远程控制液压油管钳自动上卸扣装置设计.pdf

第 l 2期 2 0 1 5年 1 2月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa nu f a c t u r e 1 47 远程控制液压油管钳 自动上卸扣装置设计 耿玉广 ， 谷全福 ， 孙连会 ， 王铁峰 1 ．华北油田公司 采油工程研究院， 河北 任丘0 6 2 5 5 2 ； 2 ． 华北油田公司第二采油厂， 河北 霸州0 6 5 7 0 9 摘要 在油气田修 井作业起 下管柱过程 中， 需要工人站在井 口反复操控液压油管钳上卸扣 ， 不但劳动 强度大 ， 而且时刻 面临磕碰夹挤、 高空落物、 有害井液飞溅等多种危险与危害。为了解决这一问题， 依托现有修井机的液压、 电气动力和提 升条件， 结合开口型液压油管钳结构特点， 综合运用电控及液压驱动技术研制出一种液压油管钳自动上卸扣装置， 其控 制指令集中到一个十字主令操作盘上， 修井机司机推拉操作手柄即可远程控制液压油管钳 自动就位、 上卸扣和对缺口， 从而使作业工人从脏苦 累险的工作条件 中得 以解放 出来。 关键词 远程控制； 液压油管钳； 自动化 ； 上卸扣装置 ； 设计 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 1 2 0 1 4 7 0 3 A De v i c e De s i g n o f Au t o ma t i c Re mo t e Co n t r o l Hy d r a u l i c Tu b i n g Pi n c e r s f o r Sc r e wi n g G E N G Y u - g u a n g ， G U Q u a n - f u ， S U N L i a n - h u i ， WA N G T i e - f e n g 。 1 ． P r o d u c t i o n E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Hu a b e i O i l fi e l d C o mp a n y ， He b e i R e n q i u 0 6 2 5 5 2 ， C h i n a ； 2 ．T h e S e c o n d P r o d u c t i o n F a c t o r y ， H u a b e i O i l fi e l d C o mp a n y ， H e b e i B a z h o u 0 6 5 7 0 9 ， C h i n a Ab s t r a c t I t i s n e e d e d t h a t w o r k e r s s t a n d i n we l l h e a d a n d c o n t r o l h y d r a u l i c t u b i n gpi n c e r s t o s c r e w r e p e ate d l y i n t h e p r o c e s s o f t h e o i l - g a s fi e l d w o r k o v e r o p e r ati o n s f o r p u l l i n g a n d r u n n i n g t u b i n g s t r i n g ，w h i c h n o t o n l y t h e l a b o r i n t e nsi t y i s b i g ， b u t a l s o t h e w o r k e r s al w a y s f a c e t h e p i n c h b u m p， h i g h al t i t u d e l i t t e r ， s p l a s h and o t h e r h a r m f u l d a n g e r and h a r m ofw e l l flu i d ． I n o r d e r t o s o l v e t h is p r o b l e m， 6 ∞e d o n t h e e x i s t i n g h y d r a u l i c ， e l e c t r i c al - g as p o w e r a n d e l e v a t i n g c o n d i t i o ns ofw o r k o v e r r i g and c o m b i ned w i t h t h e s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s