海洋钻井平台猫道机的典型结构及分析.pdf

doi10. 16576/ j. cnki. 1007-4414. 2015. 05. 011 海洋钻井平台猫道机的典型结构及分析 * 陆摇 辉,赵世刚,张摇 建,张彦秋 兰州兰石能源装备工程研究院 青岛分院,山东 青岛摇 266000 摘摇 要猫道机的主要功能是井场管具的自动运移,经历了从人工操作到自动化的演变过程,目前国内外钻采公司制 造的自动猫道的主要类型有举升式猫道、机械臂管子处理系统和平移式猫道三种。 举升式猫道运行平稳可靠,安全 性好,占地面积小,但是结构较复杂。 机械臂管子处理系统处理管子的速度快,工作效率高,缺点是,控制系统的稳定 要求高,制造与维护成本昂贵等。 平移式猫道是目前应用范围最广的猫道机,结构简单并且易拆卸和安装,易维护,并 且可将钻台设备运送到钻台内。 目前平移式猫道主要有两种结构,并且对这两种结构的猫道机进行了对比分析。 关键词钻井平台;自动化;自动排管系统;猫道机 中图分类号TE951摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标志码A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号1007-4414201505-0032-03 Typical Structure and Analysis of Catwalk Machine in Marine Drilling Plat LU摇 Hui, ZHAO Shi-gang, ZHANG摇 Jian, ZHANG Yan-qiu Qingdao Branch of Lanzhou LS Energy Equipment Engineering Institute, Qingdao Shandong摇 266000, China Abstract The main function of catwalk machine is to automatically transport the well site pipes, and the catwalk machine has experienced the evolution process of manual to intelligent. At present, there are three kinds of catwalk which are produced by companies at home and abroad lifting catwalk, mechanical arm processing system and translational catwalk. Lifting catwalk operates smoothly and reliably, and it is security and small land occupation, but complicated structure. Mechanical arm pro鄄 cessing system is fast in processing speed, it is high efficiency but the control system needs stability and its manufacturing cost is expensive. Translational catwalk is the most widely used at present, which is simple structured and easy to be maintained, and it could carry equipments into the drilling plat. Now the translational catwalk has two constructions, which would be contrastively analyzed in this paper. Key words drilling plat; automation; automatic exhaust pipe system; automatic catwalk 0摇 引摇 言 为了减少钻井作业时间、费用和提高作业的安全 性,自动管具处理系统正在逐步取代传统的人工管具 操作。 自动管具处理系统减少了操作者的人员数量 并提高了钻井的效率,在钻井的同时进行离线接单 根、自动输送和排放钻杆等操作将会大幅降低钻井时 间。 自动化管具操作系统操作过程是指采用自动化 管具处理系统代替人工来完成的管具操作过程。 自 动化管具处理系统由水平管具操作系统、水平/ 垂直 管具转换系统和垂直管具操作系统三个子系统组成, 猫道机是自动化管具处理系统配套设备之一,属于水 平管具操作系统,它的主要功能是实现井场管具自动 运移。 