船用一體化游車大鉤研制

王文君，嚴(yán)亮，強(qiáng)亮，王安義，嚴(yán)小妮，李洪波

（1.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

傳統(tǒng)游車大鉤與天車、水龍頭、吊環(huán)等配套使用，主要用于懸吊和起下鉆柱作業(yè)，鉤體部分無法繞游車部分旋轉(zhuǎn)，海上作業(yè)時(shí)，船舶搖擺會(huì)導(dǎo)致起下管柱作業(yè)時(shí)產(chǎn)生偏載，容易對(duì)設(shè)備造成過度磨損甚至破壞，另外，不具備吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)管柱自動(dòng)交接功能[1-2]。

傳統(tǒng)游車大鉤上增加吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)是未來的發(fā)展趨勢(shì)，南陽(yáng)二機(jī)和江漢四機(jī)在該方面進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，但未見成熟可靠的產(chǎn)品投入市場(chǎng)。另外，在游吊產(chǎn)品上增加旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以適應(yīng)船舶橫搖和縱搖方面，國(guó)內(nèi)外僅有NOV公司TDX-1250頂驅(qū)在其懸掛體處增加了旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以適應(yīng)船舶橫搖工況，但因?yàn)闆]有鎖緊機(jī)構(gòu)而導(dǎo)致在與動(dòng)力貓道交接管柱過程中無法對(duì)正。為此，創(chuàng)新性地研制了一種船用游車大鉤，增加了吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)和鉤體旋轉(zhuǎn)鎖緊機(jī)構(gòu)，取消了傳統(tǒng)游車大鉤的旋轉(zhuǎn)和跳扣功能，適用于船舶起下作業(yè)時(shí)自動(dòng)交接管柱工況。

1 工作流程

該游車大鉤是一種與吊環(huán)、液壓吊卡和動(dòng)力貓道配合用于起、下管柱的提升設(shè)備，既可以配合天車和絞車實(shí)現(xiàn)井底管柱的提升和下放，也可以配合吊環(huán)、液壓吊卡和動(dòng)力貓道進(jìn)行管柱的自動(dòng)交接，并在進(jìn)行上述兩種作業(yè)時(shí)，能自適應(yīng)船舶的橫搖和縱搖工況。

起鉆作業(yè)操作流程為：下放游車大鉤至井口，液壓吊卡扣合井中管柱接頭；操作“吊環(huán)浮動(dòng)”打開（“鉤體鎖緊/松開”松開）后，稍微上提游車大鉤，提出卡瓦；繼續(xù)上提游車大鉤，提出井中一柱后，坐放卡瓦；用液氣大鉗或鐵鉆工卸開管柱下端接頭與井口管柱接頭的連接扣；操作“吊環(huán)浮動(dòng)”關(guān)閉（“鉤體鎖緊/松開”鎖緊）后，緩慢上提游車大鉤，用動(dòng)力貓道的擋臂扶持管柱下端；下放游車大鉤，同時(shí)動(dòng)力貓道的小車向后滑動(dòng)，最終將管柱水平放置在動(dòng)力貓道上；打開液壓吊卡，用動(dòng)力貓道送走管柱；繼續(xù)下放游車大鉤，當(dāng)?shù)蹩ń咏诠苤鶗r(shí)，操作“吊環(huán)前傾/后傾”至后傾；稍微下放游車大鉤，吊環(huán)前傾，吊卡扣合井中管柱接頭；至此，進(jìn)入下一根管柱的起鉆操作。

下鉆作業(yè)大致為起鉆作業(yè)的反過程，具體作業(yè)操作流程為：下放管柱入井，操作“吊環(huán)浮動(dòng)”打開（“鉤體鎖緊/松開”松開）后，在井口坐放卡瓦；打開液壓吊卡，吊環(huán)后傾；稍微上提游車大鉤后，操作“吊環(huán)浮動(dòng)”關(guān)閉（“鉤體鎖緊/松開”鎖緊）后，操作“吊環(huán)前傾/后傾”前傾至動(dòng)力貓道處；打開液壓吊卡，扣合動(dòng)力貓道上的管柱；緩慢上提游車大鉤，同時(shí)操作“吊環(huán)前傾/后傾”后傾至提起管柱；操作“吊環(huán)浮動(dòng)”打開（“鉤體鎖緊/松開”松開），吊卡回傾至井口；下放游車大鉤，使管柱下端公扣導(dǎo)入井口管柱母扣中，并用液氣大鉗或鐵鉆工上緊；稍微上提游車大鉤，提出卡瓦；下放管柱入井，至井口坐放卡瓦；至此，進(jìn)入下一柱管柱的下鉆操作。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，YG585游車大鉤主要由游車大鉤本體、旋轉(zhuǎn)鎖緊機(jī)構(gòu)、吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)、滑車總成、雙導(dǎo)軌總成、液壓電控系統(tǒng)等組成。游車大鉤本體與滑車總成之間采用銷軸耳板連接，滑車總成通過兩向滾輪結(jié)構(gòu)將載荷傳遞到導(dǎo)軌總成上，導(dǎo)軌總成與井架各段后背梁固連，游車大鉤本體相對(duì)井口的前后、左右方向均可調(diào)整。

