340K液压举升装置动力源优化设计

李振卫(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

0 引言

液压举升装置起源于加拿大，50多年来在北美地区和东南亚蓬勃发展，该装置已在侧钻、完井、起下电泵、打捞、套铣封隔器、锻铣套管、钻水泥塞、弃井作业等方面实现应用，是使用大型液压缸替代传统钻机和修井机游动系统功能，进行起下井下管柱的一类修井装置。可替代常规修井机进行修井和弃井作业，按照设备功能可分为带压作业机和液压举升修井装置两类。面对油价低迷的严峻挑战，以及海上油气田开发高投入的成本压力，2017年国内开始引入液压举升装置进行海上平台修井作业，液压举升装置设备结构简单、安装方便、成本低，在无修井机平台进行修井作业、小修井机平台进行侧钻前井眼准备具有较大的市场[1-7]。

目前海上平台液压举升修井作业主要有套管头承载安装和液压滑移底座承载安装两种方式[8]，为更好的适应海上平台修井作业，结合海上平台修井作业需求对340K液压举升装置动力源液压系统进行了优化，举升液压缸和液压转盘共享液压泵组，可根据现场工况分配举升液缸和转盘的流量。并且集成了液压滑移底座控制回路，可通过液压动力源操作面板对滑移底座进行控制，配合液压滑移底座进行海洋平台从式井修井、弃井作业时，可大幅缩短设备安装拆卸作业时间提高作业效率。

1 技术需求

液压举升修井装置主要用于修井作业，如：检泵作业、更换管柱作业、7″和9-5/8″技术套管切割、套铣、磨铣、打捞作业等，技术需求如表1所示[9-12]。

表1 液压举升装置技术需求表

液压举升装置液压系统设备主要有举升液缸、液压转盘等专有设备和伸缩桅杆(包含液压绞车)、油管钳、动力卡瓦、液压滑移底座爬行器液缸等外购设备(表2)组成。举升液缸共四支油缸，缸径D=160 mm，杆径d=110 mm，行程L=3 048 mm，单支油缸举升力F=385 kN，工作压力21 MPa。液压转盘由4个马达并联驱动，单个马达排量为246 cm3/rev ，最大连续工作压力21 MPa。

表2 外购设备参数

2 液压系统设计

液压动力源是根据液压举升装置的使用工况要求而专门设计配套设备，是液压举升装置所有液压设备工作的动力源。主要由动力泵组、控制面板、液压阀组、液压油箱几部分组成。选用3套双联泵，1套三联泵为系统供油。液压泵参数如表3所示。

表3 液压泵参数

液压原理图如图1所示。不使用转盘时，1#、2#、3#、4#泵1给举升系统供油，大修作业使用液压转盘时，1#、2#泵1流量分配给液压转盘，平衡绞车1、平衡绞车2、油管钳、动力卡瓦、散热由剩余泵供油。液压滑移底座爬行器控制阀集成在控制面板，与平衡绞车1、平衡绞车2共享液压泵。M1～M7分别为液压转盘、举升系统、伸缩桅杆/平衡绞车、油管钳、动力卡瓦、散热马达压力表。X1～X8分别为液压转盘、举升系统、伸缩桅杆/平衡绞车、油管钳、动力卡瓦、散热马达加载/卸荷阀。举升系统、液压转盘通过远程溢流阀调节液压站内溢流阀进行调压。

图1 液压原理图

3 液压系统计算

3.1 举升系统速度流量匹配计算

举升系统根据工况要求，设计两种工作模式。一种为4支腿工作，一种为2支腿工作。4支腿工作一般应用于重载低速举升工况下。液压站由3套双联泵，1套三联泵为系统供油。小修作业不使用转盘时，1#、2#、3#、4# 泵 1 给举升系统供油，大修作业时，1#、2#泵1流量分配给液压转盘，平衡绞车1、平衡绞车2、油管钳、动力卡瓦、散热由剩余泵供油。

液压举升机共四支油缸，要求举升力F举=1 540 kN，行程L=3 048 mm。则每支油缸举升力需满足 F=385 kN，初选工作压力21 MPa。

由公式(1)：

式中：F为单支液压缸的举升力；P为工作压力；D为缸径。

验算工作压力得：P=19.1 MPa，压力设定为19.1 MPa即可满足工作要求，考虑到压力损失，选择溢流阀溢流压力为21 MPa。

液压站的举升系统泵流量控制采用载荷-压力自适应控制，4支腿工作轻载时(载荷小于120 t)，4泵同时工作，举升系统供油流量最大。4支腿工作重载时(举升载荷大于120 t)，两泵工作，一个泵通过卸荷溢流阀无溢流损失卸荷。轻载荷、重载载荷临界数值(本计算取临界值为120 t，此时对应卸荷溢流阀压力设置值为15 MPa，该压力可设置)可通过卸荷溢流阀设置。举升系统最大流量1 048 L/min，卸荷阀工作时举升系统流量748 L/min。

