深水勘察船管子處理控制系統(tǒng)研制及應(yīng)用

徐煒華 周建峰 呂拴明

【摘 要】深水勘察船（海洋石油“708“）鉆井及取樣提升系統(tǒng)利用折臂抓管機(jī)和鷹爪機(jī)之間的協(xié)調(diào)配合工作，將管子堆場(chǎng)中水平放置的鉆桿移動(dòng)到井口，翻轉(zhuǎn)為豎直狀態(tài)，并對(duì)鉆桿在對(duì)扣過(guò)程中進(jìn)行扶持；或者將井口上方拆卸下的豎直鉆桿，翻轉(zhuǎn)并移運(yùn)到管子堆場(chǎng)。本文將介紹寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司國(guó)內(nèi)首次聯(lián)合研發(fā)、配套的管子處理控制系統(tǒng)，著重介紹折臂抓管機(jī)和鷹爪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和功能操作，作為國(guó)內(nèi)首次配套其意義不言而喻。

【關(guān)鍵詞】深水勘察船 管子處理系統(tǒng) 折臂抓管機(jī)

1引言

深水勘察船項(xiàng)目是我國(guó)自主研發(fā)的第一艘3000米水深的石油資源勘查船，是國(guó)家重大海洋工程項(xiàng)目之一，也是國(guó)家深水重大科技攻關(guān)項(xiàng)目的綜合配套項(xiàng)目之一，其將作為深水半潛式鉆井平臺(tái)“海洋石油981”輔助船支[3]。[2]本文將著重介紹國(guó)內(nèi)首次聯(lián)合研發(fā)配套的關(guān)鍵設(shè)備：機(jī)械化鉆桿處理系統(tǒng)，即：管子處理系統(tǒng)。

管子處理系統(tǒng)，起步于上世紀(jì)50年代，隨著科技進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新，其在海洋石油勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用，提高作業(yè)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，充分保障人員安全，這些設(shè)備得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)都已被認(rèn)可。管子處理系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)區(qū)域和功能的不同，大致分為垂直式和水平式兩類，主要作業(yè)區(qū)域有：鉆臺(tái)面、二層臺(tái)、管子堆場(chǎng)，其中典型垂直式，如：鉆桿排管系統(tǒng)（XY Column Racking Systems）、星型二層臺(tái)排管結(jié)構(gòu)（Star Racker）、鷹爪機(jī)（Eagle Light）等；而水平式主要以鉆桿傳遞運(yùn)輸為主，如：折臂抓管機(jī)（Pipedeck Pipehandler）、動(dòng)力貓道（Catwalk Machine）等。

2深水勘察船管子處理系統(tǒng)技術(shù)分析

深水勘察船管子處理系統(tǒng)（Pipe Handling Systems）是利用折臂抓管機(jī)和鷹爪機(jī)[1]之間的協(xié)調(diào)配合工作，將管子堆場(chǎng)中水平放置的鉆桿移動(dòng)到井口，翻轉(zhuǎn)為豎直狀態(tài)，并對(duì)鉆桿在對(duì)扣過(guò)程中進(jìn)行扶持；或者將井口上方拆卸下的豎直鉆桿，翻轉(zhuǎn)并移運(yùn)到管子堆場(chǎng)。該系統(tǒng)由折臂抓管機(jī)、液壓系統(tǒng)、鷹爪機(jī)、管子處理系統(tǒng)集成控制、鉆桿支架、鉆桿盒等組成。其系統(tǒng)特點(diǎn)是：安全性、可靠性、實(shí)用性、高效性、經(jīng)濟(jì)性的實(shí)現(xiàn)鉆桿搬運(yùn)操作。

2.1 設(shè)備使用環(huán)境

（1）海洋環(huán)境 環(huán)境溫度及濕度：在環(huán)境溫度-20℃～+50℃，濕度≤90% （+20℃時(shí)）的海洋工況下，設(shè)備可正常工作；（2）船體工作升沉參數(shù)：浪3m/9s、船 2.4m/9s；（3）最大工作風(fēng)速：36m/s，自存風(fēng)速：55m/s；（4）安裝位置：船體露天甲板。

