海洋钻井平台折臂起重机设计
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2009 年 第 38 卷 第11 期 第 28 页
石油矿场机械 OIL FIELD EQUIPMENT
# 设计计算 #
文章编号: 1001- 3482( 2009) 11- 0028- 04
2009, 38( 11) : 28~ 31
海洋钻井平台折臂起重机设计
崔学政, 张富强, 肖文生, 刘文庆, 董 磊
钻杆起重, 具有结构紧凑、操作灵活可靠、覆盖空间范围大等优点, 适合深水半潜式钻井平台及钻井
船甲板钻杆自动抓放操作。
Байду номын сангаас
关键词: 钻井平台; 折臂起重机; 机械结构; 液压系统
中图分类号: T E951
文献标识码: A
Design for Foldable Boom Crane of Drilling Platform
4 结语
论述了折臂起重机总体方案, 进行了基本机械 结构设计, 绘制了液压系统原理图。液压系统采用
2009 年 第 38 卷 第11 期 第 31 页
石油矿场机械 OIL FIELD EQUIPMENT
文章编号: 1001- 3482( 2009) 11- 0031- 03
2009, 38( 11) : 31~ 33
图 3 液压系统原理
图 4 工作介质在系统中的运行路径
2 个电磁溢流阀用来控制 系统的压力和卸荷, 具有安全阀的作用。对于末端夹持器回转马达、末 端夹持器摆动液压缸、末端夹持器手爪液压缸及伸 缩臂液压缸, 由于所需流量小, 采用三位四通电磁换 向阀便可换向。对于变幅液压缸、折臂液压缸及折 臂起重机回转机构马达, 由于所需流量较大, 采用三 位四通电液换向阀换向。
1 ) 基座; 2 ) 回转机构; 3 ) 变幅液压缸; 4 ) 旋转塔身; 5 ) 主臂; 6 ) 折臂液压缸; 7 ) 折臂; 8 ) 伸缩臂; 9 ) 末端夹持器摆动液压缸;
10) 末端夹持器 图 1 折臂起重机
安装在主臂与旋转塔身之间的变幅液压缸可实 现主臂的仰俯动作。折臂液压缸安装在主臂与折臂
2 主要参数
安全工作载荷 最大工作半径 最小工作半径 回转速度 回转范围 起升高度 伸缩臂伸缩尺寸
35 000 kN 23 m
21 66 m 0~ 11 85 r/ m in
0~ 360b 23. 96 m 0~ 2 m
# 30 #
石油矿场机械
2009 年 11 月
最大允许倾角( 横/ 纵)
5b/ 2b
是钻杆自动排放系统的一个重要组成部分, 主要用 于甲板上钻杆的自动抓取与传送。钻井前各类钻杆 单根排放于甲板排管架上, 折臂起重机也固定于甲 板靠近排管架处, 可将钻杆从排管架自动抓送到钻 杆输送机上, 钻杆输送机再将钻杆传送到钻台前, 以 便进行后续钻井作业, 或者反向操作, 将钻杆从输送 机自动夹送到排管架上。
25) 末端夹持器摆动液压缸; 27 ) 叠加式单向阀; 28) 末端夹持器手爪液压 缸; 29、32、40 ) 电液换向阀; 30、33、34、37 ) 限速阀; 31) 变幅液压缸; 35 ) 折臂液压缸; 38 ) 伸缩臂液压缸; 41 ) 梭阀; 43) 折臂起重机回转机构马达; 44) 单向节流阀; 45 ) 制动器液压缸; 47) 电磁换向阀
主臂尺寸
13. 75 m
主臂摆角
0b [ H[ 60b
折臂尺寸
91 8 m
折臂摆角
- 60b [ H2 [ 30b
夹持管材外径 «60. 3~ «508 mm( 2$3 ~ 20 in)
3 液压系统
折臂起重机工作过程中要求多个执行机构同时 动作, 例如在折臂起重机回转的同时, 末端夹持器同 时调整等。各机构的动作要协调一致, 变化要平稳, 为此每个液压回路应采用 1 个液压泵单独供油, 但 由于液压回路较多, 且安装位置有限, 同时为了简化 液压系统和降低成本, 折臂起重机采用双泵双回路 系统, 将经常同时动作的机构的液压驱动元件分别 安排不同的液压泵 驱动。液压 系统的工作压 力为 20 MP a, 原理如图 3 所示。液压系统采用开式循环 方式, 工作介质在系统中的运行路径如图 4 所示。
