海洋模块钻机用自动水平猫道的研制及应用.pdf

:./.海洋模块钻机用自动水平猫道的研制及应用师 涛卞勋杰王 兵吴 忠赵素华(.兰州兰石石油装备工程股份有限公司甘肃 兰州 .中海石油(中国)有限公司天津分公司 工程技术作业中心天津.中海油能源发展装备技术有限公司加工制造分公司天津)摘 要:为改善海洋模块钻机钻修井作业管具移运工作条件降低劳动强度提高工作效率研制了自动水平猫道 该猫道采用固定式大容量排管架、水平移动式大车和小车、单臂式扶持机械手等结构以及电控液和负载敏感系统实现了钻井管具的自动移运采用 控制、工业环网和集成控制技术对设备进行远程控制同时设置安全逻辑互锁控制和应急操作功能提高了系统的安全性和可靠性采用有限元分析软件对设备进行校核计算和优化分析以确保其满足强度和刚度要求 现场调试结果表明该设备各项动作功能正常能够顺利完成管具的水平移运并与井口提升设备配合实现了管具的水平垂直转换 该设备技术先进自动化程度及效率较高能够显著减轻工人的劳动强度实现了钻台工作的少人化和无人化关键词:模块钻机自动水平猫道环网控制联合试验中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.().):.:引 言目前海洋模块钻机钻修井作业中的上下钻具多数采用人工操作的方式通过人工操作气动绞车将钻具沿着机械猫道提升到钻台面作业时至少需要 名工人配合危险性高作业效率低 近年来随着国内钻井装备自动化水平的不断提高钻井公司对钻井作业效率提出了更高的要求模块钻机开始配套自动化管具处理设备海洋模块钻机安装在导管架平台上能够进行多井位钻井作业 笔者针对海洋模块钻机管具移运作业工作条件恶劣安全性低等问题开展了自动水平猫道的研制工作通过对猫道机、电、液方案的介绍以及仿真校核和试验调试验证了产品的各项功能指标满足海洋模块钻机的作业需求能够极大地提高管柱移运的效率降低工人的劳动强度提高作业的安全性具有良好的市场应用价值 技术分析.总体方案海洋模块钻机由钻井设备模块()、钻井支持模块()和散料储藏设备()组成钻机井架、底座位于 模块管具堆场位于 模块自动水平猫道前端连接在钻机底座上后端通过支架支撑机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发收稿日期:作者简介:师 涛()男山西介休人工程师主要从事石油钻采装备的研发设计工作在管具堆场支撑梁上如图 所示目标平台钻井区域分为南北两个区块区域一和区域二如图 所示 钻机工作时可通过钻台东西方向和基座南北方向的移动覆盖不同的井位 钻机移动时猫道前端铰接在钻台上后端通过甲板吊机提升随钻机移动图 模块钻机立面图图 模块钻机俯视图.猫道主要结构及功能自动水平猫道主要由支架、锁紧装置、支撑底座、大车、小车、扶持机械手、举升机构、排管架、栏杆走台、液压系统、电控系统等组成如图 所示图 自动水平猫道结构图.锁紧装置.支架.支撑底座.电控系统.大车.液压系统.小车.排管架.栏杆走台 .扶持机械手.举升机构.钻台 猫道在工作时大车和小车先回到初始位置管具由甲板吊机吊装到排管架上排管架在举升液缸的作用下将管具倾斜排放到支撑架上排管架端部钻具分离机构在摆动液缸的驱动下将单根钻杆一次性翻转到大车的 型槽中小车推动钻杆沿 型槽运动到一定位置举升机构将钻杆前端举升到设定高度大车在驱动马达的作用下沿着支撑底座导轨运动并将钻杆运送到井口中心钻机提升系统将钻杆上端提起钻杆下端由扶持机械手扶持缓慢移送到井口中心甩钻杆时大车和小车运动到钻台前端扶持机械手扶持钻杆下端到小车钻杆卡槽内钻杆下降小车随动后退待钻杆下放到水平位置小车卡持钻杆接箍将其拖回到大车尾部大车后退到初始位置型槽中翻转机构将钻杆举升翻出经钻具分离机构将钻杆翻转到排管架上完成甩钻.