全自動(dòng)海底油氣管道開(kāi)孔機(jī)的設(shè)計(jì)_圖文

1、 設(shè)計(jì)計(jì)算 收稿日期 :2008212203基金項(xiàng)目 :國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (863計(jì)劃 項(xiàng)目 (2002AA602012 ; 北京市機(jī)械設(shè)計(jì)及理論重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目 作者簡(jiǎn)介 :趙兵杰 (19822 , 男 , 河北石家莊人 , 碩士研究生 , 主要研究方向?yàn)槭蜋C(jī)械及天然氣 (L N G 處理 , E 2mail :zhaob2jie 126. com 。文章編號(hào) :100123482(2009 0720034205全自動(dòng)海底油氣管道開(kāi)孔機(jī)的設(shè)計(jì)趙兵杰 , 趙宏林 , 張 宏 , 丁慶新 , 喻開(kāi)安 , 陳應(yīng)華(中國(guó)石油大學(xué) (北京 機(jī)電工程學(xué)院 , 北京 102249摘要 :為了實(shí)現(xiàn)海

2、底油氣管道快速 、 全自動(dòng)開(kāi)孔維修 , 減少因管道泄漏造成的損失 , 設(shè)計(jì)了全自動(dòng)海底油氣管道開(kāi)孔機(jī) , 不僅能應(yīng)用于水下管道帶壓開(kāi)孔 , 也能應(yīng)用于陸地管道帶壓開(kāi)孔 。 設(shè)計(jì)的開(kāi)孔 機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng) 、 側(cè)標(biāo)尺部件及液壓控制系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的行程全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)孔過(guò)程的快速進(jìn)給 、 工 作進(jìn)給 、 快速回退和停機(jī) , 整個(gè)開(kāi)孔過(guò)程不需要人工干預(yù) , 難題 。關(guān)鍵詞 :海底油氣管道 ; 全自動(dòng)開(kāi)孔 ; 液壓控制 ; 設(shè)計(jì) 中圖分類號(hào) :TE973. 9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :ADesign G as T apping Machine22lin ,ZHAN G Hong ,DIN G Qing 2xin ,YU

3、Kai 2an ,C H EN Y ing 2hua(and Elect rical Engineering , China Universit y of Pet roleum , B ei j ing 102249, China Abstract :To solve t he problem of opening and maintaining automatically and rapidly on t he sea 2bed oil and gas pipeline , reducing t he losses caused by pipeline leak , an automatic

4、 submarine oil and gas tapping machine was developed. It can make hot tap on t he water pipeline and to t he land. Through designing t he gearbox system , side benchmark component s and hydraulic cont rol system , it can accord to t he itinerary set s for t he opening of achieving rapid automatic fe

5、ed , t he feed , rapid regression , and parking. The whole cycle is automatically cont rolled. It solves t he problem of automatic stop and quickly rolling back , t he whole process of opening no longer needs manual interventio n.K ey w ords :submarine oil and gas pipeline ;automatic tapping ;hydrau

6、lic cont rol ;design 油氣管道在日常油氣輸送中要進(jìn)行必要的有計(jì) 劃的維修和改造 , 以確保安全生產(chǎn) , 減少經(jīng)濟(jì)損失 。 當(dāng)有突發(fā)事件時(shí) , 還要進(jìn)行事故搶修作業(yè) , 如帶壓搶 修 、 更換失效管段 、 加裝裝置 、 分輸改造等 。所有這 些施工作業(yè)都要求在油氣管道的運(yùn)行中完成 , 即實(shí) 施不停輸作業(yè) 。 開(kāi)孔機(jī)是油氣管道維修和改造必不 可少的重要設(shè)備 。目前 , 國(guó)外 FLOWSERV E 公司 、 T. D. William 2son 公司和 IPSCO 公司 (國(guó)際管道服務(wù)公司 等均 已研制開(kāi)發(fā)出陸地管道開(kāi)孔機(jī)和海底管道水下開(kāi)孔 機(jī) , 并申請(qǐng)了多項(xiàng)專利 124, 已

