大直径套管焊接对口装置研制与应用_崔万豪.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0490前言大直径钻井的成井工艺中，需要较大的套管下放，下套管作为钻井工程中一项常规作业，是指把大直径管子（套管）按照设计下放到裸眼井的预定深度的作业，是防止孔壁坍塌和冲洗液漏失等孔内事故的可靠而有效的措施。大直径套管的对接工艺采用电焊的方式，焊前套管对接通常需要人工对口，套管直径大，自重较高，靠人力对口危险系数高，很容易发生磕碰，其次需要大量人力操作造成施工成本的增加。为此提出了大直径套管对口装置，能有效的减少施工难度，降低人工成本，缩短施工周期，保障施工安全。1大直径套管对口装置结构设计及工作原理结合现场大直径套管焊接对口所遇到的困难，借助SolidWorks设计软件，对口装置各零部件进行结构设计。大直径套管对口装置由支撑架体（承载模块）、油缸运行（动作执行模块）、4个油缸控制系统（控制模块）、对口装置力的分布及平衡（处理模块）4个部分构成。首先通过4个底座1固定在钻机钻台面上，防止装置滑动和倾倒，长方体架体分别由（2、12、13）部分组成，在架体上布置了4个油缸（5、11），油缸分别固定在活动板3上，根据对口管体直径大小也可调节活动板3的位置来实现对口，由于底部套管固定需要调节位置很小，所以与油缸活塞杆连接V形板4相对较小这样操作方便。为克服上部大直径套管对接摆动大的问题，在油缸11上加载夹持器10，上层框架上的夹持工具起到扶正作用，采用2点支撑的方式，液压油缸连接垂直的连杆，连杆两端安装120夹具，夹具之间间隔1 m，利用2点成直线的原理，启到扶正效果。每套夹具均装有导向杆，导向杆水平与框架，使夹具自身重量和工件给予的重量，不会直接作用在液压缸上，既能有效辅助油缸活塞杆对接平稳性，又能对油缸活塞杆起保护作用，油缸活塞杆连接大V形板9，通过2个大V形板的辅助，能有效地保证大直径套管对口的准确性和平稳型性。架体上设计了吊环6方便装置的吊装和搬运。对口装置结构设计图如图1所示。2大直径套管对口装置液压系统工作原理大直径套管对口装置其多级调压系统主要由油箱1、吸油器4、液压泵6、叠加式溢流阀13、二位四通电磁换向阀14、三位四通电磁换向阀21、与叠加式溢流阀13构成；其能够根据不同套管重量和直径大直径套管焊接对口装置研制与应用*崔万豪，徐堪社，刘修刚（中煤科工西安研究院（集团）有限公司，西安710077）摘要：针对目前大直径套管采用人工对口焊接困难危险性高的问题。提出了套管对口装置，通过框架式机械结构设计，结合机电液控制系统有效的控制缸体活动实现套管对口。通过2组实验对比分析采用套管对口装置相对于人工对口平均每根套管对口有效节省时间9 min，对口成功率达到90.04%，极大地提高了对口的准确性、实时性。关键词：大直径套管；对口装置；控制系统；套管对口中图分类号：TG457.6文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 245 03Development and Application of Welding Alignment Device for LargeDiameter CasingCUI Wanhao，XU Kanshe，LIU Xiugang(CCTEG Xian Research Institute（Group）Co.,Ltd.,Xian 710077,China)Abstract:At present,it is difficult and dangerous to use artificial butt welding for large diametercasing.The casing matching device is put forward.The casing matching device can effectively controlcylinder movement through frame mechanical structure design and electro-hydraulic control system.Through the comparative analysis of the two groups of experiments,the casing matching device cansave an average of 9 min of time for each casing matching,and the success rate of the matching canreach 90.04%,which greatly improves the accuracy and real-time performance of the matching.Key words:large diameter casing；counterpart device；control system；casing counterpart*中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目（2019XAYMS39）245大小，提供所需不同的压力。当大直径对口装置进行正常重量套管对口时，需要较小的液压力，重量较大套管对口时需要系统提高较大液压力，液压系统设计如图2所示。图1对口装置结构设计图1.底座2、12、13.对口装置架体3.活动板4.小V形挡板5、11.