HXJ135DB海洋修井机钩载能力分析及改造设计

陈俊，丁辉，张超



HXJ135DB海洋修井机钩载能力分析及改造设计

陈俊1，丁辉1，张超2

（1.中海油服油田生产事业部，天津 300452；2.中海油天津分公司，天津 300452）

HXJ135DB海洋修井机在正常作业工况下，无法达到额定钩载能力的要求，给交流变频电机的正常使用和修井作业带来了一定的隐患风险。通过对修井机装机功率、绞车输入功率、传动比及传动效率等几个方面进行分析，提出了改变绞车传动比的改造设计。现场改造应用结果表明，本次改造设计虽降低了绞车的提升速率，但满足了提升能力的要求，设备运行可靠，满足了作业要求。

海洋修井机；交流变频电机；绞车；额定钩载

近年来，中海油渤海油田新建了数台交流变频HXJ135DB海洋修井机，在解封、提钻作业过程中，当交流变频电机处于额定功率600 kW时，绞车的提升钩载仅能达到901 kN，提升钩载0.49 m/s，无法达到HXJ135海洋修井机额定钩载1000 kN的设计规范要求[1]，给交流变频电机的正常使用和修井作业带来了一定的隐患风险。

为了解决上述问题，通过对HXJ135DB海洋修井机装机功率、绞车输入功率、传动比及传动效率等几个方面进行计算分析，并结合HXJ135DB海洋修井机的现场情况，提出了改变绞车传动比的改造设计。2016年8月～2017年4月，先后对中海油渤海油田3台HXJ135DB海洋修井机钩载能力进行了提升改造，当交流变频电机处于额定功率600 kW时，绞车的提升钩载达到1088 kN、0.4 m/s，一方面满足了设计规范和现场作业工况的要求，另一方面确保了HXJ135DB海洋修井机交流变频电机正常使用。

1 HXJ135DB海洋修井机

1.1 基本参数

海洋修井机：HXJ135DB

交流变频电机：YJ23F9/600 kW（山西永济）

绞车：HJC20DB

转盘：ZP275

游车大钩：YG135

最大钩载：1350 kN

游动系统：4×5

1.2 结构原理

HXJ135DB海洋修井机绞车和转盘共用一台600 kW交流变频电机驱动，通过降距分动箱、传动轴、角传动箱、绞车链条箱将动力传递给绞车，通过降距分动箱、传动轴将扭矩传递给转盘[2]。降距分动箱仅可通过换挡齿轮实现转盘的正反转功能，无换挡功能。HXJ135DB海洋修井机传动系统如图1所示。

图1 HXJ135DB海洋修井机传动系统

1.3 存在的主要问题

根据油井深度和钻具重量，在常规作业过程中，HXJ135DB海洋修井机连续作业的提升吨位一般在800～900 kN之间，如需处理特殊工况作业时，连续作业的提升吨位将达到950～1000 kN，此时电机将处于过载运行，如按处理卡堵事故要求的最大钩载1350 kN时，电机将处于1.5倍的过载运行。

如交流变频电机一直处于过载或短时间过载频次较多，将会大大降低交流变频电机的使用寿命，甚至会导致交流变频电机的直接损坏。交流变频电机在额定载荷运行时，电机的发热量与散热量达到平衡，绕组温度稳定。在过载情况下，电机损耗增加主要表现为定子和转子的铜耗增加，一般认为，增加的热损耗全部用于铜耗的增加，即：

式中：为额定电流，＝714 A；R为额定电阻，Ω；1为过载电流，A；max为过载最大电阻，Ω；为绕组比热容，＝418 J/(kg·K)；为绕组比铜的质量，＝178 kg；Δ为温升，K；为过载时间，s。

YJ23F9交流变频电机允许达到的极限温度为180℃，当过载1.15（690 kW）时，能连续作业时间为5 min，当过载1.5（900 kW）时，能连续作业时间为1.5 min，因此，电机仅能满足短时间的作业，无法满足额定钩载工况要求。

2 钩载能力分析

2.1 绞车装机功率校核

HXJ135DB海洋修井机最大设计钩载max＝1350 kN，额定钩载额＝1000 kN，游车大钩最大钩速空＝1.5 m/s（空载）。YJ23F9交流变频电机的额定功率额＝600 kW，额定转速额＝660 r/min，恒功率最高转速额＝1060 r/min，额定转矩额＝8670 N·m，恒功率调速范围＝1.6，电机效率＝0.95。