钻杆自动排放系统可由一人遥控操作, 避免人
收稿日期: 2009- 05- 08 基金项目: 国家高技术研究发展计划( 863 计划) / 深水半潜式钻井船 设计与建造关键技术0 ( 2006AA 09A 104) 部分成果 作者简介: 崔学政( 1961- ) , 男, 山东安丘人, 教授, 工学硕士, 主要从事机械设计及理论、石油机械设 计教学与科 研工作, E-
为防止液压马达在换向制动时产生冲击, 在 2 个液压马达的回路中安装 2 个缓冲压差溢流阀, 并 具有一定补油作用。为防止重力超速, 在变幅、折臂 及伸缩臂液压回路中安装 4 个限速阀。在末端夹持 器夹紧液压回路中安装由叠加式单向阀组成的液压 锁, 防止由于液压回路泄 漏致使夹持器手 爪松动。 为保持末端夹持器的左右摆动液压缸同步伸缩, 设 计了液压整流板及相应调速阀。为保证折臂起重机 回转机构马达启动平稳, 制动迅速, 其制动缸的控制 使用了由梭阀、单向节流阀、电磁换向 阀组成的阀 组。制动时, 梭阀输出端截止, 电磁换向阀右位, 制 动缸在弹簧压力下迅速锁住马达轴。马达启动时, 梭阀输出端导通, 电磁换向阀左位, 油液通过单向节 流阀推开制动缸。
由于大型工程机械在变幅等作业过程中液压冲 击严重, 一般采用手动调速、变量泵供油控制变速, 但效果不太理想。为解决这个问题, 利用定量泵, 采 用电液比例调速阀进行调速。由控制系统发出信号 控制电液比例调速阀, 逐渐加大或减小流量, 使速度 平稳, 减小液压冲击, 降低惯性力。为使变速更加平 稳, 将电液比例调速阀安装在回油路上。
( 中国石油大学( 华东) 机电工程学院, 山东 东营 257061)
摘要: 钻杆自动排放对提高海上石油钻井作业安全性及降低作业成本有重要作用, 甲板钻杆起重是
海洋钻井平台钻杆自动排放的首道工序。介绍了所设计的折臂起重机总体机械结构组成、工作原
理、主要技术参数和液压系统原理, 并对该液压系统特点进行了分析。设计的折臂起重机用于甲板
Abstract: Aut omat ed pipe racking syst em plays a very im por tant role in improv ing safet y and co st cut ting of marine drilling, among t hese, pipe host ing on deck is t he f ir st procedur e in aut omat ed pipe racking operation of dr illing plat fo rm. In t his paper, t he g eneral mechanical st ruct ur e design for knuckle boo m crane of drilling plat f orm is pr ovided, w orking principle and main paramet ers of the m echanism are intro duced, hydraulic sy st em char t of t he mechanism is present ed and char act erist ics o f the hy draulic system are discussed. T he knuckle boom crane prov ided has m any adv ant ages like compact st ruct ur e, reliable o perat io n, and larg er w or king range and so on, can be used o n sem-i subm ersible drilling plat fo rm or drilling ship f or pipe host ing operat ion. Key words: drilling plat f orm ; knuckle boom crane; mechanical st ruct ure; hydraulic system