顶驱的液压吊卡或机械手与猫道机相互配合 使用,可以实现钻杆、钻铤和套管等的自动操作。 1摇 猫道机发展历史 钻井作业经过人工向自动化的转变,猫道也由原 先人工操作的简易猫道逐渐转变为如今可远程控制 的自动猫道,人工向自动化的转变提高了作业效率和 工人的安全。 1. 1摇 简易猫道 简易猫道是连接钻台面与甲板面的坡道,通过钻 台面的气动绞车和甲板吊将放置在甲板面的管具拖 拽到钻台面。 这种操作的缺点显而易见,自动化,智 能化程度偏低,上下钻台都需要至少 4 名工人配合完 成而造成操作效率不高,同时工人劳动强度大,安全 却得不到保证,而且钻具在互动过程中极易造成不同 程度的损坏而影响使用寿命,如图 1 所示。 图 1摇 简易猫道 1. 2摇 带式钻杆传送机 为了克服人工作业的缺点,研发出带式钻杆输送 机,在钻台和甲板间可,通过带式钻杆输送机传送钻 杆,钻杆放置在传输机的多层橡胶带上传输钻杆,多 层橡胶带通过安装在头部和尾部的驱动滚筒和张紧 23 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2015-07-28 作者简介陆摇 辉1986-,男,山东青岛人,硕士,助理工程师,主要从事钻机机械设计方面的工作。 滚筒。 通过液压马达带动驱动滚筒旋转,从而驱动传 送带运行。 输送机的尾部安装了扶正导向机构将钻 杆倾斜一定角度,以便钻杆的抓取。 但是带式传输机 传输钻杆不稳定,钻杆容易从传送带上脱落。 为了克 服以上缺点,研发出猫道机替代了带式钻杆传送 机[1],如图 2 所示。 1. 3摇 猫道机 猫道机通过安装在猫道中的 V 型槽作为钻具的 运输轨道,靠 V 型槽中的推车推动钻具沿着猫道的 V 型槽滑动,安装在尾部举升机构升起配合机械手,实 现钻杆在猫道和钻台之间的相互传递,它的优点是结 构较为简单,易于实现自动控制,传送过程快速、安 全、平稳[2],如图 3 所示。 图 2摇 带式钻杆传送机摇 摇 摇 摇 摇 图 3摇 猫道机 2摇 国内外海上猫道机发展现状 根据猫道机的钻具承载平台、坡道与猫道地面平 台三者之间的相对位置关系,以及传送钻杆的方式, 国外常见的海上猫道机有举升式猫道、机械臂管子处 理系统和平移式猫道 3 种类型[3]。 2. 1摇 举升式猫道机 举升式猫道主要特点是猫道机与钻台面不在同 一水平面,钻具承载平台中的 V 型槽可以根据需要 举升到一定的高度。 因此,举升式猫道机可以与不同 高度范围的钻井平台相互匹配。 举升式属于液压驱 动的猫道机,能够迅速地将钻杆或者套管从钻杆架上 运移到钻台上,然后通过小车将 V 型槽中的钻杆推 向钻台面。 两侧安装的排管架与翻转机构可以将钻 杆移出 V 型槽,尾部安装有折臂吊可将钻杆放入到 V 型槽中,举升式猫道的优点是运行平稳可靠,安全性 好,占地面积小,但是运动形式较复杂,如图 4。 2. 2摇 机械臂管子处理系统 与传统猫道机相比,机械臂管子处理系统没有猫 道地面平台、钻具承载平台与坡道,可直接实现管子 在地面与平台之间的运移,并且具有接立根的功能。 其均采用机器人运动控制原理提高系统的自动化程 度,利用排放臂和夹钳的特殊结构实现其快速定位和 夹持功能,属于全自动化处理设备。 机械臂管子处理 系统处理管子的速度快,可以使用无线远程控制,工 作效率高,缺点是液压元件的制造精度与安装精度 高,控制系统的稳定要求极高,制造与维护成本昂贵, 运移与拆装繁琐,如图 5 所示。 图 4摇 举升式猫道机摇 摇 图 5摇 机械臂管子处理系统 2. 3摇 平移式猫道机 平移式猫道机是广泛应用于海洋钻井平台的一 种钻具运移装置。 这种猫道机的特点猫道机分为两 大部分,猫道机支架与猫道机滑车,支架的高度与钻 台面的高度相同,折臂吊将钻具放置在猫道机滑车 中,猫道机滑车从猫道机支架水平移动到钻台面上, 当猫道机滑车移动到钻台面的一定位置,设置于猫道 机滑车 V 型槽中的钻具推送装置将钻具推送到井口 的预定位置。 排管机械手将钻具取出。 平移式猫道 相对于其他类型的猫道机最大的特点是可以将一些 钻台设备从甲板运送到钻台面上。 平移式猫道机主 要分为两种结构,分别为 CAMERON 公司和 NOV 公 司生产。 目前绝大多数钻井平台使用的猫道机为平 移式猫道机。 CAMERON 公司生产海上猫道机的排管架与猫 道机本体为一体式,钻杆排放在猫道机滑车上,体积 较大,重量较重。 后端装有推车,可以向前推送管具, 侧面装有分离机构向 V 型滑道推送钻杆,前端安装 有抬升机构,将钻杆端部抬起。 猫道机可以将钻具和 其他设备高效和安全地在钻台面和甲板之间传送。 猫道机可以同时运送 4 根 6-5/8 钻杆。 CAMERON 公司的猫道机通过折臂吊来装卸管具。 猫道机通过 安装在钻台面和甲板面的导轨前后移动。 