一种带浮动功能的海底钻机动力头装置的研制

刘广治

(北京探矿工程研究所，北京 100083)

0 引言

占地球表面积71%的海洋蕴藏着丰富的国家经济发展和国防建设所必需的重要战略资源。目前，陆上资源消耗严重，深海资源勘探迫在眉睫。随着深海高技术装备的迅猛发展，深海资源勘探进入了全面发展的阶段。我国在海洋拥有超过16万km2的矿区，包括多金属结核、富钴结壳和硫化物等，是经济发展和国防建设不可或缺的潜在矿产资源。然而，在大规模开采之前必须开展前期的取样分析，完成规模、储量、成分、前景、环境评估等工作，这些工作主要依靠海底钻机来完成。

海底钻机以其钻探成本低、效率高，对样品扰动小、易保压，设备体积小、易操作，船舶适应能力强等优点，已成为海底资源勘探、海洋地质调查以及海洋科学考察不可或缺的重要技术装备，得到了世界各海洋强国的重视和应用。

海底钻机结构主要包括动力头装置、给进和提升机构、钻杆存储以及机械手机构等，其中动力头装置是核心部件。动力头装置不仅为钻进提供所需的转速和扭矩，还具备可靠、快速拧卸钻杆的能力，同时兼顾绳索取心功能。海底钻机的动力头装置在功能设计上与陆地钻机的动力头设计有很多相似之处，但并不等于可以直接将陆地钻机动力头应用于海底钻机上。由于海底钻机是完全工作于海底的钻探设备，水下工作时与母船仅靠一条具有承载能力的脐带缆实现远程控制，出现问题时人为干预能力有限，海底工作环境的不可控因素较多，因此海底钻机的动力头装置在实际设计时要考虑其特殊的工作环境和工作方式带来的影响，根据可能出现的情况设计相应的结构，以保证海底钻机能够顺利、可靠地工作。

1 海底钻机动力头装置设计时需要解决的问题

根据实际的工作环境和方式，海底钻机动力头装置在设计时需要解决以下4个问题。

(1)大钻深时，钻杆的拧卸过程要重复多次。海底钻机靠动力头装置上卸钻杆时，动力头装置旋转1周需要同步驱动动力头装置移动一个螺距，通过远程遥控来控制很难保证，因此除动力头的重量外，还会产生额外的拉力或压力作用在连接螺纹上，易造成螺纹损伤。因此，需要海底钻机动力头装置能够消除作用于连接螺纹上的额外负载，保护连接螺纹不受损伤，提高连接螺纹的使用寿命。

(2)海底钻机整个钻探系统完全工作于海底，因此在设计时，包括动力头装置在内的各个部件都需要解决海水腐蚀问题。同时，伴随着水深的变化，周围环境的压力也在发生变化，水深每增加100 m，环境压力大约增加1 MPa。浅水时，可考虑通过设计大壁厚的齿轮箱壳体去抵抗外部环境压力。深水时，若仍采用增加齿轮箱体壁厚的方式抵抗外部环境压力，会造成整个动力头重量过大，加大了动力头装置上卸扣时作用于连接螺纹上的负载，易造成连接螺纹损伤，引发事故。

(3)大钻深时，为提高海底钻机取心效率，取心方式也会从传统的提钻取心转变为绳索取心。对陆地钻机来说，绳索取心是非常成熟的技术，但海底钻机的绳索取心结构与陆地钻机不同。海底钻机的绳索取心通过采用远程遥控的方式完成，包括打捞装置投放、解卡等，其结构通常要集成在动力头上，因此在设计海底钻机的动力头装置时，要结合绳索取心这个功能，设计相应的结构，同时还要避免在增加绳索取心功能后给动力头装置带来的其他不利影响。

(4)海底钻机在上卸扣时，若直接在动力头装置的动力头主轴上加工出螺纹与钻杆连接，在反复拧卸钻杆过程中，难免会给动力头主轴螺纹造成损伤。动力头主轴为精密件，在现场条件下拆装和更换都很困难，因此需要在动力头主轴上设计转接头，保护动力头主轴不受损伤。在设计转接头时，要保证转接头与动力头主轴可靠连接，能够满足设计需要的最大提升力，并且转接头要具备易于快速更换、密封可靠等特点。

2 海底钻机动力头装置设计方案

海底钻机动力头装置的设计方案就是针对每一个需要解决的问题，设计相应的功能。海底钻机动力头装置应具备浮动缓冲功能，为动力头装置设计浮动行程，保证海底钻机动力头上卸扣时，作用在连接螺纹上负载仅为本身的重量。海底钻机动力头装置应具备压力补偿功能，避免靠壳体壁厚去抵抗外部环境压力。同时动力头的结构件浸在海水中的部分采用316 L不锈钢或7075铝合金，用于防止海水腐蚀。海底钻机动力头装置兼顾绳索取心功能，用于提高海底钻机取心效率，缩短作业时间。海底钻机动力头装置设置快速更换功能的转接头，用于保护海底钻机动力头装置中的动力头主轴。

