JC30DB-Ⅱ型海洋修井絞車設計與分析

楊曉剛, 陳思祥, 張小龍, 任鋼峰, 畢小鈞

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721000； 2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721000)

隨著我國海洋油氣勘探技術的快速發(fā)展，海上油氣開發(fā)越來越受重視。考慮到經(jīng)濟性、實用性，以及潮濕高含鹽的作業(yè)環(huán)境等因素，標準化和模塊化的海洋修井機將是未來我國海洋平臺主流技術發(fā)展方向[1-3]。HXJ180DB型海洋修井機是針對我國淺海固定式平臺上修井作業(yè)而研發(fā)的，具有先進的驅動控制技術與高移運性特點，主要配備在海洋叢式井作業(yè)平臺上，可實現(xiàn)橫向和縱向雙向移動，滿足多功能海洋平臺面積小、井口多、平臺承載能力小和安全性要求[4-7]。

目前的JC30DB型兩擋絞車存在的主要問題是體積較大，特別是沿絞車滾筒軸方向寬度尺寸較大，難以滿足現(xiàn)有海洋鉆井平臺對修井機空間布局緊湊的特殊要求。針對這一問題，本文對現(xiàn)有JC30DB型兩擋絞車結構進行改進。新絞車的總體結構是縱向布局，采用交流變頻電機驅動[8]，配備獨立的自動送鉆電機。通過側向懸掛減速箱的形式，極大地縮減了絞車滾筒軸方向寬度尺寸，既解決了油缸起升井架過程中絞車的干涉問題，又滿足了海洋修井機對絞車提升性能的所有要求。

1 絞車結構及原理

1.1 總體結構

JC30DB-Ⅱ型兩擋海洋修井機絞車的傳動原理如如圖1所示，總體結構如圖2所示。絞車采用單軸滾筒形式，絞車由1臺600 kW的交流變頻電機驅動，經(jīng)聯(lián)軸器、兩擋二級齒輪減速器傳動滾筒軸。滾筒軸的轉速由交流變頻控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)和控制。自動送鉆裝置由1臺45 kW的交流變頻電機驅動，通過推盤離合器、二級齒輪減速器傳動滾筒軸，具有應急起下鉆具和自動送鉆功能。

圖1 JC30DB-Ⅱ型兩擋海洋修井機絞車的傳動原理

主電機冷卻方式為強制風冷。離合器采用軸向推盤離合器。絞車配有防碰過卷閥，可與液壓盤式剎車聯(lián)動，防止游車上碰天車。絞車的所有控制(電、氣、液)均集中在鉆機司鉆房內(nèi)。絞車的所有部件均安裝在1個底座上，構成1個獨立運輸單元，便于安裝和運輸[9-11]。

1—底座；2—絞車架；3—液壓盤剎；4—軸承座；5—滾筒體；6—主電機；7—潤滑系統(tǒng)；8—空氣系統(tǒng)；9—自動送鉆裝置；10—減速箱；11—滾筒軸。圖2 JC30DB-Ⅱ型兩擋海洋修井機絞車的總體結構

1.2 剎車系統(tǒng)

剎車形式為能耗制動+液壓盤剎。由于交流變頻電機具有能耗制動功能，在下鉆作業(yè)和減速工況時，游動系統(tǒng)的懸重通過絞車滾筒拖動主電機反轉，使電機進入“發(fā)電”狀態(tài)，變頻系統(tǒng)通過直流母線上配置的制動單元和制動電阻，將位能和動能轉化為熱能消耗掉，實現(xiàn)對負載定量及定位的自動控制。可編程邏輯控制器(PLC)通過變頻器、電機軸及滾筒軸編碼器采集主電機的運行參數(shù)和滾筒的轉速等數(shù)字信號，判斷游車所處工況，計算出游車的位置和游動系統(tǒng)的懸重與速度，通過工業(yè)控制計算機(IPC)數(shù)字程序發(fā)出控制信號，使主電機以設定的速度驅動滾筒，實現(xiàn)鉆機下鉆和減速工況時合理的功率利用與工作時效。由于交流變頻電機在轉速為零時也能輸出額定轉矩，所以可實現(xiàn)鉆具懸停。能耗制動使液壓盤剎僅作為游動系統(tǒng)的安全駐車和緊急制動使用，克服了液壓盤剎操作手感差，剎車片需經(jīng)常調(diào)整間隙，剎車片易磨損等缺點，可避免因誤操作引起的溜鉆、頓鉆事故，延長盤剎剎車片的使用壽命，提高修井機的工作效率。電控系統(tǒng)和液壓盤式剎車具有互鎖功能，即當電控系統(tǒng)失電時，液壓盤剎能實現(xiàn)自動剎車。

絞車液壓盤剎設有安全鉗+工作鉗共4副，工作鉗與安全鉗形成安全互鎖并互為備份。其中，安全鉗為可調(diào)節(jié)式油缸，可以調(diào)節(jié)剎車副間隙，提高了剎車塊的利用率，延長其更換周期。工作鉗采用浮動式油缸結構，有自動補償功能。液壓系統(tǒng)采用雙液壓源雙回路外加2個蓄能器的形式，具有多重保護功能，提高了可靠性和安全性。

1.3 絞車減速箱

絞車減速箱選用兩擋齒輪傳動，即高速和低速2個擋位，可分別滿足鉆井工藝對輕載和重載要求，充分利用了絞車功率，有效提高了鉆機起下鉆的工作效率。由電機經(jīng)聯(lián)軸器同步將動力輸入減速箱輸入軸，經(jīng)齒輪傳動減速后傳給滾筒軸，絞車變速過程完全由主電機交流變頻控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