7、成為管道開(kāi)孔和封堵 領(lǐng)域的佼佼者 。然而 , 所有國(guó)外公司對(duì)此設(shè)備均不 2009年 第 38卷 石 油 礦 場(chǎng) 機(jī) 械 第 7期 第 34頁(yè) OI L FIE LD EQUIPMENT 2009, 38(7 :3438 出售 , 只提供技術(shù)服務(wù) , 且費(fèi)用昂貴 , 例如 ,2002年 海洋石油公司的 4起海底管道損壞事故修復(fù)費(fèi)用高 達(dá)幾千萬(wàn)元 526。為了減輕海底管道開(kāi)孔作業(yè)工作量 , 減少水下 刻度讀數(shù)錯(cuò)誤導(dǎo)致開(kāi)孔操作失誤 ; 解決開(kāi)孔機(jī)開(kāi)孔 后能自動(dòng)停止并快速回退 , 提高開(kāi)孔工作效率 , 由中 國(guó)石油大學(xué) (北京 完成了國(guó)內(nèi)水下開(kāi)孔機(jī)的設(shè)計(jì)研 究工作 。 設(shè)計(jì)制造的全自動(dòng)海底油氣管道開(kāi)孔

8、機(jī)可 預(yù)先設(shè)置好快進(jìn)尺寸和工作進(jìn)給尺寸 , 然后再開(kāi)孔 , 開(kāi)孔過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了快進(jìn) 、 工進(jìn) 、 快退 、 停機(jī)整個(gè)循環(huán) 周期的全自動(dòng)控制 , 整個(gè)過(guò)程不需要人工干預(yù) , 適合 水下開(kāi)孔的作業(yè)環(huán)境 。 該項(xiàng)目的研究對(duì)國(guó)內(nèi)海底管 道開(kāi)孔設(shè)備的發(fā)展具有實(shí)際意義 7。1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理全自動(dòng)海底油氣管道開(kāi)孔機(jī)主要由主軸部件 、 液壓控制系統(tǒng) (閥塊 、 側(cè)標(biāo)尺桿部件 、 傳動(dòng)系統(tǒng) 作用液壓缸 、 , 如圖 1 。1 側(cè)標(biāo)尺桿部件 ;2 液壓馬達(dá) ;3 單作用液壓缸 ;4 傳動(dòng)系統(tǒng) ;5 指示刻度尺及行程滑板 ; 6 液壓控制系統(tǒng) (閥塊 ;7 主軸部件圖 1 全自動(dòng)海底油氣管道開(kāi)孔機(jī)結(jié)構(gòu)開(kāi)孔機(jī)由地

9、面液壓源提供動(dòng)力 , 經(jīng)液壓控制系 統(tǒng)傳給單作用液壓缸和液壓馬達(dá) 。 單作用液壓缸連接離合器撥叉 , 通過(guò)單作用液壓缸的伸縮來(lái)控制離 合器分離與結(jié)合 , 然后液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)開(kāi)孔機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 。 液壓源動(dòng)力經(jīng)液壓馬達(dá)傳遞給傳動(dòng)系統(tǒng) , 通過(guò) 齒輪減速帶動(dòng)主軸部件中的套筒及絲杠轉(zhuǎn)動(dòng) , 主軸 套筒通過(guò)花鍵驅(qū)動(dòng)主軸和安裝在主軸下端的開(kāi)孔刀 轉(zhuǎn)動(dòng) , 實(shí)現(xiàn)開(kāi)孔切削的主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 。主軸的軸向運(yùn) 動(dòng)主要依靠安裝在主軸上端的固定螺母與絲杠之間 旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的差速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生 , 實(shí)現(xiàn)主軸在套筒中的軸 向運(yùn)動(dòng) 。側(cè)標(biāo)尺桿部件通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)中的行星齒輪減速 器裝置帶動(dòng)刻度標(biāo)尺及行程滑板進(jìn)行開(kāi)孔進(jìn)程指 示 。 行程滑板上安裝碰塊

10、, 當(dāng)行程滑板運(yùn)動(dòng)到預(yù)先 設(shè)定的標(biāo)尺位置時(shí) , 碰撞液壓控制閥塊中的碰閥 , 液 。 整個(gè)開(kāi)孔過(guò) , 。. 全自動(dòng)海底油氣管道開(kāi)孔機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)原理如圖 2 。1 工作絲杠 ;2 工作螺母 ;3 離合器 ; 4 單作用液壓缸 ;5 液壓馬達(dá) ;6 撞塊 ; 7 進(jìn)尺螺母 ;8 進(jìn)尺絲杠 ;9 停止控制閥 ;10 快進(jìn) /工進(jìn)控制閥 ;11 工進(jìn) /快退控制閥 ;12 進(jìn)尺架圖 2 傳動(dòng)系統(tǒng)原理53 第 38卷 第 7期 趙兵杰 , 等 :全自動(dòng)海底油氣管道開(kāi)孔機(jī)的設(shè)計(jì) 液壓源動(dòng)力經(jīng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪 傳動(dòng) 。 為了能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)孔機(jī)主軸軸向運(yùn)動(dòng)狀態(tài) , 設(shè) 計(jì)了與開(kāi)孔機(jī)主軸軸向同向同步運(yùn)動(dòng)

