钻井设备综合试车装置设计与应用

肖红斌 龙耀军 简彩燕

摘要：石油钻机设备一般均具有体积庞大、机型繁杂等特点，目前国内的石油钻机修理厂大都不配备试车装置，钻机设备进行大中修后只能凭检验人员的经验进行检测验收，无法保障修理钻机的最终质量。石油钻机空载运转试验台，采取空载试车形式，以变频调速电动机为动力源，通过变频器调速、万向轴连接到被测试设备。可以对ZJ30、ZJ40、ZJ50、ZJ70等型号钻机的主要运动部件（包括绞车、钻井泵、联动机、并车箱、转盘）进行空载运转测试，对噪声、振动、温度等数据进行采集及分析。具有结构紧凑、操作安全方便、无级变速范围大、数据分析简单可靠等特点。

关键词：钻井设备；试车装置设计；应用

1、必要性分析

钻井生产作为野外作业的一个行业，设备的使用条件比较恶劣，遭受风吹、日晒、雨淋，并且负荷、振动较大，因此，一般的钻井设备的维修周期较短，需要根据使用情况、使用时间、保养情况等对设备进行必要的大中修作业。但由于钻井设备均体积和质量巨大，机型繁杂等特点，如果配备专用的试验设备，钻井设备型号较多，导致投入较大，因此一般的钻井设备机修厂没有试验装置。石油钻机设备修理均采用哪个部件损坏就进行更换，凭经验认为可以，没有必要的试验检测新配件与其他零部件的配合度如何，导致在现场运转时出现轴承温度过高、链条异响等情况的出现，然后再运到修理厂修复，反反复复，浪费了大量的运输和生产成本。

2、设计主要数据分析和确定

2.1总体结构设计分析

根据前期调研和现在钻井设备的特点，可采用调速电机作为动力源，这样就省去了庞大繁杂的变速机构，节省了空间；连接方式为万向轴，因为现在钻井设备大多数动力输出均采用万向轴，采用万向轴通用性较好；电机安装在加工的专用可调式底座上，通过调节底座的高度来实现电机输出轴的中心高，保证电机的中心高同被测试设备的中心高保持一直，从而实现一机多用，满足各种型号钻井设备的测试工作。

2.2主要参数分析及确定

2.2.1 试车装置转速和电机功率计算。

确定试车台实现对大部分大修及中修钻井设备提供第一手的试验运转数据，对轴承温度、设备振动、齿轮链条跳动等进行直观的观察记录，这样就需要对使用单位的钻井设备进行分析。如：30型、40型、50型钻井设备，通过钻井设备大部分的数据采集，可以得出钻井设备的大部分输入转速基本在120rpm至970rpm之间，所以确定调速电机的转速范围在0至1000转之间。

功率最大为F1600钻井泵，功率为1600KW，按照一般设备空转热能损耗的比例在5%至10%之间的比例，因此确定电机功率最大为1600*10%=160KW，并且这样根据转矩=9550*功率/转速的公式得出最大扭矩=9550*160/1000=15.28KN.M。

2.2.2 动力源---调速电机型号的选择。

因电磁调速电机结构简单、价格经济、调速范围广、速度调节平滑、启动力矩大、控制功率小、有速度负反馈等特点，故采用普通电机加电磁滑差离合器的形式，一般为YCT系列，功率范围为10至90KW；选用两种電机功率为45KW、型号：YCT315-4B，转速132rpm---1320rpm和160KW、型号：YVP-355M1-6-160KW，转速为0---1000rpm之间；45KW电机主要应用于设备单轴运转试验或符合较轻的设备，如联动机、减速箱、并车箱单轴、转盘等；160KW电机应用于较大负荷，如绞车、泥浆泵等。

2.2.3 机械结构选择确定。

现在钻井设备一般采用万向轴进行动力传递，如40、50型绞车、F1600（F1300）泥浆泵、并车箱等等，因此该试车装置采用万向轴来进行动力传递，一端与调速电机连接，一端与钻井设备连接盘连接。根据电机扭矩大小，选择合理型号、大小扭矩的万向轴，根据计算得出最大扭矩，选择最大疲劳扭矩为20KN.M的万向轴完全满足要求；选用十字轴可伸缩式万向联轴器，型号为SWC225-BH，因在相同扭矩下重量轻、伸缩调整量大等优点，适合于试车时频繁的调速调整需求。

