海洋钻井用旋转支撑转盘液压传动设计

王学义,黄悦华,赖笑辉

(宝鸡石油机械有限责任公司,陕西宝鸡721002) *

海洋钻井用旋转支撑转盘液压传动设计

王学义,黄悦华,赖笑辉

(宝鸡石油机械有限责任公司,陕西宝鸡721002)*

机械驱动旋转支撑转盘存在传动链长、部件多、整机质量大、在钻井平台布置困难等问题。设计了液压驱动的旋转支撑转盘,低速大扭矩液压马达安装在常规转盘输入轴端,采用先进的闭式液压控制系统和远程电液比例控制方案。在海洋钻井平台的应用表明,该转盘体积小,质量轻,拆装布置方便,便于实现精确和智能控制,满足了海洋钻井的工艺要求。

液压旋转支撑转盘;液压系统;电液比例控制

由于海洋钻井大功率顶驱的使用,已不需要转盘按钻井工况设计转速,在下入隔水管、悬持钻具、活动钻具时,要求转盘具有较大的支撑能力和通孔直径,较高的扭矩和较低的转速。另外,常规机械驱动转盘和电驱动转盘传动链长、部件多、整机质量大,在海洋钻井平台布置比较困难,而液压旋转支撑转盘能满足上述要求。目前,德国WIRTH公司有RTSS605-H型液压驱动旋转支撑转盘,美国NOV公司也有类似的液压旋转支撑转盘,但是结构相当复杂,液压系统及控制形式很不相同。国内某修井机制造商也设计了高速马达和减速器安装在常规转盘输入轴端的液压驱动转盘,主要用于修井作业[1]。笔者基于常规石油钻机转盘,开发了具有自主知识产权的液压旋转支撑转盘(hydraulic rotary-support table)用于海洋钻井平台。

1 液压旋转支撑转盘基本结构

功率较小、通孔直径为«952.5 mm的转盘(称为ZP375型转盘)采用液压驱动,最高转速20 r/ min左右,更适用于海洋钻井平台。为满足现代海洋钻井工艺的需要开发的旋转支撑转盘结构如图1。CA70型径向柱塞马达[2]安装在 ZP375型转盘的输入轴端,反扭矩由扭力臂和支撑板传递,由转盘箱体承受。径向柱塞马达和转盘的连接方式是把马达所带的锁紧盘安装在马达安装套的外壁,整体移动马达使转盘的输入轴插入马达的安装孔内,紧固锁紧盘上的螺栓,利用锁紧盘的斜楔将轴向力变为径向力,压迫马达安装套变形,使马达牢固地安装在转盘的输入轴上。

图1 海洋钻井用液压旋转支撑转盘结构

2 主要技术参数

转盘

开孔直径 «952.5 mm(37.5英寸)

额定静载荷 7 000 kN

最大工作扭矩(5 r/min时) 45 000 N·m

最大工作扭矩时最高转速 5 r/min

齿轮传动比 3.62

最高工作转速 15 r/min

液压系统

最大流量 246 L/min

最高压力 21 MPa

液压泵型号 A4VG140EP2

液压马达型号 CA70

液压马达的冲洗流量 15 L/min

电机功率 42.6 kW

电机转速 1 780 r/min

3 液压传动原理及特点[3]

液压系统原理如图2。该系统为闭式液压系统,通过电液比例控制方式实现了对液压旋转支撑转盘所需的扭矩和速度的控制,具有制动和反扭矩释放功能。

3.1 控制回路

变量液压泵排量由速度电位计手柄控制。主控制器读取速度电位计手柄信号并对其进行处理,输出2路PWM信号分别控制电控变量液压泵的先导比例电磁阀,通过线性电压或电流信号的输出控制先导比例电磁阀的控制压力,改变电控变量液压泵的斜盘摆角,从而实现排量的变化,改变液压马达的转速。将电位计手柄搬到不同的位置,控制液压旋转支撑转盘的正转、反转、停止和无级变速。通过添加启动/停止斜坡,实现动作平缓无冲击。这样,控制液压旋转支撑转盘速度正、反方向比例变化并能在某位锁定,在中位时转盘停止并制动。

操作扭矩电位计控制手轮控制液压旋转支撑转盘扭矩。主控制器读取扭矩电位计控制手轮信号并对其进行处理,输出1路PWM信号控制桥式调压总成的比例电磁溢流阀,改变比例电磁溢阀的调定压力,从而实现液压旋转支撑转盘扭矩范围的调整。旋转支撑转盘通常为高速低扭和低速大扭矩的作业工况。为减少主液压泵电机的功率,对主液压泵设置了恒功率输出特性,这样,当外载荷较大使压力> 9 MPa时,随着压力的提高,主液压泵的排量变小,液压马达的转速减小,即液压旋转支撑转盘转速降低,扭矩增大。