11、機(jī)構(gòu) 。 在同步 機(jī)構(gòu)中 , 通過(guò)進(jìn)尺螺母在進(jìn)尺絲杠上的軸向運(yùn)動(dòng) , 帶 動(dòng)與螺母固定在一起的行程滑板運(yùn)動(dòng) 。 行程滑板上 帶有位置刻度尺和撞塊 , 其中 , 與停止控制閥相碰撞 的撞塊位置固定 , 用來(lái)停止開(kāi)孔機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn) ; 與快進(jìn) /工進(jìn)控制閥相碰撞的撞塊上 、 下位置可以調(diào)動(dòng) , 以滿 足快進(jìn)行程的需要 ; 與工進(jìn) /快退控制閥相碰撞的撞 塊上 、 下位置也可以調(diào)動(dòng) , 以滿足開(kāi)孔工作進(jìn)給行程 的需要 。 通過(guò)撞塊與控制閥的碰撞 , 液壓控制系統(tǒng) (閥塊 對(duì)整個(gè)開(kāi)孔過(guò)程進(jìn)行全自動(dòng)控制 。在開(kāi)孔機(jī)傳動(dòng)箱集成系統(tǒng)中 , 傳動(dòng)齒輪 z 5與液 壓馬達(dá)箱連接 , 經(jīng)雙聯(lián)齒輪 z 6、 z 7把動(dòng)力

12、傳遞至工 作絲杠連接齒輪 z 8, z 8帶動(dòng)同步比例縮放齒輪 z 10轉(zhuǎn)動(dòng) , 同步比例縮放齒輪 z 10與錐齒輪 z 13固定在一 起 , 由錐齒輪 z 12、 z 13、 z 14構(gòu)成行星齒輪差速器 , 絲杠為行星輪差速器轉(zhuǎn)臂 n H 。,z 1旋轉(zhuǎn) , 1z 23,z 4, 由 z 4帶 動(dòng)主軸運(yùn)動(dòng) z 4與同步比例縮放齒輪 z 11通過(guò)過(guò)橋齒輪 z 9銜接 , 同步比例縮放齒輪 z 11與錐 齒輪 z 12固定在一起 , 最終通過(guò)行星齒輪差速器來(lái)實(shí) 現(xiàn)同步比例縮放功能 。2. 2 設(shè)計(jì)計(jì)算 82. 2. 1 主軸快速進(jìn)給和快速回退參數(shù)為了減少開(kāi)孔機(jī)的操作時(shí)間 , 提高開(kāi)孔效率 , 在

13、 開(kāi)孔空行程段采用快速進(jìn)給或快速回退 。 開(kāi)孔機(jī)空 行程時(shí) , 離合器與液壓馬達(dá)脫離 , 由于進(jìn)給與回退時(shí) 液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)方向不同 , 因而可實(shí)現(xiàn)開(kāi)孔機(jī)的快速 進(jìn)給和快速回退 。在快速進(jìn)給狀態(tài)時(shí) , 離合器與液壓馬達(dá)脫離 , 與 主軸套筒相連齒輪 z 4, 雙聯(lián)齒輪 z 2、 z 3, 傳動(dòng)齒輪 z 1, 過(guò)橋齒輪 z 9及同步比例縮放齒輪 z 11均不轉(zhuǎn)動(dòng) 。 假設(shè)齒輪轉(zhuǎn)速為 n h (h =1,2, ,14, 與各齒輪下標(biāo) 數(shù)字相同 , 開(kāi)孔機(jī)在快進(jìn)狀態(tài)下 , 工作絲杠連接齒 輪 z 8轉(zhuǎn)速為 n 8, 開(kāi)孔機(jī)主軸不轉(zhuǎn)動(dòng) , 故軸向運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)工作絲杠的相對(duì)轉(zhuǎn)速為 n 8, 此時(shí)同步縮放比例齒

14、 輪 z 10的轉(zhuǎn)速為n 8 =z 10(1n 10= z 10 n 8(2在行星齒輪差速器作用下 , 進(jìn)尺絲杠的轉(zhuǎn)速為 n 12-n h=-z 13(3 式中 , n 12=0, n 13=n 10, 因此有n h =z 10(z 13+z 12n 8(4 由于工作絲杠與進(jìn)尺絲杠轉(zhuǎn)向相反 , 此時(shí)同步 縮放比例為k =n 8(5 2. 2. 2 主軸工作進(jìn)給參數(shù)當(dāng)離合器結(jié)合以后 , 開(kāi)孔機(jī)處于自動(dòng)工作進(jìn)給 狀態(tài) , 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為n 6=z 5(6 n 8z 7(7 , n 7,n 5=z 5z 7n 8(8 當(dāng)離合器與液壓馬達(dá)結(jié)合以后 , 齒輪 z 1與齒輪 z 5轉(zhuǎn)速相同 , 即 n 1

