海洋钻井平台自动化猫道机设计.pdf

2 0 1 1 年第 4 O卷 第 2期第 2 O页 石油 矿场 机械 OI L FI E LD E QUI P MENT o o 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 1 0 2 0 0 2 0 0 4 海洋钻井平 台 自动化猫道机设计 崔 学政 ， 刘 平全 ， 肖文生 ， 张艳敏 中国石油大学 华东机 电工程学 院， 山东 东营 2 5 7 0 6 1 摘要 传 统的 海 洋石 油钻 机通 常采 用 小绞车 、 绳 索实现 钻杆 上 、 下钻 台， 存 在 工作 安 全性 差 、 工 作 效 率低 等 问题 。设计 了一 种 自动 化猫 道机 ， 采 用全液 压驱 动 ， 所 有操 作 均 可 通过 遥 控 来 实现 ， 并 且 可 以一 次传 送 多根 钻杆 ， 提 高 了工作安 全性 ， 降低 了作 业成 本 。 关键 词 钻 井 平 台； 猫 道机 ； 设计 中图分类 号 TE9 5 1 文献 标识码 A De s i g n o f Au t o ma t e d Ca t wa l k M a c h i ne f o r Of f s ho r e Dr i l l i n g Pl a t f o r m CU I Xu e z he n g， LI U Pi n g q ua n， XI A O W e n s he n g， ZH ANG Ya n mi n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m， Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ， C h i n a Abs t r a c t Pi p e s a r e up l o a de d o r r e t ur ne d b y us i n g wi n c he s a n d c a bl e s on t r a di t i o na l o f f s ho r e d r i l l i ng pl a t f o r m s ．Thi s m e t ho d ha s m a ny un f a v or a b l e f a c t o r s l i ke l owe r r e l i a b i l i t y， l o we r e f f i c i e nc y a nd S O o n．A ki nd of a u t o m a t i c c a t wa l k ma c hi ne wa s d e s i gn e d ．W i t h t h e h yd r a ul i c p r e s s ur e a s po we r， t h e c a t wa l k m a c hi ne h a nd l e d s e v e r a l d r i l l i ng p i pe s o nc e， a nd a l l f un c t i on s c ou l d be r e a l i z e d wi t h r e mot e c o nt r o l l i n g on t he dr i l l f l o o r， t hus e n ha nc i ng s a f e t y， r e d uc i ng dr i l l i n g op e r a t i o n c o s t ． Ke y wo r ds dr i l l i n g pl a t f o r m ； c a t wa l k- m a c hi n e； d e s i gn 传统的海洋石油钻机多数采用绞车 、 钢丝绳等 实现钻杆的水平传送与上、 下钻台_ 1 ] ， 这种传统的操 作 方式需 要 人员 与钻杆 的 直接接 触 ， 手 动操 作器 械 ， 工作效率低 。