海洋钻井平台铁钻工主要结构形式浅析.pdf

doi10. 16576/ j. cnki. 1007-4414. 2015. 05. 006 海洋钻井平台铁钻工主要结构形式浅析 * 吴爱萍, 赵世刚, 刘翠洁, 张摇 建 兰州兰石能源装备工程研究院有限公司 青岛分公司,山东 青岛摇 266520 摘摇 要铁钻工是海洋钻井平台管子自动化处理装置的组成部分之一,能实现对钻具的上、卸扣作业,有效提高管子 处理的自动化水平。 介绍了铁钻工上、卸扣的工艺流程,并根据运移装置的不同,对国内外现有铁钻工的主要结构形 式进行了归类,对各类铁钻工的特点进行了分析。 关键词铁钻工;海洋钻井平台;管子处理;运移装置 中图分类号TE928摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标志码A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号1007-4414201505-0016-02 Analysis on Main Structure s of Iron Roughneck in the Offshore Drilling Plat WU Ai-ping, ZHAO Shi-gang, LIU Cui-jie, ZHANG摇 Jian Qingdao Branch of Lanzhou Lanshi Energy Equipment Engineering Research Institute Co. , Ltd, Qingdao Shandong摇 266520, China Abstract As component of the automatic pipe handling device, the iron roughneck can make up and break out the drill string connection, thus the iron roughneck can improve the automation level of pipe handling effectively. This article introduces the technological process of making up and breaking out the drill string connection, then classifies the main structure s of ex鄄 isting iron roughneck according to the different moving devices, and analyzes characteristics of these kinds of iron roughnecks. Key words iron roughneck; offshore drilling plat; pipe handling; moving device 0摇 引摇 言 在钻、修井过程中,铁钻工能够安全有效实现钻 具的上、卸扣作业,是石油钻机钻井工艺过程必备的 设备之一[1-2]。 目前,海洋钻井平台一般均配备两套 铁钻工,分别用于井口与鼠洞的管子作业,同时作为 冗余设计,一套设备出现故障,另一套仍可替代其工 作,降低故障风险。 1摇 铁钻工上卸扣工艺流程 铁钻工主要由底座、运移装置、钳体旋扣钳、扣 钳、背钳,如图 1 所示、液压系统、控制系统等几部 分组成。 图 1摇 铁钻工钳体示意图 摇 摇 铁钻工处理的管子对象主要有钻杆、钻铤、小管 径套管等,以钻杆为例,其上扣作业流程具体如下上 下钻杆对接后,铁钻工运移装置运送钳体到达工作位 置,闭合背钳固定下钻杆接箍母接头,闭合旋扣钳 夹紧上钻杆,启动液压马达进行旋扣,达到设定扭矩 后停止并张开旋扣钳,同时闭合扣钳夹紧钻杆接箍 公接头,通过液缸推动,旋紧钻杆,上扣完成[3]。 