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1、第2 5卷第9期石油机械1卯7年石油钻机绞车的设计 与计算张连山(兰州石油化工机器总厂)摘要介绍了国外现代石油钻机纹车的7种新型结构。根据对7家美国公 司 的石油钻机纹车设计与计算的 综合分析结果,概述了美国陆地钻机机械驱动绞车和海洋钻机电驱动绞 车设计与计算中的有关问题,给 出了绞车主要参数的经验 计算公式。最后介绍了美国、原苏联、罗马尼 亚等国绞 车主要参数 的经验 推荐值 范围。主题词钻机绞车结构设计参数计算现代石油钻机新型绞车结构常规大中型绞 车一般有4根轴,即传动轴、中间轴、猫头轴和滚筒轴,另外还有l根用于驱动转盘 的较短 的平衡轴,这是 绞车的基本型结构。现代石 油钻机 绞车有了很
2、大 发 展,突破了基本型结构的束缚,出现了许多新型绞车。这 里介绍 国外7种新型绞车。1.多马达驱动单轴绞车拐碱M山1一I勺dl a lic公司研制的MH一翎一为型绞车,采用了多个液压马达由滚筒两侧驱动,只有1根滚筒轴,没有变速系统,利用液压马达变速。2.多级大型液缸绞车加拿大钻机有 限公 司研制 的1 80 05型自动化斜井钻机,其绞车是 一组多级大型液缸。3.柔性拉力器绞车前苏联、法 国和美国共同研制的柔杆钻 机,钻杆是一根 柔性杆,起钻时可缠绕在一个 大直径滚筒上,其绞车是 一个 柔性拉力器。4.直升机吊运绞车美 国 I DECO公司研 制 的MSH一20 ( X )型直升机吊运 绞车,
3、绞 车分块 吊运重 量不 大于1.8 t,两副刹带均 置于 司钻一侧,采用两个 小直径水刹 车组合结构。5.低噪音绞车英 国研制了用于城市或居民区钻井 的低噪 音绞车,采用 盘式刹车,刹车系统和离合器均置于密封罩内,以减小噪音。6.少变速或不变速绞车如果采用高速柴油机 和动力换挡变速箱驱动绞车,由于 动力换挡变速箱本身有4一6挡,绞车可设两挡或不设挡,成为结构简单的 少 变速 或不 变 速 绞车。7.分体式绞车美国o iME公 司研制的分体式绞车,绞车与猫头轴采用分体结构,绞车置于后台机房较 低的底座上,可在低位安装。猫 头轴置于钻 台高底座上,上台驱动功率较小,只用于驱动猫 头和转盘。陆地钻
4、机机械驱动绞车的设计与计算笔者对美 国Natio na lSupplyC。.,eo ntin e ntalE:n-s e o,011Wel l,ID ECO,Mid一Contin ent,G ar山ler一Den-v er,S kytopBs te r等7家公 司 的 陆 地 钻 机 机 械 驱张连山,教授级高级 工程师,生于193 4年,195 7年毕业于北京石油学院矿机专业,现从事国内外石汕钻采机械技术发 展 跟综调查与分析研究工作,本刊特 约通讯员。地址:(73加50)甘肃省兰州市。r匕话:(的3 1)233617 6。(收稿日期:1燮拓一0 5一0 7)石油机械l卯7年动绞车的设计与计
5、算进行了综合分析研究,其结果分述如下。(l )绞车可钻井深度按钻柱平均重 量s ok岁m进行计算。(2 )绞车额定载荷按 绞车第m 挡 的 大钩提升 速度0.5一0.6而s进行计算。早期绞车配备的输人功率较低。近些年来,各国制造商均加大了绞车输人功率。例如美国Nationalsu即l yCo.将110M、132 0M和162 5M型绞车输人功率由10ll k w、132 3kw和1 83 8kw分别提高到1 10 2kw、14 70 kw和2205kw,从而可满足在8根 有效绳数条件下,大 钩以0.5-0.6In/s的速度提 升额定井深的钻具载荷,而 早期的大钩 提升速度只有0.1一0.2耐s
