頂驅(qū)承載和上卸扣扭矩傳遞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析*

時(shí)琦昊，魏孔財(cái)，張 濤，狄世民

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

目前，頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置作為鉆井的核心裝備，在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用都已經(jīng)趨于成熟，極大提高了石油天然氣的勘探開(kāi)發(fā)作業(yè)效率，并已成為石油鉆井行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品[1]。

頂驅(qū)是集機(jī)、電、液一體化的鉆井裝備，它可從井架上部空間直接旋轉(zhuǎn)鉆桿，沿專(zhuān)用導(dǎo)軌向下送進(jìn)，完成鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，循環(huán)鉆井液，接立柱，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井作業(yè)[2]。眾多的功能也導(dǎo)致了頂驅(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此頂驅(qū)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又能很好的實(shí)現(xiàn)其功能是頂驅(qū)研發(fā)人員一直不斷思考的問(wèn)題。

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外頂驅(qū)的研究可知，頂驅(qū)承載和上卸扣時(shí)提供反扭矩系統(tǒng)是不同時(shí)工作的。對(duì)于頂驅(qū)承載系統(tǒng)，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式有兩種，其一是主要采用螺紋，即減速箱體中的連接套加工內(nèi)螺紋，管子處理系統(tǒng)的承載軸上加工外螺紋。安裝時(shí)，將管子處理系統(tǒng)承載軸上的外螺紋旋入減速箱體連接套上的內(nèi)螺紋，并旋緊；其二是在頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置主軸上加工環(huán)形外螺紋，用帶環(huán)形內(nèi)螺紋的支撐塊連接，用于承受整個(gè)鉆柱載荷。此兩種連接形式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，成本高，如果加工精度與設(shè)計(jì)要求稍有偏差，不但會(huì)造成螺紋旋合不緊，且會(huì)使動(dòng)力水龍頭和管子處理系統(tǒng)不對(duì)正，影響其它系統(tǒng)的安裝[3]。對(duì)于頂驅(qū)上卸扣扭矩傳遞系統(tǒng)，由于其背鉗大多都是懸掛在回轉(zhuǎn)頭上，而回轉(zhuǎn)頭可以旋轉(zhuǎn)，這就需要設(shè)計(jì)制動(dòng)裝置對(duì)回轉(zhuǎn)頭進(jìn)行制動(dòng)，以為頂驅(qū)在上卸扣時(shí)提供反扭矩。制動(dòng)裝置的形式有插銷(xiāo)制動(dòng)，還有齒輪嚙合制動(dòng)，而這兩種制動(dòng)形式缺點(diǎn)明顯，導(dǎo)致頂驅(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，而且在進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，效率低下，有時(shí)則需要人為干預(yù)才能實(shí)現(xiàn)其功能。

筆者對(duì)頂驅(qū)的承載和上卸扣扭矩傳遞系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并對(duì)其進(jìn)行了全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使頂驅(qū)能承受最大工作載荷，在上卸扣時(shí)還可以將扭矩直接傳遞到鉆機(jī)井架的反扭矩梁，省去制動(dòng)裝置。此結(jié)構(gòu)對(duì)頂驅(qū)的精簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)具有重要的意義，同時(shí)，新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，降低了維護(hù)保養(yǎng)的復(fù)雜程度，節(jié)省成本。

1 頂驅(qū)上卸扣扭矩傳遞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié) 構(gòu)

頂驅(qū)承載和上卸扣扭矩傳遞結(jié)構(gòu)主要有夾緊鉗、反扭矩臂、反扭矩架、承載軸、卡箍、圓柱銷(xiāo)、連接套及扭矩傳遞鍵等組成，其結(jié)構(gòu)總裝圖如圖1所示。

圖1 頂驅(qū)承載和上卸扣扭矩傳遞結(jié)構(gòu)示意圖

其中，承載軸和連接套為頂驅(qū)承受軸向載荷的關(guān)鍵零部件。

1.2 工作原理

由夾緊鉗將鉆桿夾緊，頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)，旋扣扭矩通過(guò)夾緊鉗傳遞到反扭矩臂，再由反扭矩臂通過(guò)反扭矩架傳到承載軸，承載軸為管子處理裝置中的關(guān)鍵件，不但可以承受整個(gè)鉆柱載荷，且還可以傳遞上卸扣扭矩，還為管子處理系統(tǒng)及夾緊鉗系統(tǒng)中的液壓元件進(jìn)行通油。扭矩通過(guò)鍵連接套，連接套安裝在減速箱體內(nèi)，并安裝銷(xiāo)，扭矩通過(guò)連接套由銷(xiāo)傳遞給減速箱體，進(jìn)而由減速箱體傳遞到井架反扭矩梁上，用卡箍將連接套和承載軸進(jìn)行連接，可以承受整個(gè)軸向鉆柱載荷。