圖1 YG585一體化游車大鉤

游車大鉤本體包括游車部分和大鉤部分，兩者之間采用雙銷軸連接，筒體與鉤體之間采用單銷軸連接，鉤體可以繞銷軸中心相對(duì)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鉤體左、右方向傾斜，通過旋轉(zhuǎn)鎖緊機(jī)構(gòu)可調(diào)整左右傾斜角度。

鉤體旋轉(zhuǎn)鎖緊機(jī)構(gòu)安裝在筒體上，采用鉸軸油缸頂伸結(jié)構(gòu)鎖緊鉤體，吊環(huán)前傾/后傾時(shí)，通過電控互鎖，定位鎖緊機(jī)構(gòu)自動(dòng)鎖緊，鉤體不能左右擺動(dòng)，便于配合動(dòng)力貓道處理鉆具，保證設(shè)備和人員安全，吊環(huán)浮動(dòng)時(shí)，定位鎖緊機(jī)構(gòu)打開，鉤體可以左右擺動(dòng)，避免船舶橫搖或縱搖時(shí)對(duì)設(shè)備本體造成過度磨損甚至破壞。為適應(yīng)不同海域船舶作業(yè)時(shí)的傾斜角度需求，設(shè)有角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，最大可調(diào)節(jié)±6°。

吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)安裝在鉤體下部，由傾斜油缸推動(dòng)吊環(huán)，可實(shí)現(xiàn)前傾、后傾和中位浮動(dòng)動(dòng)作：前傾可將吊卡送至動(dòng)力貓道處，配合動(dòng)力貓道處理鉆具；后傾可避讓井口位置，便于解開吊卡；中位為吊環(huán)浮動(dòng)狀態(tài)，可使吊環(huán)自動(dòng)恢復(fù)到月池中心位置，便于對(duì)扣作業(yè)。吊環(huán)的前傾、后傾和中位浮動(dòng)動(dòng)作可在司鉆操作臺(tái)進(jìn)行控制。

滑車總成與游車大鉤本體通過單、雙耳板和銷軸連接，通過滑車體上的滾輪總成Ⅰ和滾輪總成Ⅱ扶正游車大鉤主體沿導(dǎo)軌作上、下滑動(dòng)。滑車總成設(shè)有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可調(diào)整游車大鉤本體相對(duì)井口的前后和左右方向位置，便于井口對(duì)中調(diào)整?；嚳偝蓛蓚?cè)設(shè)有鎖緊耳板，可在雙導(dǎo)軌總成對(duì)應(yīng)位置穿入連接銷軸后，將滑車總成和游車大鉤本體固定在雙導(dǎo)軌上，便于倒大繩或者直立運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)使用。

采用左右整體式雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，共分為4段，后側(cè)與井架各段后背梁固連，頂部設(shè)有吊耳，連接在天車底部的吊耳上，用于懸吊雙導(dǎo)軌總成和游車大鉤的質(zhì)量。雙導(dǎo)軌總成布置在游車大鉤的后側(cè)，與滑車總成配合使用，可將船舶橫搖和縱搖時(shí)產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩傳遞到井架各處后背梁上。雙導(dǎo)軌設(shè)有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可調(diào)整雙導(dǎo)軌總成相對(duì)井架3個(gè)方向的位置。

液壓系統(tǒng)主要由液控閥組、液壓管線等部分組成，液壓動(dòng)力源可由鉆機(jī)液壓站提供，用于控制定位鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊/打開、吊環(huán)的前傾/后傾和浮動(dòng)動(dòng)作。液壓系統(tǒng)為液壓吊卡預(yù)留供回油接口。司鉆在司鉆控制臺(tái)上操作，實(shí)現(xiàn)所有游車大鉤的動(dòng)作控制。電磁換向閥及控制閥符合電氣設(shè)備防爆要求，滿足海洋使用環(huán)境。