HXJ135DB海洋修井机钩载储备系数为：

K＝max/额＝1.35 （2）

在提起最大井下管柱重量时，交流变频电机的最大扭矩[3]为：

max＝额K/空＝7412.8 N·m （3）

提起最大井下管柱重量所用的扭矩max小于额，因此，绞车的输入功率满足设计使用要求。

2.2 绞车额定钩载计算分析

HJC20DB绞车主滚筒的直径0为520 mm，钢丝绳的直径为26 mm，主滚筒第二层钢丝绳的平均直径平为592.8 mm。绞车传动比、传动效率如表1所示。

表1 绞车传动比、传动效率

绞车传动效率为：

绞车额定钩载能力为：

＝8×2×额绞游/平＝870 kN （5）

从式（5）可知：海洋修井机额定钩载能力受交流变频电机额定扭矩、绞车传动比、绞车主滚筒直径及传动效率等影响。

3 改造设计及应用

3.1 改造设计

从影响海洋修井机绞车额定钩载能力各因素分析，结合HXJ135DB海洋修井机现场实际情况，遵循改造节约、便捷、操作等原则，确定采用增大绞车传动比的设计方案，从而提升海洋修井机额定钩载能力。

将绞车传动系统的角传动箱输出端链轮从23齿减少为19齿，因此链条箱的传动比从2.87增加到3.47，绞车传动系统的传动比将增加至6.35，改造之后的绞车理论钩载提升能力如表2所示。

表2 绞车理论钩载提升能力

当交流变频电机达到额定扭矩输出时，绞车额定钩载将达到1050 kN，游车大钩的速度0.4 m/s。由于绞车传动系统的传动比增大，游车大钩在空载状态下的最大钩速从1.5 m/s减小至1.21 m/s。

3.2 现场应用

根据改造设计方案，先后对中海油渤海湾BZ35-2A/B&29-4C平台HXJ35DB海洋修井机绞车传动系统进行了改造，现场更换了海洋修井机角传动箱输出链轮、输入万向轴，并微调了角传动箱的位置和绞车链条的松紧度。

改造后的海洋修井机三种工况下的钩载能力测试结果如表3所示，实际测试值与理论值基本吻合，测试过程中，绞车传动系统无异响，各点轴承温升正常。

表3 改造后的海洋修井机钩载能力测试结果

2017年3月，BZ35-2A平台在进行大修作业时，HXJ135DB海洋修井机最大上提钩载达到1092 kN，满足现场作业要求。

4 结论

（1）以解决问题为出发点，分析海洋修井机HXJ135DB钩载能力的影响因素，优化改造设计方案，采用增加绞车传动比方式提升海洋修井机的额定钩载能力，满足现场使用的要求。

（2）交流变频海洋修井机的恒功率调速范围虽然很宽，但为了提高海洋修井机的动力利用率、加速起下钻及作业机动性，建议交流变频海洋修井机绞车应至少设置高速和低速两个档位。

（3）海洋修井机以最大钩载为型名，其钩载储备系数K＝1.2～1.6，鉴于API规定钩载储备系数K≥2，建议在海洋修井机标准修订或建造设计时，适当提高钩载储备系数和最大钩载能力[3]。

[1]SY/T6803-2010海洋修井机[S].

[2]HXJ135DB海洋修井机操作使用说明书[Z]. 四川宏华石油设备有限公司，2015.

[3]陈如恒. 钻机修井机设计使用中几个容易混淆的问题[J]. 石油矿场机械，2005（6）：1.

Analysis and Design of the Rated Hook Load Capacity of the HXJ135DB Offshore Workover Rig

CHEN Jun1，DING Hui2，ZHANG Chao2

(1.COSL Production Optimization, Tianjin 300452, China; 2.CNOOC Tianjin Branch, Tianjin 300452, China )

Under normal operating conditions, The HXJ135DB offshore work over rig can not meet the rated hook load capacity, which brings risks for the normal operation of ac frequency converter motor and the operation of work over. Through the analysis of the installed power, draw work input power, transmission ratio and transmission efficiency and so on, proposed to the transformation mode of the increase transmission ratio of the draw work. Through the results of the application, the modified design has reduced the hoisting speed of draw work, but it has satisfied the requirement of lifting capacity, the equipment is reliable and satisfied the operation requirement.

offshore workover rig；AC variable-frequency motor；draw work；rated hook load

TE935

B

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.11.017

1006－0316 (2018) 11－0068－04

2018－01－08

陈俊（1982－），男，天津塘沽人，本科，工程师，主要从事海洋钻（修）机装备运维及管理工作。