由公式 (2)、(3)和 (4)：

式(2)～(4)中：A1为油缸无杆腔作用面积；A2为油缸有杆腔作用面积；Q重为重载系统进入4根油缸流量(748 L/min)；Q轻为轻载系统进入4根油缸流量(1 048 L/min)；F为举升机载荷。

计算得出，4支腿工作重载时举升速度0.16 m/s，4支腿工作轻载时举升速度0.22 m/s，4支腿下放速度0.41 m/s。

2支腿工作时，通过2个球阀切断浮动油缸有杆腔和无杆腔进油，通过1个球阀连接有杆腔、无杆腔及总举升系统回油管路。所有流量进入2个主工作油缸。

由公式 (5)～(7)：

计算得出，2支腿工作重载时举升速度0.31 m/s，2支腿工作轻载时举升速度0.42 m/s，2支腿下放速度0.82 m/s。

2支腿工作时，可以通过举升机上的HUSCO阀实现主工作油缸的大腔和小腔连通和供油，进而实现2支腿差速举升，此时，举升速度最快。

由公式(8)：

计算得出，2支腿差速举升速度为0.92 m/s。

3.2 液压转盘计算

液压转盘选用YZP110-1型液压转盘，液压转盘具有2/4马达两种工作模式，最高转速100 r/min，最大工作扭矩为：30 kN·m@4马达/15 kN·m@2马达，最大排量需求470 L/min。传动方式为齿轮传动，传动比i=9.461 5。液压马达排量246 cm3/rev，马达最大连续工作压力20.7 MPa，峰值压力24.1 MPa。

大修作业时，1#、2#泵1流量分配给液压转盘，选择传动比为1.13分动箱，则柴油机在额定转速2 100 r/min下，1#、2#泵1理论的输出流量为：

因此，液压动力源排量、压力满足液压转盘需求。

3.3 功率计算

液压动力源最大功率工况为举升机四支腿在最大压力下举升并且两个平衡绞车及风冷马达同时工作，风冷马达功率由设备铭牌得知，P风冷马达=3.1 kW。分动箱效率按η分动箱=98%计算，液压泵总效率(容积效率和机械效率乘积)按η总=85%计算。计算达到最大工作压力(PMAX= 21 MPa，Q=748 L/min)时的功率。计算结果如下：

其中：Δ为举升系统液压系统液压泵总排量；Δp为举升系统压力；ηmh为机械效率。

选择传动比为1.13分动箱，则柴油机在额定转速2 100 r/min下的输出功率为540 hp(402.7 kW)，分动箱最大输出转矩2 028 N·m。满足液压泵需求转矩要求。因此选择卡特C15柴油发动机可满足使用要求。

4 联合调试试验

连接外接气源，为液压站缓冲气罐充气至0.75～0.8 MPa，启动液压站发动机，让发动机空负荷运转10 min，发动机、分动箱、油泵、液压油散热器等运转正常，液压阀件、管线有无泄漏，发动机运转正常后，调节柴油机转速至 1 500 r/min、1 800 r/min、2 100 r/min，此转速下保持柴油机发动机和液压泵空载运行各10 min，期间检查发动机、分动箱、油泵、液压油散热器等运转正常，液压阀件、液压管路等无泄漏。依次顺时针旋紧X1-X8分别为液压转盘、举升系统、伸缩桅杆/平衡绞车、油管钳、动力卡瓦、散热马达加载，与举升机进行联合调试试验(图3)。

图3 联合调试试验

4.1 液压站运转试验

(1)连接外接气源，为液压站缓冲气罐充气至0.75～0.8 MPa，关闭充气装置，保压5 min，压降不得大于0.03 MPa。

(2)连接外接气源装置，启动液压站发动机，让发动机空负荷运转10 min，检查发动机声响、排烟、发热等是否正常，检查分动箱、油泵、液压油散热器等是否运转正常，液压阀件、管线有无泄漏；

(3)发动机运转正常后，调节柴油机转速至1 500 r/min、1 800 r/min、2 100 r/min，此转速下保持柴油机发动机和液压泵空载运行各10 min，期间检查发动机、分动箱、油泵、液压油散热器等是否运转正常，液压阀件、液压管路等是否有泄漏。