安裝運(yùn)輸總成可用于游車大鉤本體、滑車總成和最下端的運(yùn)輸，也可用于游車大鉤的直立安裝，方便天車和游車穿繩。一個(gè)限位塊用于鉤體正常工作旋轉(zhuǎn)角度的限位，防止因意外情況下鉤體旋轉(zhuǎn)角度過大而造成設(shè)備損壞，另一個(gè)限位塊可保證運(yùn)輸和吊裝過程中鉤體不會(huì)因隨意轉(zhuǎn)動(dòng)而造成人員或者設(shè)備損害。

2.2 關(guān)鍵零部件有限元分析

利用有限元軟件ANSYS對(duì)游鉤本體、滑車總成和雙導(dǎo)軌總成進(jìn)行強(qiáng)度分析。

1）首先進(jìn)行游鉤本體有限元分析。主要包括左右側(cè)板、滑輪軸、筒體、鉤體、連接銷Ⅰ和連接銷Ⅱ等主承載件，主要零件應(yīng)力結(jié)果如圖2～圖4所示。根據(jù)API Spec 8C規(guī)定，鉤體副鉤與吊環(huán)接觸部位發(fā)生最大應(yīng)力429.34 MPa＜σs=520 MPa，鉤體其余部位和其它主承載件Von Mises應(yīng)力均小于許用應(yīng)力[σ]=σs/ns=520÷2.25=231.1 MPa[3]，因此游鉤本體各主承載件強(qiáng)度滿足API SPEC 8C規(guī)范要求。

圖2 左側(cè)板Von Mises應(yīng)力云圖

圖3 筒體Von Mises應(yīng)力云圖

圖4 鉤體Von Mises應(yīng)力云圖

2）滑車與游鉤本體通過4組單雙耳板和銷軸連接，滑車與雙導(dǎo)軌通過2個(gè)方向的滾輪接觸（制動(dòng)工況下通過銷軸連接在導(dǎo)軌的翼板上），滑車的載荷主要是游鉤本體的偏載、起下鉆時(shí)海底管柱的偏載和環(huán)境載荷等。其中，最主要的是起下鉆時(shí)海底管具的偏載，作用點(diǎn)是吊環(huán)和鉤體懸掛點(diǎn)處，滑車承載狀態(tài)如圖5所示。根據(jù)API Spec 8C中關(guān)于導(dǎo)向小車的計(jì)算要求和船舶橫搖、縱搖工況需求，滑車總成有限元分析包括剎車載荷（PLC Ⅰ，2）、水平拉力載荷（PLC Ⅰ，4）、含環(huán)境載荷的剎車載荷（PLC Ⅱ，2）、含環(huán)境載荷的水平拉力載荷（PLC Ⅱ，4）、異常垂直加速度（PLC Ⅲ，1）、異常環(huán)境載荷（PLC Ⅲ，1）、意外橫搖（PLC Ⅲ，1）、制動(dòng)狀態(tài)（PLC Ⅲ，1），最大應(yīng)力發(fā)生在含環(huán)境載荷的水平拉力載荷（PLC Ⅱ，4）工況，結(jié)果如圖6所示，最大應(yīng)力值230.44 MPa＜[σ]=σs/ns=335÷1.33=251.9 MPa，因此滑車強(qiáng)度滿足API Spec 8C規(guī)范要求。

圖5 滑車承載結(jié)構(gòu)圖

圖6 滑車架體Von Mises應(yīng)力云圖

3）橫搖偏載和縱搖偏載通過滑車總車傳遞到雙導(dǎo)軌總成，再通過各段連接架傳遞到井架上；制動(dòng)載荷（即游鉤質(zhì)量懸掛在導(dǎo)軌上）通過滑車總車傳遞到雙導(dǎo)軌總成，再通過天車懸掛耳板傳遞到天車架上。對(duì)比滑車計(jì)算結(jié)果可知，帶環(huán)境載荷的水平拉力載荷（PLC Ⅱ，2）最為惡劣，另外制動(dòng)狀態(tài)下導(dǎo)軌局部受載，故針對(duì)上述兩種工況，按滑車計(jì)算的滾輪處支反力作為雙導(dǎo)軌輸入進(jìn)行雙導(dǎo)軌的有限元分析，結(jié)果如圖7和圖8所示。根據(jù)AISC 360規(guī)定，最大應(yīng)力204.366 MPa ＜[σ]=σs/ns=335÷1.67=212.6 MPa[4]，因此雙導(dǎo)軌強(qiáng)度滿足AISC 360規(guī)范要求。

圖7 雙導(dǎo)軌總成Von Mises應(yīng)力云圖1

圖8 雙導(dǎo)軌總成Von Mises應(yīng)力云圖2

3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 一體化游車大鉤設(shè)計(jì)

