340K液壓舉升裝置動力源優(yōu)化設(shè)計

李振衛(wèi)(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引言

液壓舉升裝置起源于加拿大，50多年來在北美地區(qū)和東南亞蓬勃發(fā)展，該裝置已在側(cè)鉆、完井、起下電泵、打撈、套銑封隔器、鍛銑套管、鉆水泥塞、棄井作業(yè)等方面實現(xiàn)應(yīng)用，是使用大型液壓缸替代傳統(tǒng)鉆機和修井機游動系統(tǒng)功能，進行起下井下管柱的一類修井裝置。可替代常規(guī)修井機進行修井和棄井作業(yè)，按照設(shè)備功能可分為帶壓作業(yè)機和液壓舉升修井裝置兩類。面對油價低迷的嚴峻挑戰(zhàn)，以及海上油氣田開發(fā)高投入的成本壓力，2017年國內(nèi)開始引入液壓舉升裝置進行海上平臺修井作業(yè)，液壓舉升裝置設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、成本低，在無修井機平臺進行修井作業(yè)、小修井機平臺進行側(cè)鉆前井眼準備具有較大的市場[1-7]。

目前海上平臺液壓舉升修井作業(yè)主要有套管頭承載安裝和液壓滑移底座承載安裝兩種方式[8]，為更好的適應(yīng)海上平臺修井作業(yè)，結(jié)合海上平臺修井作業(yè)需求對340K液壓舉升裝置動力源液壓系統(tǒng)進行了優(yōu)化，舉升液壓缸和液壓轉(zhuǎn)盤共享液壓泵組，可根據(jù)現(xiàn)場工況分配舉升液缸和轉(zhuǎn)盤的流量。并且集成了液壓滑移底座控制回路，可通過液壓動力源操作面板對滑移底座進行控制，配合液壓滑移底座進行海洋平臺從式井修井、棄井作業(yè)時，可大幅縮短設(shè)備安裝拆卸作業(yè)時間提高作業(yè)效率。

1 技術(shù)需求

液壓舉升修井裝置主要用于修井作業(yè)，如：檢泵作業(yè)、更換管柱作業(yè)、7″和9-5/8″技術(shù)套管切割、套銑、磨銑、打撈作業(yè)等，技術(shù)需求如表1所示[9-12]。

表1 液壓舉升裝置技術(shù)需求表

液壓舉升裝置液壓系統(tǒng)設(shè)備主要有舉升液缸、液壓轉(zhuǎn)盤等專有設(shè)備和伸縮桅桿(包含液壓絞車)、油管鉗、動力卡瓦、液壓滑移底座爬行器液缸等外購設(shè)備(表2)組成。舉升液缸共四支油缸，缸徑D=160 mm，桿徑d=110 mm，行程L=3 048 mm，單支油缸舉升力F=385 kN，工作壓力21 MPa。液壓轉(zhuǎn)盤由4個馬達并聯(lián)驅(qū)動，單個馬達排量為246 cm3/rev ，最大連續(xù)工作壓力21 MPa。

表2 外購設(shè)備參數(shù)

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓動力源是根據(jù)液壓舉升裝置的使用工況要求而專門設(shè)計配套設(shè)備，是液壓舉升裝置所有液壓設(shè)備工作的動力源。主要由動力泵組、控制面板、液壓閥組、液壓油箱幾部分組成。選用3套雙聯(lián)泵，1套三聯(lián)泵為系統(tǒng)供油。液壓泵參數(shù)如表3所示。

表3 液壓泵參數(shù)

液壓原理圖如圖1所示。不使用轉(zhuǎn)盤時，1#、2#、3#、4#泵1給舉升系統(tǒng)供油，大修作業(yè)使用液壓轉(zhuǎn)盤時，1#、2#泵1流量分配給液壓轉(zhuǎn)盤，平衡絞車1、平衡絞車2、油管鉗、動力卡瓦、散熱由剩余泵供油。液壓滑移底座爬行器控制閥集成在控制面板，與平衡絞車1、平衡絞車2共享液壓泵。M1～M7分別為液壓轉(zhuǎn)盤、舉升系統(tǒng)、伸縮桅桿/平衡絞車、油管鉗、動力卡瓦、散熱馬達壓力表。X1～X8分別為液壓轉(zhuǎn)盤、舉升系統(tǒng)、伸縮桅桿/平衡絞車、油管鉗、動力卡瓦、散熱馬達加載/卸荷閥。舉升系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)盤通過遠程溢流閥調(diào)節(jié)液壓站內(nèi)溢流閥進行調(diào)壓。