(4)将液压站阀块一上的球阀置于转盘位，使液压泵为转盘系统供油，重新启动发动机，准备下阶段的试验项目。

4.2 桅杆试验

(1)操作副司钻桅杆起升手柄，观察桅杆是否可以分级伸出到位，记录期间最大起升压力；

(2)主绞车和平衡绞车试验(注：主绞车额定工作载荷5 t，平衡绞车额定工作载荷2.5 t)；

(3)手动解锁机械锁定装置，操作副司钻桅杆下降手柄，观察桅杆收回过程是否顺畅；

(4)检查确认液压管路无可见泄漏情况后，操作使桅杆再次伸出到位，机械锁定装置自动进行锁定。

4.3 液压动力钳试验

(1)操作旋转臂控制手柄，观察大钳吊臂左右旋转动作是否平稳；

(2)操作液压动力钳控制手柄，依次使动力钳上升、下降，低速正转、低速反转，高速正转、高速反转，观察各动作运行是否平稳，无阻滞现象。

4.4 转盘运转试验

(1)使转盘由四马达驱动运转，向上推动控制手柄使转盘转速缓慢增加，当转盘输出转速(正转)到达10 r/min时，保持手柄位置不动使转盘运转5 min；

(2)继续向上推动控制手柄并调节油门，使转盘以30 r/min运转(正转)5 min；

(3)下拉控制手柄使转盘缓慢停止运转；

(4)下拉控制手柄使转盘转速缓慢增加，当转盘输出转速(反转)到达10 r/min时，保持手柄位置不动使转盘运转5 min；

(5)继续下拉控制手柄并调节油门，使转盘以30 r/min运转(反转)5 min；

(6)调整液压管线使转盘由两马达驱动运转，向上推动控制手柄使转盘转速缓慢增加，当转盘输出转速(正转)到达10 r/min时，保持手柄位置不动使转盘运转5 min；

(7)继续向上推动控制手柄并调节油门，使转盘输出转速缓慢增加至100 r/min，保持此转速运转(正转)5 min；

(8)下拉控制手柄使转盘缓慢停止运转，检查各连接紧固件不应有松动，各密封结合处不应有可见渗漏。

(9)下拉控制手柄使转盘转速缓慢增加，当转盘输出转速(反转)到达10 r/min时，保持手柄位置不动使转盘运转5 min；

(10)继续下拉控制手柄并调节油门，使转盘以100 r/min运转(反转)5 min；

(11)上推控制手柄使转盘缓慢停止运转。

4.5 举升油缸动作试验

(1)将液压站阀块一上的球阀置于举升位，使液压泵为举升系统供油；

(2)使用四油缸模式，此时操作主司钻提升、下放手柄，观察举升油缸动作情况；

(3)操作提升、下放手柄使举升油缸动作到最高和最低行程；

(4)使用双油缸模式，此时操作主司钻提升、下放手柄，观察举升油缸动作情况；

(5)操作提升、下放手柄使举升油缸动作到最高和最低行程；

(6)开启差速模式按钮，操作主司钻提升手柄，使举升油缸上升到最高行程，观察举升油缸动作情况；

(7)关闭差动模式按钮，操作主司钻下降手柄，使举升油缸缓慢下降到最低行程。

4.6 滑移底座控制试验

(1)连接滑移液缸至液压站管线；

(2)液压站控制面板相应的换向阀控制液压缸收缩和伸出，观察滑移液缸缸动作情况。

4.6 整机联调试验

(1)使用桅杆平衡绞车一将试验钻杆提升至上工作台，然后沿井口下放至固定卡瓦和游动卡瓦之间，操作手(柄使固定卡瓦和游动卡瓦同时闭合，锁定钻杆；

(2)操作手柄使固定卡瓦张开，举升油缸带动钻杆上提，到位后操作关闭固定卡瓦；

(3)操作手柄使游动卡瓦张开，举升油缸下降，到位后操作关闭游动卡瓦；

(4)操作手柄使固定卡瓦张开，举升油缸带动钻杆下降，到位后操作关闭固定卡瓦；

(5)操作手柄使固定卡瓦张开，举升油缸带动钻杆上升，到位后操作关闭固定卡瓦；

(6)操作手柄使游动卡瓦张开，举升油缸上升，到位后操作关闭游动卡瓦；

(7)操作手柄使固定卡瓦张开，举升油缸带动钻杆下降，到位后操作关闭固定卡瓦。检查并记录液压动力源运行参数。

5 结语

(1)通过分析海上平台液压举升修井作业对液压举升装置动力源的需求，对340K液压举升装置动力源液压系统进行集成化设计。经计算，液压动力源性能参数满足设计要求。测试表明优化后的液压动力源运行稳定可靠满足现场作业需求。

(2)系统增加了滑移底座控制回路，可通过液压动力源直接进行底座滑移操作，简化了设备安装作业流程。可为相关设计和应用提供借鉴与参考。