劉廣治

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

0 引言

占地球表面積71%的海洋蘊(yùn)藏著豐富的重要戰(zhàn)略資源，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)所必需。目前，陸上資源消耗嚴(yán)重，深海資源勘探迫在眉睫。隨著深海高技術(shù)裝備的迅猛發(fā)展，深海資源勘探進(jìn)入了全面發(fā)展的階段。我國(guó)在海洋擁有超過16萬平方公里的礦區(qū)，礦區(qū)包括多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和硫化物等，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)不可或缺的潛在礦產(chǎn)資源。然而，在大規(guī)模開采之前必須開展前期的取樣分析，完成規(guī)模、儲(chǔ)量、成分、前景、環(huán)境評(píng)估等工作，這些工作主要需要海底鉆機(jī)來完成。

海底鉆機(jī)以其鉆探成本低、效率高，產(chǎn)品擾動(dòng)小、易保壓，設(shè)備體積小、易操作，船舶適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為海底資源勘探、海洋地質(zhì)調(diào)查以及海洋科學(xué)考察不可或缺的重要技術(shù)裝備，得到了世界海洋強(qiáng)國(guó)的重視和應(yīng)用。

海底鉆機(jī)是一種鉆探系統(tǒng)完全工作于海底的鉆探設(shè)備，水下工作時(shí)與母船僅靠一條具有承載能力的臍帶纜實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。海底鉆機(jī)在選定站位作業(yè)必須一次成功取出合格樣品，否則還需要重新選址，重新收放，收放以及作業(yè)選址等花費(fèi)的時(shí)間比鉆機(jī)實(shí)際工作的時(shí)間要多得多。因此，要求海底鉆機(jī)實(shí)際作業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)必須可靠。

海底鉆機(jī)在實(shí)際作業(yè)中，鉆桿接卸的可靠性是影響海底鉆機(jī)整體作業(yè)可靠性的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。尤其在大鉆深作業(yè)中，鉆桿的接卸要重復(fù)很多次，每次都需要機(jī)械手能夠準(zhǔn)確無誤地送到指定位置，這在實(shí)際操作中很難保證，一旦鉆桿的接卸因?yàn)樗豌@位置誤差導(dǎo)致鉆桿接不上或卸不下來，就必須回收海底鉆機(jī)。因此有必要研制一種海底鉆機(jī)的鉆桿輔助接卸裝置，用來消除鉆桿多次接卸后，機(jī)械手送鉆的位置誤差，保證海底鉆機(jī)鉆桿接卸的可靠性。

1 海底鉆機(jī)鉆桿輔助接卸裝置需要解決的問題

(1)大鉆深時(shí)，鉆桿的接卸過程要重復(fù)多次。機(jī)械手在協(xié)助反復(fù)接卸鉆桿時(shí)，如果不能保證鉆桿始終能夠送到準(zhǔn)確位置，存在偏差時(shí)需要施加給動(dòng)力頭主軸額外的力強(qiáng)行連接鉆桿螺紋，偏差越大，額外施加的力就越大，會(huì)給鉆桿螺紋和動(dòng)力頭主軸轉(zhuǎn)接頭螺紋造成損傷，導(dǎo)致事故。因此，海底鉆機(jī)鉆桿輔助接卸裝置必須能夠消除機(jī)械手的送鉆誤差。

(2)當(dāng)即將接入新鉆桿上端與動(dòng)力頭連接后，新鉆桿處于一端固定一端自由的狀態(tài)，新鉆桿的自由端易受到洋流等外力影響偏離原來位置，鉆桿越長(zhǎng)，影響越大。即將接入的新鉆桿的自由端很難與上一根鉆桿的上端對(duì)中連接。因此，海底鉆機(jī)鉆桿輔助接卸裝置在接卸新鉆桿時(shí)，必須能夠?qū)π裸@桿的上下移動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)向。這樣可以保證當(dāng)新鉆桿上端與動(dòng)力頭主軸連接后，另一端穿過導(dǎo)向裝置，依靠導(dǎo)向裝置限制鉆桿在外力作用下的偏離距離，保證新鉆桿能夠始終與動(dòng)力頭主軸的同軸度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