由于海上风浪 巨大 ， 这种操作方式存 在 较大 的危 险性 ， 并 且 1次 只 能移 送 1个 单 根 。随 着 海洋 石油钻 井 技术 的进 步 ， 人 们 对 钻杆 传 送 与 上 下 钻 台方式进 行 了全 面创 新 ， 包 括 整个 钻 井 过 程 都 进行 了全面 自动化 改造 。 自动化 钻井 是 目前 海洋 石 油 钻井 技 术 的 主 要 发 展 方 向l 2 。 ] 。 自动 化 猫 道 机 C a t wa l k Ma c h i n e 是钻杆和其他钻 具 以下统称 钻杆 的水平传送设备 ， 可以在钻台和甲板之问安全 可 靠地 往复传 送 钻杆 Ⅲ 1 ] 。 笔 者设 计 了一 种 自动 化猫 道 机 ， 采 用 全液 压 驱 动 ， 所有操作均可通过遥控来实现 ， 并且可以 1 次传 送 多根 钻杆 ， 提高 了工作 安全 性 ， 降低 了作业 成本 。 l 总体机械 结构 组成 自动化猫 道 机总体 结构 包括 猫道 机主 体和支 架 结构 2部分 ， 如图 1 所示 ， 其主要功能是在甲板和钻 台之 问水平传 送 钻杆 。 猫 道机 主体部 分 由猫道 机本 体 、 本 体运 行机构 、 梭 车及 其驱 动机 构 、 翻转 机 构 、 进 给 机构 、 举 升 机 构 等组成 。 支 架 结构 采 用 型 钢焊 接 而 成 ， 上 面安 装有 导 轨 和齿条 ， 用以引导和驱动猫道机主体 。支架结构的 高度等于钻台高度， 安装 时， 将其一端通过销钉与钻 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 1 8 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3计 划 “ 深水半潜 式钻井船设计 与建造关键技术” 2 0 0 6 A A0 9 A1 0 4 部分成果 。 作者简介 崔 学政 1 9 6 1 一 ， 男 ， 山东安丘人 ， 教授 ， 硕士 ， 主要从 事机械设计及理论 、 石油机械设计 教学与科研 工作 ， E ma i l c u i x z h d p u ． e d u ． c n 。 第 4 O卷第 2 期 崔学政 ， 等 海洋钻井平 台 自动化猫道机设计 台铰接 ， 底 座 通过 高强度 螺栓 固定 于 甲板 。 】 一梭车驱动机构 ； 2 一 梭车 ； 3 一翻转机构 ； 4 一钻杆存放 区； 5 一V 形槽 ； 6 一举 升机构 ； 7 ～ 导轨 ； 8 一 齿条 ； 9 一 车轮 ； 1 O 一进 给机 构 ； 1 1 一支架 图 1 自动化猫道机结构 2 主要机构 设计 2 ． 1 本 体 运行机 构 猫道机本体可以沿导轨移动 ， 以实现钻杆在甲 板 区域 到钻 台 区域 的往 返移 送 。猫道 机 车轮沿 导 轨 移 动实现 猫道 机 的运 行 ， 但 车 轮 本 身 不具 有 驱 动能 力 ， 只承受猫道机及钻杆 的重力 ， 猫道机的驱动是通 过本 体运 行机 构来 实现 的 。 图 2为本体运行机构 ， 安装在猫道机底部。猫 道机本体运行机构通过齿轮齿条机构实现对猫道机 本体的驱动， 液压马达输 出扭矩经蜗杆减速器驱动 齿轮运 转 ， 齿轮 与支 架 上 的齿 条 啮合 推 动 猫 道 机 车 轮沿 导轨行 进 ， 通 过 控 制 液 压 马 达 的转 向和 转 速 可 以改变 猫道 机 的行 进 方 向和速 度 。 1 一 机 座 ； 2 一 蜗 杆 减 速 器 ； 3 一 大 齿 轮 ； 4 一联轴器 ； 5 一 液压马达 图 2 猫道机 本体 运行 机构 2 ． 2进 给 机构 在猫 道机 的钻 杆 存 放 区并 排 有 2个 或 者设 计 4个 尺寸形状完全相同的进给机构 ， 其结构如 图 3 所示 ， 自动化猫道机可 1 次传送多根钻杆 ， 备用钻杆 存放在猫道机的钻杆存放区内。当移送钻杆上钻台 时 ， 须用进 给 机构 将存 放 区 内的 钻杆 逐 根送 人 V 形 槽 ， 然后 由梭车机构将其移 出 V形槽 ， 实现上钻台。 