顶驱系统

顶驱系统（精选7篇）

顶驱系统 篇1

0 引言

顶部驱动钻井装置 (以下简称顶驱) 是20世纪80年代出现的一种新型钻井装备。它能从井架空间上部直接驱动钻柱并沿专用导轨向下送进, 可完成旋转钻进、循环钻井液、接立根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作[1]。在节省时间、处理井下复杂、机械化程度、安全等各方面均起着至关重要的作用。

北京石油机械厂近年承接中国石油天然气集团公司“海洋平台用顶驱装置产业化”项目, 根据中海油健康安全环保部发出的《关于要求在钻完井和地层测试作业过程中使用防爆仪器房、工作间的通知》, 设计了电控房防爆系统, 使之满足海洋平台的使用要求。

1 防爆形式选择

GB 3836《爆炸性气体环境用电气设备》中指出, 电气设备的主要防爆形式主要有隔爆型、增安型、本质安全型、正压型、充油型、充砂型、浇封型[2]。根据其各自的防爆原理, 可以发现正压防爆是房间类结构较合理的防爆方式, 它采用压力控制系统来保证正压外壳内保护气体 (洁净、干燥空气) 的压力高于周围爆炸性气体环境的压力, 通过阻止外部爆炸性气体混合物进入壳体与点燃源接触, 达到防爆的目的[3]。它对于房间内部在正压防爆系统建立后所使用的电气元件没有任何附加要求, 不需要对其进行改动。

2 正压防爆系统设计

2.1 正压防爆系统对房体的基本要求

顶驱电控房内部主要安装有交流变频系统、PLC、MCC、辅助变压器、制动电阻、空调机组 (室内机、室外机) 等。为达到正压防爆目的, 房体应达到以下基本要求:

(1) 房体结构应牢固可靠, 内部各部件布局合理, 非防爆电气元件均布置在正压区内, 其它零部件布置应注意方便操作和维修。同时要保证正压区的密封, 避免保护气体大量泄漏。

(2) 房体正压区外应设计有过渡舱, 为人员进出时提供一个缓冲, 防止开、关门造成室内正压系统的破坏, 而增加外部可燃性气体进入正压区的可能性。

2.2 正压防爆系统硬件组成与工作原理

正压防爆系统主要由防爆传感器、防爆报警装置、防爆轴流风机、防爆控制箱等组成。待防爆轴流风机启动后, 房体内将建立并维持正压, 控制系统通过实时采集到的传感器信号, 判断压力、可燃气体浓度、温度是否超出限定值, 超出时将发出声光报警, 提示井场人员进行相关操作。

2.2.1 防爆传感器

系统配置的防爆传感器有隔爆压力变送器、隔爆可燃气体探头、防爆温度变送器。

(1) 隔爆压力变送器

用于测量室内空气相对于周围爆炸性气体环境的正压力。测量范围0~250 Pa, 输出4~20 m A, 防爆等级ExdⅡBT5。设定当正压力低于50 Pa时发出声光报警, 防爆轴流风机启动增压。

(2) 隔爆可燃气体探头

用于检测被测环境中的可燃性气体浓度。输出4~20 m A, 防爆等级ExdⅡCT6, 设定当可燃气体爆炸下限高于25%LEL (Lower Explosion Limited) 时, 系统发出声光报警, 排气口电磁阀打开, 防爆轴流风机启动, 开始换气。

(3) 防爆温度变送器

用于检测制动电阻舱内温度, 输出4~20 m A, 防爆等级ExdⅡCT6, 设定当温度值高于50℃时, 排气口电磁阀打开, 防爆轴流风机启动, 开始换气。

2.2.2 防爆报警装置

系统设置了2个防爆报警装置, 分别安装于变频舱内及房顶, 方便房体内外人员发现警报。当压力、可燃气体浓度或温度超过限定值时报警装置会发出声光报警, 电控房值班人员发现后应立即检查正压系统, 尽快恢复正压;如在规定的时间内不能恢复正压且可燃性气体浓度上升至危险程度, 应尽快通知司钻按操作程序关闭顶驱控制系统, 直至切断电源。

2.2.3 防爆轴流风机

防爆轴流风机为系统提供洁净、干燥的空气, 保证系统压力的动态平衡。为提高可靠性, 系统采取了冗余设计, 选取两台防爆轴流风机。一般情况下, 只有一台工作, 当这台风机出现故障时, 系统会将之关闭, 自动启动另一台备用风机。

2.2.4 防爆控制箱

防爆控制箱是整个正压防爆系统的控制核心, 可编程控制器和各种控制电路均放置于其中。电控房内防爆系统与室内照明的电源均从防爆控制箱引出, 上面布置的各种开关旋钮可控制防爆轴流风机、防爆照明灯、防爆报警装置等设备, 连接的各防爆传感器可探测舱内的正压力、可燃气体浓度及温度, 当出现异常时可发出声光报警, 并可提示现场人员进行适当操作。

2.3 正压防爆系统电气控制流程

2.3.1 电路配线基本要求

爆炸危险场所的电气线路除应有足够的机械强度、满足一般安全要求外, 还应符合以下要求:

(1) 应采用绝缘导线穿钢管明敷设或暗敷设、铠装电缆等方式配线。

(2) 导线在钢管内不得有接头和扭结现象, 其接头应在防爆接线盒内连接。

(3) 动力电缆进出线、空调冷煤管线处应沿墙体做电缆穿墙密封, 保证房体的防爆要求。

2.3.2 电气系统布局及控制流程

(1) 电气系统布局

顶驱电控房用电分两路控制, 布局如图1所示。

第1路是防爆电路控制。其中外部电源 (380 V/50 Hz) 由防爆插接装置引入防爆电控箱。经转换可分别给隔爆压力变送器、隔爆可燃气体探头、防爆温度变送器、防爆轴流风机、防爆电磁阀、防爆照明灯、防爆声光报警装置等供电。

第2路是非防爆电路控制。它指的是顶驱的主供电系统和空调系统用电控制, 即发电机组提供的600 V/50 Hz电源经辅助变压器、交流变频系统等给顶驱主电机、液压站、空调机组等使用, 它必须在房体内部各项指标均达到设计要求时, 才能启动。

(2) 电气控制流程

顶驱电控房在正压建立前后电气控制流程如图2所示。

先启动防爆系统电源, 正压防爆系统开始工作, 如可燃气体浓度检测超标则系统发出声光报警, 自动打开防爆电磁阀, 此时应启动防爆轴流风机对电控房进行换气, 将房内的危险气体 (可燃性气体或有毒有害气体) 排净, 当可燃性气体或有毒有害气体浓度下降到安全值以下时, 防爆电磁阀自动关闭。

