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三控制通道液压翻转吊卡设计液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2023.08.008张新刚1.2,彭琳,王超1-2,刘志林1-2,段武1-2,王文君1.2（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡7 2 10 0 2；2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司,陕西宝鸡7 2 10 0 2)摘要：液压翻转吊卡用于石油钻井作业中替代人工吊卡提放钻柱，其主要功能为吊卡开关、翻转、关闭随动及反馈扣合信号，一般需要至少5个控制油道，而目前大量装备油田的顶驱其旋转头仅有3 个备用油道。为适应实际需要，设计了一种新型三控制通道液压翻转吊卡，从设计开发角度介绍了这种新型三控制通道液压翻转吊卡。关键词：液压翻转吊卡；三控制通道；触碰阀；设计中图分类号：TH137ZHANG Xingang*2,PENG Lin,WANG Chao-,LIU Zhi-lin2,DUAN Wwul-2,WANG Wenjun?2.CNPC National Engineering Research Center for Oil&Gas Drilling Equipment Co.,Ltd.,Baoji 721002,China)Abstract:Hydraulic rotary elevator can instead of the conventional manual mechanical elevator in drlling practice.Its functions are opening andclosing of the faucets,rotating the elevator body,follow-up and feed back a sign to drller when the faucets are closed.There are at least fivecontrol pipes to implement the functions.The fact is that there are three control pipes in the top drives which have been working in oil field.Inthe paper,the author introduces the three control pipes hydraulic rotary elevator which is designed to solve the inadequate control pipes.Key words:hydraulic rotary elevator;three control pipes;touch valve;design0引言吊卡是一种石油钻井作业中提放钻柱的工具，传统吊卡在作业时需井口和位于高位的二层台各有一人，与司钻配合人工扣合/打开吊卡，作业过程中工人劳动强度大、作业环境恶劣、作业危险系数高。液压翻转吊卡与二层台机械手配合，由司钻在司钻房里遥控操作，取代人工扣合/打开吊卡，实现了起下钻具自动化 1-4 为了实现起下钻具自动化，液压翻转吊卡必须具备开关、正反转动、吊卡关闭后翻转机构随动及反馈扣合信号等功能 5，现有液压吊卡至少需要5个控制通道，而目前大量装备油田的顶驱其旋转头仅有3 个备用通道，目前已装备现场的顶驱无法改造新增控制通收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 3基金项目：中国石油天然气集团有限公司科技项目（2 0 2 2 ZG06-01)作者简介：张新刚（19 8 8-），男，陕西凤翔人，工程师，硕士，现从事石油钻机研究与开发工作。42文献标志码：ADesign of Three Control Pipes Hydraulic Rotary Elevator(1.Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd.,Baoji 721002,China;文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 3)0 8-0 0 42-0 41.1结构三控制通道液压翻转吊卡是一种适用陆地和海洋钻井起吊系统的侧开式且主体可翻转的、液压驱动的全自动吊卡。其主要由吊卡主体、左右活门、锁舌、自锁机构、连杆机构、翻转机构、补芯、液压控制系统及电控系统等组成 2 ,其结构如图1所示。