ofo p e n i n g t y p e h y d r a u l ic p i n c e r s ， a k i n d o fh y d r a u l i c t u b i n g p i n c e r a u t o m ati c all y s c r e wi n g d e v i c e i s e v o l v e d b y e l e c t r o n i c c o n t r o l a nd h y dr a ul i c d r i v e t e c hn o l o g y c o mpr e h e ns i v e Al l c o nt r o l c o mma nd s a r e c o n c e n t r ate d o n a c r o s s ma s t e r c o n t r o l p a n e 1 ． A w o r k o v e r d r i v e r o p e r ate s a h a n d l e s wi t c h t o r e mo t e c o n t r o l l i n g t h e p o s i t i o n of h y d r a u l ic p i n c e r s ，s c r e w，and l i n e u p a u t o m ati c all y ． I t r e d u c e s t h e l abo r i n t e n s i t y of w o r k e r s a n d i m p r o v e s t h e s ee t y o p e r ati o n l e v e 1 ． I t m a k e s t h e w o r k e r s l i b e r at e d f r o m t h e d i r t y and t i r e d ofw o r k i n g c o n d i t i o n ． Ke y W or d s Re m o t e Co nt r o l ；Hy dr a ul i c Tub i ng Pi nc e r s ；Aut omat i on；S c r e wi ng De v i c e ；De s i g n 1引言 液压油管钳 简称 液压钳， 下同 是油气田修井作业中用来 上卸油管扣的一种专用工具。 液压钳主要由主钳和背钳两部分组 成， 主钳在背钳上面， 由导杆联成一体 ， 导杆上的弹簧支撑着主 钳。 上卸油管扣时， 背钳夹紧下面油管的接箍， 主钳夹紧上面油管 的管体， 旋扣时主钳相对于背钳向上或向下浮动。 上卸扣完毕 ， 作 业工人通过手动换向阀反向给油， 背钳松开接箍， 主钳复位对缺 口， 完成一次操作ll j。液压钳重达 1 百余千克甚至数百千克， 依靠 悬吊系统悬挂在修井机的井架上。上卸油管扣时， 需要工人站在 井 口用力推拉液压钳钳口咬住油管、 扳动液压油路换向阀手柄完 成钳头的正反转和对缺 口、 操作换档手柄变速等， 要求工人操作 熟练、 动作敏捷、 判断准确， 否则将直接影响施工速度、 施工效率 和操作安全性。 更重要的是， 由于修井作业常年在野外进行， 工作 环境差 ， 起下管柱旋扣动作频繁、 重复单调， 工人劳动强度很大， 而且站在井 口操作的工人时刻面临着磕碰夹挤、 高空落物 、 从井 中带出的有害油气水飞溅等多种危险与危害。因此， 实现液压钳 远程控制 自动上卸扣， 取代传统的人工井口操作 ， 是多年来众多 修井设备研究专家学者和现场操作人员的共同期盼 。 基于现有 修井机的液压 、 电气动力和提升条件， 在不增加任何辅助动力的 前提下 ， 结合开口型液压钳的结构特点， 综合运用电控、 液压、 气 动技术原理设计出一种远程控制液压钳自动上卸扣装置[5 -7 ] ， 在现 场应用中取得了降低了工人劳动强度、 提高操作安全f生的效果。 2结构设计与功能 远程控制液压钳 自动上卸扣装置主要由液压钳水平移动就 位装置、 自动对缺I I 器、 远程电控装置和操作盘等组成， 可在井口 无人操作情况下完成液压钳 自动就位 、 上卸扣和对缺 E l 等功能 。 来稿 日期 2 0 1 5 0 5 3 0 基金项目 中国石油华北油田公 司中长期重大科研项 目修井作业配套工艺技术研究 的部分研究成果 2 0 1 5 一 H B Z O 1 作者简介 耿玉广 ， 1 9 6 0 一 ， 男 ， 山东青州人 ， 博士研究生 ， 高级工程师 ， 主要研究方向 采油工程技术 1 4 8 耿玉广等 远程控制液压油管钳 自动上卸扣装置设计 第 l 2期 2 ． 