防爆系统电源接入后如只有压力报警时, 启动防爆轴流风机对电控房进行增压。当全部指标合格, 并形成正压后, 方可向顶驱变频柜送电, 空调机组、辅助变压器、制动电阻、顶驱主电机、液压站等相应工作, 可操作顶驱进行钻井作业。

2.4 气路设计

气路通常由进气口、风道、防爆轴流风机、排气口等组成。进气口应设置在安全区, 并带有过滤器, 来保证保护气体的洁净、干燥。排气口设计了手动阀和防爆电磁阀两种控制方式, 由操作人员根据情况手动开关或由系统程序自动控制开关。

防爆轴流风机将洁净、干燥的空气从进气口吸入风道, 在电控房内形成一定的正压力, 一方面防止井场的硫化氢、甲烷等爆炸性气体进入电控房, 另一方面通过不断的通风换气, 把电控房内的有害气体排出, 实现正压防爆[4]。房体内的进气口、排气口位置要合理, 要考虑到使保护气体能够均匀吹扫至房内各处, 确保不留死角。

3 正压防爆系统调试

正压防爆系统的调试主要是对防爆传感器、防爆报警装置、防爆轴流风机、防爆控制箱等进行性能试验, 测试其灵敏性和稳定性, 并检验相关程序编写的正确性。

(1) 检查

检查并确认所有电气件接线正确, 所有进出防爆控制箱的电缆都经过金属防爆格兰密封[5], 防爆控制箱接线区与元件区使用防爆密封胶密封隔离, 控制面板上各旋钮、报警灯操作灵活, 准确无误。

(2) 通电

接入外部380 V/50 Hz电源, 使系统在进气前处于工作状态。

(3) 换气

关闭电控房各门窗, 以减少气体泄漏量, 启动防爆轴流风机, 对电控房进行换气并形成正压。非防爆电气设备启动至少要经过一定时间T的换气, 并且保证换气工作彻底, 房间内不留有易燃、易爆的危险性气体。

换气时间T的确定:T=Q/V, 其中, Q为保护气体的最小流量, V为5倍的房间 (含风道) 容积。

(4) 检测各防爆传感器性能

观测隔爆压力变送器示值, 压力应在50~200 Pa之间, 当该值低于50 Pa时, 查看房体内外防爆报警装置是否同时发出声光报警。

在隔爆可燃气体探头附近释放可燃气体, 当可燃气体爆炸下限高于25%LEL时, 查看房体内外报警器是否同时发出声光报警, 排气口电磁阀是否打开。

在防爆温度变送器周边使用热风机吹风, 观测温度值高于50℃时, 排气口电磁阀是否打开, 快速置换舱内气体。

(5) 增压

当换气过程结束, 隔爆可燃气体探头检测的可燃气体爆炸下限低于25%LEL时, 排气口防爆电磁阀得电, 关闭排气口并开始增压, 压力到达设定值50~200 Pa时, 调整防爆轴流风机进风口大小并固定, 使室内维持正压的动态平衡。

(6) 顶驱电控系统启动

只有在正压防爆系统运行后, 室内各参数指标达到要求时, 才能启动顶驱交流变频系统、PLC、MCC等非防爆电气设备, 系统进入正常工作阶段[6], 出现异常报警后, 井场人员应迅速反应, 及时排查, 确保设备安全。

4 现场应用

顶驱正压防爆电控房通过了国家防爆认证, 取得了防爆合格证, 防爆等级Expdem[ib]ibⅡBT4。随北石DQ70BSC型海洋顶驱于2009年8月起在中海油BZ28-2S海上平台成功应用至今, 客户反映设计合理, 电气设备运行稳定, 完全满足海洋平台的使用要求。

5 结束语

根据正压防爆系统调试及现场使用情况, 得出如下结论:

(1) 该系统运行稳定, 满足海洋平台的使用要求。

(2) 该系统可推广至陆地使用, 提高电气系统运行安全性、可靠性。

(3) 该系统可应用于其它有防爆要求的类似房体结构中。

参考文献

[1]刘广华.顶部驱动装置操作指南[M].北京:石油工业出版社, 2010:1.[2]GB3836.1-GB3836.9, 爆炸性气体环境用电气设备[S].[3]樊春明, 张文英, 孙江峰, 等.钻机司钻房电气柜正压防爆系统的分析与设计[J].石油机械, 2008, 26 (4) :38-40.[4]朱祥华.钻井二类危险区录井正压防爆系统的研制[J].胜利油田职工大学学报, 2008, 22 (3) :75-76.[5]袁国暾, 王丽梅, 黄海.正压防爆安全控制技术在SDL9000 (CHINA) 综合录井仪中的应用[J].石油仪器, 2001, 15 (3) :37-39.[6]李兴胜.正压型防爆仪器房间电源控制系统设计[J].电气防爆, 2008, 50 (4) :6-9.

顶驱系统 篇2

关键词：WinCC,监控系统,钻井顶驱系统

0引言

顶驱的全称为顶部驱动装置 (Top Drive Drilling System, TDS) , 它是可以从井架空间上部直接旋转钻柱, 沿专用导轨向下钻进, 来完成多种钻井操作的钻井机械设备, 是一种集成度很高的产品。随着自动化水平、计算机应用技术的不断发展, 顶驱装置已成为现代钻井设备发展的重要成果之一。本文将WinCC与PLC相结合, 实现了实时趋势监控、报警记录、系统设置等功能, 在电控房利用可编程逻辑控制器 (PLC) 来完成数据的采集和上传, 形成了一套独立完整的自动化监控系统。

1 WinCC及PLC简介

WinCC是西门子视窗控制中心 (Windows Control Center) 的简称, 于1996年进入世界工控组态软件市场, 由于其追求性能最全面、技术最先进、系统最开放的设计思想, 当年就被美国Control Engineering杂志评为最佳HMI软件。WinCC能和不同的控制器进行通讯, 因此迅速发展成为最成功的组态软件之一。基于WinCC的监控系统上位机组态软件, 具有灵活的复杂可视化组件、强大的标准接口 (如OLE、ActiveX和OPC) 、使用方便的脚本语言, 由简单任务扩展到复杂任务, 可提高现场人员的工作效率。PLC取代传统继电器控制装置以来发展迅速, 在世界各地得到了广泛应用。同时, PLC的功能也在不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、网络控制技术的不断发展和用户需求的不断提高, PLC在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制, 在运动控制、过程控制等领域也发挥着重要作用。

2 背景技术

我公司顶驱控制系统采用SIEMENS可编程控制器 (PLC) 、Profibus现场总线等先进技术, 可完成钻井、旋扣、上卸扣、IBOP控制和井喷时的快速应急操作等顶驱要求的所有功能。上位监控系统软件WinCC功能强大, 界面友好, 具有较强的自诊断和历史数据记录功能, 从而可保证顶驱系统的工作安全可靠。