6、。(3 )绞车传动一般采用2x3二6挡结构方案,只有少数公司采用2x4二8挡结构。多数公司认为,从功率合理使用、提高功率利用率和速度合理分配来分析,绞车设6挡已经足够使用,8挡显得太多,使结构更复杂。6挡提升速度中班、W、V 和 班挡为正常使用挡,工、n 挡为事故挡。这样可获得高于两倍额定载荷的解卡能力,并能保证在纹车三分之一额定功率下,以0.巧一0.2耐s的大钩提升速度提升最大钻具载荷。例如1625M型绞车,在额定井深时,大钩载荷为2 26 8k N。钻井时有效绳数为1 0根,I挡提升载荷能力为59】 )k N,增强 了钻机处理事故的能力。SkytopBt e r公司研制的SB一巧加T型绞车
7、,采用2x2=4挡结构布置,在钻井时显得 不够用。如果改成2x3二6挡结构布置,只需增加一个链传动 副 即可。利 用一个链传动副增加两个挡速度在设计上 既合理又经济。6挡结构增大了绞车使用范围、提高了绞车适应性并增强 了钻机处理事故的能力。(4 )按 2 7m长立根、提升钻具机动时间1 0一15 5计算大 钩最大提升速度,然后确定绞车最大提升 速度传动比,再反算出大钩实际最大提升速度。(5)按绞车钢绳破坏载荷的5 0%计算绞车最小提升速度传动比,然后确定链轮齿数,再反算出大 钩实际最小提升速度值。AP I推荐石 油 钻机 绞车低速 链条安全 系数为2一3。绞车低速离合器 的传递扭 矩能力,决定
8、绞车最大 提升 能力。(6)绞车中间挡 的 间隔按等比级数进行分配,通过确定链轮齿数,可反算出中间各挡实际大钩提升速度。(7)滚筒缠绳 的选择。当大钩处于最低位置 时,在滚筒第一 层缠绳中,至 少应有1 0一2 0圈作为备用;当大 钩处 于最高位置时,滚筒上的缠绳层数不应大于3层。为使滚筒缠绳有序,在滚筒表面采用双阶螺旋开槽结构。美国 玩bus公司专门制造双阶螺旋开槽滚筒,也称为玩b us开槽滚筒。目前,开槽滚筒有三种结构:即两瓣拼 焊结构,利 用 两瓣铸造开槽环筒,拼焊在 光 滚筒 上面,美 国肠ntine n以D似。公 司和o ilw七1 1公 司均采用 这种开槽滚筒;整体加工成形结构,利
9、 用专用机床在光滚筒表面加工成形 开槽滚筒,美 国Nation alSuppl yC o.采 用这种开槽滚筒;四瓣拼焊结构,将专门加工好的四瓣环筒拼焊在光滚筒上面,罗马尼亚采用这种结构。(8 )AplR PgB规定,绞车滚筒钢绳在起下钻作业时,最小安全 系数为3 ;在 下套管作业时,安全系数为2。一般以钢绳破坏拉力的5 0%作为绞车快绳的最大拉力值。( 9)绝大多数绞车配有主滚筒和捞砂滚筒,也就是双滚筒绞车,少数公司只配有主滚筒,没有捞砂滚筒。(1 0)一般中深井绞车变速采用5 0.8(Z in )链条;深井绞车变速宜 用 6 3.5m m(2 1左in )链条。(11 )组装好的滚筒轴组件,
10、需进行动平衡试验并予以找正,一般控制在O.gN .m以内。(1 2)mE co公司的绞车设计计算寿命取为2 0-2 5年。(1 3)对绞车滚筒轴进行疲劳强度计算。0 11从飞U公司对滚 筒轴进 行疲劳强度计算的 准则 如 下:材料的耐久极限E ,=0.5兀(兀为材料抗拉极 限);大钩提升速度在额定钻井深度时 为0.5耐s),计算条件为11 4.3钻杆、重2 4.9 k留m、2 7.4m长立根;剪应力凡=0 .5 8T s。 肠ntine n时Eln S CO公 司与功ECO公司也对滚筒轴进行了疲劳强度计算。(1 4)绞车离合器摩擦系数选择。I DECO公 司在计 算绞车 载荷能 力 时,离合器
11、 的摩擦系数取0.35,充气压 力取0.8 4M Pa;C on t i ne nt a lEn议o公司在计算绞车载荷能力时,C一2 56型 和C一2科 型端面离合器的摩擦系数分别取0.4和0.3。海洋钻机电驱动绞车设计与计算笔者对上述7家美国公 司的 海洋钻机 电 驱动第2 5卷第9期张连山:石油钻机纹车的设计与计算绞车设计与计算也进 行了综合分析研究,现将其与机械驱动 绞车的不 同之处分述 如下。(l )由于直流 电动机具有很好的 调速性能,一般电驱动 绞车均设有4挡,按照2x2=4挡结构布置。此外,由于 电动机 倒转 很方便,绞 车 不设 倒挡,结构简单。(2)电驱动 绞车有两种驱动转盘
