動力鼠洞結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)分析

李 偉，王 贇

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

鼠洞在整個石油鉆采過程中扮演著不可或缺的角色。傳統(tǒng)的石油鉆采過程中，當(dāng)需要接鉆桿時，需要人工操縱完成鉆桿與鼠洞中單根的對扣，鉆井工人勞動強度大，且一旦鉆桿脫手失控，危險性極大，工作效率比較低[1]。

井口設(shè)備機械化是人們一直在研究的課題，而整個自動化鉆桿操作系統(tǒng)中，動力鼠洞必不可少[2]。新型的動力鼠洞可將落入鼠洞的鉆桿扶正，并可以通過升降裝置調(diào)整鉆桿位置，實現(xiàn)不同長度的鉆桿與鐵鉆工的配合，完成接立根或卸立根[3]。

本文設(shè)計的動力鼠洞避免了傳統(tǒng)鉆機接立根操作與鉆進操作不能同時進行的缺點，提高了工作效率。同時動力鼠洞的設(shè)計可以滿足不同長度鉆桿(鉆鋌)的需要，在司鉆房即可實現(xiàn)控制，減少了勞動力，提高了工作效率而且更安全。通過對滑輪組的使用，可以用小行程的油缸來實現(xiàn)移動緩沖裝置的大行程，降低了設(shè)備成本。

1 鼠洞結(jié)構(gòu)及設(shè)計參數(shù)的確定

本文研究的動力鼠洞結(jié)合上海振華重工(集團)股份有限公司研發(fā)的海洋平臺鉆井包對排管系統(tǒng)的要求，最終確定了動力鼠洞的詳細技術(shù)參數(shù)與結(jié)構(gòu)型式。為完成自動化接立根和卸立根工作，需要兩臺動力鼠洞與鐵鉆工配合實現(xiàn)。

接套管只需要一個動力鼠洞，另一個鼠洞只在接鉆桿時才用到，因此不需要兩個鼠洞都有接套管功能，即在設(shè)計時動力鼠洞分長動力鼠洞和短動力鼠洞(以下簡稱長鼠和短鼠)，長鼠既能接鉆桿也能接套管，短鼠只能接鉆桿，這樣可使鼠洞管長度縮小，油缸行程縮短，從而減輕質(zhì)量，降低成本。

具體技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 動力鼠洞技術(shù)參數(shù)

動力鼠洞主要由管子定心裝置、洞口安全裝置、液壓鼠洞裝置、移動緩沖裝置及鉆桿升降裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。長、短動力鼠洞的區(qū)別在于液壓鼠洞裝置鼠洞管的長度以及鉆桿升降裝置中液壓油缸的行程。

圖1 動力鼠洞結(jié)構(gòu)

2 鼠洞主要部件設(shè)計

2.1 管子定心裝置

管子定心裝置安裝在鼠洞口，采用彈簧連接4個張緊輪和聯(lián)動機構(gòu)，當(dāng)鉆桿下放時，會驅(qū)動張緊輪緊壓鉆桿臂，起到扶正對中作用，其他相關(guān)機具可以方便地從鼠洞內(nèi)抓取管具及方便鐵鉆工接鉆桿時對接。當(dāng)鉆桿上提時，會反向驅(qū)動張緊輪，以減少對鉆桿臂的壓力。

管子定心裝置底部設(shè)有定位銷，方便定心裝置在鉆臺面的安裝定位。在定心裝置入口及旋轉(zhuǎn)臂位置都設(shè)有耐磨墊，用于減小鉆桿磨損。

2.2 洞口安全裝置

本文研究的動力鼠洞可整體隱藏鉆臺甲板下，因此增加了安全蓋板，蓋板上表面與鉆臺面平齊，既美觀又提高了鉆井工作人員的安全性。

動力鼠洞的洞口安全裝置起保護作用，該裝置由2個氣缸提供動力，工作時將蓋板翻開80°角，在需要承接鉆桿或不使用鼠洞時，洞口安全裝置氣缸收回，蓋板封蓋，保護工作人員不出意外，也用于HTV立根手臂和橋式起重機之間的立柱交接，起到安全承接作用。