1.3 技術(shù)參數(shù)

表1為頂驅(qū)技術(shù)參數(shù)。

表1 頂驅(qū)技術(shù)參數(shù)

頂驅(qū)軸向承受最大載荷，上卸扣傳遞最大扭矩。

2 有限元分析依據(jù)及要求

按照API規(guī)范8C(第5版，2012年4月)，ANSI/API 8C/ISO 13535-2002，“鉆進(jìn)和采油提升設(shè)備規(guī)范(PSL1和PSL2)”中第4節(jié)“設(shè)計(jì)”中的第4.3節(jié)“強(qiáng)度分析”中的內(nèi)容確定部件的應(yīng)力分析和強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

2.1 等效應(yīng)力

基于彈性理論的強(qiáng)度分析，最大許用應(yīng)力ASmax，即：

(1)

式中：YSmin是規(guī)定的最小屈服強(qiáng)度；SFD是設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

2.2 極限強(qiáng)度(塑性)分析

截面的平均應(yīng)力，應(yīng)小于或等于最大許用應(yīng)力。

(2)

式中：TSmin是規(guī)定的極限拉力強(qiáng)度；SFD是設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

3 承載關(guān)鍵零部件及傳扭系統(tǒng)強(qiáng)度分析

3.1 承載軸強(qiáng)度分析

承載軸材料機(jī)械性能為：密度ρ=7.87×103kg/m3，屈服強(qiáng)度σS=880 MPa，熱脹系數(shù)1.28×10-5，熱導(dǎo)率44 W/(m·K)，最大載荷4 500 kN。圖2所示為承載軸的加載和約束圖。對(duì)承載軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，進(jìn)行Miss應(yīng)力分析，如圖3所示。

圖2 承載軸加載和約束圖 圖3 承載軸Miss應(yīng)力圖

由圖3可知，承載軸的高應(yīng)力出現(xiàn)在其臺(tái)階處，最大應(yīng)力為360 MPa。

根據(jù)計(jì)算，承載軸滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 連接套強(qiáng)度分析

連接套機(jī)械性能為：密度ρ=7.87×103kg/m3，屈服強(qiáng)度σS=880 MPa，熱脹系數(shù)1.28×10-5，熱導(dǎo)率44W/(m·K)，最大載荷4 500 kN。圖4所示為連接套的加載和約束圖。對(duì)連接套進(jìn)行網(wǎng)格后，進(jìn)行Miss應(yīng)力分析，如圖5所示。由圖5可知，最大應(yīng)力為209.2 MPa。

圖4 連接套加載和約束圖 圖5 連接套Miss應(yīng)力圖

根據(jù)計(jì)算，承載軸滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 傳扭系統(tǒng)強(qiáng)度分析

傳扭系統(tǒng)機(jī)械性能為：密度ρ=7.87×103kg/m3，屈服強(qiáng)度σS=880 MPa，熱脹系數(shù)1.28×10-5，熱導(dǎo)率44 W(m·K)，最大扭矩98 kNm。

將反扭矩臂、反扭矩架、鍵、承載軸、連接套及銷(xiāo)固定安裝，在夾緊鉗口施加最大扭矩，通過(guò)上卸扣扭矩傳遞系統(tǒng)直接將扭矩傳遞到減速箱體，由減速箱體傳遞鉆機(jī)井架反扭矩梁上，減速箱體不作為研究的對(duì)象，只對(duì)上卸扣扭矩傳遞系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度分析。圖6所示為傳扭系統(tǒng)的加載和約束圖。對(duì)傳扭系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，進(jìn)行Miss應(yīng)力分析，如圖7所示。

圖6 傳扭系統(tǒng)加載和約束圖 圖7 傳扭系統(tǒng)Miss應(yīng)力圖

根據(jù)計(jì)算，承載軸滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)頂驅(qū)承載和上卸扣傳扭結(jié)構(gòu)的全新設(shè)計(jì)，優(yōu)化了頂驅(qū)復(fù)雜的承載結(jié)構(gòu)和上卸扣傳扭系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，加工制造簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了維護(hù)保養(yǎng)的步驟，提高了頂驅(qū)作業(yè)的效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度；同時(shí)，對(duì)新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析結(jié)果可知，其安全系數(shù)均滿足API 8C設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)頂驅(qū)的整個(gè)試制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。