1.2工作原理及功能以液压油为动力源，驱动活门、锁舌及翻转液压缸动作,其中位于吊卡本体后面的活门缸及锁舌缸是顺序动作的，其顺序动作通过连杆机构传递，最终实现吊卡关闭时左右活门先关闭，锁舌后关闭，打开时锁舌先道，新开发5个控制通道的顶驱其旋转头处制造及装配难度大，顶驱生产厂家新开发意愿不强。目前控制管线超过3 个的液压翻转吊卡只能用液压胶管单独绕过顶驱旋转头，但带来的风险是顶驱旋转时容易造成控制管线缠绕钩挂，严重时会扯断控制管线，进而造成吊卡停用。本研究设计了一种新型三控制通道液压翻转吊卡，解决了上述顶驱旋转头处控制通道不足的问题。1总体方案Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023打开，左右活门后打开；吊卡关闭后，锁舌会触发位于在法兰板上，活门油缸运动过程中，可带动锁舌油缸一活门上的触碰阀换向，进而通过液压实现吊卡关闭后同运动，通过连杆机构的运动传递，可以实现安装在活翻转机构随动，并将活门已关闭信号反馈至钻机控制门上的锁舌在活门打开关闭时随活门一起运动，具体系统；翻转油缸动作可实现吊卡的正反转，以调整吊卡安装结构见图3 所示。适应钻具角度，保证吊卡一次扣合成功率。操作时远程遥控，电控系统将司钻操作命令传至安装在顶驱上的电控控制箱内的电液控制阀，从而控制吊卡各种动作。电控系统可融合设计于集成司钻控制系统，也可单独配置物理控制元件。1.翻转机构2.补芯3.液压系统4.吊卡主体5.右活门6.左活门7.锁舌8.连杆机构9.自锁机构图1三控制通道液压翻转吊卡结构图1.3主要技术参数额定载荷:450 0 kN(500 US tons);适用管径范围：2 3/8 9 5/8 ；设计工作温度：-2 0+50；驱动工作液：矿物质液压油；额定压力：16 MPa;额定流量：15 L/min;旋转范围：9 0;顶驱旋转头油道需求：3 个。2关键技术2.1液压控制系统设计该液压系统按恒压系统设计，主要由液压执行元件、控制阀组、液压管线等组成。液压系统布局为电液控制箱安装在顶驱旋转头之上，方便从顶驱液压站取液及与顶驱通讯，控制管路从电液控制箱先引至顶驱旋转头备用油道人口，再从备用油道出口引至吊卡本体控制阀组处，最终从吊卡本体控制阀组引至各执行机构，其布局如图2 所示。1）液压执行元件主要由活门油缸、锁舌油缸及翻转油缸组成。活门油缸、锁舌油缸安装于吊卡主体背面，活门油缸有杆腔端部设置了法兰板，锁舌油缸通过铰轴连接-12-3451627345678-981.电液控制箱2.备用油道人口3.旋转头4.备用油道出口5.A/B/C3根控制管路6.翻转机构7.本体控制阀组8.锁舌、活门油缸图2 三控制通道液压翻转吊卡液压系统布局图1.铰轴2.法兰板3.锁舌油缸4.活门油缸图3 活门及锁舌油缸安装结构图21.齿条传动活塞液压缸12.齿条传动活塞液压缸2图4翻转机构图翻转驱动机构实质是一个通过液压驱动，将直线运动转换为旋转运动的机构，如图4所示，其驱动装置是由2 个齿条传动活塞液压缸组成，其特点是2 个液压缸缸杆中间一段均设计有齿条，与齿条啮合有1个齿轮，齿轮通过连接轴最终与吊卡本体连接，这样，液压油驱动油缸往复运动即可实现吊卡土9 0 正反转 6-7 ，从而实现调整吊卡适应钻具角度，保证吊卡一次扣合成功率的功能。2）控制阀组控制阀组主要由电液控制箱（一般安装在顶驱旋43234液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期转头上部）、本体控制阀（一般安装在吊卡本体后面）及触碰阀（一般安装在活门上)组成。电液控制箱主要由箱体、电控液阀、进油过滤器、调速阀、减压阀、压力开关及防爆接线箱等组成，如图5所示。为防止因油液清洁度原因造成卡阀等问题，设置了进油过滤器。通过调速阀可调节活门、锁舌及翻转机构的速度。压力开关是将吊卡关闭后锁舌触碰触碰阀换向之后，采集到的压力信号转换为电信号，从而向钻机控制系统反馈吊卡已经关闭的信号。图5电液控制箱本体控制阀组主要由平衡阀、二位六通液控换向阀、顺序阀等组成，主要元件均采用插装阀，从而很好的控制了阀体尺寸及重量，优化了油口位置，使得本体控制阀组至各执行机构的管线走向更加合理 8 ，具体见图6、图7 所示。1.A/B/C3根控制管线2.触碰阀3.翻转机构4.本体控制阀组5.活门及锁舌油缸图6本体控制阀组及至执行元件整体布置图231.2根触碰阀控制管线2.A/B/C3根控制管线3.4根活门/锁舌油缸控制管线4.2 根翻转控制管线图7 本体控制阀组及至执行元件管线局部图443）控制对象及控制逻辑系统控制采用电液控，电控系统将司钻的操作命令转化为电信号，经过电缆传递至电液控制箱，控制电控液阀F1,F2，吊卡扣合后，活门上的触碰阀换向（具体位置见图9），使得活门油缸塞腔与电液控制箱压力开关通过控制管线接通，当油液压力持续超过10MPa时，压力开关导通，发送信号至司钻房提示司钻吊卡已经关闭。