TZG20-200GF軌道式鐵鉆工的設計研究

春晨， 李洪波， 張強， 董興華， 蔣合艷， 祝賀

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002）

TZG20-200GF軌道式鐵鉆工的設計研究

春晨1,2， 李洪波1,2， 張強1,2， 董興華1,2， 蔣合艷1,2， 祝賀1,2

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002）

介紹了軌道式鐵鉆工的總體結構設計、各個部件的工作原理、整體設計參數(shù)、液壓系統(tǒng)工作原理、電氣系統(tǒng)控制原理。并結合廠內的型式試驗和功能試驗情況，闡明了軌道式鐵鉆工的結構參數(shù)設計優(yōu)良，整體運行良好，布局設計緊湊，各個部件安裝、拆卸及維護都很方便,同時提高了鉆臺面的安全性。

軌道式鐵鉆工；旋扣鉗；沖扣鉗；行走架

0 引 言

目前，石油鉆機鐵鉆工通常采用的是伸縮臂式結構，由于結構設計限制，該結構存在以下不足：1)伸縮臂晃動大；2)不易找準井口或鼠洞位置[1]；3)旋扣鉗可調范圍??；4)沖扣鉗與旋扣鉗的安裝及拆卸都不方便。因而目前海上常用是的軌道式鐵鉆工。軌道式鐵鉆工是海洋平臺自動化鉆井生產(chǎn)中鉆機的主要配套設備之一[2-3，5-8]，其能夠準確對準井口中心，安全、快速、高效地完成鉆具的上扣、卸扣和緊扣、沖扣等工作[2-3,5-6]。

目前歐美等技術先進的國家如美國的NOV、HAWK等制造商，已經(jīng)開發(fā)出幾代軌道式鐵鉆工，他們的鐵鉆工在世界范圍內應用比較普遍。但國內對于軌道式鐵鉆工的研究尚處于初級階段，再者軌道式鐵鉆工價格相對昂貴，安裝尺寸相對較大，這就限制了該產(chǎn)品的普及和應用。所以開發(fā)出適應性廣、穩(wěn)定性高、性能優(yōu)良[2-3，5-6]、性價比高的軌道式鐵鉆工對于國內外都具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 軌道式鐵鉆工的概述

TZG20-200GF軌道式鐵鉆工為機、電、液一體化產(chǎn)品，其是進行鉆桿、鉆鋌接頭上卸扣工作的一種現(xiàn)代化工具，可以代替液壓動力大鉗、旋轉貓頭和套管鉗等實現(xiàn)鉆具的上卸扣功能[4-8]，其主要部件有行走架、軌道、沖扣鉗、旋扣鉗、背架等。其中旋扣鉗是帶動鉆桿或鉆鋌整體高速旋轉，旋轉時快速旋上或卸開接頭螺紋，它和沖扣鉗組合在一起完成鉆桿或鉆鋌的上卸扣工作；沖扣鉗是低速大轉矩沖扣工具，主要功能是完成鉆具接頭的緊扣和松扣[2-3，5-6]。背架用于支撐旋扣鉗和沖扣鉗；行走架帶動沖扣鉗、旋扣鉗、背架一起沿著軌道行走至井口或者鼠洞，可以根據(jù)鉆柱螺紋的位置進行前后、高低等自動對正調整操作，為完成鉆具的上卸扣動作做準備。該軌道式鐵鉆工結構輕巧靈活，使用方便，整臺設備可通過一鍵式操作使上扣或卸扣工序一次連續(xù)運行完成，工作效率高。其具體結構如圖1所示。

1.1 旋扣鉗

旋扣鉗安裝在背架上，背架上的升降油缸用于滿足旋扣鉗上下移動1 m的范圍。其中背架中設計蓄能器為升降油缸工作和旋扣時跳扣移動的距離提供保障。

工作時，開合油缸工作帶動側向夾緊油缸工作，兩者共同帶動滑塊總成及馬達總成一起沿著導桿運動，此處在液壓回路上設置了同步閥，保證了左右兩邊的側向夾緊油缸同步運動，保證了滾輪夾持鉆具的對中性。當鉆具夾持中心存在微小偏差時，通過微調油缸工作實現(xiàn)滾輪夾持鉆具的扶正?；瑝K總成上裝有清洗管總成[1-[2，9]如圖2所示。