1液压钳平移就位装置设计 液压钳在修井机井架上的悬吊方式和位置保持不变，为了 像人工操作那样在水平方向拉送液压钳，满足上卸油管扣需要， 研制了液压钳水平移动就位装置闻 ， 如图 1 所示。 该装置主要由支 撑杆 、 连接缸向花篮螺栓 、 液压缸、 定位花篮螺丝以及支座等组 成。工作时， 修井机司机通过推拉十字主令操作盘的手柄远程控 制液压缸伸缩驱动液压钳移到井口就位， 完成上卸扣后， 再回到 原位待命。 1 ． 支撑杆 2 ． 连接缸 向花篮螺栓 3 ． 液压缸 4 _ 液压钳 5 ．油管 6 ． 防喷器 7 ．油管卡盘 8 、 9 ．定位花篮螺丝 1 O ． 支座。 图 1液压钳平移就位装置结构 图 F i g ． 1 T h e S t r u c t u r e o f t h e Hy d r a u l i c P i n c e r Tr a n s l a t i o na l P o s i t i o n i n g De v i c e 2 ． 2液压钳 自动对缺口器设计 液压钳的大齿轮在液压马达的驱动下自由转动，完成油管 的上卸扣动作。油管上卸扣完毕， 必须使液压钳开口与大齿轮开 口对齐， 方能使油管从液压钳的钳口中退出。 否则， 液压钳无法退 离油管19 1 。现场施工中， 工人拉动换向阀手柄完成液压钳对缺口， 有时需要反复操作几次才能对齐。 因此， 要实现液压钳远程控制， 必须解决液压钳 自动对缺 口这一技术关键。 根据现有液压钳的结 构特点研制的自动归位控制阀与对位控制盘组合使用， 可使液压 钳的大齿轮自动复位，从而实现了液压钳开口与大齿轮开E l 一 致， 保证了液压钳的钳口朝着油管方向进退自如 “ 】 。 1 结构组成。液压钳马达驱动大齿轮转动进行上卸扣时， 其动力来自修井机的液压油。 所以， 只要控制了液压油的通与断， 也就控制了大齿轮的转与停。根据液压钳的这一特性， 设计自动 对缺口器， 如图2 所示。主要由自动归位控制阀、 对位止动盘、 阀 支架、 增高架等组成。 其中， 自动归位控制阀安装在液压主钳上部 的悬挂吊筒与对位止动盘之间，其结构如图 2上部方形结构所 示， 主要由阀体箱、 定位座、 启动销、 活塞等组成。 阀箱体后部中心 有一个与前面贯通的启 动销腔 ， 两侧各有一个 活塞及连通活塞腔 的进、 出油孔， 分别与液压钳的来油管和回油管相连接。 图2下部 的圆形结构为对位止动盘，其形状与液压主钳的制动盘相似， 有 对应的螺栓孔和复合旋钮孔， 不同之处是在复合旋钮孔的外面开 有一个可容纳启动销顶部锯齿状凸头的凹口。 对位止动盘固定在 主钳大齿轮鄂板架的上部， 能随鄂板架自由转动。 2 工作原理。位于 自动归位液控阀正中的启动销， 在弹簧 力的作用下向外伸出腔体。启动销左右留有一定的间隙， 允许其 左右移动 ， 推动 圆柱形活塞连通油路 ， 实现泄油 目的。 启动销的前 端凸头设计成方形锯齿状， 正好插进对位止动盘顶端的凹口内， 如 图2 所示。当对位止动盘正转 上扣 时， 启动销前端的锯齿状凸头 斜面 动销向后压缩， 即保证对位止动盘正转时不受任何限 制， 从而保证 匕 扣动作顺利完成。当上满扣后， 液压钳需退离油管， 回到原来位置。 这时， 电磁换向阀改变了液压钳的油路， 使大齿轮反 转， 对位止动盘随之一起反转。当启动销凸头卡进对位止动盘的凹 口时， 由于对位止动盘与启动销直面相卡， 则推动启动销向一侧移 动， 自动归位控制阀内的圆柱形活塞被迫向后退， 活塞上的泄油孑 L 连通， 使液压钳马达的供油系统形成短路， 切断了动力， 这时大齿轮 开 口正好与液压钳开 口一致 ， 液压钳可顺利退 出并 回位。当卸扣时 大齿轮逆时针转动 ， 先把启动销的方向调转 1 8 0 ， 即锯齿状凸头 的斜面朝着相反方向。与上扣程序相反， 即可完成卸扣。 l 2 1 l 1 ． 常闭行程开关 2 ． 定位座 3 启动销 4 ． 限位柱 5 ． 撞块 6 ． 自动归位控制阀支架 7 动归位控制阀箱体 8 ． 复合旋钮孑 L 9 ． 对位止动盘 1 O ．螺栓孑 L 1 1 ． 锯齿状凸头 l 2 ． 圆柱形活塞。 图 2自动对缺 口器结构示意图 F i g ．2 S c h e ma t i c Di a g r a m o f Ga p Au t o ma t i c De v i c e S t ru c t u r e 2 ． 3液压钳远程电控设计 为了实现上述液压钳就位、 上卸扣及自动对缺口等动作的 远程控制 ， 设计了一个远程 电控装置_ l2 1 ， 如图 3 所示。该装置主要 由十字主令开关 、 三通电磁阀、 电磁换向阀、 单向常开、 常闭行程 开关等部件组成。 l l 2 1 ．十字主令开关 2 、 4 ． 1 、 2 电磁换向阀 3 ．