具体控制对象及实现功能如表1所示。表1液压系统控制对象及实现功能表控制对象信号形式电磁阀电磁铁XV01开关F1XV02F2XV03压力开关使用中电磁阀F1,F2是组合使用以便实现吊卡各种动作及状态，具体组合逻辑及对应状态如表2 所示。表2 液压系统控制对象及实现功能表电磁铁XV01XV02012104051注：表中1代表对应电磁铁通电，0 代表断电。2.2触碰阀性能提升触碰阀安装在活门上，吊卡关闭时锁舌会迅速动作触碰该阀,锁舌对其有一定的冲击，要求其必须能承受冲击力。整个吊卡关闭状态中，触碰阀一直受锁舌的压力，吊卡打开后，又要求触碰阀能够迅速回弹复位，以免造成误信号,所以要求其复位性能好。整个吊卡作业过程中，触碰阀所处位置无法防护，常常被泥浆4包裹，容易锈蚀。以上原因造成触碰阀容易损坏，图8为现场损坏的触碰阀。对现场触碰阀损坏情况分析，进行了创新优化，优化后触碰阀见图10，主要为：实现功能关闭/下翻开关打开/上翻开关开关/翻转切换开关检测吊卡扣合状态吊卡动作或状态XV03000110101打开动作关闭动作上翻动作吊卡翻转角度保持下翻动作Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023（1）通过分析优化，在锁舌与触碰阀接触处设置（1）只需3 个液压控制通道，可直接利用现有顶了坡面，以改善两者的接触条件,如图9 所示；驱旋转头处备用的3 个液压控制通道；（2）触碰阀滚轮优化为实心轮设计，并优选了耐（2）吊卡开关、翻转、关闭之后随动及关闭信号反磨硬质合金,采用调制处理工艺，保证了滚轮的耐磨性馈稳定可靠；及抗冲击性；（3）控制逻辑清晰简单，控制可靠，配合其他管柱（3）阀芯顶杆也优选了耐磨硬质合金，并采用调处理设备，实现了管柱处理自动化；制处理工艺，保证了其耐磨性。（4）其活门开关由操作人员自主操作，克服了（4）阀体采用不锈钢或碳钢锻件镀锌镍合金（镀NOVBX系列吊卡等其他类似结构吊卡因泥浆等原因层厚度 2 0 m)处理,以适应各种恶劣工况；造成异常关闭的问题 ；（5）触碰阀阀芯顶杆处增加了防尘圈，防止泥浆（5）触碰阀耐用性及可靠性大大增强，寿命至少进入阀芯造成卡阀等问题；在6 个月以上。（6）触碰阀安装位置易接触钻井泥浆，工作环境4结论恶劣,经现场应用实践，成品插装阀芯容易损坏，且其复位力较小，为增加该阀耐用性及增大复位力进而保证反馈信号的可靠性，阀芯改为自主设计。OTONMI8ATOBALCAMERA图8触碰阀损坏情况图图10 优化后的触碰阀3应用情况该三控制通道液压翻转吊卡设计完成后，于2 0 19年5月完成厂内型式试验，并与同年出厂应用于钻井现场，目前已累计投入油田使用10 套，服务超2 0 口井，作业范围涵盖新疆、川渝等陆地油田及海上油田，其实用性、可靠性得到了充分验证,具体表现为：从现场应用来看，三通道液压翻转吊卡设计合理，操作逻辑清晰简单，且只需3 个液压控制通道，可直接利用现有顶驱旋转头处备用的3 个液压控制通道，无需改造目前油田已配套的顶驱，适用性强，由于其关闭未采用触碰自动关闭，安全性更好，能满足钻机对吊卡自动化要求，使得钻井作业提速提效的同时，降低了工人的劳动强度和风险，产生了可观的经济效益及社会效益。参考文献1罗志远，黄芳飞,冯起赠，等.液压吊卡液压系统优化设计图9 锁舌优化图的探讨 J.现代制造技术与装备，2 0 2 2,58（7)：44-49,53.2祝贺，栾苏,杨艳，等.液压翻转式吊卡的研制J.石油机械,2 0 14,42(11):3 5-3 7.3何鸿，闫永宏，王德贵，等.液压自动吊卡技术现状及发展建议 J.石油机械,2 0 12,40（8）：2 9-3 3,3 7.4鹿传祥.液压吊卡的应用与安全性分析 J.现代制造技术与装备,2 0 17,（8）：12 4-12 5.5 康亮，李亚伟,黎善猛，等.石油钻机管柱处理系统研究现状和发展趋势分析 J.液压气动与密封,2 0 19,3 9（5）：1-5,10.6 祝贺，闫文辉，杨艳，等.一种液压控制的吊卡旋转装置研制 J.机械工程师,2 0 16，（10)：7-8.7祝贺，杨艳，刘兴铎，等.液压吊卡翻转驱动装置：CN205154064U P.2016-04-13.8张新刚，张强，严亮，等.一种两位六通液控换向阀：ZL202010032655.2P.2022-06-10.引用本文：张新刚，彭琳，王超，等.三控制通道液压翻转吊卡设计 J.液压气动与密封，2 0 2 3，43（8）：42-45.ZHANG Xingang,PENG Lin,WANG Chao,et al.Design of Three Control Pipes Hydraulic Rotary Elevator J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2023,43(8):42-45.45