3 监控系统组成

3.1 系统硬件组成

监控系统的硬件主要由上位机 (即监控计算机) 、PLC控制柜、远程ET200M、辅助电机、变频器、通讯电缆和控制电缆等部分组成。基于WinCC及PLC的顶驱监控系统硬件布置如图1所示。

3.2 系统通讯方式

PLC系统和其他子站通过Profibus通讯电缆建立连接, 系统主控采用SIEMENS S7-300系列可编程控制器 (CPU315-2DP) , 司钻箱采用ET200M远程终端模块。

3.3 组态过程

我公司采用的上位机监控系统组态过程分为3个部分: (1) 界面设计:根据钻井实际工况和顶驱实际应用情况, 设计应该达到运行可靠、操作方便、界面友好、图形显示直观、操作方便的要求。 (2) PLC程序设计:通过进行设备的数据采集及I/O点的连接, 将控制对象和动作指令要求连接起来, 实现监控系统的功能。 (3) WinCC和PLC之间的通讯:首先创建WinCC站与自动化系统间的物理连接, 在WinCC项目中添加适当的通道驱动程序, 在通道驱动程序适当的通道单元下建立与指定通讯伙伴的连接, 并在连接下建立变量, 同时还要注意将MPI口与电脑连接。

3.4 界面的设计方式

我公司顶驱WinCC系统主要分为顶驱系统主画面、顶驱系统画面、报警画面、趋势记录画面、系统设置画面和程序监控画面。各种操作界面分别显示不同的信息, 大体上有如下4个区域: (1) 工具栏:在工具栏内, 有画面切换的按钮、当前的日期和时间以及返回主画面。 (2) 显示区:在屏幕中部, 画面显示区是进行监视以及控制操作的区域。 (3) 标题栏:显示名称和日期。 (4) 状态栏:显示顶驱状态 (非正常/正常状态) 。做出任意BYPASS切换, 此处均要显示“系统处于非正常状态”, 更换元件后撤消屏蔽处理, 显示取消。非正常状态下可以应急启动顶驱。

4 实现功能

该系统分为2块区域, 左侧一块包括系统登录画面、辅助控制画面、电源系统画面、顶驱系统画面、报警记录画面、趋势记录画面、系统设置画面和程序实时监控。按下某按钮, 右侧显示顶驱三维图形, 并指示各部件名称。

(1) 登录画面:根据实际井场应用情况分为管理员登录和维护人员登录, 他们均有不同的操作权限。 (2) 辅助控制画面:主要监测液压控制系统的通断情况, 此画面只能监测到继电器。 (3) 电源系统画面:主要提供电路工作状态, 以电路的形式表现, 既直观又与现实中相结合, 另外, 在主要节点处会加设故障分析、解决方式, 可大大减少现场解决问题的难度和时间。 (4) 顶驱系统画面:主要以动画方式体现工作状态, 将顶驱各个机构的工作状态充分显示, 具体动作显示如图2所示。 (5) 报警记录画面:顶驱正常运行情况下蜂鸣器不发出警报语音, 否则, 系统会根据不同的参数设置发出警示声, 提示维护工作人员进行相应的操作, 并在故障旁边设有“故障解析”按钮, 按下按钮可到达故障解析画面, 包括故障原因及简单的处理方案。变频器的故障可通过报文传到PLC, 由PLC传送出错误的位置和时间并记录下来, 具有可追溯性。变频器的故障解析, 直接连接到矢量大全数据库, 可以查询到变频器故障原因。 (6) 趋势记录画面:实时显示需要监控的钻井工况, 比如系统电源趋势、实时频率趋势、实时扭矩趋势、实时速度趋势、实时主电机电压趋势、实时电流趋势、实时功率趋势、变频器的输出电压趋势、变频器的输出频率趋势等。实时趋势图与实时钻井工况相符, 在显示实时趋势图的同时额定值一直都显示, 从而有利于工作人员做出比较。 (7) 系统设置画面:此画面设置登录权限, 另外内部可以设置其他权限, 主要分为管理员、用户, 需要填入用户名和密码, 登录身份不同, 权限也不同。管理员可以设置用户的权限及各种参数, 而用户只能查看。 (8) 程序实时监控:此画面监控简单的程序, 使现场人员可以看到各输入、输出点的实时状态以及顶驱启动条件等程序段, 利于现场工程师快速判断故障点位置。

5 结语

我公司出厂的设备现有2台应用在现场, 监控情况良好, 能够实时跟踪设备运行情况, 出现故障时能够及时报警并记录处理方式。目前, 该系统采用的是WinCC 6.0系统, 我们正在进行WinCC 7.0系统的升级研究, 将来画面会更加人性化, 更易于操作。

参考文献

[1]罗向阳.基于PLC及WinCC的控制系统在化工污水处理中的应用[J].机械与电子, 2010 (S1)

电动钻机顶驱转盘弹性负载研究 篇3

顶驱/转盘是钻机旋转系统的驱动者, 钻井深度从数千米到上万米不等, 驱动系统拖动钻具长度不断变化的弹性体在地壳中旋转, 钻头在井底切削岩层, 钻具受到的粘滑转矩与地质构造、泥浆配比等有关, 转动惯量与钻具长度有关, 在钻井作业时钻具上储藏的弹性转矩能是K (θd-θl) , 经推导可将这种弹性钻具等效为二阶振荡环节, 这种弹性旋转系统参数变化范围大, 并因地质构造的变化还存在一定的不确定因素, 会对系统的稳定性造成不良影响, 本文就如何消除或减弱这种不利因素, 展开控制策略的讨论, 对系统的动态和静态响应等指标进行理论推导和计算。本文以直流顶驱系统为例, 电机采用它励直流电机 (GE752) , 进行建模和推导。

2 数学模型

依据转矩平衡和电压平衡关系建立系统运动方程如下。

顶驱/转盘轴端转矩平衡的微分方程:

钻头轴端转矩平衡的微分方程:

电机端电压平衡的微分方程:

式中:Jd为顶驱/转盘轴端转动惯量, kg·m2;

Jl为钻头轴端转动惯量, kg·m2;

θd为顶驱/转盘轴端的旋转角, rad;

θl为钻头轴端的旋转角, rad;

K为弹性系数, N·m/rad;

Df为粘性摩擦系数, N·m·s/rad;

Tl为负载扰动转矩, N·m;

Cm=CMΦ, CM为转矩常数, Φ为磁通;

, Ce为电势常数;

由CM=9.55Ce, 得C=Cm

I为电枢电流, A;

R为电枢电阻, Ω。

对上述微分方程进行拉普拉氏变换得:

式 (6) 变形得, 代入式 (4) 并变形得:

式 (5) 变形得:

3 传递函数

由式 (7) 得传递函数框图如图1所示。

由式 (8) 得传递函数框图如图2所示。

合并框图1和框图2得到传递函数框图如图3所示。

为了研究负载扰动作用下系统的运动情况, 令U=0, 经结构变换得如图4所示框图, 以便研究钻头旋转角θl与负载扰动转矩Tl之间的关系。

系统开环传递函数:

开环频率特性函数:

幅频特性函数:

开环对数幅频特性函数:

相频特性函数:

Bode图的绘制:

以μ为横坐标 (μ=lgω) 、lg H0 (G) 和arg H0 (jω) 分别为纵坐标绘制对数幅频特性和相频特性图 (Bode图) , 这种做图法比较直观, 参数变化对系统动态性能的影响在Bode图上就能直接看到其变化趋势, 可以很方便地分析系统的运动情况。系统的截止频率ωc就是对数幅频特性穿过零分贝线的频率, 它反映了系统的快速性, ωc值大快速性就好;为了提高系统的抗扰能力, 在对数幅频特性的高频区衰减应尽可能快些, 弹性负载的固有振荡频率ω0就出现在这一区间, Bode图示便于分析, 得出解决方法。

系统闭环传递函数:

把上述传递函数写成标准形式:

从传递函数可以看出, 微分方程的特征方程的所有系数是同号的, 表明特征方程的根是负实数或实部为负的共轭复数, 即全部根都位于复数平面的左半面, 这只是系统稳定的必要条件, 而不是充分条件。系统的稳定性取决于特征方程, 各系数完全是由系统本身的结构和参数决定的。

在不考虑弹性形变时, 是一阶机械惯性。弹性变形在系统中引入了一个二阶振荡环节, 这就是机械谐振, 钻具弹性轴固有谐振频率, 它对系统稳定有影响, 数学推导时转动惯量Jl和Jd是按集中在钻头端和顶驱/转盘轴端的理想状态计算的, 实际上轴系质量是沿钻具轴线分布的。

在频率处也会出现振幅较小的振荡, 但不会给系统带来严重影响。

4 特性分析

若弹性系数K=∞是钢性系统, 实际的弹性系数K随着钻具的加长而变小, ω0也越低, 这时ω0接近于系统的截止频率ωc, 在ω0处开环对数幅频特性的谐振峰值若穿过零分贝线, 系统就出现振荡, 产生轴扭振。若未穿过零分贝线, 这时振荡峰值离零分贝线的距离就是稳定余量。

系统的截止频率ωc是反应动态响应的重要指标, ωc越高, 响应越快, 弹性系数K变小;ω0越低, ωc与ω0相近, 出现轴扭振的机会越多。钻井作业时往往通过降低动态响应的方法, 即变小截止频率ωc, 来防止出现振荡。

理论上可以设计二阶校正网络, 利用网络的复零点与振荡环节的复极点对消, 来改善系统的稳定性。校正网络的传递函数写成标准形式:

要求ω0Z=ω0, ξZ=ξ。

顶驱转盘负载的这种弹性振荡一般是低阻尼的, 对消后系统增加两个惯性环节, 在ω0处系统的开环对数幅频特性的谐振峰值不穿越零分贝线, 系统变得稳定。但在实际工程中很难实现, 因为ω0、ξ是不断变化的。

在转速反馈通道中阻止ω0附近频率范围内的信号通过, 能减小系统开环对数幅频特性在ω0处的幅值, 不致穿越零分贝线, 拟制振荡, 截止频率ωc不变, 不影响系统的快速性。

采用复合控制提高系统的抗扰能力, 利用可测量参数电流、转矩、速度推算负载扰动, 前馈控制 (开环) +反馈控制 (闭环) 。增加前馈控制不影响原系统的稳定性, 提高了系统的稳态精度, 引入与负载转矩变化量正比例的信号, 作为前馈信号, 补偿转矩误差。

引入速度反馈的比例微分控制, 可以使系统超调小、振荡轻、恢复稳态快。从负载力矩变化量的方向与驱动速度的关系来考虑, 引入与钻具的扰动力矩变化反向的速度反馈信号, 振荡就会迅速衰减下来, 对系统稳定有利。

5 结束语

本文对电动钻机顶驱转盘弹性负载进行了研究, 得出了以下结论。

(1) 在满足钻井工况要求的情况下, 降低系统的动态指标, 使系统的截止频率ωc变小, 防止弹性负载出现扭振。

(2) 引入复合控制, 采用前馈控制+反馈控制的方式, 补偿系统误差。

(3) 转速反馈通道滤波, 减小开环对数幅频特性在ω0处的谐振峰值, 防止振荡出现。

(4) 速度反馈环节引入比例微分控制负反馈, 衰减振荡。

(5) 增加串联校正网络, 利用零点与极点对消的方式, 改善系统的稳定性。

参考文献

[1]顾绳谷.电机及拖动基础[M].北京:机械工业出版社, 1990.

[2]天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册[M].北京:机械工业出版社, 2007.

顶驱系统 篇4

一、锁紧系统工作流程

当钻井工况需要拆卸顶驱保护接头和钻具之间的连接或者更换保护接头和上下IBOP时, 就会涉及到顶驱上卸扣操作, 司钻操作“回转头锁紧”选择开关, 将其转到“锁紧位”, 回转锁紧指令信号送入PLC程序, 根据程序设定, 通过液压阀组使回转头进行“微动”, 同时锁紧油缸驱动锁紧销 (设定压力为4Mpa) 进行插孔动作, 当锁紧销进入旋转头锁孔后, 接近开关进行检测, 2对常开接点闭合, 输出“低电位”, PLC接收到锁紧反馈信号后, 停止微转, 司钻台锁紧指示灯亮起, 司钻同时按下“背钳”和“上卸扣”, 观察扭矩表指示情况, 确认是否卸扣成功, 完成后将锁紧开关转至开位。

二、接近开关工作原理

接近开关实际是一个没有与被测物体接触的一个传感器, 是种开关型传感器 (即无触点开关) , 当物体接近开关的感应面到动作距离时, 不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作。接近开关按种类分为电感式接近开关, 电容式接近开关和霍尔开关, 北石顶驱现在在用的是电感式接近开关, 型号是欧姆龙E2E-X3D1-N-Z型号, 工作电压12V-24V, 这种开关的优点:1反应速度快;2非接触检测, 避免了对传感器自身和目标物的损坏;3在各种环境中能够稳定检测。电感式接近开关由三部分组成:震荡器, 开关电器和放大输出电路, 振荡器产生一个交变磁场, 当目标物接近这一磁场, 并达到感应距离时, 在金属目标内产生涡流, 从而导致震荡衰弱, 以致停震, 振荡器震荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号, 触发驱动控制器件, 从而达到非接触式检测目的。