旋扣过程中钳头的相对位置发生变化[4],故设计调 节机构,补偿螺纹行程。 卸扣过程中,背钳固定钻杆 接箍母接头,由扣钳冲开旋合的螺纹,然后再由旋 扣钳旋开螺纹完成卸扣[3]。 2摇 国内外铁钻工主要结构形式 目前,国外市场上海洋钻井平台用铁钻工产品技 术成熟、类型广泛、系列全面,如美国 NOV 公司设计 生产的 AR、ARN、ST、MPT 系列铁钻工,挪威 Aker Kvaerner MH 公司主推的动力钳系列铁钻工,美国 TSC 公司推出的 IRN、IR 系列铁钻工,加拿大 Canrig 公司的 TM 系列铁钻工产品等。 国内也有多所厂家开始研制海洋钻井平台用铁 钻工产品,如宝石石油机械公司研发的 TZG 9 3/4- 140S、TZG 20-200G 铁钻工、宏华石油设备公司生产 的 LM-120 铁钻工、南阳二机石油装备公司生产的手 臂式铁钻工、江苏如石机械公司研发的 ZQF216-110 铁钻工、辽宁陆海石油装备研究院设计的 TZG-130 I 铁钻工等,且多数厂家已完成上述样机的试制。 海洋钻井平台应用各种铁钻工钳体的结构原理 基本类似,只是运移装置有所差异,根据运移装置的 不同,现将海洋钻井平台用铁钻工分为手臂式铁钻 61 研究与分析摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇2015 年第 5 期 第 28 卷,总第 139 期机械研究与应用 *收稿日期2015-08-13 作者简介吴爱萍1989-,女,山东安丘人,助理工程师,主要从事石油机械的研发设计工作。 工、轨道式铁钻工以及手臂轨道结合式铁钻工三种形 式。 分别对三种结构形式的铁钻工的结构以及特点 进行分析。 2. 1摇 手臂式铁钻工 如图 2 所示,手臂式铁钻工主要结构包括支撑总 成基座、升降装置、伸缩手臂、钳体、控制系统、液 压系统等[5]。 手臂式铁钻工基座配备旋转装置,通过单节、双 节或者三节伸缩臂的伸缩运动,同时配合机械臂垂直 运动,实现钳体在三维空间中的定位,到达井口或鼠 洞上方。 此类铁钻工的优势在于结构紧凑,质量轻,操作 简单,旋扣速度快,位移范围大,可到达多个目标操作 位置,不工作时铁钻工占用空间小,多用于钻杆、小管 径套管等钻具连接,能满足海上钻井的需求[2]。 其缺点在于控制较为复杂尤其是多节伸缩臂 铁钻工,处理范围受机械臂行程影响,而且此种结 构要求钳体机构紧凑、质量轻,因此不利于进行大管 径、大扭矩作业。 目前比较典型的产品主要有 NOV 生产的 ST 系 列ST-100、ST-120、ST-160铁钻工以及 Canrig 公 司的 TM 系列Torq-Matic TM 80、TM 120铁钻工,另 外,国内宝石 TZG 9 3/4-140S 铁钻工、宏华 LM-120 铁钻工、南阳二机铁钻工、如石 ZQF216-110 铁钻工、 辽宁陆海石油装备研究院 TZG-130 I 铁钻工均为手 臂式形式。 2. 2摇 轨道式铁钻工 如图 3 所示,轨道式铁钻工主要结构包括轨道、 底座、功能架、钳体、控制系统、液压系统等[3]。 图 2摇 NOV ST-160 手臂式铁钻工摇 图 3摇 TSC 轨道式铁钻工 摇 摇 此类铁钻工主体不具备伸缩功能,整体坐于轨道 之上,铁钻工可沿轨道水平行进,钳体置于功能架上, 到达合适位置后,钳体在功能架上垂直运动调节高 度,从而实现钳体的空间定位,进而进行钻柱操作。 轨道式铁钻工相对于伸缩臂式铁钻工操作更为 方便,对管径的适应能力强,输出扭矩高,运行平稳。 由于需要在钻井平台上铺设轨道,因此轨道式铁 钻工占用的空间较大,且重量较重[2]。 另外其运动 范围受到轨道的限制,运动轨迹不灵活。 如果铁钻工 需要操作多个工作目标位置,就需要铺设多条轨道, 变轨操作工序复杂,同时占据钻台空间,容易造成工 人行走的安全隐患。 