(3)卸扣時(shí)，若直接采用動(dòng)力頭反轉(zhuǎn)卸扣，不能保證被卸鉆桿下端扣先被松開，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)，先將被卸鉆桿下端松扣，然后再利用動(dòng)力頭反轉(zhuǎn)保證被卸鉆桿下端扣先被卸開。

(4)為保證新鉆桿與上根鉆桿可靠地接卸，上根鉆桿暴露于孔口位置的部分也需要保證與動(dòng)力頭主軸的同軸度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。若直接采用夾持器夾持，會(huì)因夾持器兩端液壓缸不同步，造成夾持位置偏離與動(dòng)力頭主軸的同軸位置，造成新鉆桿下接頭和上根鉆桿的上接頭之間接卸困難。因此，海底鉆機(jī)鉆桿輔助接卸裝置還需要對(duì)上根鉆桿強(qiáng)制對(duì)中，保證夾持器的夾持位置在設(shè)計(jì)位置。

(5)海底鉆機(jī)鉆桿的輔助接卸裝置不能妨礙動(dòng)力頭的行程和增加鉆機(jī)的整體高度以及重量，否則會(huì)對(duì)母船的配套設(shè)施提出更高的要求。

2 海底鉆機(jī)鉆桿輔助接卸裝置設(shè)計(jì)方案

針對(duì)以上需要解決的問題，海底鉆機(jī)輔助接卸裝置應(yīng)具備相應(yīng)的功能。因此，海底鉆機(jī)鉆桿輔助接卸裝置需要具備消除送鉆位置誤差，鉆桿上下移動(dòng)能夠?qū)?，被卸鉆桿下端扣先卸開，能夠保證孔口位置的鉆桿與動(dòng)力頭主軸同軸度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)等功能。根據(jù)這些功能的要求，作者提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由彈簧對(duì)中機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、沖扣機(jī)構(gòu)和對(duì)中夾持機(jī)構(gòu)組成。

圖1 海底鉆機(jī)鉆桿輔助接卸裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawing of auxiliary loading and unloading device for drill pipe of subsea drilling rig

3 海底鉆機(jī)鉆桿輔助接卸裝置各個(gè)機(jī)構(gòu)的構(gòu)成和工作過程

3.1 彈簧對(duì)中機(jī)構(gòu)

海底鉆機(jī)鉆桿輔助接卸裝置中的彈簧對(duì)中機(jī)構(gòu)主要由兩側(cè)的對(duì)中液壓缸、導(dǎo)向限位組件、彈簧對(duì)中組件和卡瓦組成，見圖2。

圖2 彈簧對(duì)中機(jī)構(gòu)Fig.2 Spring centering mechanism

彈簧對(duì)中機(jī)構(gòu)的工作過程：正常鉆進(jìn)時(shí)，彈簧對(duì)中機(jī)構(gòu)不起作用，兩側(cè)對(duì)中液壓缸均處于全縮狀態(tài)，此時(shí)不影響動(dòng)力頭上下運(yùn)動(dòng)；接卸鉆桿時(shí)，若機(jī)械手送鉆桿的位置正好為設(shè)計(jì)位置時(shí)，兩側(cè)彈簧壓縮量一致，彈簧作用于卡瓦，從而卡住鉆桿。當(dāng)機(jī)械手送鉆桿的位置存在偏差時(shí)，彈簧對(duì)中機(jī)構(gòu)先在機(jī)械手實(shí)際送鉆位置夾住鉆桿，機(jī)械手松開鉆桿后，由于兩側(cè)彈簧的壓縮量不一致，在彈簧力的作用下鉆桿自動(dòng)回到設(shè)計(jì)位置。

3.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

海底鉆機(jī)鉆桿輔助接卸裝置中的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要由兩側(cè)的對(duì)中液壓缸、導(dǎo)向限位組件、導(dǎo)向塊組成，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)Fig.3 Guide mechanism