由上述接近开关的原理我们可以得知:当接近开关与被测金属之间的距离小于等于接近开关的最大探测距离时, 接近开关接通, 输出高电平;反之则关断, 输出低电平。锁紧销为上部细、下部粗的圆柱体, 当锁紧销处于松开位时, 锁紧销较粗的部分正对接近开关, 此时两者之间距离小于接近开关的最大探测距离, 因此接近开关接通, 输出高电平;而当锁紧销处于锁紧位时, 锁紧销较细的部分正对接近开关, 此时两者之间距离大于接近开关的最大探测距离, 因此接近开关关断, 输出低电平。接近开关的状态通过控制电缆送到PLC柜内的DI模块, CPU只要读取外设的状态, 就可以准确的知道接近开关的状态。由上述分析我们可以得知:正常情况下, 锁紧销的锁紧状态与DI点的状态存在“逻辑取反”的关系, 即锁紧销处于松开时DI点状态为“1”, 锁紧销处于锁紧时DI点状态为“0”。而在非正常情况下, 例如接近开关损坏, 或接近开关与锁紧销相对位置发生变化, 两者之间状态可能不遵循上述关系。

当两个接近开关采用并联方式接入同一个DI点时, 我们可以用下表来描述系统检测到的锁紧销状态。随着顶驱系统的升级换代, 也有部分系统中两个接近开关分别接入两个不同的DI点, 或者系统中只有一个接近开关接入DI点, 我们都可以用下面的办法一一分析, 准确的找到故障点并排除。

可以看到, 有四种状态是处于不正常状态, 下面分别对这四种异常状态做分析。

状态4:锁紧销松开而两个接近开关都关断, 这种情况有以下几种可能原因:

接近开关的固定位置发生变化, 超出了接近开关的最大探测距离。

接近开关的24V供电电源中断, 或者接近开关到DI模块之间的电缆中断。

接近开关对应的DI点损坏。

两个接近开关的正负极均反接。

状态6、7、8:锁紧销锁紧而接近开关有通有断, 这种情况有以下几种可能原因:

处于接通状态的接近开关其感应端面沾染上铁屑等金属粉末。

接近开关的24V供电电源与DI点之间的电缆短路。

接近开关对应的DI电损坏。

三、接近开关故障处理

应急措施:当遇井下较复杂, 比如处理事故或固井后, 需要在规定的时间快速进行上卸扣, 当锁紧无指示, 锁紧动作不能完成时。通常可以尝试以下2种应急处理方法:

方法1:

(1) 把PLC柜的CPU打到off位;

(2) PLC柜的应急开关打到旁路或开位;

(3) 司钻操作锁紧开关, 进行上卸扣;

(4) 把PLC柜的CPU打到on位;

(5) 仔细排查故障原因。

方法2:

(1) 在PLC柜中将锁紧检测的2组信号并联在一起, 接入24V直流电源;

(2) 司钻正常操作锁紧开关, 然后进行应急上卸扣;

(3) 仔细排查故障原因。

结论

随着顶驱装置的不断升级换代, 在实际使用过程中遇到的锁紧装置及其检测机构可能会略有差异, 但只要我们掌握其结构和原理, 遇到问题时冷静分析, 就可以快速方便的定位故障, 为迅速恢复顶驱使用赢得时间。

参考文献

[1]北京石油机械厂顶部驱动钻井装置操作手册2007年12月.

顶驱系统 篇5

故障时间:2012年3月。故障地点:委内瑞拉SANTOME区块。故障现象:顶驱上卸扣作业时, 在主轴将要达到设定上扣扭矩值时 (25 000ft-lbs) , 电控房逆变器报F027故障, 顶驱停机;故障虽然可以暂时复位, 但此后仍会发生F027故障。随后观察发现, 只要上卸扣将要达到设定值时, 就会报F027故障, 空载运转主轴时, 不报F027故障。

2 故障分析

查手册得知F027故障是由于输出端L3相UCE关机引起的。手册上给出的解决方法如下: (1) 检查L3相短路或者接地故障 (-X2:W2, 包括马达) ; (2) CU板正确插入; (3) “SAFE OFF” (X9/5-6) 开关已经打开。

逆变器运行报警分为外部故障及内部故障, 外部故障检查系统的绝缘问题, 其中包括逆变功率单元的绝缘、电缆的绝缘、电机的绝缘等。在检查完绝缘后可以在变频房接头处调换电缆接头的顺序, 来比较是否是逆变器同一桥报警, 从而区分是外部故障还是控制房内部故障。若是外部故障, 可继续通过再跳顶驱主机端快速插头的方法来确定是电缆问题还是电机问题;若是控制房内部问题, 则需进行逐一分析。

当IGBT过电流或短路时, 会造成IGBT的失效和损毁, 因此变频器在设计中一旦检测到过电流情况的发生, 会对IGBT进行关断从而保护功率元件。在过电流的检测中, 一种是直接电流检测法, 采用霍尔电流传感器;一种是间接法, 通过测量IGBT集电极和发射极之间的电压来判断IGBT是否过电流或短路。VARCO-11SA顶驱使用的西门子逆变器采用的是Uce关机保护电路。Uce关机是指当逆变器过电流或短路时, 电流可达到额定电流的数倍。Uce=Ice×Rce (Rce:IGBT导通时集电极和发射极间的电阻) , 过电流时, Uce瞬间增大, 超过设定的阈值, 保护电路会关断IGBT并向CU板报故障。

Uce关机主要是2个方面原因引起的: (1) 输出侧电路故障, 主要是L3相短路或接地故障 (-X2:W2, 包括马达) ; (2) 变频器内部故障。

3 处理经过

在对故障现象进行分析后, 故障排查顺序也就很清晰了, 首先应进行外部故障排查, 如没有问题再进行内部故障排除。从实际情况看, 只有在大扭矩, 也就是对应大电流的时候报F027, 故障现场和外部故障关联不大, 但从故障排除的先易后难、先外后内原则出发, 首先还是要检查外部故障, 即输出侧故障。

3.1 外部故障排查

利用顶驱停机时间拆除电控房和电机的动力电缆接头, 用摇表检测L1-L2, L1-L3, L2-L3电缆绝缘, 都在20 MΩ以上;并对这3相对地绝缘进行测量, 都在50MΩ以上。排除输出端主动力电缆短路和接地故障。测量左右2个主电机对外壳绝缘, 都在500 MΩ以上, 均正常;测量左右2个主电机绕组对地绝缘, 都在7 MΩ以上, 均正常, 排除电机方面故障。接下来又把L3和L2动力电缆互换, 顶驱上电, 故障依旧。L3和L1动力电缆互换, 顶驱上电, 故障依旧, 因此彻底排除外部故障。