进 给液 缸 支 座 固定 在 猫 道 机本 体 上 ， 活塞 杆 与 倾斜块铰接 ， 倾斜块可绕回转轴转动 ， 倾斜块上表面 形状与钻杆存放区上表面一致 ， 上表面向外侧低斜 ， 可保 证在猫 道 机移 动 过 程 中 ， 钻 杆 在 重 力 作 用下 靠 在 较 低一 侧 ， 并 保 持静止 。进 给 机构工 作 时 ， 进 给 液 压 缸 伸 出 ， 倾斜 块 在 活塞 杆 的推 动 下 绕 回转轴 旋 转 一 定 角度 ， 使倾 斜块 向 V 形槽 倾 斜 。倾 斜 块 上 的钻 杆在重力作用下 ， 沿倾斜块上表面滚向 V 形槽 ， 并 与 翻转 机构 配 合 ， 实 现单 根钻 杆 的分离 ， 钻 杆依 次进 入 V 形 槽 。 1 一猫道机本体 ； 2 一V形槽 ； 3 ～进 给支座 ； 4 一 回转轴 5 一倾 斜块 ； 6 一进给液压缸 ； 7 一液缸支座 图 3 猫道机进给机构 2 ． 3翻转 机构 沿猫 道 机 纵 向依 次 分 布着 4个 翻 转 机构 ， 其结 构如 图 4所 示 ， 翻转 杆通 过 回转轴 与 翻转 支座铰 接 ， 并 可 以绕 轴转 动 ， 翻 转支 座 通 过 螺 栓 连 接 固定 到猫 道机本体上 。翻转液压缸 的缸体和活塞杆分别与翻 转 支座 和 翻转杆 铰 接 ， 翻转 支 座 固定 在猫 道 机 本 体 上 。通过控制液压缸 的伸缩便可以控制翻转杆的倾 斜角度 。翻转机构可与猫道机进 给机构配合 ， 将钻 杆存 放 区 内 的 钻 杆 逐 根 引 入 V 形 槽 ， 而 反 向 操 作 时 ， 将 V 形槽 内 的钻杆 翻转 至钻 杆存 放 区 。 4 1 翻转 杆 ； 2 一 翻转液压缸 ； 3 一液压缸支座 ； 4 一 翻转支 座 图 4 猫道机翻转机构 石 油 矿场 机械 2 0 1 1年 2月 2 ． 4梭 车及 其驱 动机构 猫 道机 上 安装 有 一个 梭 车机 构 ， 梭 车机 构结 构 如 图 5所示 。液压 马 达 、 减 速 器 和 主动 链 轮 支座 为 同轴 安装 ， 均通 过 螺 栓 固定 在 猫 道 机本 体 上 。液 压 马达 经减速 后 驱动传 动 比为 1的链传 动 。导 向滑块 与上 侧链条 固联 在 一起 ， 梭 车 与导 向滑 块 固联 在 一 起并 安装在 导 向槽 内 ， 梭 车底部 设计 有滚 轮 图中未 画 出 ， 以实现 梭车 与 V 型槽 之 间的滚 动 摩擦 ， 由于 受导 向槽结 构 的限 制 ， 导 向滑块 只能 沿 猫 道机 纵 向 直线 移动 ， 进而 带动梭 车 沿 V 型槽 移 动 。V形 槽 是 与猫道 机本 体 固联 在 一 起 ， F形 侧 板 紧靠 V 形槽 ， 固联 在猫道 机本 体上 ， 与其 相 对应 的 z形侧 板 也 固 联 在猫 道机本 体上 。F形 侧板 和 z形侧 板恰好 形 成 上 、 下 2个链 槽 ， 其 中一 L 链槽 为导 向滑块 引 导方 向 。 梭车 在 导 向滑 块 驱 动下 移 动 ， 改变 液 马 达转 向 可实 现梭 车相对猫 道机 V 型槽 往返 移 动 ， 当钻 杆 被 猫道机传送到钻台前时， 猫道机本体停车 ， 需用梭车 将 V 形槽 内的钻杆 前端 推进 钻 台 内 ， 然 后 钻杆 前 端 被猫 道 机前端 的举 升机 构顶 起 ， 以便后 续工 序操作 。 移送 钻 杆下 钻 台 时 ， 水 平 ／ 垂 直 转 换 系 统 将 钻 杆 端 部 接 头部 分 放 入 钻 杆 槽 ， 杆 身 进 入 钻 杆 槽 挡 板 开 口处 ， 梭 车 反 向移 动 ， 当 钻 杆槽 挡 板 触 到 钻 杆 台肩 面后 ， 钻 杆 被挡 板 拖 动 向猫 道 机 远 离 钻 台 端 行 进 ， 到位 后 由 翻 转 机 构 将 钻 杆 移 人 猫 道 机 钻 杆 存 放 区。 移送 钻铤 、 套 管 等粗 重管 件 上、 下 钻 台 时 ， 管 件 一 端 放入 梭 车端槽 ， 另一 端 由猫 道 机前 端 举 升 机 构 支 承 ， 通 过猫 道机本 体 的移动 实现 管件 的移 动 。 