15、=n 5, 此時(shí)主軸套筒相連齒輪 z 4轉(zhuǎn)速為n 4=z 2z 4z 5z 7n 8(9 開(kāi)孔機(jī)軸向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)工作絲杠的相對(duì)轉(zhuǎn)速為n 8 =n 4-n 8=z 2z 4z 5z 7n 8(10 同步比例縮放齒輪 z 11的轉(zhuǎn)速為n 4=z 9z 11(11n 11=z 2z 5z 7z 11n 8(12 在行星齒輪差速器作用下 , 進(jìn)尺絲杠的轉(zhuǎn)速為 n 12 -n h =-z 13(13 式中 , n 12 =n 11, 因此有n h =z 2z 5z 7z 10z 11(z 12+z 13n 8(14 此時(shí)同步縮放比例為k =n 8(15 只需調(diào)整齒輪齒數(shù) 、 2根絲杠的旋向和螺紋節(jié) 距 ,

16、保證 k =k , 就能達(dá)到同步比例縮放 。3 液壓控制系統(tǒng)及工作原理液壓控制系統(tǒng)由地面液壓源工作站和液壓控制63 石 油 礦 場(chǎng) 機(jī) 械 2009年 7月 閥塊組成 。 液壓源工作站為液壓閥塊提供動(dòng)力 , 由 液壓閥塊與液壓工作站聯(lián)合進(jìn)行控制 , 其工作原理 如圖 3 。圖 3 液壓控制系統(tǒng)原理a 快進(jìn) , 下閥 223, 口送油 , 液壓馬達(dá)正 轉(zhuǎn) , , 制動(dòng)器結(jié)合 , 馬達(dá)帶 動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng) , 而與絲杠螺母固定在一起的主軸不轉(zhuǎn) , 快速向下進(jìn)給 。在主軸開(kāi)始進(jìn)給時(shí) , 觸頭脫離閥 223。 由于每一個(gè)閥在沒(méi)有得到控制壓力信號(hào)之前始終保持不動(dòng) , 因此當(dāng)觸頭脫離閥 223后 , 開(kāi)孔機(jī)保持

17、 快進(jìn)狀態(tài)不變 。b 工進(jìn)旋轉(zhuǎn) 當(dāng)觸頭壓下閥 222時(shí) , 離合器結(jié)合 , 制動(dòng)器解除 , 液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn) , 主軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng) , 此 時(shí)絲杠仍然在轉(zhuǎn)動(dòng) 。 由于絲杠和主軸傳動(dòng)的速比有 微小差別 , 使絲杠和主軸的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生小的轉(zhuǎn)差 , 使主 軸邊轉(zhuǎn)邊以很慢的速度進(jìn)入工進(jìn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài) 。 隨著主 軸工進(jìn) , 觸頭脫離閥 222, 由于每一個(gè)閥在沒(méi)有得到 控制壓力信號(hào)之前始終保持不動(dòng) , 因此開(kāi)孔機(jī)保持 工進(jìn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)不變 , 直到觸頭壓下閥 221。c 快退 當(dāng)觸頭到達(dá)切削行程設(shè)定的閥 221處時(shí) , 壓下閥 221, 此時(shí)離合器脫離 , 制動(dòng)器結(jié)合 , 主 軸停轉(zhuǎn) , 絲杠反轉(zhuǎn) , 主軸在絲杠的作用下快

18、速回退 。 當(dāng)鉆頭退到觸頭與閥 222接觸時(shí) , 快退工作狀態(tài)不 改變 , 一直保持到主軸退回到觸頭與閥 223接觸 , 此 時(shí)開(kāi)孔機(jī)自動(dòng)停機(jī) 。4 水下環(huán)境模擬利用 ANS YS 軟件 9210對(duì)水下開(kāi)孔機(jī)的立柱和傳動(dòng)箱進(jìn)行建模計(jì)算 , 外加載荷為 60m 水深的環(huán) 境壓力 , 即在開(kāi)孔機(jī)外表面施加 0. 6M Pa 的壓力 ; 開(kāi)孔機(jī)立柱底端施加全約束 。 計(jì)算結(jié)果如圖 45 。圖 4 圖 5 水下開(kāi)孔機(jī)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果由圖 4可知 , 開(kāi)孔機(jī)傳動(dòng)箱大端變形最大 , 為11643mm , 不會(huì)影響開(kāi)孔機(jī)的工作性能 。由圖 5可知 , 在 0. 6M Pa 的壓力下 , 開(kāi)孔機(jī)傳 動(dòng)箱體所受應(yīng)力

