JC-30DBT型海洋補償絞車設計與分析

費健杰

(中海油田服務有限公司，河北 三河 065201)

深海鉆井時，鉆機系統(tǒng)將會受波浪等作用帶動井下鉆具上下運動，因而無法控制鉆壓，不但影響鉆進效率，嚴重時會損壞鉆具[1]。升沉補償裝裝置可克服上述升沉運動的影響，調整深海井底鉆壓。目前升沉補償裝置主要有鉆桿補償裝置、天車補償裝置、游車補償裝置以及絞車補償裝置幾種形式[2-7]。其中，鉆桿補償裝置因鉆壓調節(jié)困難已經(jīng)很少使用；天車補償裝置在甲板上設備少，主要機構都在天車臺和井架上，因此對井架的強度要求較高；游車補償裝置不需高強度井架，但其大部分設備都位于甲板上，占用面積較大。劉清友等人依托國家重點實驗室，完成了新型游車補償裝置的原理樣機的研制[8-9]，在成本和性能上有一定優(yōu)勢；絞車補償裝置可克服上述諸多弊端，將絞車的提升功能與升沉補償系統(tǒng)的功能集成為一體。目前，補償絞車技術主要為美國NOV公司所壟斷，該公司已經(jīng)生產了多個級別的補償絞車, 國內HYSY982海洋平臺也配套了NOV公司的補償絞車。國內相關企業(yè)也在開展相關樣機的研制工作。

1 總體方案設計

JC30DBT型補償絞車是根據(jù)相關石油鉆井規(guī)范和鉆采設備標準設計的。該補償絞車是一種交流變頻控制的單軸齒輪傳動絞車，它主要由交流變頻電動機、減速箱、液壓盤剎、滾筒軸、自動送鉆裝置、空氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等單元部件組成。絞車動力由2臺功率800 kW、轉速0～2 800 r/min交流變頻電機驅動。絞車為兩擋無級變速，有專門的氣動換擋機構。絞車主剎車為液壓盤式剎車，配單邊剎車。絞車取消了傳統(tǒng)的輔助剎車機構，而使用主電機能耗制動作為輔助剎車。絞車傳動采用齒輪、鏈輪傳動形式，齒輪、鏈輪及軸承潤滑采用強制潤滑方式。絞車配置的自動送鉆裝置由1臺22 kW的交流變頻電機提供動力，經(jīng)1臺立式齒輪減速機減速后驅動滾筒實現(xiàn)自動送鉆功能。絞車的所有控制(電、氣、液)均集中在司鉆控制房內[10-12]。

該絞車的補償原理是由絞車傳動軸編碼器、升沉加速度傳感器及拉力傳感器分別將游車相對位置、船體升沉運動數(shù)據(jù)與鉤載信息及時發(fā)送到可編程控制器中。經(jīng)過控制器處理后的輸出信號控制絞車電機的轉速及轉向，實現(xiàn)主動補償?shù)墓δ?。該絞車的控制系統(tǒng)可實時檢測船體由于波浪引起的升沉運動，從而控制絞車做出相應的動作，對鉆柱進行補償，保證鉆井時鉆柱相對于井底的位置不變。

2 傳動原理

如圖1所示，絞車由2臺800 kW的交流變頻電動機經(jīng)聯(lián)軸器將動力分別輸入至兩擋齒輪減速箱輸入軸，經(jīng)二級齒輪和一組鏈輪減速后傳給滾筒軸。在每個擋位下，絞車的整個變速過程完全由主電機交流變頻控制系統(tǒng)操作實現(xiàn)。絞車自動送鉆由1臺22 kW的交流變頻電機驅動，經(jīng)大傳動比立式減速機和推盤離合器后，將動力傳入減速箱另一輸入軸端，再經(jīng)齒輪箱和鏈輪鏈條減速后帶動滾筒軸完成自動送鉆過程。絞車兩擋齒輪減速箱的換擋機構包含換擋和鎖擋2個部分，絞車換擋由司鉆在司鉆控制房內通過氣控電磁閥進行遠程遙控。

1-減速機；2-交流變頻電機Ⅰ；3-交流變頻電機Ⅱ；4-送鉆電機；5-滾筒圖1 絞車傳動原理

3 絞車主要技術參數(shù)

額定功率

550 kW

最大快繩拉力

210 kN

鋼絲繩直徑

?29 mm

擋數(shù)

2正2倒(無級調速)

滾筒轉速

0～451 r/min

鉤速

0～1.5 m/s

開槽滾筒尺寸(直徑×長度)

