全自动海底油气管道开孔机的设计图文精.docx
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全自动海底油气管道开孔机的设计图文精
・设计计算・
收稿日期:
2008212203
基金项目:
国家高技术研究发展计划（863计划项目（2002AA602012;北京市机械设计及理论重点学科建设项目作者简介:
赵兵杰（19822,男,河北石家庄人,硕士研究生,主要研究方向为石油机械及天然气（LNG处理,E2mail:
zhaob2
jie@126.com。
文章编号:
100123482（20090720034205
全自动海底油气管道开孔机的设计
赵兵杰,赵宏林,张 宏,丁庆新,喻开安,陈应华
（中国石油大学（北京机电工程学院,北京102249
摘要:
为了实现海底油气管道快速、全自动开孔维修,减少因管道泄漏造成的损失,设计了全自动海
底油气管道开孔机,不仅能应用于水下管道带压开孔,也能应用于陆地管道带压开孔。
设计的开孔机传动系统、侧标尺部件及液压控制系统能够按照设定的行程全自动实现开孔过程的快速进给、工作进给、快速回退和停机,整个开孔过程不需要人工干预,难题。
关键词:
海底油气管道;全自动开孔;液压控制;设计中图分类号:
TE973.9 文献标识码:
A
DesignGasTappingMachine
22lin,ZHANGHong,DINGQing2xin,
YUKai2an,CHENYing2hua
（andElectricalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China
Abstract:
Tosolvetheproblemofopeningandmaintainingautomaticallyandrapidlyonthesea2bedoilandgaspipeline,reducingthelossescausedbypipelineleak,anautomaticsubmarineoilandgastappingmachinewasdeveloped.Itcanmakehottaponthewaterpipelineandtotheland.Throughdesigningthegearboxsystem,sidebenchmarkcomponentsandhydrauliccontrolsystem,itcanaccordtotheitinerarysetsfortheopeningofachievingrapidautomaticfeed,thefeed,rapidregression,andparking.Thewholecycleisautomaticallycontrolled.Itsolvestheproblemofautomaticstopandquicklyrollingback,thewholeprocessofopeningnolongerneedsmanualintervention.
Keywords:
submarineoilandgaspipeline;automatictapping;hydrauliccontrol;design
油气管道在日常油气输送中要进行必要的有计划的维修和改造,以确保安全生产,减少经济损失。
当有突发事件时,还要进行事故抢修作业,如带压抢修、更换失效管段、加装装置、分输改造等。
所有这些施工作业都要求在油气管道的运行中完成,即实施不停输作业。
开孔机是油气管道维修和改造必不可少的重要设备。
目前,国外FLOWSERVE公司、T.D.William2son公司和IPSCO公司（国际管道服务公司等均已研制开发出陆地管道开孔机和海底管道水下开孔机,并申请了多项专利[124],已成为管道开孔和封堵领域的佼佼者。
然而,所有国外公司对此设备均不
2009年第38卷 石油矿场机械 第7期第34页 OIL FIELD EQUIPMENT 2009,38（7:
34~38
出售,只提供技术服务,且费用昂贵,例如,2002年海洋石油公司的4起海底管道损坏事故修复费用高达几千万元[526]。
为了减轻海底管道开孔作业工作量,减少水下刻度读数错误导致开孔操作失误;解决开孔机开孔后能自动停止并快速回退,提高开孔工作效率,由中国石油大学（北京完成了国内水下开孔机的设计研究工作。
设计制造的全自动海底油气管道开孔机可预先设置好快进尺寸和工作进给尺寸,然后再开孔,开孔过程中实现了快进、工进、快退、停机整个循环周期的全自动控制,整个过程不需要人工干预,适合水下开孔的作业环境。
该项目的研究对国内海底管道开孔设备的发展具有实际意义[7]。
1 结构组成及工作原理
全自动海底油气管道开孔机主要由主轴部件、液压控制系统（阀块、侧标尺杆部件、传动系统作用液压缸、,如图1
