顶驱承载和上卸扣扭矩传递结构设计及强度分析*

时琦昊，魏孔财，张 涛，狄世民

(兰州兰石石油装备工程股份有限公司，甘肃 兰州 730314)

0 引 言

目前，顶部驱动钻井装置作为钻井的核心装备，在国内外的应用都已经趋于成熟，极大提高了石油天然气的勘探开发作业效率，并已成为石油钻井行业的标准产品[1]。

顶驱是集机、电、液一体化的钻井装备，它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣和倒划眼等多种钻井作业[2]。众多的功能也导致了顶驱结构复杂，因此顶驱结构简单又能很好的实现其功能是顶驱研发人员一直不断思考的问题。

根据对国内外顶驱的研究可知，顶驱承载和上卸扣时提供反扭矩系统是不同时工作的。对于顶驱承载系统，现有的结构形式有两种，其一是主要采用螺纹，即减速箱体中的连接套加工内螺纹，管子处理系统的承载轴上加工外螺纹。安装时，将管子处理系统承载轴上的外螺纹旋入减速箱体连接套上的内螺纹，并旋紧；其二是在顶部驱动钻井装置主轴上加工环形外螺纹，用带环形内螺纹的支撑块连接，用于承受整个钻柱载荷。此两种连接形式，结构复杂，加工难度大，成本高，如果加工精度与设计要求稍有偏差，不但会造成螺纹旋合不紧，且会使动力水龙头和管子处理系统不对正，影响其它系统的安装[3]。对于顶驱上卸扣扭矩传递系统，由于其背钳大多都是悬挂在回转头上，而回转头可以旋转，这就需要设计制动装置对回转头进行制动，以为顶驱在上卸扣时提供反扭矩。制动装置的形式有插销制动，还有齿轮啮合制动，而这两种制动形式缺点明显，导致顶驱结构复杂性，而且在进行制动时，效率低下，有时则需要人为干预才能实现其功能。

笔者对顶驱的承载和上卸扣扭矩传递系统进行了研究，并对其进行了全新的结构设计，使顶驱能承受最大工作载荷，在上卸扣时还可以将扭矩直接传递到钻机井架的反扭矩梁，省去制动装置。此结构对顶驱的精简化设计具有重要的意义，同时，新结构的设计，降低了维护保养的复杂程度，节省成本。

1 顶驱上卸扣扭矩传递结构设计

1.1 结 构

顶驱承载和上卸扣扭矩传递结构主要有夹紧钳、反扭矩臂、反扭矩架、承载轴、卡箍、圆柱销、连接套及扭矩传递键等组成，其结构总装图如图1所示。

图1 顶驱承载和上卸扣扭矩传递结构示意图

其中，承载轴和连接套为顶驱承受轴向载荷的关键零部件。

1.2 工作原理

由夹紧钳将钻杆夹紧，顶驱主轴旋转，旋扣扭矩通过夹紧钳传递到反扭矩臂，再由反扭矩臂通过反扭矩架传到承载轴，承载轴为管子处理装置中的关键件，不但可以承受整个钻柱载荷，且还可以传递上卸扣扭矩，还为管子处理系统及夹紧钳系统中的液压元件进行通油。扭矩通过键连接套，连接套安装在减速箱体内，并安装销，扭矩通过连接套由销传递给减速箱体，进而由减速箱体传递到井架反扭矩梁上，用卡箍将连接套和承载轴进行连接，可以承受整个轴向钻柱载荷。

1.3 技术参数

表1为顶驱技术参数。

表1 顶驱技术参数

顶驱轴向承受最大载荷，上卸扣传递最大扭矩。

2 有限元分析依据及要求

按照API规范8C(第5版，2012年4月)，ANSI/API 8C/ISO 13535-2002，“钻进和采油提升设备规范(PSL1和PSL2)”中第4节“设计”中的第4.3节“强度分析”中的内容确定部件的应力分析和强度设计。

2.1 等效应力

基于弹性理论的强度分析，最大许用应力ASmax，即：

(1)

式中：YSmin是规定的最小屈服强度；SFD是设计安全系数。

2.2 极限强度(塑性)分析

截面的平均应力，应小于或等于最大许用应力。

(2)

式中：TSmin是规定的极限拉力强度；SFD是设计安全系数。

3 承载关键零部件及传扭系统强度分析

3.1 承载轴强度分析

承载轴材料机械性能为：密度ρ=7.87×103kg/m3，屈服强度σS=880 MPa，热胀系数1.28×10-5，热导率44 W/(m·K)，最大载荷4 500 kN。图2所示为承载轴的加载和约束图。对承载轴进行网格划分后，进行Miss应力分析，如图3所示。

图2 承载轴加载和约束图 图3 承载轴Miss应力图

由图3可知，承载轴的高应力出现在其台阶处，最大应力为360 MPa。

根据计算，承载轴满足设计要求。

3.2 连接套强度分析

连接套机械性能为：密度ρ=7.87×103kg/m3，屈服强度σS=880 MPa，热胀系数1.28×10-5，热导率44W/(m·K)，最大载荷4 500 kN。图4所示为连接套的加载和约束图。对连接套进行网格后，进行Miss应力分析，如图5所示。由图5可知，最大应力为209.2 MPa。

图4 连接套加载和约束图 图5 连接套Miss应力图

根据计算，承载轴满足设计要求。

3.3 传扭系统强度分析

传扭系统机械性能为：密度ρ=7.87×103kg/m3，屈服强度σS=880 MPa，热胀系数1.28×10-5，热导率44 W(m·K)，最大扭矩98 kNm。

将反扭矩臂、反扭矩架、键、承载轴、连接套及销固定安装，在夹紧钳口施加最大扭矩，通过上卸扣扭矩传递系统直接将扭矩传递到减速箱体，由减速箱体传递钻机井架反扭矩梁上，减速箱体不作为研究的对象，只对上卸扣扭矩传递系统进行强度分析。图6所示为传扭系统的加载和约束图。对传扭系统进行网格划分后，进行Miss应力分析，如图7所示。

图6 传扭系统加载和约束图 图7 传扭系统Miss应力图

根据计算，承载轴满足设计要求。

4 结 语

通过对顶驱承载和上卸扣传扭结构的全新设计，优化了顶驱复杂的承载结构和上卸扣传扭系统，结构设计新颖，加工制造简单，简化了维护保养的步骤，提高了顶驱作业的效率，降低了工人劳动强度；同时，对新设计的结构进行强度分析结果可知，其安全系数均满足API 8C设计要求，为后续顶驱的整个试制奠定了技术基础。