?560 mm×1 008.2 mm

剎車盤尺寸(外徑×厚度)

?1 520 mm×76 mm

4 提升及補償能力分析

4.1 提升能力

補償絞車是在常規(guī)絞車的基礎上增加了波浪升沉補償功能，主要靠電控系統(tǒng)實現(xiàn)，船體的升沉運動近似為正弦曲線，周期10 s，振幅1.35 m。根據(jù)波浪補償運動特性，要使補償絞車達到補償效果，鉆頭及與鉆頭相連的鉆桿相對于井底是靜止的，與鉆桿相連的游車相對于井底也是靜止的，此時絞車根據(jù)波浪運動特性進行提升和下放。需要在1/4周期，即≤2.5 s時間內，保證補償絞車提升最大鉆柱時，游鉤運動的速度要大于波浪引起的鉆柱升沉速度。

根據(jù)電機轉矩-速度特性參數(shù)，利用相關公式，分別計算4×5繩系下絞車在低速擋id=11.56和高速擋ig=5.66時大鉤鉤載、鉤速、快繩拉力，得到2種傳動比下的提升曲線，如圖2所示。

圖2 補償絞車提升曲線(8繩系)

由圖2補償絞車提升曲線可以看出，傳動比ig=5.66時，絞車提升最大鉆柱時鉤速可以達到0.88 m/s，提升空吊卡時鉤速可以達到2 m/s；傳動比id=11.56時，提升最大鉤載鉤速可以達到0.54 m/s，完全滿足鉆井提升要求。

4.2 補償能力

假設船體的運動曲線是按照周期為10 s、最大位移(振幅)為1.35 m的正弦周期運動。在前1/2周期(0～5 s)內，船體處于上升階段，在補償工況下此時絞車進行下放鉆柱動作；在后1/2周期(5～10 s)內，船體處于下降階段，在補償工況下此時絞車進行上提鉆柱動作[13-15]。圖3為在船體升沉運動的后1/4周期內船體升沉和絞車提升鉆柱的鉤速曲線。

圖3 補償絞車提升速度曲線

5 試驗分析

JC-30DBT型絞車在試驗井場安裝上頂驅，絞車電機在轉速1 500 r/min，鉤速1.24 m/s時進行緊急剎車，經(jīng)多次測量，絞車架頂部最大晃動量4～5 mm，容易出現(xiàn)鋼絲繩從滑輪外緣的環(huán)形槽內脫出，不僅影響絞車補償功能的正常實現(xiàn)，嚴重時還可能引起安全事故。經(jīng)過現(xiàn)場分析及初步判斷，造成晃動的原因是盤剎裝置鉗架與絞車架組合后整體剛性不足造成的。為此，進行了有限元分析，如圖4～5所示。

圖4 應力分布云圖

圖5 位移分布云圖

鉗架(材料Q355B)厚度80 mm，最大應力出現(xiàn)在鉗架上，為142.42 MPa，小于屈服強度355 MPa，應力滿足要求；鉗架的最大位移為3.88 mm，大于3 mm(1 800/600)[16-17]，位移變形大于標準要求，現(xiàn)場測量結果與計算結果基本相符。

通過綜合分析，加固剎車鉗架不容易實現(xiàn)。結合現(xiàn)場試驗情況與絞車架有限元分析，將絞車架左右立柱在原來的基礎上加強1倍。絞車架加強后的有限元分析結果如圖6～7所示。

圖6 加強后應力分布云圖

鉗架厚度80 mm時最大應力出現(xiàn)在鉗架上，為111.6 MPa，應力滿足要求；鉗架的最大位移為2.78 mm，小于3 mm(1800/600)[16-17]，滿足要求。

6 結論

1) 在深海鉆井時鉆機系統(tǒng)受到波浪等作用，無法精確控制鉆壓，影響生產效率或損壞鉆具。

2) 設計了JC-30DBT型補償絞車，該絞車由2臺800 kW的交流變頻電動機經(jīng)聯(lián)軸器將動力輸入減速箱作為主傳動；由另1臺22 kW的交流變頻電機驅動，經(jīng)過大傳動比的減速機和推盤離合器，帶動滾筒完成自動送鉆。

3) 對補償絞車提升及補償能力進行了分析。

4) 對現(xiàn)場試驗出現(xiàn)的盤剎裝置鉗架與絞車架晃動現(xiàn)象進行了分析，通過有限元分析，找出了晃動產生的原因，提出了加固措施。