JC-30DBT型海洋補(bǔ)償絞車設(shè)計(jì)與分析

費(fèi)健杰

(中海油田服務(wù)有限公司，河北 三河 065201)

深海鉆井時(shí)，鉆機(jī)系統(tǒng)將會(huì)受波浪等作用帶動(dòng)井下鉆具上下運(yùn)動(dòng)，因而無法控制鉆壓，不但影響鉆進(jìn)效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞鉆具[1]。升沉補(bǔ)償裝裝置可克服上述升沉運(yùn)動(dòng)的影響，調(diào)整深海井底鉆壓。目前升沉補(bǔ)償裝置主要有鉆桿補(bǔ)償裝置、天車補(bǔ)償裝置、游車補(bǔ)償裝置以及絞車補(bǔ)償裝置幾種形式[2-7]。其中，鉆桿補(bǔ)償裝置因鉆壓調(diào)節(jié)困難已經(jīng)很少使用；天車補(bǔ)償裝置在甲板上設(shè)備少，主要機(jī)構(gòu)都在天車臺(tái)和井架上，因此對(duì)井架的強(qiáng)度要求較高；游車補(bǔ)償裝置不需高強(qiáng)度井架，但其大部分設(shè)備都位于甲板上，占用面積較大。劉清友等人依托國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，完成了新型游車補(bǔ)償裝置的原理樣機(jī)的研制[8-9]，在成本和性能上有一定優(yōu)勢(shì)；絞車補(bǔ)償裝置可克服上述諸多弊端，將絞車的提升功能與升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的功能集成為一體。目前，補(bǔ)償絞車技術(shù)主要為美國(guó)NOV公司所壟斷，該公司已經(jīng)生產(chǎn)了多個(gè)級(jí)別的補(bǔ)償絞車, 國(guó)內(nèi)HYSY982海洋平臺(tái)也配套了NOV公司的補(bǔ)償絞車。國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)也在開展相關(guān)樣機(jī)的研制工作。

1 總體方案設(shè)計(jì)

JC30DBT型補(bǔ)償絞車是根據(jù)相關(guān)石油鉆井規(guī)范和鉆采設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。該補(bǔ)償絞車是一種交流變頻控制的單軸齒輪傳動(dòng)絞車，它主要由交流變頻電動(dòng)機(jī)、減速箱、液壓盤剎、滾筒軸、自動(dòng)送鉆裝置、空氣系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等單元部件組成。絞車動(dòng)力由2臺(tái)功率800 kW、轉(zhuǎn)速0～2 800 r/min交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。絞車為兩擋無級(jí)變速，有專門的氣動(dòng)換擋機(jī)構(gòu)。絞車主剎車為液壓盤式剎車，配單邊剎車。絞車取消了傳統(tǒng)的輔助剎車機(jī)構(gòu)，而使用主電機(jī)能耗制動(dòng)作為輔助剎車。絞車傳動(dòng)采用齒輪、鏈輪傳動(dòng)形式，齒輪、鏈輪及軸承潤(rùn)滑采用強(qiáng)制潤(rùn)滑方式。絞車配置的自動(dòng)送鉆裝置由1臺(tái)22 kW的交流變頻電機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)1臺(tái)立式齒輪減速機(jī)減速后驅(qū)動(dòng)滾筒實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆功能。絞車的所有控制(電、氣、液)均集中在司鉆控制房?jī)?nèi)[10-12]。

該絞車的補(bǔ)償原理是由絞車傳動(dòng)軸編碼器、升沉加速度傳感器及拉力傳感器分別將游車相對(duì)位置、船體升沉運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)與鉤載信息及時(shí)發(fā)送到可編程控制器中。經(jīng)過控制器處理后的輸出信號(hào)控制絞車電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｔ摻g車的控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測(cè)船體由于波浪引起的升沉運(yùn)動(dòng)，從而控制絞車做出相應(yīng)的動(dòng)作，對(duì)鉆柱進(jìn)行補(bǔ)償，保證鉆井時(shí)鉆柱相對(duì)于井底的位置不變。

2 傳動(dòng)原理

如圖1所示，絞車由2臺(tái)800 kW的交流變頻電動(dòng)機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器將動(dòng)力分別輸入至兩擋齒輪減速箱輸入軸，經(jīng)二級(jí)齒輪和一組鏈輪減速后傳給滾筒軸。在每個(gè)擋位下，絞車的整個(gè)變速過程完全由主電機(jī)交流變頻控制系統(tǒng)操作實(shí)現(xiàn)。絞車自動(dòng)送鉆由1臺(tái)22 kW的交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)大傳動(dòng)比立式減速機(jī)和推盤離合器后，將動(dòng)力傳入減速箱另一輸入軸端，再經(jīng)齒輪箱和鏈輪鏈條減速后帶動(dòng)滾筒軸完成自動(dòng)送鉆過程。絞車兩擋齒輪減速箱的換擋機(jī)構(gòu)包含換擋和鎖擋2個(gè)部分，絞車換擋由司鉆在司鉆控制房?jī)?nèi)通過氣控電磁閥進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。

1-減速機(jī)；2-交流變頻電機(jī)Ⅰ；3-交流變頻電機(jī)Ⅱ；4-送鉆電機(jī)；5-滾筒圖1 絞車傳動(dòng)原理

3 絞車主要技術(shù)參數(shù)

額定功率

550 kW

最大快繩拉力

210 kN

鋼絲繩直徑

?29 mm

擋數(shù)