3.2 内部故障排查

对变频器内部故障作了初步判断:由于IGBT触发导通的过程是CUVC主控板给出触发信号, 然后IVI板接收触发信号并传给IGD8板, 接下来IGD8栅极驱动板触发导通IGBT模块, 同时IGD8板又把采集到的IGBT的Uce关机阀值反馈给IVI板, 再反馈给CUVC板。CUVC板作出最后的Uce关机故障判断。

所以引起F025、F026、F027故障的内部原因基本包括: (1) IGBT模块损坏。 (2) IVI板光纤发射管发射的光信号减弱, 导致IGBT栅极驱动信号不稳定。光纤松动, 与IGD8板之间的光信号传输不畅。 (3) IGD8板老化、损坏。IGD8板工作时会频繁关断用于导通IGBT, 这样会造成驱动电路元器件老化, 引起该板损坏。又由于IGD8功率触发板离IGBT较近, IGBT工作时, 散发出很强的热量, 这也会加快IGD8板老化, 导致其损坏, 不能触发IGBT和反馈真实的Uce值。于是CUVC会判断Uce关机, 造成F027故障出现。 (4) 电流互感器CT损坏, 连接松动, 检测不到真实电流信号, 或电流信号不稳, 都会让IVI得到一个错误信号, 从而也有可能会让CUVC板发出F027停机信号。 (5) CUVC板损坏或插接不良、松动以及受潮、表面污损等都会引起F027故障。 (6) IGBT上下桥臂的SMU、SML阻容吸收板 (RCT) 损坏, 不能针对IGBT的瞬态浪涌电压进行过压保护, 也有可能会导致F027故障。

因为不管是更换IGD8、IGBT模块还是SMU、SML板, 工作量都很大, 所以索性作出换新IGBT模块的决定。

拆IGBT模块, 观察拆下的SMU、SML板外观正常。对此模块上的电容、电阻、二极管进行测量, 未发现击穿现象。

对拆下来的4块IGBT进行测量, 并与新的IGBT模块进行比对, 情况如下:

IGBT导通性:模拟万用表R×10k档, 黑笔接C极, 红笔接E极, 万用表指针在无穷大位置 (新旧模块都一样) 。这时用手指同时触及G极和C极, IGBT被导通, 指针向右偏转, 并停在一个位置, 松开手后仍能站住;新模块停在11.5×10k位置, 旧模块停在10.5×10k位置。然后再用手指触及G极和E极, IGBT被阻断, 指针回无穷大方向。新旧模块都回到无穷大方向, 判断旧模块的导通性是好的。

用模拟表的R×1k档对各极之间的阻值进行测量, 并和新模块进行了比对, 情况如下:首先对3个极之间短路放电。 (1) 红笔接G极, 黑笔分别接E、C极;黑笔接G极, 红笔分别接E、C极。正反向阻值新旧模块均为无穷大。 (2) 红笔接C极, 黑笔接E极。所测阻值, 新模块为2.3kΩ, 旧模块为3kΩ, 判断旧模块基本是好的。 (3) 用数字万用表的二极管档对IGBT的E极和C极之间的二极管压降作了测量, 情况如下:新模块0.27V, 旧模块0.31V, 判断旧模块基本是好的。

用数字万用表的R×20k档对IGBT的E极 (红笔) 和C极 (黑笔) 之间的阻值进行了测量, 情况如下:新模块都大约在5.9~5.95kΩ之间, 旧模块都大约在6.3~6.7kΩ之间, 判断旧模块基本上是好的。

重新安装新的IGBT模块, SMU、SML模块。注意:拆IGBT模块时, 它的固定螺栓和螺母是用红漆标定的, 每个位置的螺栓和螺帽都要成组地放好。安装IGBT模块时要先紧固中间2个螺栓, 再依次按对角线方式紧固剩下的螺栓, 紧固到螺栓和螺母的红漆重合, 才表示扭矩值合适。IGBT底部要均匀薄涂导热硅脂;SMU、SML模块拆装时要注意上下位置。顶驱上电, 进行上卸扣作业, 结果依旧报F027故障, 排除IGBT和SMU、SML模块原因。

在拿到新的IGD8板后立即更换掉旧的IGD8板, 顶驱重新上电, 进行上卸扣作业, 顶驱运转正常, 至今未报F027故障。

4 结论

(1) 采用西门子6SE70系统的VARCO顶驱, 使用一段时间以后有可能会出现F027故障报警, 如不及时处理, 会影响顶驱正常使用, 进而影响整个钻机的作业。 (2) F027故障要从外部和内部2个方面根据具体情况进行判断和解决。 (3) 西门子6SE70系统广泛用于顶驱及钻机的控制系统, 其他采用该系统的设备出现类似问题可以参照解决。

摘要：从实际故障案例出发介绍了VARCO-11SA顶驱F027故障的现场分析与处理步骤, 并详细记录了相关测量数据, 从而为其他顶驱故障的现场排除提供了可靠的参考。

关键词：VARCO-11SA顶驱,F027故障,变频器

参考文献

[1]蔡正敏, 张军, 申朝廷, 等.顶驱钻井装置倾斜液压机构临界载荷的精确解[J].石油矿场机械, 2010 (6)

顶驱系统 篇6

传统导轨板的对接和拆卸需要工人和设备, 且费时费力, 装卸效率低、成本高, 且需要高空作业。为解决存在的上述诸多问题, 这就需要设计一种新型的顶驱导轨板对接装置。本文中的顶驱导轨板对接装置作为液压顶驱车载钻机的重要组成部分, 顶驱装置通过钻杆动力递送装置从井架顶端驱动钻具进行钻井施工, 钻井施工中, 为阻止顶驱自身旋转, 将顶驱安装在井架与钻台间的导轨板上,

2 顶驱导轨板对接装置布置形式

顶驱车载钻机的外架铰链在钻井平台上, 内架和外架采用矩形框架式结构, 内、外架通过液压缸进行升降, 并可由锁定液压缸进行锁定。铰链在內架上的液压缸下端铰链有滑轮, 其上连接的引导钢丝绳在绕过天车后连接在顶驱上, 保证了液压缸既能够推动內架升降又可以带动顶驱沿着导轨板进行移动, 节省了绞车、盘刹等设备, 使操作更加简单。导轨板分别与內架和外架相连, 其中导轨板与內架通过四连杆连接在一起, 导轨板上设有凸台和凹槽, 导轨板和內架间链接有液压缸, 并通过液压缸推动将內架上的导轨板的凸台约束到外架导轨板的凹槽内, 从而实现了自动对接, 确保了内、外架上的导轨板成为一体。导轨板上的顶驱可以沿其滑动。内、外架顶驱上带有钻杆动力递送装置, 其上排架上的钻杆在钻杆重力、排架倾角及旋转定位拨盘的共同作用下向起落架提供钻杆, 并由起落架将钻杆立起送给顶驱, 待顶驱连接完毕, 即可进行钻井施工操作。

