液压油管钳自动上卸扣装置的设计与研究

王 倩，高广启

(1.青岛科技大学机电工程学院，山东 青岛 266061) (2.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东 东营 257000)

液压油管钳是油气田钻修井作业中用来上卸油管扣的一种专用工具[1]。在20世纪70年代中期以前，油田的钻修井工人对油管等管柱的上卸扣通常使用的是手动管钳，作业效率低。为加快钻井速度，我国各石油机械研究单位在参照苏联和美国等国家所研制的液压大钳的基础上，设计并制造出适用于不同管径和井深的液压大钳[2]。目前钻修井作业中普遍采用的是半自动化上卸扣装置——动力大(吊)钳，动力大钳与吊钳相同，都是将其吊挂在井架上，钻修井作业现场使用最多的是液压动力大钳[3]。修井作业使用的液压油管钳主钳通过液压马达驱动大齿轮，利用离心力将牙块甩出夹紧油管，旋转上卸扣油管，背钳通过齿条驱动大齿轮，利用离心力将牙块甩出夹紧油管接箍。上卸扣完毕后，液压钳需在牙块回位后才能退回原位，主钳牙块在液压马达带动与离心力作用下回位，而背钳由于夹卡接箍较紧，且液压驱动齿条的行程较短，背钳牙块很难顺利回位，现场小修作业中，一般通过人工晃动液压钳，通过背钳牙块与油管的撞击，迫使油管的背钳牙块回位。由于野外修井作业环境恶劣，上卸扣作业操作频繁且不灵活，降低了上卸扣作业效率和安全性，且工人劳动强度大，易发生意外事故，如钳工手指容易被夹断等，因此为降低工人的劳动强度，改善工作环境，增加工作的安全性，需对修井井口作业的液压钳自动上卸扣装置进行研究。

1 液压钳自动上卸扣技术设计

1.1 液压钳上卸扣优化设计

为实现油管上卸扣的机械化操作，将液压钳固定到平台上，对其上卸扣装置进行优化设计[4-6]，并设计了液压钳运行轨道，使液压钳沿运行轨道运动，如图1所示。

1—液压钳;2—液压钳安装板;3—运行轨道;4—推拉液压缸;5—基座

由于液压钳被完全固定在平台上，液压钳背钳牙块无法与油管产生撞击，因此就会出现背钳牙块无法回位的情况，影响现场施工。为解决这一问题，本文设计了液压夹紧式背钳，采用液压缸带动牙块运动，实现夹紧、松开油管的目的，液压夹紧式背钳的结构如图2所示。

1—夹紧液压缸;2—牙块

为了使主钳顺利上扣，并为主钳提供反扭矩，将液压夹紧式背钳的牙块设计成平行油管轴线方向的竖牙，从而更好地为夹紧油管提供反扭矩。背钳夹卡好油管后，牙块端部与油管之间出现微变形，油管与牙块之间会出现挤压现象，此时油管的受力变形放大图如图3所示(该图只是为了进行夹卡力计算将其放大，实际上牙块与油管之间的变形为弹性变形，牙块松开后变形恢复，油管没有损伤)。图中：F为油管受到牙块的挤压力，F1为牙块卡牙与油管接触处F垂直于卡牙接触面的分力，F′为油管受到主钳的扭矩等效力。

1—牙块;2—油管

已知牙块卡牙的锥角为90°，半角为45°，XQ89/3YJ型液压油管钳[6]的最大扭矩为3.6kN·m，背钳夹卡油管接箍最大外径为107.95mm，则所需液压油缸的最小推力公式如下：

F1d=Fsin45°≥M

(1)

式中：M为主钳的最大扭矩，M=3.6kN·m；d为油管接箍外径，d=107.95mm。由此可计算出所需液压油缸的轴向液压推力为F≥47.17kN。

活塞杆的最小直径计算公式如下：

(2)

式中：d1为活塞杆直径，mm；[σ]为活塞杆材料的许用应力。活塞杆采用35CrMo，其屈服强度为490MPa,安全系数选为3，则[σ]=163MPa。将各数值代入式(2)求得d1>19mm，取活塞杆直径d1=40mm。活塞直径计算公式如下：

(3)

式中：P为液压系统的最高压力，P=10MPa；D为卡瓦气缸体的活塞直径，mm。通过计算可得D=77mm。为确保牙块卡紧油管，取活塞直径为100mm。

1.2 液压钳运行轨道设计

为了实现液压钳的机械化推拉，将液压钳安装在液压钳推拉装置上，液压钳推拉装置安装在井口平台上，位于拆卸油管时油管吊卡活门开口的一侧，液压钳安装在一个装有滚轮的安装板上，安装板可在推拉液压缸的下沿运行轨道运动，从而将液压钳推拉至井口进行上卸扣操作，拆卸油管时，液压钳退回，实现作业让位，液压钳推拉装置[7-8]如图4所示。

1—底部支撑;2—竖支撑;3—安装板;4—运行轨道;5—横梁

推拉装置主要由基座、安装板等组成，安装板通过滚轮在基座的运行轨道上运动，基座由竖支撑、底部支撑、横梁、运行轨道等组成，之间通过焊接连接起来，在连接处无相对转动。安装板：钢板，尺寸1 000mm×525mm×20mm。竖支撑：矩形管，尺寸60mm×40mm×5mm。运行轨道：槽钢，尺寸100mm×48mm×5.3mm。底部支撑：方管，尺寸60mm×60mm×5mm。横梁：方管，尺寸60mm×60mm×5mm。

2 液压钳推拉装置强度校核

2.1 液压钳安装板的强度校核

液压钳上卸扣时，液压钳运行至井口并抱住油管，当液压钳安装板最前端与运行轨道最前端距离为490mm时，基座的受力情况最恶劣，因此首先对液压钳安装板进行强度校核，液压钳安装板通过4个轮子安装在基座的轨道内，对4个轮子及液压钳安装位置施加约束，施加的动载荷为液压钳重力的1.5倍，如图5所示。

图5 液压钳安装板约束情况

图6 液压钳安装板应力云图

图6为液压钳安装板的应力云图，由图可以看出，液压钳安装板最大应力为131MPa。液压钳安装板材料为45钢，45钢的屈服应力为353MPa，因此液压钳安装板的强度足够。

2.2 液压钳运行轨道的强度校核

液压钳安装板的4个滚轮在基座的轨道内运动，受力时4个滚轮将作用力传递到轨道上，因此需要对轨道进行应力分析。根据液压钳运动至最前端时安装板的位置计算出此时轨道所受的约束反力，如图7所示。

图7 基座轨道约束情况

图8为基座轨道的应力云图，由图可以看出，轨道所受的最大应力为101.5MPa。轨道的材质为Q235，Q235的屈服应力为235MPa，因此基座轨道的强度足够。

图8 基座轨道的应力云图

3 结束语

本文完成了机械化液压油管钳自动上卸扣装置的总体结构设计，并应用ANSYS软件分析了上卸扣装置液压板和基座轨道所受约束和受力情况，得到液压板和基座轨道的受力云图，根据受力云图可知，其强度均满足要求。经分析可知，该新型机械化液压油管钳自动上卸扣装置结构简单，工作可靠，并能充分利用现有的主要修井设备，推广前景较好。与相关的修井设备相配合，可以实现油田修井作业中液压油管钳上卸扣的自动化。