1梭车 ； 2钻杆槽 挡板 ； 3 ⋯钻杆槽 ； 4梭车端槽 ； 5 V形槽 ； 6 一猫道机本体 ； 7 液压 马达 ； 8减速器 ； 9 主动链 轮 ； 1 o 链条 ； 1 1 一 F形侧板 ； l 2导向滑块 ； 1 3 一z形侧板 图 5猫道机梭车机构 2 ． 5 举升 机构 钻杆上 、 下 钻 台过 程 中 ， 为 实 现 猫道 机 与 水 平／ 垂 直 转换 系统 的衔接 ， 方便 水平 ／ 垂直 转换 系统抓 取 钻 杆 ， 需设 计 一 猫 道 机 举 升 机 构 ， 其 结 构 如 图 6所 示 。举 升架 通过 可 转 动 支座 安 装 在 猫 道机 本 体 上 ， 并 通过 举升 液压 缸伸 缩实 现其摆 动 。支承 滚安装 在 举 升架 前端 的转 轴上 ， 并可 绕轴 自由旋 转 ， 以保证 钻 杆 与举 升架 为滚 动摩 擦接 触 。 移 送钻 杆上 钻 台时 ， 举 升架 初始 为水平 位置 ， 梭 车 推 动 V 形槽 内 的钻杆移 出 1 ． 5 I I 1 后停 止 。2 个 液 压 缸 同步举 升 ， 举 升 架 上 的支 承 滚 与 钻 杆接 触 并 将 其 一 端举 起 ， 使 钻 杆处 于 倾 斜状 态 ， 便 于 水平 ／ 垂 直 转 换 系统将 钻杆抓 取并 提升 至钻 台 。钻 杆下 钻 台过 程 类似 ， 但工 序相 反 。 2 1液 缸 支 座 ； 2举 升 液 压 缸 ； 3支 撑 滚 ； 4举升架 ； 5 一猫道机本体 冈 6 猫 道 机 举 升 机 构 3工 作 原 理 和 工 序 以猫 道 机 传 送钻 杆 上 钻 台为 例 进行 详 细说 明 。 猫道 机返 回至 远离 钻 台 位 置 ， 由起 重机 将 甲板 上 的 钻 杆依 次放入 猫道 机 的存放 区 内 。在猫 道机 本体 运 行 机构 的齿 轮齿条 驱 动 下 ， 车 轮 沿 支 架上 的导 轨 行 进 ， 抵达 钻 台后停 止 ， 而后 由猫 道 机进 给机构 和翻 转 机 构配合 实 现钻杆 由存 放 区到 V 形 槽 的逐 根 分 离 ， 分 离过程 如 图 7所 示 。① 翻转杆 尾部处 在锁 闭钻 杆 状 态 ， 如 图 7 a ； ② 翻转杆 被 翻转 液 缸 顶起 ， 翻转 杆尾 部 处在 通 过 钻 杆 状 态 ， 如 图 7 b ； ③ 首根 钻 杆 进 入 翻 转杆 尾部 ， 如 图 7 c ； ④翻 转杆 下 落 ， 首 根钻 杆 滚 入 V 形槽 ， 紧跟其 后 的钻杆 被翻转 杆尾 部挡 住锁 死 ， 如 图 7 d 。当钻杆 进 入 V 形 槽 后 ， 在 梭 车 马 达 的驱 动 下 ， 梭 车沿 V 形槽 向猫 道机尾 端 移 动 ， 将 钻 杆一 端 推 出 猫道机 ， 然后 由猫道机举升机构将钻杆一端顶起 ， 使 其处 于倾 斜状 态 ， 以便 于水平 ／ 垂 直转换 系统 将钻 杆 抓取 并提 升 至钻 台 ， 将钻 杆呈 现 为垂直 状态 ， 随后 通 第 4 0卷第 2 期 崔学政 ， 等 海洋钻井平 台 自动化猫道 机设 计 过钻 台 自动排 管 系统进行 后 续工 序 ， 重复上 述操 作 ， 直 至猫道 机存放 区 内 的钻 杆 全 部移 除后 ， 完成 一 次 上钻 台 工 序 。移 送 钻 杆 下 钻 台 过 程 与 上 述 过 程 相反 。 c 尚 钠 f 1 进入 翻转杆尾部 1 根钻杆被送进V 形槽 图 7 猫 道机 进 给 过 程 3主要技 术参数 安 全工 作载荷 5 0 k N 传送 管 材尺 寸 0 6 0 ． 3 ～o 5 0 8 ． 0 mm 2 ％ ～2 0英 寸 梭 车行程 1 4 m 梭 车运行 速度 0 ～0 ． 5 m／ s 猫道 机运 行速 度 0 ～0 ． 4 m／ s 猫 道 机质 量 1 5 0 0 0 k g 尺寸 长 宽 高 1 8 m2 ． 