。
1—侧标尺杆部件;2—液压马达;3—单作用液压缸;
4—传动系统;5—指示刻度尺及行程滑板;6—液压控制系统（阀块;7—主轴部件
图1 全自动海底油气管道开孔机结构
开孔机由地面液压源提供动力,经液压控制系统传给单作用液压缸和液压马达。
单作用液压缸连
接离合器拨叉,通过单作用液压缸的伸缩来控制离合器分离与结合,然后液压马达驱动开孔机运转。
液压源动力经液压马达传递给传动系统,通过齿轮减速带动主轴部件中的套筒及丝杠转动,主轴套筒通过花键驱动主轴和安装在主轴下端的开孔刀转动,实现开孔切削的主旋转运动。
主轴的轴向运动主要依靠安装在主轴上端的固定螺母与丝杠之间旋转产生的差速运动产生,实现主轴在套筒中的轴向运动。
侧标尺杆部件通过传动系统中的行星齿轮减速器装置带动刻度标尺及行程滑板进行开孔进程指示。
行程滑板上安装碰块,当行程滑板运动到预先设定的标尺位置时,碰撞液压控制阀块中的碰阀,液。
整个开孔过,。
.全自动海底油气管道开孔机的传动系统原理
如图2
。
1—工作丝杠;2—工作螺母;3—离合器;4—单作用液压缸;5—液压马达;6—撞块;7—进尺螺母;8—进尺丝杠;9—停止控制阀;
10—快进/工进控制阀;11—工进/快退控制阀;12—进尺架
图2 传动系统原理
・
53・ 第38卷 第7期 赵兵杰,等:
全自动海底油气管道开孔机的设计
液压源动力经液压马达带动传动系统中的齿轮传动。
为了能够实现开孔机主轴轴向运动状态,设计了与开孔机主轴轴向同向同步运动机构。
在同步机构中,通过进尺螺母在进尺丝杠上的轴向运动,带动与螺母固定在一起的行程滑板运动。
行程滑板上带有位置刻度尺和撞块,其中,与停止控制阀相碰撞的撞块位置固定,用来停止开孔机的运转;与快进/工进控制阀相碰撞的撞块上、下位置可以调动,以满足快进行程的需要;与工进/快退控制阀相碰撞的撞块上、下位置也可以调动,以满足开孔工作进给行程的需要。
通过撞块与控制阀的碰撞,液压控制系统（阀块对整个开孔过程进行全自动控制。
在开孔机传动箱集成系统中,传动齿轮z5与液压马达箱连接,经双联齿轮z6、z7把动力传递至工作丝杠连接齿轮z8,z8带动同步比例缩放齿轮z10转动,同步比例缩放齿轮z10与锥齿轮z13固定在一起,由锥齿轮z12、z13、z14构成行星齿轮差速器,丝杠为行星轮差速器转臂nH。
z1旋转,1z23,
z4,由z4带动主轴运动z4与同步比例缩放齿轮z11通过过桥齿轮z9衔接,同步比例缩放齿轮z11与锥齿轮z12固定在一起,最终通过行星齿轮差速器来实现同步比例缩放功能。
2.2 设计计算[8]
2.2.1 主轴快速进给和快速回退参数
为了减少开孔机的操作时间,提高开孔效率,在开孔空行程段采用快速进给或快速回退。
开孔机空行程时,离合器与液压马达脱离,由于进给与回退时液压马达旋转方向不同,因而可实现开孔机的快速进给和快速回退。
在快速进给状态时,离合器与液压马达脱离,与主轴套筒相连齿轮z4,双联齿轮z2、z3,传动齿轮z1,过桥齿轮z9及同步比例缩放齿轮z11均不转动。
假设齿轮转速为nh（h=1,2,…,14,与各齿轮下标数字相同,开孔机在快进状态下,工作丝杠连接齿轮z8转速为n8,开孔机主轴不转动,故轴向运动状态工作丝杠的相对转速为n8,此时同步缩放比例齿轮z10的转速为
n8=
z10
（1
n10=z10n8（2
在行星齿轮差速器作用下,进尺丝杠的转速为n12-nh
=-
z13
（3式中,n12=0,n13=n10,因此有
nh=
z10（z13+z12
n8（4由于工作丝杠与进尺丝杠转向相反,此时同步缩放比例为
k=
n8
（52.2.2 主轴工作进给参数
当离合器结合以后,开孔机处于自动工作进给状态,液压马达转速为
n6
=
z5
（6n8z7
（7,n7,
n5=
z5z7
n8（8当离合器与液压马达结合以后,齿轮z1与齿轮z5转速相同,即n1=n5,此时主轴套筒相连齿轮z4转速为
n4=
z2z4z5z7
n8（9开孔机轴向运动状态工作丝杠的相对转速为
n8′=n4-n8=
z2z4z5z7
n8（10同步比例缩放齿轮z11的转速为
n4
=
z9z11
（11
n11=
z2z5z7z11
n8（12在行星齿轮差速器作用下,进尺丝杠的转速为′
n12′-nh′
=-
z13
（13式中,n12′=n11,因此有
nh′=
z2z5z7z10z11（z12+z13
n8（14此时同步缩放比例为
k′=′
n8′
（15只需调整齿轮齿数、2根丝杠的旋向和螺纹节距,保证k′=k,就能达到同步比例缩放。
3 液压控制系统及工作原理
液压控制系统由地面液压源工作站和液压控制
・
6
3
・石油矿场机械 2009年7月
阀块组成。
液压源工作站为液压阀块提供动力,由液压阀块与液压工作站联合进行控制,其工作原理如图3
。
图3 液压控制系统原理