3 顶驱导轨板对接装置的结构设计

依据顶驱导轨板的功能要求, 保证其安全、高效、可靠的对接, 对其进行结构设计, 主要包括调节主件、对接头、对接套、引导钢丝绳及复位弹簧等, 其结构如图1所示。

具体工作过程:该对接装置结构主要由调节主件、对接套及对接头等构成, 调节主件由调节板和调节背板组成, 其中调节背板为盒状结构, 其大面上开有7排连接孔, 调节背板顶端与吊耳相连, 下端通过螺栓与调节板相连, 并可依据井架高度选择调节背板上的一排连接孔, 从而能够实现对顶驱导轨板对接装置进行微调。

1—对接头2—对接套3—调节背板4—调节板5—连接吊耳6—引导钢丝绳7—复位弹簧8—弹簧座9—卡瓦

调节板下部与对接头通过销钉进行铰接, 对接头下部采用球体结构, 在对接头的轴向孔内固定有引导钢丝绳, 其穿过对接套置于钻台上, 对接套内部开有二级台阶孔, 为上小下大结构形式, 下台阶孔用于卡瓦向外胀开, 上台阶孔用于卡瓦向内收缩。台阶孔内安装的复位弹簧使卡瓦约束在上台阶孔内, 复位弹簧安装在弹簧座内, 其开有4个凹槽, 卡瓦的径向凸台结构安装在弹簧座的径向凹槽内, 保证了4片卡瓦卡套在弹簧座的4个凹槽内, 卡瓦通过弹簧座进行连接和移动。卡瓦上端的限位台与对接头下部球体的内表面相配合, 此时对接套链接在第一节导轨板的顶部位置。在对接套上行过程中, 此时对接头和卡瓦开始向下移动进而压缩复位弹簧, 当卡瓦运动到下台阶孔处时, 卡瓦开始逐渐向外胀开, 此时对接头下端球体开始进入对接套限位台的内球面孔中, 复位弹簧上的弹力作用促使卡瓦迅速向上移动, 此时卡瓦加速收缩, 其上端的限位台卡套在对接头球体上端位置, 保证将对接头锁定在对接套内, 从而完成了导轨板的对接操作。

4顶驱导轨板对接装置安装、拆卸过程

顶驱导轨板对接装置安装过程大体分为两步: (1) 连接调节主件。待井架未立起时, 通过销钉将调节主件上的吊耳和井架顶部的U形环连接为一体。 (2) 引导钢丝绳穿过对接套, 通过井架上的大钩把引导钢丝绳与安装小车连接起来, 提升大钩, 促使安装小车带动导轨板一起向上运动, 当对接套移动至对接头附近位置时, 钻台上操作人员通过拉动引导钢丝绳确保对接头和对接套两者对正, 完成对正后安装小车继续带动对接套向上运动, 向上运动过程中, 对接头连接的卡瓦开始压缩复位弹簧, 并进入至对接套内的台阶孔内向外胀开, 此时对接头下端球体与卡瓦限位台下端的内球面相配合, 安装小车停止运动, 复位弹簧开始推动卡瓦向上移动, 卡瓦逐渐收缩, 从而将对接头锁定在对接套内, 完成对接锁定操作工作。

顶驱导轨板对接装置拆卸过程:当井架上的大钩运动到顶端时, 大钩由滑板带动对接套向上移动, 卡瓦逐渐压缩复位弹簧, 当卡瓦向下移动到对接套的下台阶孔时, 卡瓦迅速向外胀开, 此时井架大钩迅速下降, 对接头脱离对接套, 井架大钩继续下降, 从而完成顶驱导轨板对接装置拆卸操作。

5 顶驱导轨板对接装置有益效果

该对接装置采用对接套、对接套及引导钢丝绳三者进行对接, 通过操作人员拉动引导钢丝绳完成对接套和对接头的找正工作, 并通过大钩将对接头插装至对接套内, 最终通过卡瓦将对接头锁定在对接套中。保证了顶驱导轨板对接装置能够在钻台上安全、高效、可靠的进行对接, 由于通过引导钢丝绳参与对接任务, 因此, 不需要进行高空作业。从而确保了操作人员的生命安全, 并且操作简单、对接效率高、成本低。从而解决了装卸费时费力, 装卸效率低、成本高, 且需要高空作业的问题。

摘要：顶驱导轨板对接装置是全液压套管钻井钻机的重要组成部分, 传统的对接装置存在对接和拆卸效率低, 成本高、操作复杂及需高空作业等诸多问题, 为提高顶驱导轨板对接装置的可靠性, 本文设计了一种新型的顶驱导轨板对接装置, 并针对其布置形式、工作原理、有效效果及对接和安装过程进行了详细阐述, 通过大量实验结果表明, 该装置置更加可靠、高效和安全。

关键词：顶驱导轨板对接装置,布置,设计

参考文献

顶驱系统 篇7

1 API Spec 8C标准

API (American Petroleum Institute, 美国石油学会) 标准是世界石油领域公认的先进标准。Spec 8A/8C规定了钻井和采油提升设备设计、制造和试验方法。通过API认证为产品进入世界市场取得了通行证。

1.1 API Spec 8C标准适用的钻井和采油提升设备

API Spec 8C标准适用的钻井和采油提升设备有19类, 与顶驱有关的只有3类:连接器和吊环接头、吊环、动力水龙头。

API Spec 8C标准制定了产品规范等级 (PSL, product specification level) 要求, 对有关设备中承受主载荷的构件实施材料和工艺控制的等级进行分类, 包括PSL1和PSL2两种, 代表不同的技术要求水平。PSL2在铸件验收准则、铸件体积无损检测验收准则、焊接要求、焊缝体积无损检测、材料化学成分、延伸率等方面比PSL1要求更高, 控制更严, 由于顶驱主承载件中的悬挂体结构复杂, 外形尺寸大, 无法通过锻造加工, 只能采用铸件, 同时, 考虑到国内铸造的整体水平, 确定采用PSL1产品规范等级。

1.2 API Spec 8C标准对适用的钻井和采油提升设备的要求

API Spec 8C标准对钻井和采油提升设备的设计、设计验证试验、材料要求、焊接要求、质量控制、设备、标志、文件八个方面进行规定, 并提出了包括低温试验在内的补充要求。现仅以设计、设计验证试验、材料要求三个方面的有关内容为例对标准在顶驱研制中的应用进行说明。