2 m1 i n 4 结 语 猫 道 机 的主要 特点 是 可靠性 高 、 适应性 强 ， 可 以 在 多种 平 台上使 用 ， 是 目前 应 用 最 广 的 自动 化钻 杆 传送设备 。根据钻井平 台类型及相配合的水平／ 垂 直 转换 系统 、 排 管 系统 的不 同 ， 猫 道机 结构 与功 能将 有 所不 同。本文 所设 计 的 自动化猫 道 机 主要 用 于深 水 半 潜 式 钻 井 平 台 ， 与 之 配 套 的有 折 臂 起 重 机 、 V 形 门钻 杆操 作机 及立 柱式 排 管机 。 相 对于 国外 l_ 8 ] ， 国 内在 自动 化钻 杆处 理设 备 方 面相 对 落后 ， 起 步较 晚 。但近 年来 ， 已陆续有 一部 分 科研 单 位和企 业 投 入 到 这方 面 的研 究 工 作 中 ， 并 取 得了一定 的成果 。总之， 采用 自动化钻杆处理设备 代替 传 统 的人 工 操作 方式 是一 种必 然趋 势 。 参考文献 [ 1 ] 刘平全 ， 崔学政 ， 董磊． 钻井平 台钻杆 排放 方式 对 比 及其 自动化操作 系统[ J ] ． 中国海洋平 台 ， 2 0 1 0 ， 2 5 1 51 56 ． [ 2 ] 刘文庆 ， 崔学政 ， 张 富强． 钻 杆 自动排放 系统 的发展 及 典型结构 [ J ] ． 石 油矿 场机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 1 1 7 4 7 7 ． [ 3 ] 崔学政 ， 张富强 ， 肖文生 ， 等． 海 洋钻井平台折臂起 重机 设计[ J 1 ． 石油矿场机 械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 1 1 2 8 3 1 ． [ 4 ] 崔学政 ， 刘 文庆 ， 肖文生 ， 等． 海 洋钻井 平台立柱式排 管 机设计[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 1 4 5 4 9 ． [ 5 ] 赵淑兰 ， 李 文彪 ， 聂永晋 ， 等． 动力猫道技 术国 内外现状 和发展趋势[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 2 1 3 1 5 ． [ 6 ] 姜鸣 ， 曹 言悌 ， 周 声强． 陆地 钻机钻 杆 自动排放 系统 的设计 方案 [ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 8 ， 3 6 8 9 5 9 8 ． [ 7 ] 蔡文军 ， 张慧峰 ， 孙长征 ， 等． 钻柱 自动化排放技术 发展 现状 _ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 2 7 1 7 4 ． [ 8 ] Ho w a r d D a y ， F r ie d e ， G o l d ma n I ， e t a 1 ． Va r c o I n t e r n a t i o n a l I n c ． J U2 0 0 0 一 E f f i c i e n c y b y D e s i g n [ R ] ． Ne w O r l e a n s ， L o u i s i a n a ， I A DC ／ S PE 5 9 1 0 5 ， Dr i l l i n g c o n f e r e n c e ， 2 0 0 0 ． [ 9 ]J o h n N i c h o l s ， K C A De u t a g D r i l l i n g ， G a r y Ki r s c h ． D r i l l i ng Fa c i l i t y De s i gn The Va l u e Of Op e r a t i o na l I n put E R] ． AAD E T e c h n i c a l C o n f e r e n c e ， 2 0 0 3 ．