TZG20-200GF轨道式铁钻工的设计研究

春晨， 李洪波， 张强， 董兴华， 蒋合艳， 祝贺

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002）

TZG20-200GF轨道式铁钻工的设计研究

春晨1,2， 李洪波1,2， 张强1,2， 董兴华1,2， 蒋合艳1,2， 祝贺1,2

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721002）

介绍了轨道式铁钻工的总体结构设计、各个部件的工作原理、整体设计参数、液压系统工作原理、电气系统控制原理。并结合厂内的型式试验和功能试验情况，阐明了轨道式铁钻工的结构参数设计优良，整体运行良好，布局设计紧凑，各个部件安装、拆卸及维护都很方便,同时提高了钻台面的安全性。

轨道式铁钻工；旋扣钳；冲扣钳；行走架

0 引 言

目前，石油钻机铁钻工通常采用的是伸缩臂式结构，由于结构设计限制，该结构存在以下不足：1)伸缩臂晃动大；2)不易找准井口或鼠洞位置[1]；3)旋扣钳可调范围小；4)冲扣钳与旋扣钳的安装及拆卸都不方便。因而目前海上常用是的轨道式铁钻工。轨道式铁钻工是海洋平台自动化钻井生产中钻机的主要配套设备之一[2-3，5-8]，其能够准确对准井口中心，安全、快速、高效地完成钻具的上扣、卸扣和紧扣、冲扣等工作[2-3,5-6]。

目前欧美等技术先进的国家如美国的NOV、HAWK等制造商，已经开发出几代轨道式铁钻工，他们的铁钻工在世界范围内应用比较普遍。但国内对于轨道式铁钻工的研究尚处于初级阶段，再者轨道式铁钻工价格相对昂贵，安装尺寸相对较大，这就限制了该产品的普及和应用。所以开发出适应性广、稳定性高、性能优良[2-3，5-6]、性价比高的轨道式铁钻工对于国内外都具有非常重要的现实意义。

1 轨道式铁钻工的概述

TZG20-200GF轨道式铁钻工为机、电、液一体化产品，其是进行钻杆、钻铤接头上卸扣工作的一种现代化工具，可以代替液压动力大钳、旋转猫头和套管钳等实现钻具的上卸扣功能[4-8]，其主要部件有行走架、轨道、冲扣钳、旋扣钳、背架等。其中旋扣钳是带动钻杆或钻铤整体高速旋转，旋转时快速旋上或卸开接头螺纹，它和冲扣钳组合在一起完成钻杆或钻铤的上卸扣工作；冲扣钳是低速大转矩冲扣工具，主要功能是完成钻具接头的紧扣和松扣[2-3，5-6]。背架用于支撑旋扣钳和冲扣钳；行走架带动冲扣钳、旋扣钳、背架一起沿着轨道行走至井口或者鼠洞，可以根据钻柱螺纹的位置进行前后、高低等自动对正调整操作，为完成钻具的上卸扣动作做准备。该轨道式铁钻工结构轻巧灵活，使用方便，整台设备可通过一键式操作使上扣或卸扣工序一次连续运行完成，工作效率高。其具体结构如图1所示。

1.1 旋扣钳

旋扣钳安装在背架上，背架上的升降油缸用于满足旋扣钳上下移动1 m的范围。其中背架中设计蓄能器为升降油缸工作和旋扣时跳扣移动的距离提供保障。

工作时，开合油缸工作带动侧向夹紧油缸工作，两者共同带动滑块总成及马达总成一起沿着导杆运动，此处在液压回路上设置了同步阀，保证了左右两边的侧向夹紧油缸同步运动，保证了滚轮夹持钻具的对中性。当钻具夹持中心存在微小偏差时，通过微调油缸工作实现滚轮夹持钻具的扶正。滑块总成上装有清洗管总成[1-[2，9]如图2所示。

1.2 冲扣钳

图1 轨道式铁钻工结构图

图2 旋扣钳三维实体图

冲扣钳分为上钳和下钳，其上、下钳结构设计基本相同[10]。冲扣钳的结构图如图3所示，上下钳均采用3个直推型夹紧液压缸，通过滑块、销轴等来完成夹紧和释放动作。

冲扣钳工作时，首先上钳和下钳的3个互成120°的夹紧缸同步伸出，走向钳体中心共同夹紧钻具后，两个冲扣油缸开始工作，共同推动上钳沿着两个钳子之间的导轨转动，实现紧扣或者冲扣的目的。冲扣采用两个油缸的方式一是减小了油缸外径，使结构更加紧凑；二是减小了上钳与下钳之间导轨的受力。冲扣钳夹紧缸的液压控制回路设有增压装置，夹紧缸最大工作压力可达50 MPa，既减小了夹紧缸缸径同时保证了充足的夹紧力，又降低了液压控制系统成本。