CU I Xue- zheng , Z H ANG Fu- qiang, XIAO Wen- sheng, L IU Wen- qing , DONG Lei
( Co llege of M echanical and Electronic Eng ineer ing , China Univer sity of P etr oleum , D ongy ing 257061, China)
1) 冷却器; 2、5、6 ) 过滤器; 3、12) 电磁 溢流阀; 4 ) 电动机; 7 ) 液压泵; 8、13) 截止阀; 9、14 ) 压力计; 10、11) 单向阀; 15 ) 回转接头; 16、39、46) 电液比例调速阀; 17、20、26、36 ) 电磁换向阀; 18、42 ) 缓冲压差溢流阀; 19) 末端夹持器回转马达; 21、22) 整流板; 23、24 ) 调速阀;
井下泥浆涡轮设计及性能分析
张师帅, 仇生生, 韩 培
1 ) 上回转平台; 2 ) 回转支承及连接螺栓; 3 ) 拉杆; 4 ) 支架; 5、10 ) 液压缸; 6、9 ) 连杆; 7、8 ) 手爪; 11) 下回转 平台; 12 ) 液压马达及小齿轮 图 2 末端夹持器
末端夹持器摆动液压缸安装在伸缩臂与末端夹 持器回转机构之间, 在起重机工作过程中, 通过实时 控制末端夹持器摆动液压缸来实现末端夹持器及所
mail: cuix z@ hdpu. edu. cn。
第 38 卷 第 11 期
崔学政, 等: 海洋钻井平台折臂起重机设计
# 29 #
与钻杆的直接接触, 加快了起下钻速度, 对提高海上 钻井作业安全性和降低作业成 本将会发挥重 要作 用。随着对深水及超深水海域的钻探开发, 越来越 多的钻杆自动排放系统逐步应用于半潜式钻井平台 及钻井船[ 1-3] 。
夹持钻杆始终处于竖直状态。末端夹持器与其回转 机构通过螺栓刚性联接, 末端夹持器回转机构的内 部结构与塔身回转机构类似, 通过末端夹持器回转 机构的旋转可实现所夹持的钻杆在水平面内的方位 调整, 末端夹持器下部设计一个两端有手爪的机械 手, 通过液压控制手爪开合来抓取钻杆。通过更换 不同尺寸手爪可分别操作不同尺寸的钻杆、钻铤或 套管。
自动化钻井是 20 世纪 90 年代发展起来的一项 前沿钻井技术, 是目前海洋钻井技术的主要发展方 向。自动化钻井主要包括井下闭环钻井技术、钻井 平台作业设备自动化、钻井专家系统等。钻井平台 作业自动化操作的关键部分是各类管子( 包括钻杆、 钻铤和套管, 以下统称为钻杆) 的自动排放系统, 完 整的钻杆自动排放系统可以实现钻杆从甲板到井口 到立根盒之间的钻杆往复自动化排放。折臂起重机
之间, 可实现折臂的仰俯动作。伸缩液压缸安装于 折臂内, 可带动伸缩臂沿折臂轴线方向伸缩。通过 变幅液压缸、折臂液压缸、伸缩液压缸的组合运动, 可实现起重机的前后与高度调整。
1 机械结构[ 4]
折臂起重机是海洋钻井平台钻杆自动排放系统 的重要部件, 用于在甲板上抓取和排放钻杆, 主要由 回转机构、变幅机构、折臂机构、伸缩机构和末端夹 持器等组成, 如图 1 所示, 末端夹持器结构如图 2 所 示。基座安装于甲板平台上, 塔身回转机构内设有 回转支承, 回转支承内圈与其上部的旋转塔身、支承 外圈与其下部的基座分别用高强度螺栓连接。回转 支承由经过淬火处理的内、外滚道和交叉安装的滚 柱体组成, 可承受折臂起重机工作时产生的垂向力、 水平力以及倾覆力矩。回转内圈是一个大齿圈, 加 工有内齿。塔身回转机构采用高速轴向柱塞液马达 驱动, 经大传动比行星减速器减速后通过小齿轮驱 动大齿圈回转。由于回转机构采用内啮合式, 使得 结构紧凑。回转机构能使被起吊的钻杆绕起重机的 回转中心作 360b旋转运动, 实现钻杆在水平面内的 搬运。