3.2 冷却及补油回路

径向柱塞马达驱动常规转盘时常产生大量的热,高温将降低油液的粘度,从而导致液压系统元件使用寿命的下降;同时,低粘度也将降低马达的最大功率。因此,系统配备外冲洗泵对马达壳体进行冷却,外冷却油经马达壳体、冷却器返回油箱。液压系统产生的热油经内冲洗阀将热油置换出去,由冷却器降温后返回油箱。为了补充基本液压回路由于散热和泄漏而损失的液压油,系统采用齿轮泵作为补油泵。补油泵经高压溢流阀块中的单向阀,向基本液压回路的低压管路补充冷却油液。低压溢流阀用于控制补油压力。

3.3 过载保护及制动回路[4]

在停机过程中,为了保护主液压泵免受冲击,在该泵高压出口处配有2个高压溢流阀块;同样为了保护液压马达,在液压马达进出口处有1个双向溢流阀。根据闭式回路的特点,操作速度电位计手柄回到中位、使液压泵的斜盘倾角为零,封闭进出通路,从而液压泵的进出口流量为零,液压马达的转速为零,液压旋转支撑转盘停止运转。同时,由于在液压马达进出口处有1个调定压力远高于系统压力的双向溢流阀,液压马达无法转动,也能实现液压旋转支撑转盘的制动。此属于系统制动,也叫内制动。

3.4 扭矩调节及反扭矩释放回路

当液压旋转支撑转盘需要设定扭矩时,操作扭矩电位计控制手轮调节桥式调压总成的比例电磁溢流阀,改变比例电磁溢阀的调定压力即可。由于液压旋转支撑转盘驱动钻杆,钻杆的弹性扭转,积聚大量的扭转势能。这样,当液压旋转支撑转盘停止运转时,几千米长钻杆具有非常巨大的扭转势能迫使液压旋转支撑转盘倒转;需要释放钻杆反扭矩时,必需慢慢调低桥式调压总成的比例电磁溢流阀压力缓慢溢流。这样,通过液压马达缓慢释放钻杆产生的反扭矩,使钻杆的弹性扭转势能转化为热量,防止发生钻杆脱扣事故。

图2 液压旋转支撑转盘液压系统原理

4 结论

1) 通孔直径为«952.5 mm的液压旋转支撑转盘已在海洋钻井平台上应用,具有部件少、外形尺寸小、整机质量轻、安装布置方便等特点。

2) 液压系统采用闭环控制,调速范围广且无级可调。节能,高效,可控性好,换向平稳无冲击,操作响应快。

3) 采用电液比例控制元件,便于实现精确和智能控制,整体经济性好。

4) 该液压控制系统还可用于通孔直径为«1 257.3 mm(49.5英寸)和1 536.7 mm(60.5英寸)的常规转盘,构成海洋钻井用旋转支撑转盘。

[1] 应保连,余利军.液压驱动转盘[J].机械工程师,2003 (11):54-55.

[2] 雷天觉.新编液压工程手册[K].北京:北京理工大学出版社,1998.

[3] 林建亚,何存兴.液压元件[M].北京:机械工业出版社,1998.

[4] 郑 南,李鸿涛,寇鸿涛,等.超级单根液压钻机传动及控制[J].石油矿场机械,2009,38(6):90-93.

Hydraulic Transmission Design of Rotary-support Table for Offshore Drilling

WANG Xue-yi,HUANG Yue-hua,LAI Xiao-hui
(Baoji Oilf ield Machinery Co.,Ltd.,Baoji721002,China)

Hydraulic rotary support device has been designed because rotary support device being driven by machinery had some problems,such as long transmission chain,more parts,large quality,and its layout difficulty in offshore drilling platform.High torque hydraulic motor was installed in input shaft of the conventional rotary table directly.The scheme of advanced closed type hydraulic system and electronic proportional remote control was used.The application on offshore drilling platform showed that its small size,light weight,convenient disassembly and arrangement,convenient for accurate and intelligent control,and its performance fully meet requirements of offshore drilling platform.

hydraulic rotary-support table;hydraulic system;electro-hydraulic proportioning control

1001-3482(2011)05-0053-04

TE951

A

2010-11-30

王学义(1964-),男,陕西宝鸡人,工程师,1987年毕业于长沙铁道学院起重运输与工程机械专业,主要从事石油机械设计与研究工作,E-mail:xyw343@163.com。