2正2倒(無級(jí)調(diào)速)

滾筒轉(zhuǎn)速

0～451 r/min

鉤速

0～1.5 m/s

開槽滾筒尺寸(直徑×長(zhǎng)度)

?560 mm×1 008.2 mm

剎車盤尺寸(外徑×厚度)

?1 520 mm×76 mm

4 提升及補(bǔ)償能力分析

4.1 提升能力

補(bǔ)償絞車是在常規(guī)絞車的基礎(chǔ)上增加了波浪升沉補(bǔ)償功能，主要靠電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，船體的升沉運(yùn)動(dòng)近似為正弦曲線，周期10 s，振幅1.35 m。根據(jù)波浪補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)特性，要使補(bǔ)償絞車達(dá)到補(bǔ)償效果，鉆頭及與鉆頭相連的鉆桿相對(duì)于井底是靜止的，與鉆桿相連的游車相對(duì)于井底也是靜止的，此時(shí)絞車根據(jù)波浪運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行提升和下放。需要在1/4周期，即≤2.5 s時(shí)間內(nèi)，保證補(bǔ)償絞車提升最大鉆柱時(shí)，游鉤運(yùn)動(dòng)的速度要大于波浪引起的鉆柱升沉速度。

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩-速度特性參數(shù)，利用相關(guān)公式，分別計(jì)算4×5繩系下絞車在低速擋id=11.56和高速擋ig=5.66時(shí)大鉤鉤載、鉤速、快繩拉力，得到2種傳動(dòng)比下的提升曲線，如圖2所示。

圖2 補(bǔ)償絞車提升曲線(8繩系)

由圖2補(bǔ)償絞車提升曲線可以看出，傳動(dòng)比ig=5.66時(shí)，絞車提升最大鉆柱時(shí)鉤速可以達(dá)到0.88 m/s，提升空吊卡時(shí)鉤速可以達(dá)到2 m/s；傳動(dòng)比id=11.56時(shí)，提升最大鉤載鉤速可以達(dá)到0.54 m/s，完全滿足鉆井提升要求。

4.2 補(bǔ)償能力

假設(shè)船體的運(yùn)動(dòng)曲線是按照周期為10 s、最大位移(振幅)為1.35 m的正弦周期運(yùn)動(dòng)。在前1/2周期(0～5 s)內(nèi)，船體處于上升階段，在補(bǔ)償工況下此時(shí)絞車進(jìn)行下放鉆柱動(dòng)作；在后1/2周期(5～10 s)內(nèi)，船體處于下降階段，在補(bǔ)償工況下此時(shí)絞車進(jìn)行上提鉆柱動(dòng)作[13-15]。圖3為在船體升沉運(yùn)動(dòng)的后1/4周期內(nèi)船體升沉和絞車提升鉆柱的鉤速曲線。

圖3 補(bǔ)償絞車提升速度曲線

5 試驗(yàn)分析

JC-30DBT型絞車在試驗(yàn)井場(chǎng)安裝上頂驅(qū)，絞車電機(jī)在轉(zhuǎn)速1 500 r/min，鉤速1.24 m/s時(shí)進(jìn)行緊急剎車，經(jīng)多次測(cè)量，絞車架頂部最大晃動(dòng)量4～5 mm，容易出現(xiàn)鋼絲繩從滑輪外緣的環(huán)形槽內(nèi)脫出，不僅影響絞車補(bǔ)償功能的正常實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)還可能引起安全事故。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)分析及初步判斷，造成晃動(dòng)的原因是盤剎裝置鉗架與絞車架組合后整體剛性不足造成的。為此，進(jìn)行了有限元分析，如圖4～5所示。

圖4 應(yīng)力分布云圖

圖5 位移分布云圖

鉗架(材料Q355B)厚度80 mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鉗架上，為142.42 MPa，小于屈服強(qiáng)度355 MPa，應(yīng)力滿足要求；鉗架的最大位移為3.88 mm，大于3 mm(1 800/600)[16-17]，位移變形大于標(biāo)準(zhǔn)要求，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本相符。

通過綜合分析，加固剎車鉗架不容易實(shí)現(xiàn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況與絞車架有限元分析，將絞車架左右立柱在原來的基礎(chǔ)上加強(qiáng)1倍。絞車架加強(qiáng)后的有限元分析結(jié)果如圖6～7所示。

圖6 加強(qiáng)后應(yīng)力分布云圖

鉗架厚度80 mm時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在鉗架上，為111.6 MPa，應(yīng)力滿足要求；鉗架的最大位移為2.78 mm，小于3 mm(1800/600)[16-17]，滿足要求。

6 結(jié)論

1) 在深海鉆井時(shí)鉆機(jī)系統(tǒng)受到波浪等作用，無法精確控制鉆壓，影響生產(chǎn)效率或損壞鉆具。

2) 設(shè)計(jì)了JC-30DBT型補(bǔ)償絞車，該絞車由2臺(tái)800 kW的交流變頻電動(dòng)機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器將動(dòng)力輸入減速箱作為主傳動(dòng)；由另1臺(tái)22 kW的交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過大傳動(dòng)比的減速機(jī)和推盤離合器，帶動(dòng)滾筒完成自動(dòng)送鉆。

3) 對(duì)補(bǔ)償絞車提升及補(bǔ)償能力進(jìn)行了分析。

4) 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)出現(xiàn)的盤剎裝置鉗架與絞車架晃動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了分析，通過有限元分析，找出了晃動(dòng)產(chǎn)生的原因，提出了加固措施。