猫道机配 有扶正机构,可以配合水平垂直转换系统将钻杆放入 井眼中[4],如图 6、7 所示。 图 6摇 CAMERON 公司猫道机摇 图 7摇 NOV 公司猫道机 NOV 公司生产猫道机将排管架与猫道机滑车分 离,猫道本体用来推送钻杆,钻杆储存在排放架上,体 积较小,重量较轻。 后端装有小车,可以向前推送管 具,V 型槽装有翻转机构向排管架推送钻杆,前端安 装有举升机构和扶正机构,配合水平垂直转换系统将 33 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 钻杆放入井眼中[5],如图 7 所示。 3摇 平移式猫道机的主要结构分析 目前,由于平移式猫道机结构简单,工作效率高, 所以大部分海上平台安装的是平移式猫道机。 平移 式猫道机主要有 CAMERON 公司和 NOV 公司这两 种,通过对这两种猫道机的对比分析,改进现有平移 式猫道机的现有结构。 3. 1摇 翻转机构对比分析 CAMERON 公司猫道机翻转机构由推杆和翻转 块完成翻转管具的过程,NOV 公司猫道机由倾斜块 和翻转块完成翻转管具的过程。 NOV 公司猫道机的 翻转机构相较于 CAMERON 公司猫道机结构更加简 洁,在翻转管具的过程中翻转液压缸的伸缩相同的距 离便可以将排管架上的不同尺寸的管具翻转到 V 型 槽中,而 CAMERON 公司猫道机在翻转管具的过程 中需要控制推杆液压缸的不同的伸缩距离将不同尺 寸管具推送到 V 型槽中,所以 NOV 公司猫道机翻转 管具的过程更容易操作,如图 8 11 所示。 图 8摇 CAMERON 公司猫道机翻转机构 图 9摇 CAMERON 猫道机翻转管具过程 图 10摇 NOV 公司猫道机翻转机构 图 11摇 NOV 公司猫道机翻转管具过程 3. 2摇 猫道机小车传动机构对比 NOV 公司猫道机和排管架与 CAMERON 公司猫 道机均采用液压马达驱动链条带动小车在 V 型槽中 前后移动。 CAMERON 公司猫道机采用了双侧的链 传动,NOV 公司猫道机因为翻转机构与本体的连接 安装在本体一侧,所以采用了单侧链传动。 小车的双 侧链传动比小车的单侧链传动运行稳定,但单侧链传 动比双侧链传动结构简单,如图 12、13 所示。 图 12摇 CAMERON 猫道机小车传动系统 1. 钻杆输送机本体摇 2. 梭车车架摇 3. 梭车滚轮摇 4,5,14. 链条 6,8. 轴承摇 7,16. 链轮摇 9,17. 端盖摇 10,18. 轴摇 11,19,20. 联 轴器摇 12. 减速器摇 13. 液压马达 图 13摇 NOV 公司猫道机小车传动系统 1. 棱车摇 2. V 型槽摇 3. 猫道机本体摇 4. 液压马达摇 5. 减速器摇 6. 主动链轮摇 7. 链轮支座摇 8. 链条摇 9. 导向槽摇 10. F 型侧板 11. 导向滑块摇 12. Z 型侧板 3. 3摇 猫道机本体运行机构对比 如图 14、15 分别为 CAMERON 和 NOV 公司猫道 机传动系统。 图 14摇 CAMERON 公司猫道机传动系统 图 15摇 NOV 公司猫道机传动系统 下转第 38 页 43 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 8 井架起升钩载、大绳拉力与起升角 兹 的关 系,如图 2 所示。 图 2摇 起升力变化图 6摇 结论分析、建议 从图 2 起升力变化图中可看出淤起升大绳拉力 和起升钩载的变化并不是同步的,究其原因,是起升 大绳夹角茁持续减小,并且其变化速率也在不断减 小。 而通常起升计算中并未考虑 茁 角的变化,因此得 到的结果是不准确的;于起升钩载的变化是先增加, 再减小,其原因是游车位置的变化。 游车实际运动轨 迹如图 3 所示。 可以看出游车对原点的力臂x 坐标值有明显 增加的过程。 因此,通常计算中忽略游车位置影响的 做法是有缺陷的。 图 3摇 游车轨迹图 摇 摇 笔者利用 PTC Mathcad Prime 的特性不仅把通常 起升计算中难以考虑的起升大绳夹角变化纳入考虑 范围,而且考虑了游车及钻井绳系的影响。 更精确的 给出了起升过程中各种状态的分界点。 对现场操作 更具备指导意义。 参考文献 [1]摇 孙雪梅. 四腿落地式 K 型井架及其底座的力学行为分析[D]. 大庆大庆石油学院,2006. [2]摇 王路林,高学仕,王佐祥. 井架起升过程的有限元仿真分析[J]. 石油矿场机械,2006,35220-22. [3]摇 张学军,陈孝珍. ZJ70 型钻机井架起升过程有限元仿真分析 [J]. 石油矿场机械,2008,371235-38. [4]摇 张玉英,钉旭庄. 蒯 型井架的优点及推广[J]. 石油矿场机械, 2010,30增刊118. 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