本冲扣钳还设计有扶正器，在钻具上扣时能辅助上面的钻具接头顺利导入钳体，与下面的钻具接头准确对接。导向槽设计成光面，有助于保护接头螺纹。

为了提高铁钻工的自动化程度，本设计增加了接头探测器。该探测器可以自动检测接头位置，然后自动调整铁钻工的位置保证上下接头的自动对接。

1.3 背架

背架主要作用是支撑旋扣钳和冲扣钳。旋扣钳通过连接长板、卸扣架、销轴、螺栓、螺母等与背架相连接。旋扣钳的整体升降和上卸扣时的跳扣是通过背架上的支撑油缸实现。背架上的蓄能器与支撑油缸配合能保证旋扣钳实现跳扣功能。背架与冲扣钳的连接通过冲扣钳悬挂装置[11]、蝶形弹簧、阶梯销轴、螺母、螺栓等实现。两者连接时将上端冲扣钳悬挂装置的耳座通过螺栓、螺母与背架相连接，下端将冲扣钳悬挂装置的长螺栓穿过背架的预留孔，然后拧上长螺栓即可。后面通过蝶形弹簧、阶梯销轴、螺母相连接，这种结构安装和拆卸都很方便，结构简单易用，同时保证了冲扣钳和背架的连接位置可调整。位置调整方法：1）调整冲扣钳悬挂装置中的长螺栓拧入的螺纹深度；2）增加和减少蝶形弹簧的片数。

图3 冲扣钳结构图

背架与冲扣钳、旋扣钳一起构成铁钻工主要工作部件——钳体。钳体对外的连接是通过背架实现。本结构背架的上端做成半圆弧状，直接挂在行走架总成上，下端通过卸扣与行走架总成相连接。背架结构如图4所示。背架对外的连接结构方式简单，安装、拆除、维护都很方便。

1.4 行走架总成

行走架总成如图5所示,其作用是带动铁钻工钳体水平和竖直方向的移动。行走架总成主要由行走架（如图6）和轨道总成等组成。行走架的结构主要由左侧架总成、右侧架总成、横梁、内导轨总成、内横梁等构成。在左侧架总成、右侧架总成的内部安装有升降油缸。内导轨总成可以沿着左侧架总成及右侧架总成在升降油缸的作用下上下移动，其最大竖直移动距离1200 mm。行走架可以沿着轨道总成前进或后退，从而实现铁钻工的行走作业。工作时行走架两侧的行走马达驱动两侧的主动齿轮在轨道总成的齿槽内做齿轮齿条运动。行走架带动铁钻工钳体沿着轨道总成行走至井口或鼠洞，然后铁钻工开始上卸扣工作。行走架的行走距离与轨道长度有关。这种轨道式铁钻工行程长，行走过程中可以很准确地定位井口中心与鼠洞中心，减少了铁钻工的整体晃动，保证上卸扣动作的顺利进行。

2 轨道式铁钻工的主要技术参数

1）冲扣钳适应钻杆、钻铤范围为89～248 mm（32⅟″～94″）。2）冲扣钳最大卸扣转矩为200 000 N·m(147 512 lbf·ft)。3）冲扣钳最大上扣转矩[12]为140 000 N·m(103 258.5 lbf·ft)。4）冲扣钳扳手回转角为30°。5）旋扣钳适应钻杆、钻铤范围为89～248 mm（32⅟″～94″）。6）旋扣钳最大旋扣转矩为4700 N·m(3466 lbf·ft)。7）旋扣钳最大旋扣速度为100 r/min（滚子）。8）旋扣钳升降位移为1000 mm（39.37″）。9）行走位移为3766 mm（148.27″）。10）铁钻工升降位移为1200 mm（47.24″）。

3 轨道式铁钻工液压系统和电气控制系统

3.1 液压系统

轨道式铁钻工液压控制系统设计完全负载敏感控制系统，设计元件也完全是满足负载敏感控制系统要求的控制阀和执行元件。负载敏感控制系统具有功率损耗较低，效率远高于常规液压系统等特点，这将大大节省燃料，减小液压系统的发热量。

图6 行走架

负载敏感控制系统具有一个压力补偿器，系统不工作时，补偿器使其能够在较低的压力（200 Psi）下保持待机状态[13-15]。当液压系统未工作，处于待机状态时，控制阀必须切断动作油缸（或马达）与液压泵之间的压力信号。这将在系统未工作时导致液压泵自动转入低压等待状态。当控制阀工作时，先从动作油缸（或马达）得到压力需求，并将压力信号传递给液压泵，使泵开始对系统压力做出响应。

