一种轨道式铁钻工的研制*

蒲亚昭，赵 珑，邹 斌

(兰州兰石石油装备工程股份有限公司，甘肃 兰州 730300)

铁钻工是现代钻井作业过程中必不可少的自动化设备之一，主要用于钻杆、钻铤、井下工具等钻具上扣、卸扣和紧扣、冲口的连续作业，替代液压大钳，降低劳动强度，提高生产效率和安全性，也是目前最先进的管具上卸扣工具[1-2]。欧美国家技术成熟，以NOV、HAWK为代表，产品种类繁多；国内陆地伸缩臂式铁钻工技术比较成熟，海洋平台轨道式铁钻工起步较晚，基本依靠进口，制约因素多，维护保养成本高，国内仅宝鸡石油机械有限公司为海洋钻井平台生产过一台[3-4]。

针对海洋钻井平台的使用要求，研制生产的新型轨道式铁钻工可满足2-7/8″～9-3/4″范围内钻具的使用，其采用轨道移动方式，铁钻工由液压马达驱动在2条10 m的齿型轨道上行走，每根轨道由3段拼接而成，可单独拆换，便于维修更换。对比伸缩式铁钻工具有移动距离远、设备刚性强、自动化集成度高、使用范围广等优势。铁钻工具有无线遥控模式和本地操作箱控制模式，同时设备本地备有液压手柄，用于维修或应急操作。力矩钳、行走机构、升降油缸均安装有传感器，定位精准。上卸扣扭矩为数字化设定和显示，可实现精确的扭矩控制，夹持力可调，最大程度保护钻具螺纹。旋扣钳具备独立升降功能，使设备可以处理某些特殊工具[5]。铁钻工自动模式操作简单，PLC程序控制，安全可靠，具有一键上扣、卸扣功能，作业时间小于25 s，可实现往返停机位置、工作待机位置、井口工作位置的功能，能够远距离遥控操作铁钻工进行作业，使操作人员远离井口危险区域。同时也解决了平台长期依赖进口、维护保养成本高、备件采购周期长等问题，实现了国产设备完全替代进口，具有广阔的市场前景。

1 轨道式铁钻工设计方案及实施

1.1 轨道式铁钻工主要技术参数

图1所示为轨道式铁钻工总体结构图。轨道式铁钻工主要由液压移动升降车、力矩钳、旋扣器、扶正器、旋扣器升降装置、接头探测器、电气控制系统、液压控制系统等组成，结构紧凑，能够完成液压升降车行走、液压升降车升降、旋扣器升降、旋扣器夹紧、旋扣、力矩钳夹紧、力矩钳冲卸扣等一系列动作，具有本地控制和远程遥控器控制功能，操作面板上有远程和本地切换按键，可实现快速转换，铁钻工本体及遥控器上均设有紧急停机按键，按下该按键，液压系统仍然保持压力。兰州兰石石油装备工程股份有限公司(以下简称“兰石”)轨道式铁钻工主要技术参数见表1。

序号技术参数参数值1钻具范围2-7/8″～9-3/4″2最大卸扣扭矩162 000 N·m(120 000 lbf·ft)3最大旋扣扭矩4 060 N·m(2 900 lbf·ft)4旋扣转速100 r/min5轨道宽度及长度1.44 m,10 m6上卸扣角度35°(±17.5°)7上卸扣扭矩调节可设定、调节上、卸扣扭矩8旋扣器升降行程850 mm9滑架升降行程900 mm10控制方式本地控制+远程遥控11外形尺寸及质量1 700 mm×1 900 mm×2 700 mm,8 000 kg12使用环境潮湿、盐雾环境

1.2 轨道式铁钻工主要结构

1.2.1 铁钻工液压移动升降车

图2所示为液压移动升降车结构图。液压移动升降车用于实现铁钻工的水平移动和整体高度的升降调节，由2个液压马达驱动铁钻工在轨道上前后移动，同时检测装置的位移传感器检测移动距离，2个升降液压缸实现铁钻工高度的升降，升降行程为900 mm，液压缸内置高精度位置控制传感器控制升降高度，同时在架体极限位置安装接近开关进行双重保护。

