復(fù)合功能軌道式鐵鉆工系統(tǒng)集成設(shè)計

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(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

鐵鉆工是海洋石油鉆井平臺上自動化排管系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，用于進(jìn)行鉆具的上扣、卸扣作業(yè)。按照移動類型分為伸縮臂式鐵鉆工和軌道式鐵鉆工2大類[1-2]。其中，軌道式鐵鉆工具有輸出轉(zhuǎn)矩高，運行平穩(wěn)，可以滿足大尺寸管具的上卸扣要求，處理管具的規(guī)格系列范圍較廣，移動距離可根據(jù)鉆臺布置安裝不同長度的軌道進(jìn)行調(diào)節(jié)，特別適用于井口的作業(yè)[3]。

泥漿防噴盒也是海洋鉆井平臺上必備設(shè)備，用于在起下鉆拆卸鉆桿的過程中，收集鉆桿中泥漿，防止泥漿噴濺，污染鉆臺面，并能將殘存泥漿導(dǎo)入泥漿池，加以循環(huán)利用，節(jié)約成本，同時也可以提高工人在井口操作的的安全性[4]。

各種管具在上扣之前，需要對鉆具的螺紋進(jìn)行維護(hù)。主要工作為清除螺紋表面異物，并涂抹絲扣油，以達(dá)到保護(hù)鉆桿接頭，防止出現(xiàn)燒扣的目的[5]。

通過對鉆井流程和鉆臺面設(shè)備構(gòu)成的研究，發(fā)現(xiàn)上述3種功能都是與管具相關(guān)，可以將它們進(jìn)行集成化設(shè)計，以實現(xiàn)減少空間占用，提高作業(yè)效率和自動化程度的目的，所以提出了復(fù)合功能軌道式鐵鉆工的設(shè)計構(gòu)想。

1 復(fù)合功能軌道式鐵鉆工的構(gòu)成和功能

復(fù)合功能軌道式鐵鉆工將泥漿防噴盒結(jié)構(gòu)以及螺紋清理抹油裝置與傳統(tǒng)的軌道式鐵鉆工進(jìn)行了集成設(shè)計，其包含了3大功能：①能實現(xiàn)鉆具的上扣和卸扣，配合排管系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備完成接單根/立根操作；②可以在起下鉆拆卸鉆桿過程中進(jìn)行泥漿收集；③在鉆具上扣前對螺紋進(jìn)行清理并涂抹油。具體是將泥漿防噴盒集成到鐵鉆工基座上，提高鉆臺面的空間利用率，同時在鐵鉆工本體上設(shè)計一套全自動的螺紋處理裝置，取代人工操作，完成螺紋清理和油脂涂抹，提高作業(yè)效率[6]。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

復(fù)合功能軌道式鐵鉆工的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。泥漿防噴盒結(jié)構(gòu)安裝在鐵鉆工基座的右側(cè)，通過伸縮臂可以將泥漿防噴盒推送到井口作業(yè)位置，不工作時將其收回。在鐵鉆工的扭力鉗[7]和旋扣鉗之間布置螺紋處理裝置，管具在上扣前，通過驅(qū)動油缸將螺紋處理裝置運送到管具下方位置，對螺紋表面進(jìn)行清理并涂抹油脂。

圖1 復(fù)合功能軌道式鐵鉆工

1) 基座。軌道式鐵鉆工的基座可以沿軌道移動，將旋扣鉗和扭力鉗運送到井口作業(yè)位置?；€具有垂直移動功能，滿足不同管具的不同上卸扣界面高度，以及螺紋清理作業(yè)位置。

2) 動力鉗。旋扣鉗實現(xiàn)管具的上扣和卸扣。扭力鉗實現(xiàn)管具的松扣和緊扣。鉗口定心機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對管具上卸扣界面高度的判定[8]。

3) 泥漿防噴盒。包含伸縮臂和泥漿盒。伸縮臂后端固定在軌道式鐵鉆工的基座上，前端連接泥漿盒，通過伸縮臂結(jié)構(gòu)中的油缸驅(qū)動，可以將泥漿盒運送到作業(yè)位置或收回到儲存位置。泥漿盒兩側(cè)布置有油缸，驅(qū)動泥漿盒的開合。如圖2～3。