本轨道式铁钻工的控制元件有同步阀、多路阀、电磁换向阀等，执行元件有多个液压马达及多个油缸。这些控制元件控制执行元件实现整个液压系统的有序平稳运行。本液压系统同时设计的增压回路要求承受最高50 MPa的压力，对其管线要求相对较高。整个钳体采用8联多路阀进行电比例控制，每个多路阀都有手柄可以进行手动应急控制。为保证旋扣钳的跳扣功能，设置了蓄能器回路。

3.2 电控系统

轨道式铁钻工的电气控制系统是通过电气元件控制液压驱动元件，从而实现远程操作。由于铁钻工工作在1区的场合，在设计控制系统的硬件时，采用防爆或者隔爆的元器件，防止在发生爆炸时危及控制柜。

整个铁钻工电气控制系统的设计采用模块化，将铁钻工控制系统分为电源模块、PLC模块、信号隔离模块、信号放大模块、控制面板模块以及执行元件。

轨道式铁钻工控制方式有3种：1）在司钻房的PLC控制；2）本地操作台控制；3）手操遥控盒控制。可控制模式可以通过手操遥控盒进行选择。通过轨道式铁钻工的型式试验和功能试验，证明该轨道式铁钻工电气控制系统安全可靠、工作高效,很大程度上减轻了钻台面工人的数量和劳动强度，提高了钻台面工作区域的安全性。

4 轨道式铁钻工的研制情况

目前轨道式铁钻工正在我公司内进行型式试验和功能试验，试验过程中各个控制元件均能实现预期的控制状态，各个执行元件均能在控制元件的控制下按照预期的运动轨迹运行，且运行快速平稳，运行状况良好。通过电气控制系统的一键式遥控操作系统，操作者远程操作实现铁钻工上上卸扣功能，无需人为对扣，节省人力和提高钻台面安全性效果显著。

5 结论

1）通过对轨道式铁钻工的设计结构、机构工作原理等方面的详细阐述，并结合轨道式铁钻工厂内的型式试验和功能试验情况，证明该轨道式铁钻工的结构设计优良，轨道式铁钻工整体布局合理，性能先进，结构紧凑。2）通过厂内的型式试验和功能试验情况，该轨道式铁钻工几乎所有的钻具冲扣、旋扣都一次完成，即一次一键式完成上卸扣过程，并且作业时间不到20 s，大大节省了工作时间，提高了作业效率。目前的试验结果证明，该轨道式铁钻工夹持钻具上卸扣速度快，性能稳定，钳体几乎无晃动，一旦铁钻工到达工作位置能立即进入工作状态，极大缩短了作业时间，显著提高了工作效率。3）轨道式铁钻工各个部件均采用开放式设计结构，各种结构一目了然，并对各个部件进行模块化设计；各个部件和模块之间的连接方式均采用卸扣、销轴、螺栓等，易于安装、拆卸及维护，大大方便了现场工作人员。4）轨道式铁钻工各个主要零件连接处都充分考虑了防脱落及防松措施，有的采用带孔螺栓与弹簧垫片、铁丝等配合使用，有的采用螺栓及施必牢防松螺母配合使用，各个连接处安全可靠，结构优良，功能完善，性能可靠，大大提高了整机系统的安全性，同时提高了钻台面的安全性。5）整台铁钻工配备的一键式遥控操作系统，操作者可以在司钻房或者钻台面的安全位置通过按下铁钻工上卸扣按钮实现钻具的上卸扣功能，无需人为对扣，这种铁钻工的远程遥控操作方式大大节省了人力物力，提高了钻台面钻工的安全性。

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Design and Research on Spinner Wrench of TZG20-200GF Track Iron Roughneck

CHUN Chen1,2,LI Hongbo1,2,ZHANG Qiang1,2,DONG Xinghua1,2,JIANG Heyan1,2,ZHU He1,2
(1.Baoji Oilfield MachineryCo.,Ltd.,Baoji 721002,China;2.National Oil&Gas Drill Equipment EngineeringTechnical Research Center,Baoji 721002,China)

This paper introduces the overall structure design of the track iron drill,the working principle of each component,the overall design parameters,the hydraulic system working principle,the electrical system control principle.According to the type test and function test in the factory,it is illustrated that the structural parameters of the track drill are designed,the whole operation is good,the layout is compact,the installation,dismantling and maintenance of the parts are very convenient,and derrick floor security is increased.

track iron roughneck;spinner wrench;torque wrench;traveling frame

TE 921

A

1002－2333（2018）01－0045－04

“十二五”国家科技重大专项（2011ZX05027-001-06）

（编辑黄 荻）

春晨(1984—)，女，工学硕士，工程师，从事机械研发工作。

2017-04-12