3、实证应用检测。

通过科学有效的监测仪器，数据采集、前后对比论证，制定严格的设备检测制度，实时监测设备运行过程中的各类参数，对设备空载运行情况进行观察，以尽早发现设备修理更换的零件可能存在的故障，变生产现场补救维修为试验现场发现维修，达到保证设备的良好运行，起到节能增效的目的，这些均是该试验台设计应用的初衷。

3.1、数据检测设备选择

采用红外线测温仪、便携式振动分析仪、便携式噪声测试仪，在钻井设备试运转过程中起到了数据采集的作用。

3.1.1 EL-815便携式噪声测试仪

设备小巧轻便，精确度达到+1.4dB，频率量程 31.5HZ-8KHZ，动态范围50dB，测量范围达到30dB-130dB，液晶屏显示4位数，直观方便，显示更新2次/秒，并具有最大最小值锁定功能，数据采集很方便。

3.1.2 红外线测温仪

是一种非接触式带激光瞄准器的仪器，可以设置最大值、最小值、最大值和最小值之间的差值、平均值、底限报警和高线报警等模式，能够为大部分表面温度提供快速、简洁、准确、无污染的测试，测温范围为-60℃-760℃，最大显示为4位液晶显示，0.1℃的显示分辨率，±1℃的显示精度，适合于目前我陆上石油钻井企业石油钻井设备的监测特点。

3.2、项目实施应用

对结构简单的小型的设备，通常只应用一种监测工具，就可以有效达到预期的目的，而对于大型的结构较为复杂的钻井设备，可以将上述几种监测仪器结合使用，从零件温度、噪声等几个方面来检查维修后设备存在的故障，同样能够取得良好的效果。

首先根据不同设备的结构特点，制定出相应的数据表格，就温度测量而言，试验设备分别在怠速转速（30%转速）、磨合转速（70%转速）、工作转速三种状态下记录不同时间段的温度变化，可以将其实验时间比例分为1：2：5的比例，这样就不会出现大的质量事故，有问题的话就能在低转速下就能及时发现。尤其重点观察工作转速情况下得温度变化值，并做好详细的记录。以时间顺序来记录每次的监测数据。如：大庆Ⅱ型钻机联动机JS1000型减速箱中修试车。首先怠速运行300rpm半小时，没有明显的温度变化和振动，磨合转速700rpm运行1小时后，期间发现轴承座温度有一定升高，但幅度不大，再进行工作转速1000rpm运转，1小时后就发现轴承座外部温度异常，上升较快，达到了80°，果断停车，停止试车，然后逐步检查测量，发现发热轴承的游隙较小，小于允许范围的下偏差，经过对轴承座进行修理后再组装，游隙达到标准，再试车没有发现问题，这样一台JS1000型减速箱完成修理、试车的全部过程，质量达到要求。如果不是在试车时发现了问题，在井场继续使用，势必会导致该轴承温度过高，如不发现及时就会烧毁轴承，甚至导致整根轴报废。再如：45绞车大修试车。输入工作转速375rpm，首先运转100rpm20分钟，出现摩擦声响，观察后得出护罩变形导致，校正后解决，运转200rpm，润滑油泵供油，发现有一个润滑喷油嘴喷油小，经停机检查，是油嘴堵塞，更换后解决，运转375rpm四小时，未发现其它异常，试车完毕。

总之，依据设备运行过程中的温度、转速、振动等变化，及时、准确掌握设备运行参数，掌握设备的状况，通过一些列统计表格和分析，对一台设备不同转速的运行状态对比，分析设备性能以及可能存在的问题，对有故障先兆的设备及时查找原因。通过建立设备试车参数数据库，可以更加提高试车的精准度，以后只要对比以往的试车数据即可判断设备修理的质量。

4、预期效果与认识

钻井设备大修的试车台主要是针对设备在故障发生的预测，经过多台次、各种型号钻井设备（包括绞车、泥浆泵、联动机）的试车试验证明，在设备到达井场前能及早发现处理隐患及时修理，减少设备相关部件的损害提高设备可靠性；充分发挥设备的使用性能，避免因设备故障导致生产停工而造成经济损失，节约运输、维修材料费用、节约工人的维修时间、降低了工人的劳动强度、减少设备的返修时间，具有很好的经济效益和社会效益。