絞車減速箱采用兩級大模數(shù)硬齒面齒輪傳動，箱體為剖分式結構。齒輪及軸承潤滑采用強制潤滑形式，能有效保證軸承等充分潤滑。絞車換擋通過減速箱上的換擋機構實現(xiàn)，換擋機構配有鎖擋保護裝置。

1.4 潤滑系統(tǒng)

潤滑系統(tǒng)配2套電動潤滑裝置(1套備用)，為減速箱提供充分的潤滑。配潤滑壓力檢測裝置，可實現(xiàn)低油壓報警，保證減速箱安全運行。絞車底座的油箱內(nèi)設有盤管和電加熱器，在環(huán)境溫度較低時，可向盤管內(nèi)通入蒸汽，加熱油箱內(nèi)潤滑油；在環(huán)境溫度過高時，可向盤管內(nèi)通入冷卻水，降低油箱內(nèi)潤滑油溫度，保證絞車正常工作。

2 主要技術參數(shù)

根據(jù)SY/T6803-2016《海洋修井機》標準的要求[12]，HXJ180DB型海洋修井機最大鉤載1 800 kN，因此要求絞車最大快繩拉力不低于220 kN。

絞車的主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 JC30DB-Ⅱ型兩擋海洋修井機絞車的主要技術參數(shù)

3 滾筒軸有限元計算

3.1 滾筒軸受力分析

由于絞車采用減速箱側向懸掛結構，所以對絞車滾筒軸進行強度、剛度校核最為關鍵。絞車滾筒軸在絞車工作過程中受到快繩拉力、軸上其它零部件的重力，減速箱重力，以及軸承支反力作用。

1) 滾筒軸所承受的快繩力Fmax=220 kN，快繩拉力夾角θ=5°。

2) 滾筒軸上零部件包括滾筒體總成、剎車盤、鋼絲繩，總重力為50 kN。

3) 減速箱重力作用于滾筒軸上的分力為22.5 kN。

4) 滾筒軸的最大轉矩[13]。

式中：Dm為滾筒平均直徑；Dm=693.4mm；Fmax為滾筒軸所承受的快繩力。

3.2 滾筒軸有限元計算結果

滾筒軸的應力和變形如圖3～4所示。滾筒軸材料選用45CrMo，屈服極限ReL=785 MPa。

滾筒軸的許用應力[14]

式中：SYmin為屈服強度，SYmin=ReL；FDS為安全系數(shù)，F(xiàn)DS=1.67。

從滾筒軸的應力云圖(圖3)可以看出，滾筒軸的最大應力σmax=120.77 MPa<[σ]，所以滾筒軸的強度滿足設計要求。

圖3 滾筒軸的應力云圖

滾筒軸的許用撓度[y]≤0.000 5L(L為支承跨距)[15]。當L=1 062 mm 時，[y]=0.53 mm。從滾筒軸的位移云圖可以看出，滾筒軸的最大總變形量ymax=0.4 mm<[y]，所以滾筒軸的剛度滿足設計要求。

圖4 滾筒軸的位移云圖

4 控制系統(tǒng)

4.1 過卷防碰控制

該絞車過卷防碰閥裝于滾筒上部橫梁上，其安裝位置為當游車上升至防碰高度時，滾筒快繩端能觸動過圈閥的位置。只要過卷防碰閥打開，防碰回路啟動，產(chǎn)生的防碰氣信號驅動壓力開關產(chǎn)生電信號，使絞車主電機斷電或摘離自動送鉆離合器，并使液壓盤剎剎車。

4.2 自動送鉆控制

當啟動自動送鉆電機時，絞車會斷開主電機，自動送鉆離合器自動掛合。當游動系統(tǒng)運行至防碰高度，或減速箱鎖擋故障，或送鉆電機故障，或緊急制動時，自動送鉆離合器分離，液壓盤剎剎車。自動送鉆離合器設有反饋回路，當自動送鉆離合器損壞或泄漏時，離合器的壓力迅速下降，使反饋壓力開關產(chǎn)生斷電信號，使自動送鉆電機懸停或停機，液壓盤剎剎車。獨立的自動送鉆形式使絞車具有較高的安全性、可靠性。

5 應用

寶雞石油機械有限責任公司近年來生產(chǎn)了多臺HXJ180DB型海洋修井機，已經(jīng)應用于中海油曹妃甸6-4油田項目，中海油旅大6-2油田項目，中海油旅大4-2油田項目，中海油渤中19-4油田項目等。其配套的JC30DB-Ⅱ型兩擋海洋修井機絞車布局合理，結構緊湊，安裝簡單，運輸方便，且提高了修井機作業(yè)效率，降低了修井機作業(yè)成本，受到油田用戶的一致好評。

6 結論

1) 常規(guī)JC30DB型兩擋絞車通常采用橫向布置，寬度約為5 000 mm。JC30DB-Ⅱ型兩擋海洋修井機絞車采用了縱向布置，將絞車的寬度壓縮到3 250 mm，避免了絞車工作時與井架起升油缸干涉的問題。

2) 絞車變速箱采用側向懸掛式布置。經(jīng)有限元分析，滾筒軸強度和剛度滿足設計要求。與常規(guī)JC30DB型絞車相比，該布局形式省去了鼓齒聯(lián)軸器，壓縮了減速箱與滾筒之間的距離，充分滿足了海洋修井機對布局緊湊性的特殊要求。

3) 采用交流變頻電機驅動絞車，其維護費用低，使用安全可靠，易于操作管理，具有安全保護功能，可實現(xiàn)電機的免維護運行。這種負載功率因數(shù)高, 能耗低、傳動效率高的交流變頻電驅動絞車將是海洋修井機配套絞車發(fā)展的必然趨勢[16-18]。