如圖9所示，與傳統(tǒng)游車大鉤相比，一體化游車大鉤增配了吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)、鉤體旋轉(zhuǎn)鎖緊機(jī)構(gòu)、滑車總成和雙導(dǎo)軌總成，解決了傳統(tǒng)游車大鉤無法配合動(dòng)力貓道進(jìn)行自動(dòng)化管柱交接作業(yè)的問題[5]，極大地減輕起下鉆作業(yè)時(shí)鉆臺(tái)面工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖9 吊環(huán)前傾圖

3.2 二維旋轉(zhuǎn)鎖緊功能

船舶橫搖時(shí)，鉤體與筒體可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)，船舶縱搖時(shí)，吊環(huán)相對(duì)鉤體的兩側(cè)副鉤可以旋轉(zhuǎn)，保證吊環(huán)、吊卡和鉆具保持豎直狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)二維旋轉(zhuǎn)功能，自適應(yīng)船舶橫搖和縱搖工況，如圖10所示。通過更換角度限位塊可以調(diào)整其安裝角度，從而控制鉤體的允許旋轉(zhuǎn)角度，適應(yīng)不同海域船舶作業(yè)需求，解決了船舶橫搖或者縱搖時(shí)，井底鉆具產(chǎn)生的側(cè)向偏載無法通過主體結(jié)構(gòu)傳遞到 井架后背梁的問題[6-7]。

圖10 鉤體橫搖旋轉(zhuǎn)圖

3.3 太陽(yáng)-行星輪滾輪結(jié)構(gòu)

滑車總成結(jié)構(gòu)如圖11所示，前后方向滾輪總成采用行星輪結(jié)構(gòu)，中間是太陽(yáng)輪，4個(gè)行星輪分布在四周[8]，工作時(shí)，兩個(gè)對(duì)角的行星輪與導(dǎo)軌面接觸，該結(jié)構(gòu)既可以適應(yīng)較大的滾輪和導(dǎo)軌面間隙，允許更大的導(dǎo)軌制造和安裝誤差，又能保證滾輪和導(dǎo)軌面接觸，更好地實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向作用。

圖11 滑車總成結(jié)構(gòu)圖

3.4 反向模擬船舶橫搖工藝

直立時(shí)無法模擬橫搖工況，水平時(shí)無法模擬游鉤重力效應(yīng)，試驗(yàn)過程采用逆向思維，通過增加專用工裝使鉤體傾斜模擬鉆井船傾斜后鉤體轉(zhuǎn)正的動(dòng)作，解決了陸地試驗(yàn)臺(tái)無法模擬船舶搖擺工況的問題。

4 試驗(yàn)及使用情況

根據(jù)API Spec 8C 規(guī)范要求，完成游鉤本體型式試驗(yàn)，如圖12所示，最大試驗(yàn)載荷達(dá)到11 700 kN。廠內(nèi)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)包括上提、下放試驗(yàn)，吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)試驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)鎖緊機(jī)構(gòu)試驗(yàn)，電控互鎖試驗(yàn)。各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 游鉤本體型式試驗(yàn)

目前，該一體化游車大鉤在南海某船服役，最大作業(yè)水深為1400 m，作業(yè)時(shí)最大橫搖角度達(dá)±4°，運(yùn)行狀態(tài)良好，如圖13所示。

圖13 南海某船現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

5 結(jié)論

YG585一體化游車大鉤設(shè)計(jì)過程采用了鉤體旋轉(zhuǎn)鎖緊、一鍵式操作、太陽(yáng)-行星滾輪結(jié)構(gòu)、三向可調(diào)式雙導(dǎo)軌等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，可自適應(yīng)鉆井船的橫搖和縱搖工況，并配合動(dòng)力貓道實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管柱處理作業(yè)，給未來游車大鉤產(chǎn)品的發(fā)展提供了借鑒。經(jīng)各項(xiàng)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用表明，該游車大鉤具有承載結(jié)構(gòu)合理、自適應(yīng)環(huán)境性能良好、反應(yīng)靈敏、安全可靠等特點(diǎn)，提高了作業(yè)效率，極大保障了設(shè)備和人員的安全性。

考慮在常規(guī)一體化游車大鉤和分體式游車大鉤上推廣應(yīng)用，增加旋轉(zhuǎn)通道以實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，通過內(nèi)力平衡以實(shí)現(xiàn)去導(dǎo)軌化，改進(jìn)結(jié)構(gòu)以適應(yīng)分體式游車大鉤，這些將成為今后的主要研究方向。