石油矿场机械 OIL FIELD EQUIPMENT
# 设计计算 #
文章编号: 1001- 3482( 2009) 11- 0028- 04
2009, 38( 11) : 28~ 31
海洋钻井平台折臂起重机设计
崔学政, 张富强, 肖文生, 刘文庆, 董 磊
钻杆起重, 具有结构紧凑、操作灵活可靠、覆盖空间范围大等优点, 适合深水半潜式钻井平台及钻井
船甲板钻杆自动抓放操作。
Байду номын сангаас
关键词: 钻井平台; 折臂起重机; 机械结构; 液压系统
中图分类号: T E951
文献标识码: A
Design for Foldable Boom Crane of Drilling Platform
4 结语
论述了折臂起重机总体方案, 进行了基本机械 结构设计, 绘制了液压系统原理图。液压系统采用
2009 年 第 38 卷 第11 期 第 31 页
石油矿场机械 OIL FIELD EQUIPMENT
文章编号: 1001- 3482( 2009) 11- 0031- 03
2009, 38( 11) : 31~ 33
图 3 液压系统原理
图 4 工作介质在系统中的运行路径
2 个电磁溢流阀用来控制 系统的压力和卸荷, 具有安全阀的作用。对于末端夹持器回转马达、末 端夹持器摆动液压缸、末端夹持器手爪液压缸及伸 缩臂液压缸, 由于所需流量小, 采用三位四通电磁换 向阀便可换向。对于变幅液压缸、折臂液压缸及折 臂起重机回转机构马达, 由于所需流量较大, 采用三 位四通电液换向阀换向。
1 ) 基座; 2 ) 回转机构; 3 ) 变幅液压缸; 4 ) 旋转塔身; 5 ) 主臂; 6 ) 折臂液压缸; 7 ) 折臂; 8 ) 伸缩臂; 9 ) 末端夹持器摆动液压缸;
10) 末端夹持器 图 1 折臂起重机
安装在主臂与旋转塔身之间的变幅液压缸可实 现主臂的仰俯动作。折臂液压缸安装在主臂与折臂
2 主要参数
安全工作载荷 最大工作半径 最小工作半径 回转速度 回转范围 起升高度 伸缩臂伸缩尺寸
35 000 kN 23 m
21 66 m 0~ 11 85 r/ m in
0~ 360b 23. 96 m 0~ 2 m
# 30 #
石油矿场机械
2009 年 11 月
最大允许倾角( 横/ 纵)
5b/ 2b
是钻杆自动排放系统的一个重要组成部分, 主要用 于甲板上钻杆的自动抓取与传送。钻井前各类钻杆 单根排放于甲板排管架上, 折臂起重机也固定于甲 板靠近排管架处, 可将钻杆从排管架自动抓送到钻 杆输送机上, 钻杆输送机再将钻杆传送到钻台前, 以 便进行后续钻井作业, 或者反向操作, 将钻杆从输送 机自动夹送到排管架上。
25) 末端夹持器摆动液压缸; 27 ) 叠加式单向阀; 28) 末端夹持器手爪液压 缸; 29、32、40 ) 电液换向阀; 30、33、34、37 ) 限速阀; 31) 变幅液压缸; 35 ) 折臂液压缸; 38 ) 伸缩臂液压缸; 41 ) 梭阀; 43) 折臂起重机回转机构马达; 44) 单向节流阀; 45 ) 制动器液压缸; 47) 电磁换向阀
主臂尺寸
13. 75 m
主臂摆角
0b [ H[ 60b
折臂尺寸
91 8 m
折臂摆角
- 60b [ H2 [ 30b
夹持管材外径 «60. 3~ «508 mm( 2$3 ~ 20 in)
3 液压系统
折臂起重机工作过程中要求多个执行机构同时 动作, 例如在折臂起重机回转的同时, 末端夹持器同 时调整等。各机构的动作要协调一致, 变化要平稳, 为此每个液压回路应采用 1 个液压泵单独供油, 但 由于液压回路较多, 且安装位置有限, 同时为了简化 液压系统和降低成本, 折臂起重机采用双泵双回路 系统, 将经常同时动作的机构的液压驱动元件分别 安排不同的液压泵 驱动。液压 系统的工作压 力为 20 MP a, 原理如图 3 所示。液压系统采用开式循环 方式, 工作介质在系统中的运行路径如图 4 所示。