1.2.1 设计

设计的目的是保证设备能安全地传递预定的载荷, 且操作简便、安全可靠, 达到预定的要求。

API Spec 8C标准规定。 (1) 不指明时设备的最低设计与工作温度为-20°C, 根据SR2补充条件, 设计工作温度可以低于-20℃, 但要由买方提出; (2) 应进行强度分析; (3) 接触表面半径、额定值、设计安全系数应参照该标准执行; (4) 形成设计文件。

1.2.2 设计验证试验

为了确保设备设计的完整性, 需要由与设计任务无关的部门或组织执行设计验证试验。

试验程序包括功能试验和设计验证试验。

设计验证试验装置必须按照ASTM E4进行校验, 其载荷试验装置可采用相当于A种方法进行校验, 其误差应小于2.5%。

所有试验结果均应进行记录和管理。

1.2.3 材料要求

所有材料均应适用于预定的用途。并对主承载件和承压件的材料合格试验、性能和加工等的各项要求作出规定, 形成书面规范。

例如, 对于冲击功的规定, 当材料的最小屈服强度大于或等于310MPa时, -20°C温度下三个足尺试件上的平均冲击功至少是42J, 且其中任一值不低于32J。当买方提出最低操作温度低于-20°C时, , 三个足尺试件上的平均冲击功至少是27J, 且其中任一值不低于2 0 J。且每个构件均应标记“SR2”。

2 API Spec 8C标准在顶驱研制中的应用

2.1 设计

2.1.1 钻井工况对顶驱的基本要求

顶驱集成了常规水龙头与钻井马达, 配备了自动化的钻杆上卸扣装置, 它具有动力水龙头的全部功能, 工作中随游车一起移动, 并向钻柱提供旋转动力, 还在起下钻作业中承受载荷, 可完成旋转钻进、循环钻井液、接钻杆和上卸钻柱各种钻井操作。

因此, 顶驱应提供钻井扭矩和转速、提供上卸扣扭矩、提供钻井液通道、提升相应的载荷、各种功能的自动控制和联锁等功能。

2.1.2 顶驱零件分类

顶驱上的零部件按承载情况和功能作用分为:主承载件、关键零部件、承压件、一般结构件、电子电气件。API Spec 8C标准规定承受主载荷的构件为主承载件, 主承载件是最关键的零件, 也是必须进行严格控制的零件, 一般包括提环、悬挂体、主轴、内套、吊环等。

2.1.3 安全系数和接触半径

设计安全系数根据额定载荷及A P I Spec 8C标准中表1计算得出。提升工具接触表面半径根据额定载荷及API Spec 8C标准中图3和表6查出其最大或最小值, 并根据需要在规定的范围内进行调整。

例如:对于额定载荷为4 5 0 0 k N的顶驱, 其设计安全系数应大于等于2.2 5, 对其上的提升工具提环的接触表面半径要求:E 2≤82.55mm, F2≥114.3mm, 设计时根据此参考值以及计算结果进行就可确定符合要求的实际值。

2.1.4 强度计算

根据顶驱功能, 常规计算有三种工况:提升额定载荷;承受工作扭矩和提升钻柱重量;承受最大卸扣扭矩。对于不同的主承载件工况不同, 受力不同, 强度计算仅以主承载件中的悬挂体为例进行分析。

悬挂体通过吊环将下部吊卡与主轴相连, 主轴通过减速箱箱体, 减速箱箱体又同整体水龙头相接。悬挂体可根据起下钻作业的需要随旋转头转动, 在实际工作中, 悬挂体承担起下钻的作业, 受额定载荷拉力的作用。可以根据API Spec 8C标准要求的接触表面半径利用经验公式计算, 并与设计安全系数进行比较, 根据结果修改设计, 形成设计计算书, 为优化设计还利用有限元分析软件对设计计算进行验证, 并进一步修改了设计。

2.2 设计验证试验

设计验证试验是用来确认所采用的设计计算的完善性而进行的试验。

为了对顶驱装置进行设计验证试验还专门设计制造了静载试验装置, 可完成9000kN拉伸载荷的试验。试验装置按照ASTM E4进行校准。

设计验证试验载荷根据API Spec 8C标准中5.3.2的公式确定, 等于:0.8×额定载荷×设计安全系数, 但不得小于2倍的额定载荷。

如对于额定载荷为4500kN的顶驱, 设计验证试验载荷等于9000kN。

为便于测定其剪应力和避免对应变片准确定位的要求, 均采用三维应变片。贴片的多少、贴片的具体位置根据计算分析预期会产生高应力的部位和装配的实际情况确定。

北石顶驱设计验证试验都委托与设计任务无关的单位进行, 并出具检测报告, 设计得到了验证。

2.3 材料的要求

2.3.1 材料规范

为了满足主承载件预定的用途, 选择合适的材料, 编写了材料规范, 对材料牌号、化学成分、热处理后的机械性能 (含硬度HB、抗拉强度Rm、规定非比例延伸强度Rp0.2、端面伸长率A、端面收缩率Z) 、规定温度下的冲击吸收功 (KV2) 、试样、取样位置、试验方法、热处理工艺方法、探伤、补焊、铸件外观要求、重复试验次数、重复热处理次数进行了规定。

2.3.2 试样取样的规定

由于顶驱主承载件结构复杂, 外形尺寸大, 为保证产品的机械性能和冲击功的要求, 防止产品与试件检测结果误差太大, 规定铸件试件与铸钢件一起整体浇铸并附带于铸钢件的本体上, 试样应在最终热处理完成后才能与铸钢件本体分离;锻件试样根据产品外形尺寸和结构采用当量直径试件, 且必须同一炉的料、采用同样的锻造工艺、同炉热处理;在试样上必须标记零件追溯号、材料炉号、热处理号。并根据API Spec 8C标准6.4规定的位置切取标准试件。

通过对所选材料进行合理的热处理, 对试件的机械性能和冲击功试验结果进行分析表明, 完全可以保证主承载件的设计安全系数符合API Spec 8A/8C的规定, 北京石油机械厂设计中所选材料已经做到了这一点, 并在设计验证试验中得到了验证。

3 结语

从设计 (材料) 、采购、追溯、制造、装配、焊接、试验和检验、质量记录等方面严格按照API Spec 8C标准的要求对北石顶驱进行全过程的质量控制, 保证了北石顶驱的质量, 使北石顶驱顺利通过了ISO9001/API双认证。

北石顶驱随出国钻井作业的队伍在23个国家和和地区成功应用, 并且已有20台直接销售给国外公司, 打破了国外技术垄断, 受到了国内外用户的普遍好评, 获得了中国质量协会石油分会“2008年度石油工业用户满意产品证书”。

参考文献