根据海底钻机动力头装置需要具备的功能，提出了相应的结构，主要结构如图1所示。海底钻机动力头装置主要由浮动缓冲机构、动力头组件和绳索取心机构组成。

1.浮动缓冲机构；2.动力头组件；3.绳索取心机构

2.1 浮动缓冲机构

海底钻机动力头装置中的浮动缓冲机构主要由上链条接头、上缓冲弹簧、浮动杆、下缓冲弹簧、下链条接头和滑板组成，如图2所示。

1.上链条接头；2.上缓冲弹簧；3.浮动杆；4.下缓冲弹簧；5.下链条接头；6.滑板

滑板可以沿立柱导轨面滑动，海底钻机动力头固定在滑板上。上链条接头一端与液压缸链条倍速机构的上链条连接，另一端与浮动杆上端连接。下链条接头一端与液压缸链条倍速机构的下链条连接，另一端与浮动杆下端连接。浮动杆穿过滑板上的导向孔，并可沿着导向孔滑动一个行程L。上下缓冲弹簧穿过导向杆。上卸扣时的瞬间冲击通过上下弹簧的缓冲来消除，浮动杆的行程L就是上卸扣的扣长，浮动行程L的存在可以保证上卸扣时作用在螺纹上的负载仅有动力头本身的重量。缓冲弹簧的存在，也可以在上卸扣时抵消部分动力头的重量。

2.2 动力头组件

海底钻机动力头组件主要由动力头齿轮箱、液压缸解卡组件、压力补偿组件、水龙头组件和转接头构成，如图3所示。

1.动力头齿轮箱；2.液压缸解卡组件；3.压力补偿组件；4.水龙头组件；5.转接头

2.2.1 动力头齿轮箱

动力头齿轮箱为封闭式箱体，内部充满液压油，并靠压力补偿组件对箱体内进行压力补偿，压力补偿组件如图4所示。

1.压力补偿器缸体；2.压力补偿器活塞；3.压力补偿器弹簧

压力补偿器由补偿器缸筒、补偿器活塞和补偿器弹簧构成，补偿器缸体与齿轮箱连接，齿轮箱中的液压油进入到补偿器的无杆腔，外部海水进入到补偿器的有杆腔。达到平衡后，齿轮箱内部压力等于外部海水压力与补偿弹簧的弹簧力之和。内外相对压力仅为补偿弹簧的设计压力。补偿器弹簧的压力设计值很小，因此，齿轮箱的壳体不用设计得太厚，随着水深的增加，齿轮箱内外压差不变，内部压力始终大于外部压力，即使有泄漏，也是内部液压油外泄。

2.2.2 液压缸解卡组件

液压缸解卡组件主要由解卡液压缸和解卡管构成(图5)，解卡管与解卡液压缸活塞杆连接，内置于动力头组件主轴中，用于对绳索取心机构中的打捞机构解卡。解卡管需要液压缸驱动一段距离后才对打捞机构进行主动解卡，不会发生提前解卡造成样品管掉落的情况。液压缸解卡组件中的限位密封盖主要用于对打捞装置限位，配合解卡液压缸解卡。同时限位密封盖与打捞装置构成端面密封，避免正常钻进时泥浆从主轴上端流出。

1.解卡液压缸；2.解卡管；3.限位密封盖

2.2.3 转接头

转接头主要用于保护动力头组件中的主轴，转接头主要由分体法兰、接头和平键组成，见图6。

1.动力头主轴；2.分体法兰；3.下接头；4.平键；5.端面密封

转接头与主轴构成端面密封，分体法兰通过螺钉与主轴上加工的槽连接，用于承受给进的压力和提升的拉力，下接头通过平键传递扭矩。通过使用转接头，避免了主轴输出端直接与钻杆螺纹连接，转接头的连接形式也便于现场拆卸，保护了动力头输出轴。

2.3 绳索取心机构

海底钻机动力头装置中的绳索取心机构主要由打捞绞车、打捞钢丝绳、导向轮、钢丝绳预紧机构、安装座和打捞装置构成。海底钻机动力头装置的绳索取心机构如图7所示。

1.打捞绞车；2.打捞钢丝绳；3.导向轮；4.钢丝绳预紧机构；5.安装座；6.打捞装置

打捞绞车设置有排绳机构，避免打捞钢丝绳乱绳。打捞钢丝绳通过导向轮导向，通过钢丝绳预紧机构对钢丝绳进行预紧，防止打捞钢丝绳跳绳。打捞装置内置于动力头组件的主轴中，通过主轴的导向作用，便于打捞装置顺利进入钻孔中下放和打捞。绳索取心机构和动力头组件都固定在滑板上，两者之间没有相对运动，便于打捞装置与液压缸解卡机构的限位盖构成端面密封。

3 海底钻机动力头装置关键部件有限元分析

动力头齿轮箱材料使用的是7075铝合金，既能保证强度又能减重，齿轮箱箱体承受的最大设计载荷为80 kN。利用有限元软件对动力头齿轮箱体进行分析，当齿轮箱处于最大载荷时，最大变形量为0.08 mm，满足设计强度的要求，如图8所示。

动力头主轴在实际工作中既承受拉力载荷又承受扭矩载荷，设计承受最大拉力载荷为80 kN，设计最大的扭矩为1200 N·m。利用有限元软件针对主轴分别处于最大拉力载荷和最大扭矩载荷时，进行有限元分析，检验主轴设计的强度是否满足设计要求。分析结果显示主轴在80 kN拉力载荷下的变形量为0.087 mm，在最大设计扭矩1200 N·m的载荷下最大变形量0.0035 mm，满足设计要求，如图9和图10所示。

图8 齿轮箱80 kN载荷下有限元分析

图9 主轴在80 kN拉力载荷下有限元分析

图10 主轴在1200 N·m扭矩下有限元分析

4 结语

针对海底钻机的工作环境和工作方式，分析了作为海底钻机的关键部件的动力头装置在设计时需要考虑和解决的问题,并以这些问题为导向，提出了海底钻机动力头装置在设计时应具备的功能，最后根据这些功能设计了相应的结构。