钻杆自动排放系统可由一人遥控操作, 避免人
收稿日期: 2009- 05- 08 基金项目: 国家高技术研究发展计划( 863 计划) / 深水半潜式钻井船 设计与建造关键技术0 ( 2006AA 09A 104) 部分成果 作者简介: 崔学政( 1961- ) , 男, 山东安丘人, 教授, 工学硕士, 主要从事机械设计及理论、石油机械设 计教学与科 研工作, E-
为防止液压马达在换向制动时产生冲击, 在 2 个液压马达的回路中安装 2 个缓冲压差溢流阀, 并 具有一定补油作用。为防止重力超速, 在变幅、折臂 及伸缩臂液压回路中安装 4 个限速阀。在末端夹持 器夹紧液压回路中安装由叠加式单向阀组成的液压 锁, 防止由于液压回路泄 漏致使夹持器手 爪松动。 为保持末端夹持器的左右摆动液压缸同步伸缩, 设 计了液压整流板及相应调速阀。为保证折臂起重机 回转机构马达启动平稳, 制动迅速, 其制动缸的控制 使用了由梭阀、单向节流阀、电磁换向 阀组成的阀 组。制动时, 梭阀输出端截止, 电磁换向阀右位, 制 动缸在弹簧压力下迅速锁住马达轴。马达启动时, 梭阀输出端导通, 电磁换向阀左位, 油液通过单向节 流阀推开制动缸。
由于大型工程机械在变幅等作业过程中液压冲 击严重, 一般采用手动调速、变量泵供油控制变速, 但效果不太理想。为解决这个问题, 利用定量泵, 采 用电液比例调速阀进行调速。由控制系统发出信号 控制电液比例调速阀, 逐渐加大或减小流量, 使速度 平稳, 减小液压冲击, 降低惯性力。为使变速更加平 稳, 将电液比例调速阀安装在回油路上。
( 中国石油大学( 华东) 机电工程学院, 山东 东营 257061)
摘要: 钻杆自动排放对提高海上石油钻井作业安全性及降低作业成本有重要作用, 甲板钻杆起重是
海洋钻井平台钻杆自动排放的首道工序。介绍了所设计的折臂起重机总体机械结构组成、工作原
理、主要技术参数和液压系统原理, 并对该液压系统特点进行了分析。设计的折臂起重机用于甲板
Abstract: Aut omat ed pipe racking syst em plays a very im por tant role in improv ing safet y and co st cut ting of marine drilling, among t hese, pipe host ing on deck is t he f ir st procedur e in aut omat ed pipe racking operation of dr illing plat fo rm. In t his paper, t he g eneral mechanical st ruct ur e design for knuckle boo m crane of drilling plat f orm is pr ovided, w orking principle and main paramet ers of the m echanism are intro duced, hydraulic sy st em char t of t he mechanism is present ed and char act erist ics o f the hy draulic system are discussed. T he knuckle boom crane prov ided has m any adv ant ages like compact st ruct ur e, reliable o perat io n, and larg er w or king range and so on, can be used o n sem-i subm ersible drilling plat fo rm or drilling ship f or pipe host ing operat ion. Key words: drilling plat f orm ; knuckle boom crane; mechanical st ruct ure; hydraulic system