1.2 沖扣鉗

圖1 軌道式鐵鉆工結構圖

圖2 旋扣鉗三維實體圖

沖扣鉗分為上鉗和下鉗，其上、下鉗結構設計基本相同[10]。沖扣鉗的結構圖如圖3所示，上下鉗均采用3個直推型夾緊液壓缸，通過滑塊、銷軸等來完成夾緊和釋放動作。

沖扣鉗工作時，首先上鉗和下鉗的3個互成120°的夾緊缸同步伸出，走向鉗體中心共同夾緊鉆具后，兩個沖扣油缸開始工作，共同推動上鉗沿著兩個鉗子之間的導軌轉動，實現(xiàn)緊扣或者沖扣的目的。沖扣采用兩個油缸的方式一是減小了油缸外徑，使結構更加緊湊；二是減小了上鉗與下鉗之間導軌的受力。沖扣鉗夾緊缸的液壓控制回路設有增壓裝置，夾緊缸最大工作壓力可達50 MPa，既減小了夾緊缸缸徑同時保證了充足的夾緊力，又降低了液壓控制系統(tǒng)成本。

本沖扣鉗還設計有扶正器，在鉆具上扣時能輔助上面的鉆具接頭順利導入鉗體，與下面的鉆具接頭準確對接。導向槽設計成光面，有助于保護接頭螺紋。

為了提高鐵鉆工的自動化程度，本設計增加了接頭探測器。該探測器可以自動檢測接頭位置，然后自動調整鐵鉆工的位置保證上下接頭的自動對接。

1.3 背架

背架主要作用是支撐旋扣鉗和沖扣鉗。旋扣鉗通過連接長板、卸扣架、銷軸、螺栓、螺母等與背架相連接。旋扣鉗的整體升降和上卸扣時的跳扣是通過背架上的支撐油缸實現(xiàn)。背架上的蓄能器與支撐油缸配合能保證旋扣鉗實現(xiàn)跳扣功能。背架與沖扣鉗的連接通過沖扣鉗懸掛裝置[11]、蝶形彈簧、階梯銷軸、螺母、螺栓等實現(xiàn)。兩者連接時將上端沖扣鉗懸掛裝置的耳座通過螺栓、螺母與背架相連接，下端將沖扣鉗懸掛裝置的長螺栓穿過背架的預留孔，然后擰上長螺栓即可。后面通過蝶形彈簧、階梯銷軸、螺母相連接，這種結構安裝和拆卸都很方便，結構簡單易用，同時保證了沖扣鉗和背架的連接位置可調整。位置調整方法：1）調整沖扣鉗懸掛裝置中的長螺栓擰入的螺紋深度；2）增加和減少蝶形彈簧的片數(shù)。

圖3 沖扣鉗結構圖

背架與沖扣鉗、旋扣鉗一起構成鐵鉆工主要工作部件——鉗體。鉗體對外的連接是通過背架實現(xiàn)。本結構背架的上端做成半圓弧狀，直接掛在行走架總成上，下端通過卸扣與行走架總成相連接。背架結構如圖4所示。背架對外的連接結構方式簡單，安裝、拆除、維護都很方便。

1.4 行走架總成

行走架總成如圖5所示,其作用是帶動鐵鉆工鉗體水平和豎直方向的移動。行走架總成主要由行走架（如圖6）和軌道總成等組成。行走架的結構主要由左側架總成、右側架總成、橫梁、內導軌總成、內橫梁等構成。在左側架總成、右側架總成的內部安裝有升降油缸。內導軌總成可以沿著左側架總成及右側架總成在升降油缸的作用下上下移動，其最大豎直移動距離1200 mm。行走架可以沿著軌道總成前進或后退，從而實現(xiàn)鐵鉆工的行走作業(yè)。工作時行走架兩側的行走馬達驅動兩側的主動齒輪在軌道總成的齒槽內做齒輪齒條運動。行走架帶動鐵鉆工鉗體沿著軌道總成行走至井口或鼠洞，然后鐵鉆工開始上卸扣工作。行走架的行走距離與軌道長度有關。這種軌道式鐵鉆工行程長，行走過程中可以很準確地定位井口中心與鼠洞中心，減少了鐵鉆工的整體晃動，保證上卸扣動作的順利進行。

