海洋鉆機自動排管機液壓吊卡的設計

張曉軍

（遼寧多米實業有限公司，遼寧 盤錦 124010）

0 引言

海洋鉆井平臺在鉆井作業過程中，需要將鉆具（包括鉆桿、鉆鋌和套管等，以下統稱鉆桿）由懸臂梁堆場移運到鉆臺，再將鉆桿單根連接成立根，已連接好的立根可直接用于鉆井，也可直接排進指梁備用，即鉆桿的移運、排放操作[1]。

鉆具智能移運排放系統是海洋鉆井平臺的重要組成部分，用于鉆井過程中對鉆桿進行自動化、智能化處理，主要包括鉆具抓取過程、鉆具輸送過程、鉆具組合過程和鉆具排放過程[2]。傳統的鉆具移運排放操作方式主要靠普通起重機和氣動絞車等設備，需要工作人員直接與鉆桿接觸，在鉆具的起吊、輸送和起下鉆過程中，司鉆、鐵架工和井臺鉆工手動緊密配合，稍有不慎就可能導致事故，同時需要大量的人力物力。自動排管機是鉆具智能移運排放系統的核心子系統，液壓吊卡是自動排管機的核心部件。液壓吊卡安裝在上機械臂夾頭下端，在排管機工作過程中液壓吊從貓道抓取單根后，把單根從水平狀態旋轉到豎直狀態，再放置到鼠洞中。液壓吊卡主要由上部滑動機構、支承梁、旋轉機構、支承臂、翻轉機構、卡碗翻轉機構和扶正機構構成。

1 設計參數

根據實際使用工況，確定自動排管機液壓吊卡的總體設計參數，見表1。

表1 液壓吊卡總體參數表

1.1 上部滑動機構

上部滑動機構是在液壓吊卡受力的時候，起到一個緩沖作用[3]，是主要承力部件，上部滑動機構參數見表 2。

表2 上部滑動機構參數表

1.2 旋轉機構

旋轉機構主要是依據單根的走向，實時調整液壓吊卡的角度，主要起到被動導向的作用，旋轉機構參數表見表3。

表3 旋轉機構參數表

1.3 吊卡翻轉機構

吊卡翻轉機構主要是為了使吊卡與單根接頭角度一致，利用翻轉機構調整吊卡角度，以便吊卡卡住單根接頭，吊卡翻轉機構參數表見表 4。

表4 吊卡翻轉機構參數表

1.4 卡碗翻轉機構

液壓吊卡卡碗翻轉機構與下機械臂夾頭卡碗翻轉相同，主要是為了使單根不外滑。卡碗翻轉機構參數表見表 5。

表5 卡碗翻轉機構參數表

1.5 扶正機構

液壓吊卡扶正機構主要是為了方便吊卡在合適位置卡住單根接頭，同時也起到安全保護作用，扶正機構參數表見表 6。

表6 扶正機構參數表

2 傳動方案

液壓吊卡安裝在上機械臂抓頭下面，在排管機工作過程中液壓吊從貓道機抓取單根后，把單根從水平狀態旋轉到豎直狀態，再放置到鼠洞中[4]。液壓吊卡主要由上部滑動機構、支承梁、旋轉機構、支承臂、翻轉機構、方碗翻轉機構和扶正機構構成，均采用液壓缸驅動，結構如圖1（a）所示。

2.1 上部滑動機構

上部滑動機構作用有2個：1）液壓吊卡在貓道機提取單根時，上部滑動機構解鎖，以便液壓吊卡對正單根接頭。2）在鼠洞口2個單根上卸扣時，上部滑動機構可補償一個單根絲扣長度。上部滑動機構液壓缸缸體與上機械臂抓頭連接，活塞與液壓吊卡支承梁連接[5]。采用液壓缸驅動連桿機構。機構如圖1（b）所示。

圖1 液壓吊卡機構圖

驅動能力計算如下。液壓缸伸出時推力：

式中：P為液壓站推缸壓力值；A為液壓缸推缸受力面積。

液壓缸縮回時拉力：

式中：P為液壓站縮缸壓力值；A為液壓缸縮缸受力面積。

2.2 旋轉機構

旋轉機構作用如下。排管機在貓道機上提取單根時，液壓吊卡通過旋轉機構調整吊卡角度，以便吊卡提取單根。旋轉機構的液壓缸缸體與螺旋導向槽連接，回轉軸承外圈與支承梁連接，內圈與支承臂連接，支承梁再與螺旋導向槽連接[6]，當液壓缸活塞桿伸出時，活塞桿上的橫銷就沿著螺旋導向槽滑動且發生旋轉，活塞桿上的導向鍵可沿支承臂軸向滑動，這樣就實現支承臂旋轉。