圖3 泥漿防噴盒運動軌跡

4) 螺紋處理裝置。包含驅(qū)動油缸、噴頭盒、潤滑油箱。其中，噴頭盒結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)軌安裝在扭力鉗上方，驅(qū)動油缸缸體也安裝在扭力鉗上方。驅(qū)動油缸活塞桿端固連在噴頭盒的下方。驅(qū)動油缸的伸縮可以將噴頭盒沿其導(dǎo)軌運送到工作位置，或者收回到儲存位置。噴頭盒內(nèi)部分3層布置了噴水、噴氣、噴油裝置，噴頭盒下端接軟管將產(chǎn)生的污水引至污水箱，所需水氣來自平臺的水氣系統(tǒng)。潤滑油來自設(shè)置在基座上的潤滑油箱，潤滑油箱設(shè)置油泵和加熱裝置。如圖4～5。

圖4 螺紋處理裝置

圖5 螺紋處理裝置工作位置示意

1.2 技術(shù)參數(shù)

復(fù)合功能軌道式鐵鉆工的主要技術(shù)參數(shù)如表1～3所示。

表1 鐵鉆工的主要技術(shù)參數(shù)

表2 螺紋處理裝置的主要技術(shù)參數(shù)

表3 泥漿防噴盒的主要技術(shù)參數(shù)

1.3 設(shè)備的工作流程

1) 上扣流程(以井口鐵鉆工為例，下同)。行走馬達(dá)驅(qū)動鐵鉆工沿軌道到達(dá)井口位置，通過鉗口定心機(jī)構(gòu)對井口中鉆桿位置進(jìn)行檢測，確定作業(yè)位置。頂驅(qū)將需要連接的管具運送至井口上方，驅(qū)動油缸將螺紋處理裝置運送到管具下方，基座提升油缸驅(qū)動旋扣鉗和上卸扣鉗向上移動，帶動螺紋處理裝置向上移動。當(dāng)安裝于旋扣鉗下方的紅外感應(yīng)裝置感應(yīng)到鉆具之后，基座提升油缸切換到慢速模式。在到達(dá)設(shè)定好的時間之后，提升油缸停止提升，此時鉆具接頭已完全進(jìn)入到噴頭盒之內(nèi)，即開始對鉆具螺紋表面進(jìn)行清理和抹油操作。完成后，基座提升油缸收縮帶動螺紋處理裝置向下移動到鐵鉆工工作位置，然后螺紋處理裝置退回零位，管具下移進(jìn)入連接位置，旋扣鉗夾住上端管具上扣。完成后，退回零位，上卸扣鉗進(jìn)入作業(yè)位置，完成緊扣。

2) 卸扣流程。行走馬達(dá)驅(qū)動鐵鉆工沿軌道到達(dá)井口位置，通過鉗口定心機(jī)構(gòu)完成對井口中鉆桿位置的檢測，確定作業(yè)位置，上卸扣鉗進(jìn)入作業(yè)位置完成松扣。旋扣鉗夾住上端管具進(jìn)行卸扣。作業(yè)完成后，退回零位。鐵鉆工后退，讓開井口位置，泥漿防噴盒伸出并打開，到達(dá)井口后泥漿盒閉合將管具抱住，頂驅(qū)提升上部管具，下部管具中溢出的泥漿從泥漿防噴盒導(dǎo)入泥漿池，待泥漿緩慢溢流或不再溢出時將泥漿盒打開并退回零位。

2 控制系統(tǒng)

2.1 液壓系統(tǒng)