CU I Xue- zheng , Z H ANG Fu- qiang, XIAO Wen- sheng, L IU Wen- qing , DONG Lei
( Co llege of M echanical and Electronic Eng ineer ing , China Univer sity of P etr oleum , D ongy ing 257061, China)
1) 冷却器; 2、5、6 ) 过滤器; 3、12) 电磁 溢流阀; 4 ) 电动机; 7 ) 液压泵; 8、13) 截止阀; 9、14 ) 压力计; 10、11) 单向阀; 15 ) 回转接头; 16、39、46) 电液比例调速阀; 17、20、26、36 ) 电磁换向阀; 18、42 ) 缓冲压差溢流阀; 19) 末端夹持器回转马达; 21、22) 整流板; 23、24 ) 调速阀;
井下泥浆涡轮设计及性能分析
张师帅, 仇生生, 韩 培
1 ) 上回转平台; 2 ) 回转支承及连接螺栓; 3 ) 拉杆; 4 ) 支架; 5、10 ) 液压缸; 6、9 ) 连杆; 7、8 ) 手爪; 11) 下回转 平台; 12 ) 液压马达及小齿轮 图 2 末端夹持器
末端夹持器摆动液压缸安装在伸缩臂与末端夹 持器回转机构之间, 在起重机工作过程中, 通过实时 控制末端夹持器摆动液压缸来实现末端夹持器及所
mail: cuix z@ hdpu. edu. cn。
第 38 卷 第 11 期
崔学政, 等: 海洋钻井平台折臂起重机设计
# 29 #
与钻杆的直接接触, 加快了起下钻速度, 对提高海上 钻井作业安全性和降低作业成 本将会发挥重 要作 用。随着对深水及超深水海域的钻探开发, 越来越 多的钻杆自动排放系统逐步应用于半潜式钻井平台 及钻井船[ 1-3] 。
夹持钻杆始终处于竖直状态。末端夹持器与其回转 机构通过螺栓刚性联接, 末端夹持器回转机构的内 部结构与塔身回转机构类似, 通过末端夹持器回转 机构的旋转可实现所夹持的钻杆在水平面内的方位 调整, 末端夹持器下部设计一个两端有手爪的机械 手, 通过液压控制手爪开合来抓取钻杆。通过更换 不同尺寸手爪可分别操作不同尺寸的钻杆、钻铤或 套管。
自动化钻井是 20 世纪 90 年代发展起来的一项 前沿钻井技术, 是目前海洋钻井技术的主要发展方 向。自动化钻井主要包括井下闭环钻井技术、钻井 平台作业设备自动化、钻井专家系统等。钻井平台 作业自动化操作的关键部分是各类管子( 包括钻杆、 钻铤和套管, 以下统称为钻杆) 的自动排放系统, 完 整的钻杆自动排放系统可以实现钻杆从甲板到井口 到立根盒之间的钻杆往复自动化排放。折臂起重机
之间, 可实现折臂的仰俯动作。伸缩液压缸安装于 折臂内, 可带动伸缩臂沿折臂轴线方向伸缩。通过 变幅液压缸、折臂液压缸、伸缩液压缸的组合运动, 可实现起重机的前后与高度调整。
1 机械结构[ 4]
折臂起重机是海洋钻井平台钻杆自动排放系统 的重要部件, 用于在甲板上抓取和排放钻杆, 主要由 回转机构、变幅机构、折臂机构、伸缩机构和末端夹 持器等组成, 如图 1 所示, 末端夹持器结构如图 2 所 示。基座安装于甲板平台上, 塔身回转机构内设有 回转支承, 回转支承内圈与其上部的旋转塔身、支承 外圈与其下部的基座分别用高强度螺栓连接。回转 支承由经过淬火处理的内、外滚道和交叉安装的滚 柱体组成, 可承受折臂起重机工作时产生的垂向力、 水平力以及倾覆力矩。回转内圈是一个大齿圈, 加 工有内齿。塔身回转机构采用高速轴向柱塞液马达 驱动, 经大传动比行星减速器减速后通过小齿轮驱 动大齿圈回转。由于回转机构采用内啮合式, 使得 结构紧凑。回转机构能使被起吊的钻杆绕起重机的 回转中心作 360b旋转运动, 实现钻杆在水平面内的 搬运。