驅動能力計算如下。液壓缸伸出時推力：

式中：P為液壓站推缸壓力值；A為液壓缸推缸受力面積。

液壓缸縮回時拉力：

式中：P為液壓站縮缸壓力值；A為液壓缸縮缸受力面積。

液壓缸活塞桿伸出或縮回時，要克服摩擦力矩。當活塞桿伸出時，液壓吊卡下面無負載只有吊卡重，此時摩擦力矩大小不計，當活塞桿縮回時，液壓吊卡下面承載35 kN，此時的摩擦力矩計算如下。

由球軸承計算如下。

垂向載荷：

式中：回轉負載質量m=3500kg；查手冊取軸承徑向摩擦系數為ua=0.003；查手冊取軸承軸向摩擦系數為ur=0.005；負載回轉半徑為r=298 mm。

而活塞桿縮回時驅動力矩：

得：M驅>M摩擦

2.3 翻轉機構

翻轉機構的作用如下。當液壓吊卡在貓道機提取單根時，單根一端被貓道推桿抬起，為了使吊卡與單根接頭角度一致，利用翻轉機構調整吊卡角度，以便吊卡卡住單根接頭。采用液壓缸驅動連桿機構。驅動能力計算如下。

液壓缸伸出時推力：

式中：P為液壓站推缸壓力值；A為液壓缸推缸受力面積。

液壓缸縮回時拉力：

式中：P為液壓站縮缸壓力值；A為液壓缸縮缸受力面積。

液壓吊卡在貓道機上提取單根后，隨后單根就被液壓吊卡提起，由傾斜逐漸變豎直，此時單根在自重作用下旋轉，此時需要翻轉機構液壓缸拉力很小，而翻轉機構液壓缸與吊卡之間是索具連接，保證翻轉機構液壓缸不損壞。

翻轉機構受力計算：

由力矩平衡方程得

式中：F2為翻轉力；G為負載。

該值遠遠大于吊卡自重及液壓缸拉力。

2.4 卡碗翻轉機構

液壓吊卡卡碗翻轉機構計算與下機械臂夾頭卡碗翻轉相同。

2.5 扶正機構

扶正機構的作用如下。當液壓吊卡在貓道機提取單根時，液壓吊卡扶正機構可方便吊卡在合適位置卡住單根接頭，同時也起到保護作用。扶正機構由2組對稱設計的液壓缸驅動杠桿組成。采用液壓缸驅動連桿機構。

驅動能力計算如下。液壓缸伸出時推力：

式中：P為液壓站推缸壓力值；A為液壓缸推缸受力面積。

液壓缸縮回時拉力：

式中：P為液壓站縮缸壓力值；A為液壓缸縮缸受力面積。

3 驅動元件設計選型

3.1 上部滑動機構液壓缸參數確定

根據負載情況及結構尺寸計算，對上部滑動機構液壓缸參數進行確定，詳細參數見表7。

表7 上部滑動機構液壓缸參數表

3.2 旋轉機構液壓缸參數確定

根據負載情況及結構尺寸計算，對旋轉機構液壓缸參數進行確定，詳細參數見表8。

表8 旋轉機構液壓缸參數表

3.3 翻轉機構液壓缸參數確定

根據負載情況及結構尺寸計算，對翻轉機構液壓缸參數進行確定，詳細參數見表9。

表9 翻轉機構液壓缸參數表

3.4 吊卡方碗翻轉機構液壓缸參數確定

液壓吊卡方碗翻轉機構液壓缸與下機械臂抓頭卡碗翻轉機構液壓缸相同，對吊卡方碗翻轉機構液壓缸參數進行確定，詳細參數見表10。

表10 吊卡方碗翻轉機構液壓缸參數表

3.5 扶正機構液壓缸參數確定

根據負載情況及結構尺寸計算，對扶正機構液壓缸參數進行確定，詳細參數見表11。

表11 扶正機構液壓缸參數表

4 結論

根據該文所述，自動排管機液壓吊卡的設計從根本上解決了海洋鉆機鉆具自動抓取、轉移、定位和排放的難題。根據對受力件的結構分析計算和驗證可知，液壓吊卡在使用過程中安全可靠。通過試驗證明，排管機液壓吊卡的各項參數和性能均達到了設計要求，試驗后經檢查，結構件沒有彎曲和變形，焊縫表面和內部均未見裂紋。

該排管機液壓吊卡配套于某公司生產的海洋鉆井平臺鉆具智能移運排放系統，該系統應用于某公司建造的TZ400自升式海洋鉆井平臺，該系統于2017年6月完成廠內調試，2018年3月安裝于TZ400自升式海洋鉆井平臺，目前正在墨西哥灣鉆井，運行穩定可靠。