測(cè)力盤式轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器在渤海油田的推廣應(yīng)用

李 鋒，李曉軍

(中海油服油田生產(chǎn)事業(yè)部鉆修井作業(yè)公司 天津300452)

0 引 言

海洋石油鉆修機(jī)在作業(yè)過程中，最頻繁的操作就是鉆進(jìn)和打撈作業(yè)。動(dòng)力系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸或鏈條箱的鏈條帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)力端的扭矩傳輸給轉(zhuǎn)盤，通過轉(zhuǎn)盤給鉆桿施加扭矩，利用轉(zhuǎn)盤的扭力來進(jìn)行井下鉆進(jìn)和打撈作業(yè)。轉(zhuǎn)盤的動(dòng)態(tài)扭矩是司鉆了解井筒內(nèi)管柱的受力狀況不可或缺的重要依據(jù)，而轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器是獲得動(dòng)態(tài)扭矩的唯一來源，因此它的可靠性直接影響到井下作業(yè)的效率和安全。

普通轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器由于可靠性和準(zhǔn)確度不理想，越來越不適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全的需求。隨著海洋鉆修機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型的轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器在海洋平臺(tái)鉆修機(jī)上的推廣應(yīng)用已經(jīng)迫在眉睫[1]。

1 轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器測(cè)量原理

在海洋石油鉆修機(jī)設(shè)備中，轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器一般安裝在轉(zhuǎn)盤剎車和轉(zhuǎn)盤之間。轉(zhuǎn)盤的動(dòng)態(tài)扭矩一般采用間接的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量：通過測(cè)量傳動(dòng)軸或鏈輪的扭矩，乘以轉(zhuǎn)盤的傳動(dòng)比間接計(jì)算出轉(zhuǎn)盤的扭矩，通過傳動(dòng)軸或鏈輪的正反轉(zhuǎn)來獲得轉(zhuǎn)盤的正扭矩和反扭矩。轉(zhuǎn)盤扭矩的信號(hào)輸出一般有電流和頻率兩種，將該信號(hào)直接連接到鉆井參數(shù)儀的采集板上，通過采集、計(jì)算并顯示在鉆井參數(shù)儀的顯示屏上，供作業(yè)人員參考。工作原理見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器的工作原理Fig.1 Working principle of rotary torque sensor

2 普通轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器的設(shè)計(jì)缺陷

在鉆修井過程中轉(zhuǎn)盤扭矩參數(shù)的精確測(cè)量一直是令業(yè)界人士頗為頭痛的一個(gè)問題，人們長期以來一直在探索轉(zhuǎn)盤扭矩精確測(cè)量的方法[2]。

目前渤海油田使用最普遍的轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器為惰輪式扭矩傳感器和傳動(dòng)軸貼片式扭矩傳感器。2004年以前渤海油田全部采用惰輪式扭矩傳感器，2004年以后大量引入傳動(dòng)軸貼片式扭矩傳感器。根據(jù)對(duì)渤海油田鉆修機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用情況的調(diào)查，這兩種傳感器在實(shí)際使用過程中不夠理想，存在設(shè)計(jì)缺陷，嚴(yán)重制約了鉆修井作業(yè)的正常進(jìn)行[3]。

2.1 惰輪式扭矩傳感器

該傳感器通過轉(zhuǎn)盤輸入軸上的鏈輪的緊張程度(張力)來間接測(cè)量轉(zhuǎn)盤扭矩，只是測(cè)量的是扭矩的趨勢(shì)，并不是真實(shí)的扭矩，且反向扭矩?zé)o法測(cè)量。

2.2 傳動(dòng)軸貼片式扭矩傳感器

該傳感器通過測(cè)量傳動(dòng)軸上的電子貼片應(yīng)變橋電信號(hào)的變化量來測(cè)量傳動(dòng)軸的扭矩，乘以轉(zhuǎn)盤的傳動(dòng)比進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)盤的扭矩。海洋鉆修機(jī)上配備的多為電子貼片式轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器，由于該傳感器的使用環(huán)境、設(shè)計(jì)構(gòu)造等原因?qū)е陆?jīng)常出現(xiàn)如下問題：①故障頻發(fā)；②無法現(xiàn)場(chǎng)維修；③維修成本高；④維修工期長。