2.3 液壓鼠洞裝置

鼠洞管采用傳統(tǒng)方法設(shè)計，其為一根圓柱管，底部有排污管接口，在鼠洞的內(nèi)部安裝有移動緩沖裝置，移動緩沖裝置的驅(qū)動由液壓油缸提供動力源；在移動緩沖裝置可到達的最高位置的鼠洞管壁上安裝有限位開關(guān)或接近開關(guān)；在液壓油缸上裝有接近開關(guān)，檢測油缸完全伸出位置、鉆桿下放完成位置，并且在鼠洞管外部設(shè)計了保護支架，防止其他設(shè)備與鼠洞碰撞，造成設(shè)備損壞。

2.4 移動緩沖裝置

移動緩沖裝置結(jié)構(gòu)上部采用錐形緩沖墊，中間為高強度彈簧，下部連接鋼絲繩和吊耳。通過控制移動緩沖裝置上下移動，從而帶動鼠洞里面的鉆桿上下移動，以到達合適的工作位置，而且彈簧在鉆桿下放到錐形緩沖墊時，可起到緩沖作用，防止管具在下放過程中由于沖擊而損壞接頭。

2.5 鉆桿升降裝置

該裝置通過液壓油缸、滑輪組及鋼絲繩鎖具等部件實現(xiàn)鉆桿的升降。動滑輪支撐架通過軸與油缸連接，可使動滑輪沿著鼠洞管下段的導(dǎo)軌上下移動，動滑輪支架通過鋼絲繩與移動緩沖裝置連接，帶動移動緩沖裝置在鼠洞管內(nèi)上下移動。油缸每伸長1 m，移動緩沖裝置就下降2 m，從而可以帶動放置于其上的管具上下移動，以便達到合適的高度。

鼠洞的液壓油缸是動力鼠洞的關(guān)鍵設(shè)備，通過控制液壓油缸的伸出長度，調(diào)節(jié)鼠洞中的移動緩沖裝置的位置，從而調(diào)整鼠洞中鉆桿的位置。當(dāng)鼠洞處于閑置狀態(tài)時，一般油缸處于完全收縮狀態(tài)；當(dāng)需要存儲鉆桿時，液壓油缸完全縮回，移動緩沖裝置處于最高位置；當(dāng)鉆桿、鉆鋌或套管已經(jīng)放置在鼠洞中時，液壓油缸伸出到指定位置。當(dāng)鼠洞中放置鉆桿時，由接近開關(guān)或限位開關(guān)檢測位置；當(dāng)鼠洞中放置套管時，液壓油缸完全伸出。

3 鼠洞安全性設(shè)計

在接單根或者卸立根時，放入鼠洞的鉆桿或立根有掉入鼠洞的風(fēng)險，自由落體的鉆桿或立根會對鼠洞底部形成沖擊，如果鼠洞強度不夠，甚至?xí)舸┦蠖?。鉆桿墜落作為一項主要的突發(fā)事件，被越來越多用戶所關(guān)注，并提出墜落安全分析需求[4]。通常鼠洞底部會有緩沖裝置，能夠緩解部分沖擊，計算鉆桿立根墜落情況下的沖擊力，對于鼠洞結(jié)構(gòu)設(shè)計以及緩沖裝置選型具有指導(dǎo)性意義。

為了方便鉆井包移動，鼠洞做成可折彎的結(jié)構(gòu)，折彎部分通過鎖定銷與上部結(jié)構(gòu)相連，沖擊力過大可能導(dǎo)致鎖定銷失效，這種情況下沖擊力的計算尤為重要。本文討論的鼠洞結(jié)構(gòu)如圖2所示，由導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、折彎結(jié)構(gòu)、緩沖裝置等部件組成。

圖2 折彎鼠洞結(jié)構(gòu)

該鼠洞管全長17.748 m，鼠洞管外徑為0.500 m，內(nèi)徑為0.472 m。折彎結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向結(jié)構(gòu)通過兩個直徑為0.05 m的鎖定銷相連。鼠洞底部為蝶形彈簧緩沖裝置，計算5-1/2″鉆桿立根(3根)從距蝶形彈簧頂部1 m處墜落產(chǎn)生的沖擊力。

3.1 沖擊力計算

每根5-1/2″鉆桿長度為30′，質(zhì)量為3 037 kg，一個立根(3根)的質(zhì)量為9 111 kg，故設(shè)計載荷設(shè)定為10 t，墜落高度為1 m。