圖1 液壓原理圖

3 液壓系統(tǒng)計算

3.1 舉升系統(tǒng)速度流量匹配計算

舉升系統(tǒng)根據(jù)工況要求，設(shè)計兩種工作模式。一種為4支腿工作，一種為2支腿工作。4支腿工作一般應(yīng)用于重載低速舉升工況下。液壓站由3套雙聯(lián)泵，1套三聯(lián)泵為系統(tǒng)供油。小修作業(yè)不使用轉(zhuǎn)盤時，1#、2#、3#、4# 泵 1 給舉升系統(tǒng)供油，大修作業(yè)時，1#、2#泵1流量分配給液壓轉(zhuǎn)盤，平衡絞車1、平衡絞車2、油管鉗、動力卡瓦、散熱由剩余泵供油。

液壓舉升機共四支油缸，要求舉升力F舉=1 540 kN，行程L=3 048 mm。則每支油缸舉升力需滿足 F=385 kN，初選工作壓力21 MPa。

由公式(1)：

式中：F為單支液壓缸的舉升力；P為工作壓力；D為缸徑。

驗算工作壓力得：P=19.1 MPa，壓力設(shè)定為19.1 MPa即可滿足工作要求，考慮到壓力損失，選擇溢流閥溢流壓力為21 MPa。

液壓站的舉升系統(tǒng)泵流量控制采用載荷-壓力自適應(yīng)控制，4支腿工作輕載時(載荷小于120 t)，4泵同時工作，舉升系統(tǒng)供油流量最大。4支腿工作重載時(舉升載荷大于120 t)，兩泵工作，一個泵通過卸荷溢流閥無溢流損失卸荷。輕載荷、重載載荷臨界數(shù)值(本計算取臨界值為120 t，此時對應(yīng)卸荷溢流閥壓力設(shè)置值為15 MPa，該壓力可設(shè)置)可通過卸荷溢流閥設(shè)置。舉升系統(tǒng)最大流量1 048 L/min，卸荷閥工作時舉升系統(tǒng)流量748 L/min。

由公式 (2)、(3)和 (4)：

式(2)～(4)中：A1為油缸無桿腔作用面積；A2為油缸有桿腔作用面積；Q重為重載系統(tǒng)進入4根油缸流量(748 L/min)；Q輕為輕載系統(tǒng)進入4根油缸流量(1 048 L/min)；F為舉升機載荷。

計算得出，4支腿工作重載時舉升速度0.16 m/s，4支腿工作輕載時舉升速度0.22 m/s，4支腿下放速度0.41 m/s。

2支腿工作時，通過2個球閥切斷浮動油缸有桿腔和無桿腔進油，通過1個球閥連接有桿腔、無桿腔及總舉升系統(tǒng)回油管路。所有流量進入2個主工作油缸。

由公式 (5)～(7)：

計算得出，2支腿工作重載時舉升速度0.31 m/s，2支腿工作輕載時舉升速度0.42 m/s，2支腿下放速度0.82 m/s。

2支腿工作時，可以通過舉升機上的HUSCO閥實現(xiàn)主工作油缸的大腔和小腔連通和供油，進而實現(xiàn)2支腿差速舉升，此時，舉升速度最快。

由公式(8)：

計算得出，2支腿差速舉升速度為0.92 m/s。

3.2 液壓轉(zhuǎn)盤計算

液壓轉(zhuǎn)盤選用YZP110-1型液壓轉(zhuǎn)盤，液壓轉(zhuǎn)盤具有2/4馬達兩種工作模式，最高轉(zhuǎn)速100 r/min，最大工作扭矩為：30 kN·m@4馬達/15 kN·m@2馬達，最大排量需求470 L/min。傳動方式為齒輪傳動，傳動比i=9.461 5。液壓馬達排量246 cm3/rev，馬達最大連續(xù)工作壓力20.7 MPa，峰值壓力24.1 MPa。

大修作業(yè)時，1#、2#泵1流量分配給液壓轉(zhuǎn)盤，選擇傳動比為1.13分動箱，則柴油機在額定轉(zhuǎn)速2 100 r/min下，1#、2#泵1理論的輸出流量為：

因此，液壓動力源排量、壓力滿足液壓轉(zhuǎn)盤需求。

3.3 功率計算

液壓動力源最大功率工況為舉升機四支腿在最大壓力下舉升并且兩個平衡絞車及風(fēng)冷馬達同時工作，風(fēng)冷馬達功率由設(shè)備銘牌得知，P風(fēng)冷馬達=3.1 kW。分動箱效率按η分動箱=98%計算，液壓泵總效率(容積效率和機械效率乘積)按η總=85%計算。計算達到最大工作壓力(PMAX= 21 MPa，Q=748 L/min)時的功率。計算結(jié)果如下：