3 測(cè)力盤式轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器

3.1 測(cè)量原理

測(cè)力盤式轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器由外殼總成、端蓋、法蘭盤、傳動(dòng)輪、測(cè)力盤等組成，其外形如圖2所示。

該傳感器采用斜齒牙嵌離合器的工作原理：當(dāng)動(dòng)力端將力矩傳輸?shù)絺鲃?dòng)軸上的轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器，斜齒牙嵌離合器端面斜齒盤與傳動(dòng)軸嚙合后，軸向力使被動(dòng)輪可以沿傳動(dòng)軸的花鍵移動(dòng)，將動(dòng)力端扭矩的軸向分量傳遞給測(cè)力盤(由于測(cè)力盤的限制，嚙合的斜齒不會(huì)脫開)，測(cè)力盤的載荷傳感器的內(nèi)圈承載面承受軸向載荷，載荷傳感器的應(yīng)變橋電路產(chǎn)生微應(yīng)變，經(jīng)過電路處理輸出 4～20mA(三線制)直流信號(hào)，傳輸給鉆井參數(shù)儀計(jì)算并顯示出真實(shí)的轉(zhuǎn)盤扭矩動(dòng)態(tài)值(傳感器的扭矩值乘以轉(zhuǎn)盤的傳動(dòng)比)。

圖2 測(cè)力盤式扭矩傳感器外形圖Fig.2 External view of force-plate torque sensor

3.2 主要技術(shù)指標(biāo)

①測(cè)量范圍：-10000～10000Nm；

②測(cè)量精度：±3%F.S；

③外形尺寸：414mm×295mm×258mm；

④適應(yīng)環(huán)境溫度：-35～70℃；

⑤供電電壓：9～36VDC；

⑥輸出信號(hào)：4～20mA(三線制)；

⑦安全過載：120%F.S。

3.3 使用特點(diǎn)

測(cè)力盤式轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器是一套通過測(cè)量轉(zhuǎn)盤輸入軸的扭矩來反映轉(zhuǎn)盤扭力的傳感器，它能真實(shí)地反映轉(zhuǎn)盤的動(dòng)態(tài)扭矩。該型傳感器的最大特點(diǎn)在于使用壽命長，便于現(xiàn)場(chǎng)維修，能大幅縮短維修時(shí)間，節(jié)省維修、運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用，同時(shí)能減輕作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度[4]。具有如下優(yōu)點(diǎn)：扭矩真實(shí)穩(wěn)定；能測(cè)量正反扭矩[5]；易于安裝和維護(hù)；測(cè)量精度高；使用壽命大幅提高。

該測(cè)力盤式轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器的測(cè)量單元為測(cè)力盤，而測(cè)力盤的核心部件為可靠性非常高的載荷傳感器，因此該傳感器一經(jīng)安裝運(yùn)行非常可靠，故障率非常低。

4 現(xiàn)場(chǎng)推廣使用情況

2012年以來，筆者單位先后承擔(dān)了 BZ35-2WHPA、BZ35-2WHPA、BZ29-4WHPC、QHD32-6WHPH、QHD32-6WHPG等多個(gè)鉆修井機(jī)的建造任務(wù)。在這些項(xiàng)目中均配套安裝了測(cè)力盤式轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器，經(jīng)過近 5年的安裝運(yùn)行及跟蹤試驗(yàn)，傳感器運(yùn)行穩(wěn)定、正常。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)力盤式轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器統(tǒng)均能正確反應(yīng)轉(zhuǎn)盤的動(dòng)態(tài)扭矩，提高了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率。目前，在渤海油田已得到了業(yè)主和使用方的廣泛認(rèn)可。隨著測(cè)力盤式轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器的推廣應(yīng)用，渤海油田生產(chǎn)作業(yè)效率將邁上一個(gè)新的臺(tái)階。