油缸6.吊环7.连接油缸支护装置8.油缸顶部连接杆9.大V形板10.调节杆图2对口装置液压系统图1.油箱2.液位计3.空滤4.吸油器5.回油滤6.泵7.电机8.联轴器9.钟形罩10.散热器11.高压油器12.阀块13.叠加式溢流阀14.二位四通电磁换向阀15、16.油缸17.分流阀18.快速接头19.蓄能器20.压力传感器21.三位四通电磁换向阀22.叠加式液控单向阀23.叠加式双单向节流阀24.阀块液压型对口装置的关键部分是控制式泵站装置，液压泵站采用力士乐A10VSO28恒压柱塞泵6作为动力源，并设置了远程调压阀组，在油箱1内，由电机7通过钟罩联轴器8直接驱动；液压泵进口设置了吸油滤4，出口设置了高压油滤，高压油进入双联阀组后，分别经过三位四通换向阀21、叠加式液控单向阀22和叠加式双单向节流阀23后，进入分流阀17，然后分别接入油缸15的无杆腔，推动油缸进行夹持工作；叠加式液控单向阀22可以防止夹紧后液压油反向流动而导致夹紧松弛，同时，在油路中还设置了蓄能器19，保证夹紧后对管道提供持续夹紧作用力；每个夹持油路中还设置有压力传感器20，当夹紧管道时，系统压力迅速上升，电控系统控制器监测到后立即关闭三位四通换向阀21，防止油缸压力过大而损坏管道；调节叠加式双单向节流阀23，可以改变油缸16的夹持速度，以适应不同工况的需求；分流阀17平均分配供给2个油缸的流量，以尽量保证左右油缸工作的同步性；工作后的油液经过散热器10和回油滤5进入油箱1，完成1个工作循环。3对口装置电控系统设计根据工作需求，管道对口装置在控制面板上分别设置操作和遥控两种操作方式，操作面板上设置有电源指示灯、电机运行指示灯、电机启动指示灯、电机停止指示灯、故障指示灯、急停按钮、电机启动按钮、电机停止按钮、上部夹紧/松开旋钮和下部夹紧/松开旋钮。当管道对口装置工作时，按下电机启动按钮，电机启动，系统进入工作状态，此时旋转下部夹紧/松开旋钮，即可对下夹持油缸进行操作。同理，旋转上部夹紧/松开旋钮，即可对上夹持油缸进行操作。各工作指示灯点亮显示工作状态是否正常，当故障指示灯点亮时，表明系统工作故障，此时需要按下急停按钮，对系统进行检查排故后方可再次开机工作，控制面板如图3所示。图3控制面板指示灯及按钮开关示意图为了方便操作，还可以通过遥控对管道对口装置进行操作，主要包括启动、停机、上夹紧、上松开、下夹紧、下松开6个按钮，按下启动按钮，电机启动，按下夹紧和松开按钮，对应的油缸工作。此外，最下侧预留了两个按钮，根据需求可增加相应的功能，操作界面如图4所示。图4遥控界面示意图4现场试验根据设计成果，制造大直径套管对口装置，并且对该装置进行了实验。首先把该装置放在雪姆T200XD钻机平台上，然后把装置4个底座采用螺栓固定，需要对口的套管具体参数如表1所示。表1大直径套管强度校核表第42卷第03期大直径套管焊接对口装置研制与应用崔万豪，等Vol.42 No.03套管尺寸/mm920630钢级20#20#壁厚/mm2012质量/kg500240抗外挤/0.30抗内压/1.33抗拉/8.29安全系数123456789101112134567891011121516171819121131422下夹持油缸2324上夹持油缸2320电源指示灯电机运行指示灯电机启动指示灯电机停止指示灯故障指示灯急停按钮电机启动按钮电机停止按钮夹紧下部松开上部夹紧松开启动停机上加紧下加紧上松开下松开246第42卷第03期Vol.42 No.03大直径套管焊接对口装置研制与应用崔万豪，等套管对口分为2种情况，分别是底部套管固定不动上部套管活动对口、底部和上部套管都活动对口。进行底部固定上部套管活动对口实验，给定上部两油缸5 MPa泵压油缸运行正常，套管未受压力变形，经过油缸实现对正，在进行人工对口方式进行了实验；进行底部和上部套管都活动的对口上下油缸都给定5 MPa泵压，观察套管未发生形变，进行两套管对口记录对正时间，再进行人工对口实验具体的实验数据如表2所示。表2大直径套管对正实验数据表5结语（1）通过现场试验和应用，采用套管对口装置对比于人工对口平均每根套管有效节省时间9 min，对口成功率相对于人工对口提高10%，达到90.04%，由此可得对口装置针对大直径套管的对接效果较好。（2）为煤矿大直径井的下套管装置的设计与应用，提供了一种新的设计思路和方法，具有借鉴意义。（3）对口装置的设计采用机电液相结合，具有体积小，操作方便，自动化程度高等特点。减轻套管下放过程中工人的劳动强度，保障人员安全，减少作业时因人工操作造成的不稳定性，同时启到稳定焊接过程，增加焊接可靠性的特点。参考文献：1邓严.大口径管道对口装置研究D.成都：西南石油大学,2018.2吴晋军.掘进机机载钻机液压控制系统的设计J.煤炭技术,2021,40(10):164-165.3范要辉.快速掘进系统的设计研究J.煤炭技术,2021,40(10):193-195.4齐宝成.配管焊接工具管道对口及焊接装置J.石油施工技术,1981(3):48-49.5包银祥.集输管线对口焊接定位夹紧装置J.油气田地面工程,2011,30(3):98.6林少玲.移位暂存法在复杂程序电控系统设计中的应用J.机床与液压,2021,49(21):151-154.作者简介：崔万豪(1989-)，陕西安康人,工程师，硕士，研究方向：矿山机械智能化控制,电子信箱：.责任编辑：李景奇收稿日期：20211205对口方式人工对口对口装置时间/min156成功率/%80.4290.04效果一般良好247