其中：Δ為舉升系統(tǒng)液壓系統(tǒng)液壓泵總排量；Δp為舉升系統(tǒng)壓力；ηmh為機械效率。

選擇傳動比為1.13分動箱，則柴油機在額定轉(zhuǎn)速2 100 r/min下的輸出功率為540 hp(402.7 kW)，分動箱最大輸出轉(zhuǎn)矩2 028 N·m。滿足液壓泵需求轉(zhuǎn)矩要求。因此選擇卡特C15柴油發(fā)動機可滿足使用要求。

4 聯(lián)合調(diào)試試驗

連接外接氣源，為液壓站緩沖氣罐充氣至0.75～0.8 MPa，啟動液壓站發(fā)動機，讓發(fā)動機空負荷運轉(zhuǎn)10 min，發(fā)動機、分動箱、油泵、液壓油散熱器等運轉(zhuǎn)正常，液壓閥件、管線有無泄漏，發(fā)動機運轉(zhuǎn)正常后，調(diào)節(jié)柴油機轉(zhuǎn)速至 1 500 r/min、1 800 r/min、2 100 r/min，此轉(zhuǎn)速下保持柴油機發(fā)動機和液壓泵空載運行各10 min，期間檢查發(fā)動機、分動箱、油泵、液壓油散熱器等運轉(zhuǎn)正常，液壓閥件、液壓管路等無泄漏。依次順時針旋緊X1-X8分別為液壓轉(zhuǎn)盤、舉升系統(tǒng)、伸縮桅桿/平衡絞車、油管鉗、動力卡瓦、散熱馬達加載，與舉升機進行聯(lián)合調(diào)試試驗(圖3)。

圖3 聯(lián)合調(diào)試試驗

4.1 液壓站運轉(zhuǎn)試驗

(1)連接外接氣源，為液壓站緩沖氣罐充氣至0.75～0.8 MPa，關(guān)閉充氣裝置，保壓5 min，壓降不得大于0.03 MPa。

(2)連接外接氣源裝置，啟動液壓站發(fā)動機，讓發(fā)動機空負荷運轉(zhuǎn)10 min，檢查發(fā)動機聲響、排煙、發(fā)熱等是否正常，檢查分動箱、油泵、液壓油散熱器等是否運轉(zhuǎn)正常，液壓閥件、管線有無泄漏；

(3)發(fā)動機運轉(zhuǎn)正常后，調(diào)節(jié)柴油機轉(zhuǎn)速至1 500 r/min、1 800 r/min、2 100 r/min，此轉(zhuǎn)速下保持柴油機發(fā)動機和液壓泵空載運行各10 min，期間檢查發(fā)動機、分動箱、油泵、液壓油散熱器等是否運轉(zhuǎn)正常，液壓閥件、液壓管路等是否有泄漏。

(4)將液壓站閥塊一上的球閥置于轉(zhuǎn)盤位，使液壓泵為轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)供油，重新啟動發(fā)動機，準備下階段的試驗項目。

4.2 桅桿試驗

(1)操作副司鉆桅桿起升手柄，觀察桅桿是否可以分級伸出到位，記錄期間最大起升壓力；

(2)主絞車和平衡絞車試驗(注：主絞車額定工作載荷5 t，平衡絞車額定工作載荷2.5 t)；

(3)手動解鎖機械鎖定裝置，操作副司鉆桅桿下降手柄，觀察桅桿收回過程是否順暢；

(4)檢查確認液壓管路無可見泄漏情況后，操作使桅桿再次伸出到位，機械鎖定裝置自動進行鎖定。

4.3 液壓動力鉗試驗

(1)操作旋轉(zhuǎn)臂控制手柄，觀察大鉗吊臂左右旋轉(zhuǎn)動作是否平穩(wěn)；

(2)操作液壓動力鉗控制手柄，依次使動力鉗上升、下降，低速正轉(zhuǎn)、低速反轉(zhuǎn)，高速正轉(zhuǎn)、高速反轉(zhuǎn)，觀察各動作運行是否平穩(wěn)，無阻滯現(xiàn)象。

4.4 轉(zhuǎn)盤運轉(zhuǎn)試驗

(1)使轉(zhuǎn)盤由四馬達驅(qū)動運轉(zhuǎn)，向上推動控制手柄使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速緩慢增加，當(dāng)轉(zhuǎn)盤輸出轉(zhuǎn)速(正轉(zhuǎn))到達10 r/min時，保持手柄位置不動使轉(zhuǎn)盤運轉(zhuǎn)5 min；

(2)繼續(xù)向上推動控制手柄并調(diào)節(jié)油門，使轉(zhuǎn)盤以30 r/min運轉(zhuǎn)(正轉(zhuǎn))5 min；

(3)下拉控制手柄使轉(zhuǎn)盤緩慢停止運轉(zhuǎn)；

(4)下拉控制手柄使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速緩慢增加，當(dāng)轉(zhuǎn)盤輸出轉(zhuǎn)速(反轉(zhuǎn))到達10 r/min時，保持手柄位置不動使轉(zhuǎn)盤運轉(zhuǎn)5 min；