液压钳平移进退油缸 5 ． 液压钳马达 6 三 通电磁 阀 7 、 1 0 ． 1 、 常闭行程开关 8 ． 自 动归位控制阀 9 ．对位止动盘 l 1 、 1 2 ． 1 、 2 单向常开 继电器 图 3液压钳远程 电控装置结构原理图 F i g ．3 P r i n c i p l e S t r u c t u r e o f Re mo t e Co n t r o l De v i c e f o r Hy d r a u l i c P i n c e r No． 1 2 D e C ． 2 0 1 5 机 械 设 计 与制 造 1 4 9 工作流程为十字主令开关向 1 电磁换向阀的一端供电， 1 电磁换向阀得电后向液压钳就位液压缸供油， 使活塞伸出完成液压 钳耐脸 。 转向给 1 电磁换向阀的另一端拱 电， 则完成液压钳的电控 回位。 十字主令开关转向连通2 电磁换向阀的一端， 同时依次连通 2 单向常开、 2 常闭行程开关、 三通电磁阀， 三通电磁阀得电后向 2 电磁换向阀供油， 得电、 得油的 2 电磁换向阀向液压钳马达定 向供油， 液压钳马达驱动主钳及制动盘上面的对位止动盘沿预设顺 向旋转。逆动销在障『生 件的作用下向外伸出， 对位止动盘的外缘沿 逆动销的锯齿状凸头顺向旋转， 逆动销受挤压在逆动销腔内收缩， 即使锯齿状凸头进入止动凹口， 凸头斜面可使其J I顶 利通过， 不影响 液压钳上扣。液压钳完成顺向旋转后， 十字主令开关换向， 连通 电磁换向阀的另一端， 得电得油的 2 电磁换向阀换向供油， 液压钳 马达驱动主钳及对位止动盘反转， 当逆动销锯齿状凸头进入对位止 动盘的凹口时， 锯齿状凸头的直面产生阻挡， 并在对位止动盘凹口 的推动下横向移动， 推动逆动销前部的圆柱体挤压活塞的半球形顶 部， 活塞在活塞腔内后退的同时推动撞块向外移动， 随之推动 2 常 闭行程开关的连杆触头， 则 2 常闭行程开关断开。 三通电磁阀失电 后， 停止向2 电磁换向阀供油， 液压钳马达因断油而停转， 此时对 位止动盘凹口、 主钳与背钳钳头开口正好对齐在一条直线上， 完成 主钳与背钳钳头开口的自动对缺口。逆动销以锯齿状凸头为基准， 可在逆动销腔内换向1 8 0 。各常闭行程开关虽反向获得电流， 但因 单向常闭开关不闭合则避免了对电磁换向阀的两端同时供 电。 这样 一 来， 十字主令开关通过电路选位即可控制液压钳的进退就位及正 反转， 自动归位控制阀的逆动销通过机械选向控制液压钳的反转终 点， 二者联合起来完成液压钳就位、 上卸扣、 钳口自动对缺口等功能 的电控。当卸扣时， 先把启动销的方向调转 1 8 0 , 与上扣程序相反， 即可卸扣。 液压钳远程电控装置采取防爆设计， 置于修井机的尾部。 由于驱动液压钳的动力只有液压、 气动部分， 而无电力线路， 因而更 加符合井口防爆安全需要。 2 ． 4液压钳高低换档 当液压钳旋扣扭矩不够时，需将液压钳从高速档调至低速 档， 以增大扭矩。 为此， 选用安全『 生 较高的气动换档技术实现了液 压钳远程换档。 具体做法是 平时把换档手柄置于高档上， 当需要 大扭矩时， 由气缸顶起换档手柄， 调为低速大扭矩； 当需要从低档 换到高档时， 由弹簧拉回原来状态。 2 ． 5液压钳远控操作 设计的液压钳远程控制操作盘为 1 个一柄十字主令开关 ， 如图 4 所示。安装在修井机的主操作盘旁边， 便于司机操作。 1 ． 十字主令开关操作柄 2 ．油管卡盘操作柄 图 4液压钳远控操作盘 F i g ．4 T h e Re mo t e C o n t r o l Pa n e l o f Hy d r a u l i c P i n c e r 3应用效果 液压钳远程控制自动上卸扣装置在现场 4 O 余井次的检泵、 检管作业中， 累计上卸油管扣超过 2 x l O 次。 实践证明， 该装置设 计安全可靠、 性能稳定， 各部件体积小、 重量轻、 便于维护， 变人工 直接操作上卸油管扣为远程控制完成， 从而大大减轻了工人劳动 强度， 提高了安全操作水平。 4 结论 1 基于现有修井机的液压及电气条件 ， 综合运用电控及液 压驱动技术原理设计的液压钳远程控制自动上卸扣装置， 实现了 液压钳远程控制自动就位 、 上卸扣和对缺口等功能， 取代了人工 站在井 口操作， 降低了劳动强度， 削减了安全隐患。 2 现场应用 表明， 该装置具有结构合理、 体积小、 重量轻的特点， 使用安全， 性 能可靠， 操作简单， 易于推广。 参考文献 [ 1 ] 高胜， 庞伶伶， 常玉连． 修井井口机械 自动化技术现状分析与展望[ J ] _ 石油机械 ， 2 0 1 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