2 軌道式鐵鉆工的主要技術參數(shù)

1）沖扣鉗適應鉆桿、鉆鋌范圍為89～248 mm（32?″～94″）。2）沖扣鉗最大卸扣轉矩為200 000 N·m(147 512 lbf·ft)。3）沖扣鉗最大上扣轉矩[12]為140 000 N·m(103 258.5 lbf·ft)。4）沖扣鉗扳手回轉角為30°。5）旋扣鉗適應鉆桿、鉆鋌范圍為89～248 mm（32?″～94″）。6）旋扣鉗最大旋扣轉矩為4700 N·m(3466 lbf·ft)。7）旋扣鉗最大旋扣速度為100 r/min（滾子）。8）旋扣鉗升降位移為1000 mm（39.37″）。9）行走位移為3766 mm（148.27″）。10）鐵鉆工升降位移為1200 mm（47.24″）。

3 軌道式鐵鉆工液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)

3.1 液壓系統(tǒng)

軌道式鐵鉆工液壓控制系統(tǒng)設計完全負載敏感控制系統(tǒng)，設計元件也完全是滿足負載敏感控制系統(tǒng)要求的控制閥和執(zhí)行元件。負載敏感控制系統(tǒng)具有功率損耗較低，效率遠高于常規(guī)液壓系統(tǒng)等特點，這將大大節(jié)省燃料，減小液壓系統(tǒng)的發(fā)熱量。

圖6 行走架

負載敏感控制系統(tǒng)具有一個壓力補償器，系統(tǒng)不工作時，補償器使其能夠在較低的壓力（200 Psi）下保持待機狀態(tài)[13-15]。當液壓系統(tǒng)未工作，處于待機狀態(tài)時，控制閥必須切斷動作油缸（或馬達）與液壓泵之間的壓力信號。這將在系統(tǒng)未工作時導致液壓泵自動轉入低壓等待狀態(tài)。當控制閥工作時，先從動作油缸（或馬達）得到壓力需求，并將壓力信號傳遞給液壓泵，使泵開始對系統(tǒng)壓力做出響應。

本軌道式鐵鉆工的控制元件有同步閥、多路閥、電磁換向閥等，執(zhí)行元件有多個液壓馬達及多個油缸。這些控制元件控制執(zhí)行元件實現(xiàn)整個液壓系統(tǒng)的有序平穩(wěn)運行。本液壓系統(tǒng)同時設計的增壓回路要求承受最高50 MPa的壓力，對其管線要求相對較高。整個鉗體采用8聯(lián)多路閥進行電比例控制，每個多路閥都有手柄可以進行手動應急控制。為保證旋扣鉗的跳扣功能，設置了蓄能器回路。

3.2 電控系統(tǒng)

軌道式鐵鉆工的電氣控制系統(tǒng)是通過電氣元件控制液壓驅動元件，從而實現(xiàn)遠程操作。由于鐵鉆工工作在1區(qū)的場合，在設計控制系統(tǒng)的硬件時，采用防爆或者隔爆的元器件，防止在發(fā)生爆炸時危及控制柜。

整個鐵鉆工電氣控制系統(tǒng)的設計采用模塊化，將鐵鉆工控制系統(tǒng)分為電源模塊、PLC模塊、信號隔離模塊、信號放大模塊、控制面板模塊以及執(zhí)行元件。

軌道式鐵鉆工控制方式有3種：1）在司鉆房的PLC控制；2）本地操作臺控制；3）手操遙控盒控制。可控制模式可以通過手操遙控盒進行選擇。通過軌道式鐵鉆工的型式試驗和功能試驗，證明該軌道式鐵鉆工電氣控制系統(tǒng)安全可靠、工作高效,很大程度上減輕了鉆臺面工人的數(shù)量和勞動強度，提高了鉆臺面工作區(qū)域的安全性。