復(fù)合功能軌道式鐵鉆工的液壓系統(tǒng)包括液壓動力站、液壓馬達(dá)、油缸、控制閥組、壓力傳感器以及管線。其中，壓力傳感器用來判斷上卸扣是否達(dá)到需要的轉(zhuǎn)矩值。設(shè)置的增壓系統(tǒng)[9]，可以讓鐵鉆工具備更大的上卸扣轉(zhuǎn)矩。泥漿防噴盒的伸縮臂和泥漿盒的動作由油缸驅(qū)動實現(xiàn)。螺紋處理裝置具備的噴水、噴氣、噴油功能，其所需水、氣動力來自平臺的水、氣系統(tǒng)，潤滑油來自設(shè)置在基座上的潤滑油箱。

2.2 電氣控制系統(tǒng)

采用本地控制、遠(yuǎn)程控制和司鉆房控制3種控制模式。電氣控制采用西門子的PLC編程系統(tǒng)，將液壓系統(tǒng)中的動力開關(guān)信號、壓力信號、位移信號集成，以及各個功能部件的位置信號集成，按照工況編制成控制程序，實現(xiàn)3種控制模式。

由于復(fù)合功能軌道式鐵鉆工具有3種功能，因此，控制系統(tǒng)中設(shè)置有互鎖功能，防止錯誤操作，例如泥漿防噴盒作業(yè)時，螺紋處理裝置就不能進(jìn)入作業(yè)位置，每種功能部件內(nèi)部的動作點也設(shè)置有互鎖功能，例如鐵鉆工需要移動時，旋扣鉗和上卸扣鉗就不能在工作狀態(tài)，互鎖功能的設(shè)置可以確保設(shè)備使用中的安全性[10]。

3 設(shè)計創(chuàng)新點

復(fù)合功能軌道式鐵鉆工是將原來3種功能的操作進(jìn)行了集成，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)集成、控制集成和使用集成，為鉆井平臺有限的區(qū)域節(jié)省了空間，使得整個操作流程時間得到節(jié)省，提高了作業(yè)效率，實現(xiàn)了自動化操作，降低了人工成本。

3.1 系統(tǒng)集成化程度提高

1) 結(jié)構(gòu)集成。將原來單獨的3個功能集成在一臺設(shè)備上，為平臺節(jié)省了安裝空間和操作空間。

2) 控制集成。原來鐵鉆工和泥漿防噴盒有相互獨立的控制系統(tǒng)，例如泥漿防噴盒有獨立的本地控制和遠(yuǎn)程控制，集成后控制環(huán)節(jié)減少、控制設(shè)備減少、故障隱患點減少。

3) 使用集成。原來3個功能的操作分別在3個地點操作。集成后，在1個地點就可以完成3個功能的操作。

3.2 系統(tǒng)的工作效率提高

首先是在3種功能集成一體化后，各個功能操作可以連續(xù)進(jìn)行，節(jié)省了時間；其次，3種功能的操作，原來需要2～3人，現(xiàn)在僅需要1個人，降低了人工成本。

在卸扣流程中，鐵鉆工完成卸扣退回到待命位置的同時，泥漿防噴盒就可以伸出，而原來流程要求鐵鉆工退回到待命位置必須有信號確認(rèn)，泥漿防噴盒才能伸出，因此新方案節(jié)省了時間。

3.3 系統(tǒng)自動化程度提高

首先是管具螺紋的清理和抹油實現(xiàn)了自動化，節(jié)省了時間和人工；其次，控制系統(tǒng)的集成化設(shè)計，讓3個功能的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)無縫對接；而互鎖系統(tǒng)的嵌入，確保了整個系統(tǒng)操作的安全性。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計的復(fù)合功能軌道式鐵鉆工具有上卸扣、泥漿收集、管具螺紋的清理和涂抹絲扣油4種功能。

2) 控制系統(tǒng)集成化，減少了操作環(huán)節(jié)，提升了設(shè)備使用的可靠性?；ユi系統(tǒng)的嵌入，提升了設(shè)備使用的安全性。

3) 功能轉(zhuǎn)換無縫對接，壓縮了操作時間，為用戶節(jié)省了時間成本。設(shè)備的集成化，減少了鉆臺面的空間占用，為用戶節(jié)省了空間成本。3個功能的集成操作，減少了操作人數(shù)，降低了用戶的使用成本。