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工作過程：正常鉆進(jìn)時(shí)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不起作用，兩側(cè)對(duì)中液壓缸均處于全縮狀態(tài)，此時(shí)不影響動(dòng)力頭上下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)動(dòng)力頭與鉆桿上端連接后，彈簧對(duì)中機(jī)構(gòu)中的對(duì)中液壓缸活塞桿全部縮回，動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆桿向下移動(dòng)，此時(shí)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)兩側(cè)的導(dǎo)向塊組成的圓的直徑稍大于鉆桿外徑，為鉆桿的移動(dòng)導(dǎo)向，避免出現(xiàn)鉆桿一端固定另一端自由的狀態(tài)，保證鉆桿在移動(dòng)過程中與動(dòng)力頭的同軸度在控制范圍內(nèi)。為了降低導(dǎo)向塊的摩擦系數(shù)，導(dǎo)向塊采用尼龍材料。

3.3 沖扣機(jī)構(gòu)

海底鉆機(jī)鉆桿輔助接卸裝置的沖扣機(jī)構(gòu)主要由沖扣液壓缸、夾緊組件和固定座組成，如圖4所示。

圖4 沖扣機(jī)構(gòu)Fig.4 Punching mechanism

沖扣機(jī)構(gòu)的工作過程：夾緊組件用于夾住鉆桿，夾緊組件可沿著固定座上中心孔旋轉(zhuǎn)，沖扣液壓缸用于提供卸扣力。夾緊組件上的限位桿用于保證夾緊組件兩側(cè)液壓缸活塞桿的最終位置一致，避免液壓缸速度不同步造成的夾緊鉆桿的位置不在設(shè)計(jì)位置，即夾緊鉆桿的位置不是由液壓缸的行程決定，而是由限位桿限位位置決定。固定座上的限位桿用于保證夾緊組件不工作時(shí)處于設(shè)計(jì)位置。

3.4 對(duì)中夾持機(jī)構(gòu)

海底鉆機(jī)鉆桿輔助接卸裝置中的對(duì)中夾持機(jī)構(gòu)主要包括對(duì)中組件和夾持組件，其中對(duì)中組件主要由對(duì)中液壓缸、安裝座、導(dǎo)向桿、限位桿以及對(duì)中V型塊，如圖5所示。夾持組件主要由夾持液壓缸、安裝座、導(dǎo)向桿、限位桿和卡瓦組成，如圖6所示。

圖5 對(duì)中組件Fig.5 Centering assembly

圖6 夾持組件Fig.6 Clamping assembly

對(duì)中組件工作過程：正常鉆進(jìn)時(shí)，兩側(cè)對(duì)中液壓缸活塞桿處于全縮狀態(tài)，對(duì)中卡瓦塊處于各自的初始位置，此時(shí)鉆桿的上下運(yùn)動(dòng)不受影響；接卸鉆桿時(shí)，對(duì)中液壓缸通過導(dǎo)向桿導(dǎo)向，驅(qū)動(dòng)對(duì)中V型塊強(qiáng)制鉆桿回到設(shè)計(jì)位置，對(duì)中V型塊的行程由限位桿進(jìn)行機(jī)械限位，保證最終夾持位置處于設(shè)計(jì)位置。通過對(duì)中組件對(duì)鉆桿強(qiáng)制對(duì)中后，夾持組件對(duì)處于設(shè)計(jì)位置的鉆桿夾持。

4 結(jié)語

針對(duì)海底鉆機(jī)鉆桿接卸中存在的問題，作者設(shè)計(jì)了海底鉆機(jī)鉆桿輔助接卸裝置。該裝置能夠使上下兩根鉆桿上卸扣時(shí)與動(dòng)力頭主軸的同軸度均在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，降低了對(duì)機(jī)械手送鉆位置的精度要求，提高了海底鉆機(jī)鉆桿接卸這個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性，同時(shí)也降低了機(jī)械手的控制精度和設(shè)計(jì)難度。