勘察船管子處理系統(tǒng)的布局圖

2.2折臂抓管機(jī)（Pipedeck Pipehandler）

2.2.1 主要性能參數(shù)（表二）

序號(hào) 名 稱 參 數(shù) 備 注

1 最大負(fù)載 3000kg 工作幅度≤9.6 m 運(yùn)動(dòng)速度≤1/s

2 常規(guī)工作負(fù)載 500kg 工作幅度≤10.m 運(yùn)動(dòng)速度≤6/s

3 抓取負(fù)荷直徑范圍 4 1/2”～8 1/4” 長(zhǎng)度3-9.5m

4 重復(fù)精度 ±9mm

5 重量 12.5T

表二

2.2.2 組成介紹

折臂抓管機(jī)本體由基座、轉(zhuǎn)臺(tái)、主臂及抓管軛組成；基座與甲板法蘭螺栓連接；轉(zhuǎn)臺(tái)與基座采用回轉(zhuǎn)支撐連接，由帶減速機(jī)的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支撐旋轉(zhuǎn)；主臂分由3個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)，完成俯仰運(yùn)動(dòng)；抓管軛（末端執(zhí)行器）采用夾持式卡爪。液壓系統(tǒng)為折臂抓管機(jī)和鷹爪機(jī)的各個(gè)動(dòng)作提供所需動(dòng)力、同時(shí)能將控制系統(tǒng)給定的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為響應(yīng)的位置和速度輸出，從而實(shí)現(xiàn)折臂抓管機(jī)和鷹爪機(jī)按照操作路徑工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由液壓缸和液壓馬達(dá)組成。采用設(shè)備操作室和現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線遙控操作盒兩種操作方式，通過(guò)電液比例控制閥、傳感器和編碼器等檢測(cè)元件，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和精度，又簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)功能完整。

2.3 鷹爪機(jī) （Eagle）

2.3.1 主要技術(shù)參數(shù)

（1）適用鉆具尺寸：4 1/2”～8 1/4”；（2）最大提升鉆具重量：3000Kg；（3）主臂有效擺動(dòng)角度范圍：70.92°、副臂有效擺動(dòng)角度范圍：19.09°；（4）額定提升速度：250mm/s；（5）驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)額定壓力25MPa。

2.3.2 工作原理

YZJ-3000鷹爪機(jī)，主要配合折臂抓管機(jī)一起工作，由司鉆房控制，其按照預(yù)制的操作路徑進(jìn)行作業(yè)。工作步驟是：⑴ 液壓絞車(chē)準(zhǔn)確定位鷹爪機(jī)位置；⑵通過(guò)扶正鉗頭和夾緊鉗頭復(fù)合作用，準(zhǔn)確加持鉆桿；⑶ 主臂、副臂聯(lián)合作用，確保鉆桿位置與井口中心線重合，同時(shí)頂驅(qū)下放利用動(dòng)力吊卡將鉆桿卡??；⑷ 夾緊鉗頭、扶正鉗頭相繼松開(kāi)，返回至初始位置抓取下一根鉆桿。

3結(jié)語(yǔ)

以上對(duì)深水勘察船的管子處理系統(tǒng)從功能到配套，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，與國(guó)外海洋裝備相比，我國(guó)的海洋裝備尚處于起步階段，中國(guó)海洋石油總公司副總經(jīng)理周守為曾談到，“向海洋深水領(lǐng)域進(jìn)軍，向深水技術(shù)挑戰(zhàn)”將是今后工作的核心之一，深水海洋裝備勢(shì)必成為國(guó)家能源的保障，對(duì)于國(guó)內(nèi)石油裝備制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，不斷學(xué)習(xí)吸收和技術(shù)創(chuàng)新的路，任重而道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]深水勘察船折臂抓管機(jī)、鷹爪機(jī).《操作維護(hù)手冊(cè)》及相關(guān)技術(shù)資料.

[2]王維旭等.深水工程勘察船研制.《石油機(jī)械》.

[3]維基、NOV、MH等網(wǎng)絡(luò)媒體有關(guān)管子處理系統(tǒng)的資訊.

作者簡(jiǎn)介：徐煒華（1978-）男，工程師，2002年畢業(yè)于西南科技大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)，主要從事海洋裝備生產(chǎn)工作。