緩沖裝置選取schnorr 蝶形彈簧，共18片，彈簧規(guī)格為023900，數(shù)據(jù)來源為schnorr彈簧樣本。

為簡化計算作如下假設(shè)：

1)鉆桿下落過程中不與鼠洞發(fā)生接觸，即鉆桿垂直下落，不考慮鉆桿與鼠洞摩擦損失。

2)忽略蝶形彈簧在變形過程中與鼠洞的摩擦損失。

3)彈簧受沖擊載荷時變形為線性變形，鼠洞管產(chǎn)生的變形為線彈性變形。

4)鉆桿下落不考慮回彈，即只計算下落過程產(chǎn)生的沖擊力。

根據(jù)能量守恒定律[5]，鉆桿下落過程中產(chǎn)生的沖擊力做功轉(zhuǎn)化為彈簧、鉆桿立根、底部連接螺栓、鼠洞結(jié)構(gòu)等的變形能。計算結(jié)果見表2。

表2 沖擊力計算結(jié)果

3.2 鼠洞結(jié)構(gòu)校核

根據(jù)表2計算得出的沖擊力校核鼠洞管連接處結(jié)構(gòu)強度，該沖擊力也可用于鼠洞與鉆臺面連接處結(jié)構(gòu)強度的校核，對于折彎鼠洞，折彎鎖定銷處更為薄弱，故主要校核此處強度。

1)建模。

利用ANSYS軟件建立鼠洞有限元模型，鼠洞管采用8節(jié)點的Solid45單元，該單元適用于分析計算塑性、大變形以及大應(yīng)變[5]。

2)材料特性。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖紙，鼠洞主結(jié)構(gòu)材料為Q345D，連接耳板材料為E550，材料性能見表3，材料許用應(yīng)力見表4。

表3 材料性能表

表4 材料許用應(yīng)力表

3)加載。

對鼠洞上表面與鉆臺面接觸位置施加固定載荷，并對連接耳板處施加載荷。如圖3所示。

圖3 加載

4)應(yīng)力計算。

鼠洞結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖4所示，其中耳板處應(yīng)力最大，為351 MPa。該處材料為E550，材料屈服強度為550 MPa，由于墜落工況為破壞工況，設(shè)計安全系數(shù)為1。故鼠洞結(jié)構(gòu)安全。

圖4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力

3.3 試驗校核

鼠洞作為獨立設(shè)備，應(yīng)用戶要求，需對鼠洞進行破壞性試驗，由于鉆桿掉落試驗對鼠洞固定支撐面強度有較高要求且鼠洞管比較長，征得用戶同意，制作框架支撐模擬鉆臺面，使用等同于計算的沖擊載荷大小的配重作用在鼠洞下方，由于應(yīng)力最大點無法貼應(yīng)變片，故在應(yīng)力較大處貼應(yīng)變片(數(shù)據(jù)參考ANSYS軟件模擬結(jié)果)，比較有限元結(jié)果和實際應(yīng)力誤差，推算最大應(yīng)力處應(yīng)力是否符合許用應(yīng)力，應(yīng)變片位置如圖5所示。用吊機將鼠洞管吊起，維持5 min，檢查鼠洞變形及折彎處插銷變形情況。

圖5 應(yīng)變位置

利用無損檢測手段檢查各處焊縫，均未出現(xiàn)裂紋。通過應(yīng)變片測得各個耳板應(yīng)力，并與有限元仿真計算的應(yīng)力進行比較，各處應(yīng)力值及比較結(jié)果見表5，由表可知，各點應(yīng)力誤差范圍均在8%以內(nèi)，有限元結(jié)果和實際情況較為吻合，可作參考。目前該鼠洞已投入使用，使用狀況良好。

表5 應(yīng)力測試結(jié)果與有限元仿真結(jié)果對比

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)簡單、具有對心和扶正功能的動力鼠洞，能將鉆桿提升到固定高度，配合鐵鉆工接鉆桿工作，并在一個鉆桿立根垂直墜落工況下對鼠洞結(jié)構(gòu)的沖擊力進行理論計算，校核鼠洞結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果對鼠洞結(jié)構(gòu)設(shè)計、緩沖裝置選型具有指導(dǎo)意義。對實際產(chǎn)品進行了載荷試驗，結(jié)果證明結(jié)構(gòu)安全可靠，可給類似結(jié)構(gòu)鼠洞設(shè)計提供參考。