1.2.2 铁钻工旋扣器

图3所示为旋扣器结构图。旋扣器升降装置由升降液压缸提供动力，调节旋扣器的升降高度，升降行程为850 mm，液压缸内置位置控制传感器，蓄能器与液压缸相联，保证旋扣器工作时始终处于浮动状态，跟随钻具上下运动。旋扣器用于自动旋入或旋出钻具作业，由4个液压马达，4个滚轮及支架，左、右滑架，左、右小臂，吊架、夹紧缸、阀块等组成，阀块控制背部夹紧缸伸出，推动左、右滑架，左、右小臂夹紧钻具，4个液压马达带动滚轮旋转，利用摩擦力驱动钻具的旋入和旋出。

1.2.3 铁钻工力矩钳

图4所示为力矩钳结构图。力矩钳有2个功能：一是夹紧，二是旋转。首先底部传感器检测钻具到位后，上、下层钳的6个夹紧液压缸伸出驱动牙板夹紧钻具，其次是两侧冲扣液压缸一推一拉，上层钳旋转，使钻具绕着自身中心做回转，上部检测装置检测旋转位置，完成钻具接头的紧扣、卸扣工作，液压阀组及2个液压同步马达保证上下层钳各自液压缸的同步性，利用储能增压结构，保证上卸扣时扭矩需要。

2 轨道式铁钻工液压系统和电气控制系统

2.1 铁钻工液压系统

液压系统分为液压传动系统和液压控制系统。液压传动系统用于传递动力和运动，控制系统主要是控制各种阀件的开闭，实现需要的流量和压力。液压缸传动的有夹紧液压缸和升降液压缸，实现夹紧和高度的升降功能，马达传动的有旋扣钳旋转和小车行走。旋扣器随动液压系统由随动液压缸和蓄能器组成，蓄能器与液压缸的无杆腔之间并联连接，当钻具接头旋入时，液压缸无杆腔的油液挤压到蓄能器内，当钻具接头旋出时，蓄能器内的油液排向液压缸无杆腔，保证旋扣时旋扣器始终处于浮动状态，跟随钻具上下运动。力矩钳液压系统增压后最高可增压至52 MPa，对液压缸、管线等要求较高。图5所示为旋扣钳液压原理图。

2.2 铁钻工电气控制系统

电气控制系统采用PLC进行控制，控制对象为电磁换向阀、比例溢流阀、负载敏感比例多路阀、传感器等，传感器有接近开关、编码器、压力传感器，可实现行铁钻工行走位移检测、升降位移检测、旋扣钳升降位移检测、力矩钳加紧压力检测、冲卸口力矩检测，冲卸扣力矩在零至最大范围内无级可调。图6所示为无线控制器。

3 轨道式铁钻工主要件仿真计算

图7所示为应力分析图，其中图7a为旋扣器主体结构装配体的分析结果，最大应力为116.94 MPa；图7b为左、右支座的分析结果，最大应力为19.7 MPa；图7c为夹紧臂的分析结果，最大应力为116.94 MPa；图7d为支架的分析结果，最大应力为60.1 MPa。选用常用的Q355D钢板焊接而成，屈服极限为355 MPa，满足设计要求。

a)旋扣器主体结构装配体 b)左、右支座

4 轨道式铁钻工的研制使用情况

铁钻工在厂内进行了大量的试验测试整改优化，各机构在控制元件控制下按照设计的运动轨迹运行，运行快速平稳，状态良好，通过专家、客户现场验收后运往南海五平台使用，目前已顺利完成3口井作业，满足海洋平台钻井作业要求，完全替代进口。图8所示为海洋平台作业中的兰石铁钻工。

5 结语

通过对轨道式铁钻工的总体结构设计、性能参数、各部件构成、工作原理、液压系统、电气系统、仿真计算等阐述，结合现场使用，证明该轨道式铁钻工性能良好，结构紧凑，同时也解决了平台长期依赖进口，维护保养成本高，备件采购周期长等问题。

兰石国内首台最大扭矩162 kN·m轨道式铁钻工的研制成功，具有良好的社会效益和广阔的市场前景，为进一步拓展海工装备市场奠定了基础。