12、方案,一种是单独 驱动转盘,由电动机经 过变速箱驱动转盘,与绞车无关。另 一种 是联合驱动转盘,动力经过绞车后再驱动转盘,一般有 两个正挡和 两个倒 挡,采用Zxlxlxl=2挡结构布置。(3)电驱动绞车驱动猫头轴和捞砂滚筒一般均设两挡,采用2xl二2或2xlxl=2挡结构布置。( 4 )电驱动绞车链条传动副设计准则为:50.8(Zi n)链条传动的链轮最少齿数为1 9,最多齿数为86 ;在一个链条传动副中,主、从动链轮齿数搭配与选择比较随便,有两个奇数齿、两个偶数齿,也有奇数和偶数齿组合;绞车链条最小节距为 3 8.1,最大节距为 6 3.5。(5)电驱动绞车大钩提升速度的调节范围为3.9一
13、4 .4。中间挡的速度安排,按等比级数进行分配。(6 )电驱动绞车大多采用 电磁涡流刹车。(7)近些年来,为了满足 现代钻井工艺要求,世界各国石油钻机绞车均加大了输人功率。其数值超过了美国Natio n吐Suppl y0.设计准则规定的每3 0.4 8m井深5.8 8kw,目前实际 的输人功率已经达到每s o.4 8m井深6.6 1一1 0.73kw。增大绞车输人功率的目的在 于,加大 同级钻机纹车的载 荷 能力,提高处理事故时的解卡能力;提高在相同大钩载荷时的提升速度,减少起 下钻的机 动时间。总之是为了增强绞车的适应 性与经济性。近年来,陆地钻机也采用 了电驱动绞车,提高了钻机的适应性、经
14、济性、可靠性与先进性,这是石油钻机技术发展 趋向之 一。刀绞车输人功率,公制马力。计算举 例:美国Na t io n滋S u即l yC o.生产 的1625一M型 绞车,输人功率为3 XX公 制 马力,滚筒直径为d二1 3N O, +20 0二13x3仪灯!.5+20 0=914I n l n。该结果与绞车滚筒实 际直径相 同。2.滚筒长度与绞车输入功率计算公式L=0.18N+10 35式中L滚筒长度,;刃绞车输人 功率,公制马力。计算举例:美国0 11W eU公 司生 产 的E一3以叉)型绞车,输人功率为3 XX)公制马力,滚筒长度为L=0.18 N+10 35=0.18x3(XX)+103
15、5=15751刊r no该结果与E一3( X X )型绞车的实际滚筒长度相 同。3.刹车轮辆直径与井深计算公式D=85 4+0.0 9lH(3)式中D刹车轮辆直径,;万绞车可钻井深度,m。计算举例:美国 I DECO公司 生产 的H一120 0型绞车,可钻井 深度为36以)m,其刹车轮辆直径为:D=85 4+0.0 9lH=85 4+0.0 91x36 夕)=1187n u n。该结果与H一1 2加型绞车的实际刹车轮辆直径相同。4.带刹车的刹车面积与井 深计算公式S二0.98+2.335x10一4H(4)式中s刹车面积,mm平;刀绞车可钻井深度,m。纹车主要参数的经验推荐值绞车主要参数的经验计
16、算公式根据对上 述7家公司绞车主要参数进行的统计,可得出以下4个主要基本参数关系经验计算公式:1.滚筒直径与绞车输入功率计算公式J二13N O5+20 0(l)式中d滚筒直径,;1.滚筒直径d的经验推荐值美国N a tio na lS up pl yC o.K型带 刹 车 系统,滚筒直径推荐为d二(2 0一2 4)d绳,d绳为 滚筒钢 绳直径;美国Contin en以Em sc o公司推荐为d二(2 1一2 4)d绳;原苏联乌拉尔重型机器制造厂推荐为d二(1 72 8)d绳;罗马尼亚“五一”制造厂推荐为d二(1 8一2 4)d绳。在 上 述推荐值范 围 内,钢绳 的弯曲应力为拉力 状态 的92%一9 5%。2.滚筒长度L的经验推荐值美国Na tio na lSu Ppl yCo.推荐绞车滚筒长 度L二(1.7一2.3 4)d,d为滚 筒 直 径;美 国Co llti ne n-以E眼。公司推荐为L二(1.2 7一2.57)山 原苏联(下转第5 1页)第2 5卷第9期范奇志:气田开发中钢铁腐蚀及其预防四川含硫气