a 快进,下阀223,口送油,液压马达正转,,制动器结合,马达带动丝杠转动,而与丝杠螺母固定在一起的主轴不转,快速向下进给。
在主轴开始进给时,触头脱离阀223。
由于每一个阀在没有得到控制压力信号之前始
终保持不动,因此当触头脱离阀223后,开孔机保持快进状态不变。
b 工进旋转 当触头压下阀222时,离合器
结合,制动器解除,液压马达反转,主轴开始转动,此时丝杠仍然在转动。
由于丝杠和主轴传动的速比有微小差别,使丝杠和主轴的转速产生小的转差,使主轴边转边以很慢的速度进入工进旋转状态。
随着主轴工进,触头脱离阀222,由于每一个阀在没有得到控制压力信号之前始终保持不动,因此开孔机保持工进旋转状态不变,直到触头压下阀221。
c 快退 当触头到达切削行程设定的阀221
处时,压下阀221,此时离合器脱离,制动器结合,主轴停转,丝杠反转,主轴在丝杠的作用下快速回退。
当钻头退到触头与阀222接触时,快退工作状态不改变,一直保持到主轴退回到触头与阀223接触,此时开孔机自动停机。
4 水下环境模拟
利用ANSYS软件[9210]对水下开孔机的立柱和
传动箱进行建模计算,外加载荷为60m水深的环境压力,即在开孔机外表面施加0.6MPa的压力;开孔机立柱底端施加全约束。
计算结果如图4~5
。
图4
图5 水下开孔机应力计算结果
由图4可知,开孔机传动箱大端变形最大,为
11643mm,不会影响开孔机的工作性能。
由图5可知,在0.6MPa的压力下,开孔机传动箱体所受应力最大,为144MPa,开孔机箱体材料为铸钢20,其屈服强度为185MPa,在水压作用下所受最大应力低于材料的屈服强度。
因此箱体不会因强度不够而失效。
5 结论
1 设计的全自动开海底油气管道孔机能够实
现快进、工进、快退、停机整个循环周期的全自动控制,无需人工干预,非常适合水下开孔的作业环境。
2 用侧标尺替代传统的上标尺,能有效地减小开孔机的整体高度;利用差动机构和丝杠螺母机构,能达到指示进给深度的目的。
3 采用特殊的同步结构,使离合器既能够实现传递大扭矩,又能够实现快速结合和脱开。
4 多道密封技术和特殊的轴承材料能够确保开孔机在水下正常工作。
・
73・ 第38卷 第7期 赵兵杰,等:
全自动海底油气管道开孔机的设计
参考文献:
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402
42.
收稿日期:
2008212201
基金项目:
山东省自然科学基金项目“多电平变流器移相PWM控制专用集成电路的研究”
（Y2003F02作者简介:
张 磊（19772,男,河北任丘人,讲师,博士研究生,从事电力电子与电气传动教学与科研工作,E2mail:
techupc
@.cn。
文章编号:
100123482（20090720038205
新型电潜泵专用中高压变频器研究
张 磊,高春侠
（中国石油大学（华东信息与控制工程学院,山东东营257061
摘要:
针对目前油田电潜泵存在的问题,研发了一种中高压多电平变频调速装置,并且成功地应用
于电潜泵变频调速节能控制。
现场应用表明,其耗电量减少而产液量增加;具有控制逻辑清晰、灵活性高、可扩展性强等优点。
关键词:
电潜泵;变频调速;产液量中图分类号:
TE933.303 文献标识码:
A
StudyofaNovelCellCascadedHigh2forZHANG2Lei,GAO（CollegeofInformationandControl,ofDongying257061,China
Abstract:
:
In2drivepumpsusedintheoil2fieldatpres2ent,tofmid2highvoltagemultilevelfrequencyconverterdevice.Ithastotheoilfield.Bythelocaleuseofthemultilevelfrequencycon2vertersavingcontrol,ithasbeenprovedthattheelectricityconsumptionhasreducedandmeanwhiletheoiloutputhasincreased,possessingtheadvantagesofclearcontrollogic,highflexibility,strongexpansibilityandsoon.
Keywords:
electrical2drivepump;frequencyconverter;oiloutput
2009年第38卷 石油矿场机械 第7期第38页 OIL FIELD EQUIPMENT 2009,38（7:
38~42
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