孔旋轉，沖扣液壓缸用于提供卸扣力。夾緊組件上的限位桿用于保證夾緊組件兩側液壓缸活塞桿的最終位置一致，避免液壓缸速度不同步造成的夾緊鉆桿的位置不在設計位置，即夾緊鉆桿的位置不是由液壓缸的行程決定，而是由限位桿限位位置決定。固定座上的限位桿用于保證夾緊組件不工作時處于設計位置。

3.4 對中夾持機構

海底鉆機鉆桿輔助接卸裝置中的對中夾持機構主要包括對中組件和夾持組件，其中對中組件主要由對中液壓缸、安裝座、導向桿、限位桿以及對中V型塊，如圖5所示。夾持組件主要由夾持液壓缸、安裝座、導向桿、限位桿和卡瓦組成，如圖6所示。

圖5 對中組件Fig.5 Centering assembly

圖6 夾持組件Fig.6 Clamping assembly

對中組件工作過程：正常鉆進時，兩側對中液壓缸活塞桿處于全縮狀態，對中卡瓦塊處于各自的初始位置，此時鉆桿的上下運動不受影響；接卸鉆桿時，對中液壓缸通過導向桿導向，驅動對中V型塊強制鉆桿回到設計位置，對中V型塊的行程由限位桿進行機械限位，保證最終夾持位置處于設計位置。通過對中組件對鉆桿強制對中后，夾持組件對處于設計位置的鉆桿夾持。

4 結語

針對海底鉆機鉆桿接卸中存在的問題，作者設計了海底鉆機鉆桿輔助接卸裝置。該裝置能夠使上下兩根鉆桿上卸扣時與動力頭主軸的同軸度均在設計允許的范圍內，降低了對機械手送鉆位置的精度要求，提高了海底鉆機鉆桿接卸這個環節的可靠性，同時也降低了機械手的控制精度和設計難度。