技术参数猫道技术参数如表 所列表 猫道技术参数参 数数值参 数数值最大运输管径/.小车最大工作速度/(/).最大运输管长/.排管架排放管径范围/”/”大车额定负荷/排管架容量 根/”钻杆大车最大工作速度/(/).举升臂额定载荷/小车额定负荷/液压系统额定压力/.液压系统方案自动水平猫道液压系统为电控液方式采用综合液压站供液系统额定压力 操作方式为本地应急操作无线遥控和司钻房远程控制 液压系统主要控制如下动作:大车行走、小车行走、举升臂升降、排管架升降、钻具分离机构升降、翻转机构升降、扶持臂摆动、扶持滚子翻转、夹紧臂摆动等 个动作液压系统主油路采用 个两位四通电磁阀用于控制油路通断 执行机构的控制采用两个电磁阀组包含 个电磁阀分别安装在两个操作台上 操作台一布置在栏杆走台上控制排管架两组液缸升降、钻具分离机构两组摆动液缸升降均采用机械同步 操作台二位于大车尾部随大车一起运动控制大车行走、小车行走、举升臂升降、翻转机构升降、扶持臂摆动、扶持滚子翻转、扶持臂夹紧七个动作 其中举升臂和翻转机构动作均由两组液缸驱动分别通过机械结构和液压同步分流集流阀实现同步动作.电控系统方案自动水平猫道电气控制系统布置在司钻房内通过 与触摸屏进行系统远程控制与监测 司钻房内设置综合控制柜安装有猫道主控制器、控制器及其他电气控制元件用于实现猫道的远程操作和无线遥控操作控制系统通过安装在设备上的传感器和检测元件对猫道各个部件的运行状态参数进行实时采集传感器反馈的数据经 控制程序分析和处理与设定的状态参数进行比较再反馈给执行机构实现实时控制 控制原理如图 所示 设备各个部件动作状态检测元件采用接近开关设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用和多圈编码器保证各个动作精确到位 液压系统采用压力传感器保证设备在正常压力下工作 猫道前后两个位置各设置一个急停按钮保证在紧急情况下可随时停止设备保证操作人员安全 设备执行动作和受控对象控制如表 所列图 自动水平猫道控制系统原理图表 执行动作和受控对象控制表序号动作名称控制对象信号类型液压源控制电磁阀开关排管架升降电磁阀开关钻具分离机构升降电磁阀开关大车运动编码器比例小车运动编码器比例翻转机构升降电磁阀开关举升机构升降编码器比例扶持臂摆动电磁阀比例扶持滚子翻转电磁阀开关夹紧臂摆动电磁阀开关急停按钮电磁阀开关压力传感器电磁阀开关 整个集成控制系统采用环网控制即使环网内一个节点断开或者一个 出现故障也不影响系统运行确保了主控制系统的稳定性和可靠性 设备间以及设备内部各动作之间采用安全互锁提高了设备的安全性 仿真校核采用有限元分析软件对猫道主体结构和关键部件进行静强度校核以验证结构强度的可靠性.关键部件受力工况介绍()扶持机械手安装在大车的前端主要用于扶持管具下端从猫道移运到井口中心并实现反向动作 扶持臂工作过程中钻柱下端距离井口最远时钻柱跟竖直方向的夹角最大施加给机械手的靠力最大在此状态下进行校核计算固定机械臂底座在扶持滚子处加载相应的载荷()小车工作过程中主要承受推扶力和额定载荷的压力其中额定载荷下小车受力最危险按此工况进行校核()大车和举升机构整体计算实际工作有三种危险工况分别为:举升机构水平状态举升 额定载荷举升机构水平放置大车承受 额定载荷作用驱动机构产生最大的驱动力举升机构举升到最高位置加载 额定载荷小车加载 额定载荷驱动机构产生一定的驱动力()排管架用于排放管具按照额定排放的最大数量的管子进行加载并进行校核计算()翻转机构用于在甩钻时将管具从 型槽中翻出翻转到排管架上 在翻转机构处施加最重管具的载荷进行校核计算经过校核计算各关键部件在额定载荷及最危险工况下均满足强度要求计算结果如表 所列表 自动水平猫道关键部件校核计算结果统计序号关键部件工况说明最大应力/材料屈服强度/许用应力安全系数扶持机械手最大载荷作用.