19、最大 , 為 144M Pa , 開(kāi)孔機(jī)箱體材料 為鑄鋼 20, 其屈服強(qiáng)度為 185MPa , 在水壓作用下 所受最大應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度 。 因此箱體不會(huì) 因強(qiáng)度不夠而失效 。5 結(jié)論1 設(shè)計(jì)的全自動(dòng)開(kāi)海底油氣管道孔機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)快進(jìn) 、 工進(jìn) 、 快退 、 停機(jī)整個(gè)循環(huán)周期的全自動(dòng)控 制 , 無(wú)需人工干預(yù) , 非常適合水下開(kāi)孔的作業(yè)環(huán)境 。2 用側(cè)標(biāo)尺替代傳統(tǒng)的上標(biāo)尺 , 能有效地減 小開(kāi)孔機(jī)的整體高度 ; 利用差動(dòng)機(jī)構(gòu)和絲杠螺母機(jī) 構(gòu) , 能達(dá)到指示進(jìn)給深度的目的 。3 采用特殊的同步結(jié)構(gòu) , 使離合器既能夠?qū)?現(xiàn)傳遞大扭矩 , 又能夠?qū)崿F(xiàn)快速結(jié)合和脫開(kāi) 。 4 多道密封技術(shù)和特殊的軸承

20、材料能夠確保 開(kāi)孔機(jī)在水下正常工作 。73 第 38卷 第 7期 趙兵杰 , 等 :全自動(dòng)海底油氣管道開(kāi)孔機(jī)的設(shè)計(jì) 參考文獻(xiàn) :1 R F de la Mare. Advances in Off shore Oil &Gas Pipe 2line TechnologyM .Houston , Texas :Gulf Publishing Company , 1985:1612173.2 Schurr B. Manual of Practical Pipeline ConstructionM .Houston , Texas :Gulf Publishing Company ,1982:1252

21、127.3 United States Patent ,4,579,484P.19862421. 4 United States Patent ,3,614,252P.1971210219. 5 劉春厚 , 潘東民 , 吳誼山 . 海底管道維修方法綜述 J.中國(guó)海上油氣 ,2004,16(1 :59262.6 劉春厚 , 潘東民 , 高 峰 . 海底雙重保溫管水下修復(fù)工程實(shí)例 J.中國(guó)海上油氣 ,2003,15(6 :124.7 喻開(kāi)安 , 陳應(yīng)華 , 張 宏 , 等 . 海底油氣管道水下開(kāi)孔機(jī)的設(shè)計(jì) J.石油機(jī)械 ,2004,32:56259.8 孫 恒 , 陳作模 . 機(jī)械原理 M .北京

22、 :高等教育出版社 ,2001:3612370.9 王素玲 , 葉鑫銳 , 秦慶忠 . 注水井反沖洗套管承載能力有限元分析 J.石油礦場(chǎng)機(jī)械 ,2009,38(1 :31234.10 黃天成 , 周思柱 , 呂 倫 , 等 . 柱塞泵泵頭體有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 J.石油礦場(chǎng)機(jī)械 ,2008,37(10 :40242. 收稿日期 :2008212201基金項(xiàng)目 :山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目 “ 多電平變流器移相 PWM 控制專用集成電路的研究”(Y2003F02 作者簡(jiǎn)介 :張 磊 (19772 , 男 , 河北任丘人 , 講師 , 博士研究生 , 從事電力電子與電氣傳動(dòng)教學(xué)與科研工作 , E 2mail :techupc. cn 。文章編號(hào) :100123482(2009 0720038205新型電潛泵專用中高壓變頻器研究張 磊 , 高春俠(中國(guó)石油大學(xué) (華東 信息與控制工程學(xué)院 , 山東 東營(yíng) 257061摘要 :針對(duì)目前油田電潛泵存在的問(wèn)題 , 研發(fā)了一種中高壓多電平變頻調(diào)速裝置 , 并且成功地應(yīng)用于電潛泵變頻調(diào)速節(jié)能控制 。 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明 , 其耗電量減少而產(chǎn)液量增加 ; 具有控制邏輯清晰 、 靈 活性高 、 可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) 。關(guān)鍵詞 :電潛泵 ; 變頻調(diào)