(5)繼續(xù)下拉控制手柄并調(diào)節(jié)油門，使轉(zhuǎn)盤以30 r/min運轉(zhuǎn)(反轉(zhuǎn))5 min；

(6)調(diào)整液壓管線使轉(zhuǎn)盤由兩馬達驅(qū)動運轉(zhuǎn)，向上推動控制手柄使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速緩慢增加，當(dāng)轉(zhuǎn)盤輸出轉(zhuǎn)速(正轉(zhuǎn))到達10 r/min時，保持手柄位置不動使轉(zhuǎn)盤運轉(zhuǎn)5 min；

(7)繼續(xù)向上推動控制手柄并調(diào)節(jié)油門，使轉(zhuǎn)盤輸出轉(zhuǎn)速緩慢增加至100 r/min，保持此轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)(正轉(zhuǎn))5 min；

(8)下拉控制手柄使轉(zhuǎn)盤緩慢停止運轉(zhuǎn)，檢查各連接緊固件不應(yīng)有松動，各密封結(jié)合處不應(yīng)有可見滲漏。

(9)下拉控制手柄使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速緩慢增加，當(dāng)轉(zhuǎn)盤輸出轉(zhuǎn)速(反轉(zhuǎn))到達10 r/min時，保持手柄位置不動使轉(zhuǎn)盤運轉(zhuǎn)5 min；

(10)繼續(xù)下拉控制手柄并調(diào)節(jié)油門，使轉(zhuǎn)盤以100 r/min運轉(zhuǎn)(反轉(zhuǎn))5 min；

(11)上推控制手柄使轉(zhuǎn)盤緩慢停止運轉(zhuǎn)。

4.5 舉升油缸動作試驗

(1)將液壓站閥塊一上的球閥置于舉升位，使液壓泵為舉升系統(tǒng)供油；

(2)使用四油缸模式，此時操作主司鉆提升、下放手柄，觀察舉升油缸動作情況；

(3)操作提升、下放手柄使舉升油缸動作到最高和最低行程；

(4)使用雙油缸模式，此時操作主司鉆提升、下放手柄，觀察舉升油缸動作情況；

(5)操作提升、下放手柄使舉升油缸動作到最高和最低行程；

(6)開啟差速模式按鈕，操作主司鉆提升手柄，使舉升油缸上升到最高行程，觀察舉升油缸動作情況；

(7)關(guān)閉差動模式按鈕，操作主司鉆下降手柄，使舉升油缸緩慢下降到最低行程。

4.6 滑移底座控制試驗

(1)連接滑移液缸至液壓站管線；

(2)液壓站控制面板相應(yīng)的換向閥控制液壓缸收縮和伸出，觀察滑移液缸缸動作情況。

4.6 整機聯(lián)調(diào)試驗

(1)使用桅桿平衡絞車一將試驗鉆桿提升至上工作臺，然后沿井口下放至固定卡瓦和游動卡瓦之間，操作手(柄使固定卡瓦和游動卡瓦同時閉合，鎖定鉆桿；

(2)操作手柄使固定卡瓦張開，舉升油缸帶動鉆桿上提，到位后操作關(guān)閉固定卡瓦；

(3)操作手柄使游動卡瓦張開，舉升油缸下降，到位后操作關(guān)閉游動卡瓦；

(4)操作手柄使固定卡瓦張開，舉升油缸帶動鉆桿下降，到位后操作關(guān)閉固定卡瓦；

(5)操作手柄使固定卡瓦張開，舉升油缸帶動鉆桿上升，到位后操作關(guān)閉固定卡瓦；

(6)操作手柄使游動卡瓦張開，舉升油缸上升，到位后操作關(guān)閉游動卡瓦；

(7)操作手柄使固定卡瓦張開，舉升油缸帶動鉆桿下降，到位后操作關(guān)閉固定卡瓦。檢查并記錄液壓動力源運行參數(shù)。

5 結(jié)語

(1)通過分析海上平臺液壓舉升修井作業(yè)對液壓舉升裝置動力源的需求，對340K液壓舉升裝置動力源液壓系統(tǒng)進行集成化設(shè)計。經(jīng)計算，液壓動力源性能參數(shù)滿足設(shè)計要求。測試表明優(yōu)化后的液壓動力源運行穩(wěn)定可靠滿足現(xiàn)場作業(yè)需求。

(2)系統(tǒng)增加了滑移底座控制回路，可通過液壓動力源直接進行底座滑移操作，簡化了設(shè)備安裝作業(yè)流程。可為相關(guān)設(shè)計和應(yīng)用提供借鑒與參考。