小车结构额定载荷作用.大车及举升机构举升机构额定载荷.大车额定载荷工况下工作.举升机构额定载荷和小车额定载荷下工作.排管架额定载荷作用.翻转机构额定载荷作用.支撑底座及走台组件校核计算支持底座为大型框架结构采用 软件建模计算模型如图 所示按照 中的组合应力对每个梁单元进行校核并以 值进行表示 值小于 即满足强度要求 支撑底座承受载荷包括大车载荷、走台上排管架管具载荷、风载荷 校核计算的 值如图 所示各杆件强度满足要求图 支撑底座主框架有限元模型机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)设计与开发图 支撑底座杆件 值 试验及应用.单体设备试验设备在总装现场进行了动作试验、载荷试验及安全性试验分别采用本地控制、遥控操作和司钻房远程控制如图、所示 动作试验主要验证各机构动作是否灵活极限位置是否准确到位 载荷试验选取典型规格的管具(钻杆为 /”和 /”钻铤为/”套管为”)进行管具的移运和扶持动作验证大车、小车和举升机构的额定载荷能力采用配重的方式进行验证 安全性试验主要验证设备在动作过程中按下急停按钮或者切断动力源机构所有动作是否停止设备还应具有自身动作互锁功能即前置动作未到位后续动作无法执行 现场试验经第三方检验机构和船级社的见证结果表明:设备运行状态良好满足设计要求图 自动水平猫道现 图 双司钻操作系统场试验图.联合调试试验现场联合调试采用司钻房远程操作对自动水平猫道、铁钻工、液压吊卡及提升系统、二层台排管机和气动卡瓦等自动化设备集成操作完成了钻杆的输送、接立根及自动排放、取钻杆、卸立根和甩钻等动作流程 调试结果表明自动水平猫道能够与井口提升设备顺利交接钻杆技术先进自动化程度及效率较高现场操作能够显著减轻工人的劳动强度实现了钻台工作的少人化和无人化 结 论文中重点阐述了自动水平猫道的总体方案、结构组成和控制方案通过校核计算和调试验证了产品的各项功能指标得出如下结论()海洋模块钻机用自动水平猫道结构设计满足平台总体布局要求设备动作准确、稳定自动化管具可实现设备间的联合操作动作配合协调、流畅满足平台使用需求()采用有限元分析软件对设备各关键部件进行强度校核验证了各部件的强度和刚度满足使用要求结构安全可靠()采用 控制技术、工业环网技术和集成控制技术实现了自动水平猫道的远程控制通过对设备动作及运动轨迹的安全逻辑互锁控制和应急功能的配置提高了系统的安全性和可靠性满足了现场操作需求()自动水平猫道在海洋模块钻机的应用实现了管具的自动化移运减轻了工人的劳动强度提高了作业效率降低了作业风险对国内海洋模块钻机的自动化、智能化发展具有重要意义参考文献:付艳霞万广伟宋瑞等.自动管具举升系统的研制及应用.石油机械():.刘春宝王定亚王耀华等./.液缸举升式动力猫道设计与试验.石油机械():.党 鹏刘荣辉.陆地钻机电控动力猫道的液压系统设计.机电工程技术():.康思杰于 萍靳恩朝等.全液压自动猫道举升系统控制策略研究.机床与液压():.伏 露.基于 的动力猫道控制系统设计.仪表技术():.张 强林 康何庆等.基于 的水平动力猫道自动控制系统研制.电气自动化():.夏 辉李 勇王 议等.自动化钻机管柱输送控制系统的研制.石油机械():.黄悦华赵亮亮李 峰等.基于 的动力猫道扶持臂变幅机构优化设计.石油矿场机械():.王旱祥车家琪刘延鑫等.适用于中低高度钻台的液压动力猫道系统设计.石油机械():.吴昌亮方太安周志雄等.多适用性管柱自动化上下钻台装置设计研究.石油矿场机械():.设计与开发 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用