4 軌道式鐵鉆工的研制情況

目前軌道式鐵鉆工正在我公司內進行型式試驗和功能試驗，試驗過程中各個控制元件均能實現(xiàn)預期的控制狀態(tài)，各個執(zhí)行元件均能在控制元件的控制下按照預期的運動軌跡運行，且運行快速平穩(wěn)，運行狀況良好。通過電氣控制系統(tǒng)的一鍵式遙控操作系統(tǒng)，操作者遠程操作實現(xiàn)鐵鉆工上上卸扣功能，無需人為對扣，節(jié)省人力和提高鉆臺面安全性效果顯著。

5 結論

1）通過對軌道式鐵鉆工的設計結構、機構工作原理等方面的詳細闡述，并結合軌道式鐵鉆工廠內的型式試驗和功能試驗情況，證明該軌道式鐵鉆工的結構設計優(yōu)良，軌道式鐵鉆工整體布局合理，性能先進，結構緊湊。2）通過廠內的型式試驗和功能試驗情況，該軌道式鐵鉆工幾乎所有的鉆具沖扣、旋扣都一次完成，即一次一鍵式完成上卸扣過程，并且作業(yè)時間不到20 s，大大節(jié)省了工作時間，提高了作業(yè)效率。目前的試驗結果證明，該軌道式鐵鉆工夾持鉆具上卸扣速度快，性能穩(wěn)定，鉗體幾乎無晃動，一旦鐵鉆工到達工作位置能立即進入工作狀態(tài)，極大縮短了作業(yè)時間，顯著提高了工作效率。3）軌道式鐵鉆工各個部件均采用開放式設計結構，各種結構一目了然，并對各個部件進行模塊化設計；各個部件和模塊之間的連接方式均采用卸扣、銷軸、螺栓等，易于安裝、拆卸及維護，大大方便了現(xiàn)場工作人員。4）軌道式鐵鉆工各個主要零件連接處都充分考慮了防脫落及防松措施，有的采用帶孔螺栓與彈簧墊片、鐵絲等配合使用，有的采用螺栓及施必牢防松螺母配合使用，各個連接處安全可靠，結構優(yōu)良，功能完善，性能可靠，大大提高了整機系統(tǒng)的安全性，同時提高了鉆臺面的安全性。5）整臺鐵鉆工配備的一鍵式遙控操作系統(tǒng)，操作者可以在司鉆房或者鉆臺面的安全位置通過按下鐵鉆工上卸扣按鈕實現(xiàn)鉆具的上卸扣功能，無需人為對扣，這種鐵鉆工的遠程遙控操作方式大大節(jié)省了人力物力，提高了鉆臺面鉆工的安全性。

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Design and Research on Spinner Wrench of TZG20-200GF Track Iron Roughneck

CHUN Chen1,2,LI Hongbo1,2,ZHANG Qiang1,2,DONG Xinghua1,2,JIANG Heyan1,2,ZHU He1,2
(1.Baoji Oilfield MachineryCo.,Ltd.,Baoji 721002,China;2.National Oil&Gas Drill Equipment EngineeringTechnical Research Center,Baoji 721002,China)

This paper introduces the overall structure design of the track iron drill,the working principle of each component,the overall design parameters,the hydraulic system working principle,the electrical system control principle.According to the type test and function test in the factory,it is illustrated that the structural parameters of the track drill are designed,the whole operation is good,the layout is compact,the installation,dismantling and maintenance of the parts are very convenient,and derrick floor security is increased.

track iron roughneck;spinner wrench;torque wrench;traveling frame

TE 921

A

1002－2333（2018）01－0045－04

“十二五”國家科技重大專項（2011ZX05027-001-06）

（編輯黃 荻）

春晨(1984—)，女，工學碩士，工程師，從事機械研發(fā)工作。

2017-04-12