目前比较典型的轨道式铁钻工产品主要有 MH 生产的 1898 手动、1899 自动、Torque Master、 4160轻型动力钳以及 TSC 公司的 IRN 系列IRN 1000、IRN 2000、AR 系列AR3200铁钻工,国内宝 石研究的 TZG 20-200G 铁钻工也属于轨道式形式。 2. 3摇 手臂轨道结合式铁钻工 手臂轨道结合式铁钻工主要由轨道、底座、伸缩 手臂、功能架、钳体、控制系统、液压系统等组成[5]。 手臂轨道结合式铁钻工能够在铺设好的轨道上 水平运行,同时配备伸缩手臂结构能够带动钳体进行 伸缩,综合了轨道式以及手臂式铁钻工的结构特点。 根据手臂伸缩方向与轨道方向的相对位置,结合 式铁钻工又分为手臂轨道平行式、手臂轨道垂直式、 手臂轨道偏斜式三类。 2. 3. 1摇 手臂轨道平行式 如图 4a所示,此类铁钻工手臂伸缩方向与铺 设轨道方向一致。 铁钻工主体在轨道上移动,到达合适位置时,液 缸驱动伸缩臂,带动钳体继续向前运移,同时,钳体可 沿功能架上的导轨垂直移动,从而使钳体到达目标操 作位置。 NOV 公司的 ARN-200 型铁钻工即为典型 的手臂轨道平行式铁钻工。 当铁钻工轨道无法铺设到目标位置或与其他设 备如动力猫道发生干涉时,即可使用此种类型的 铁钻工,灵活操作钻柱。 2. 3. 2摇 手臂轨道垂直式 如图 4b所示,此类铁钻工的手臂伸缩方向与 轨道方向垂直。 铁钻工主体可以在铺设的轨道上水平运动,到达 合适位置时,液缸驱动机械臂伸缩,同时调节钳体的 垂直高度,实现钳体的三维定位。 此类铁钻工铺设的轨道与井口鼠洞平行,能够来 回操作井口以及鼠洞的钻具,无需安装多套轨道和设 备,节省钻台空间,提高安全性。 2. 3. 3摇 手臂轨道偏斜式 手臂轨道偏斜式铁钻工结构如图 4c所示,此 类铁钻工手臂伸缩方向与轨道能够偏斜一定角度。 铁钻工能够在轨道上水平运移,伸缩臂与底座非 刚性连接,伸缩臂能够在底座上整体偏转,同时,手臂 能够进行伸缩,从而实现钳体的定位。 NOV 公司的 ARN-270 型铁钻工是典型的手臂轨道偏斜式铁钻工 结构。 这类铁钻工钳体定位更加灵活,可操作的目标工 下转第 21 页 71 机械研究与应用2015 年第 5 期 第 28 卷,总第 139 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 研究与分析 的尖角位置容易造成应力集中图 5 中位置 1 处, 需要改善过渡情况图9 中的位置1 处;图6 中的原 结构位置 3 处改以圆角过渡,去掉原结构尖角图 9 中的位置 3 处。 图 10 为工况 2 下的应力云图。 图 9摇 改进后的立柱结构摇 图 10摇 工况 2 下的应力云图 4. 2摇 改进后的结构校核 对改进结构进行分析,得到三个工况下的结构应 力结果。 结果表明,结构的应力水平明显下降,在满 载制动工况下立柱应力最大达到 411 MPa,尽管如此 仍远低于材料的疲劳极限;摆臂的应力水平和应力分 布与原结构相比变化不大,最大应力值约为 360 MPa,远低于疲劳极限。 结构在满载制动工况下的应力云图如图 10 所 示,从图中可见,应力分布比较均匀,应力集中情况明 显改善,图中位置 1 处为最大应力发生位置。 5摇 结摇 论 1 通过计算分析找到了早期损坏的原因,并进 行了相应的改进。 计算表明,计算模型是合理有效 的,改进是成功的。 对车辆依文章所述进行改进后, 结构有了很好的改善。 2 非线性计算模型可以比较好的计算出各部 件的接触应力状况和应力集中情况。 从目前的情况 看,摆臂和驱动桥壳的应力水平比较低,材料有一定 的富余,因此有必要面向轻量化进行结构优化设计。 参考文献 [1]摇 赵静一. 大型自行式液压载重车[M]. 北京化学工业出版社, 2010. 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