直升机吊装模块钻机底座设计与研究

邴通林

0 引言

随着现代工业的发展和人们生活水平的提高，原油的需求出现供不应求的状况，油价不断上涨，世界各国都在加紧寻找并开采新的油藏，其中也包括以前寻找到的、而运输条件不满足无法开采的油区，比如一些偏远山区、丛林、岛屿和沙漠腹地。同时，随着钻井工艺技术的不断提高，每口井的纯钻井时间占整个钻井周期的比例不断下降，而拆卸、移运、安装时间占的比例越来越大，因此要求设计出一种拆装便捷、移运高效的钻机[1-3]。

由于丛林、沙漠、山区等地方的运输条件有限制，基本上公路条件差甚至没有道路，所以公路运输井架在这些地方难以实施。所以需要研制一种可以通过空中运输钻机的方法，由于空中直升飞机几何尺寸受限，所以钻机必须可拆装，在对钻机的设计，最好的方式是模块化组合[4-5]。底座作为钻机的重要组成部分，底座的可靠直接决定了钻机的性能。

1 底座的设计与制造

底座的结构设计的是旋升式结构，在较低的位置进行安装。采用这种设计形式的底座有以下几方面的优点：此钻机整体设计中包含的所有台面上的各种设备都可以在底座完成起升并且在低位实现安装，并且安装起来安全方便，当井架竖立起来之后，利用底座的起升液虹所提供的动力将底座的顶层和钻台的部分（包括井架和台面的设备），这些都整体提升到准确的工作位置；并且在起升和下放的过程中无需额外将底座拆分成各个零部件，也无需吊车等其他的起重设备去完成吊装底座的零部件，而且在起升和下放过程所花的时间都比较短，因此这一特点尤为的适用于在沙漠地区对于移动钻机的需求；由于该类的底座中层的结构是平行四边形，因此还可以轻易设计成各种不同的放置高度，适合摆防喷器的需要。

底座分为后台橇座和钻台，后台橇座分为两节橇架组成，主梁为H型钢，两节之间为销轴连接，为保证橇架质量，必须在一个焊接平台上制作，而且采用CO2保护焊工艺，采用了一些减小变形的工艺方案及必备工装，从而使焊后变形小；通过这些手段，有效地保证了橇架的制造质量和装配要求。钻台主要分为底座和前后上座几部分组成，通过销轴连接，要求焊接时严格控制变形，保证装配时各件连接可靠、无任何干涉现象。由于在焊接时采用自动焊接，在平台上用工艺销轴来保证连接后焊接，所以很好地保证了焊接变形和连接的可靠性，设计出的底座结构如图1所示。

图1 底座结构图

2 底座受压和受弯杆强度验算

底座中钢结构在设计构造时应该依照AISC335-89《钢结构建筑规范》所要求的许用应力来完成设计部分，从而来确定设定的许用单位应力。在对底座构件进行强度的验算过程中，碰到的以轴心受压和受弯最为普遍。对轴心受压和弯曲两种应力的构件，应该依据有关公式对危险杆件进行校核，如下：

当fa/Fa＜0.15时，可用式（3）代替式（2）和（1）。

上式中 Fa—轴心受到的压力（Pa）；

Fb—弯曲力引起的压力（Pa）；

fa—实际计算的轴心压力（Pa）；

fb—实际计算的完全引起的压力（Pa）；

Cm—系数。

式中 K—悬空长度（m）；

l—实际悬空长度（m）；

r一圆周半径（m）；

Cc—细长比；

E—钢材的弹性模量，29000；

3 底座模态分析

在井架的施工过程中底座容易受到转盘等运动部件的激励而振动，轻微的振动会让钻台上施工的工作人员身体不适应，当这种振动激励过大时会导致钻机整体施工出现误差，降低井架等重要部件的结构强度，导致重要零部件失效，直接影响石油钻机的整体施工。井架底座具体参数如表1。

表1 底座主要参数

根据图2～5对底座的5阶模态振型进行分析可以得到，第1阶振型时底座上部位移量较大，逐渐往下，位移量逐渐减小。第2阶振型时底座前部位移量较大，且在前部靠上端部位尤为突出。第3阶振型时底座后部的位移量较大，后部各部位位移量较均衡。第4阶振型时各部分没有明显的振动变形，尤其底部基本不存在变形，前3阶振型在底座上存在大面积的变形，对底座存在较大影响，而4阶振型在底座上基本没大幅位移，或者自由4阶时存在局部的变形，对钻台施工没有影响。观察该型号钻机的各部分结构，分析钻机实际施工的工作状态，该钻机绞车等设备没有安装在底座上，所以该部分的振动对于钻台没有影响。底座上主要有电机、减速箱、输出和输入轴、转盘等。所以可对底座的结构进行优化，改变底座的固有频率，或者在实际的施工过程中调整转盘的转速，使转盘避开激励底座的频率。

4 钻机负载试验

图2 底座1阶振型

图3 底座2阶振型

图4 底座3阶振型

图5 底座4阶振型

在大钩负载为60～80 kN时，通过发动机的仪表读数可以发现，发动机转速与大钩负载之间没有线性关系，不会随着负载的增加而增加，大钩负载由60 kN变为110 kN时，发动机转速有小幅度降低，当大钩的负载由110 kN增加到120 kN时，发动机转速开始增加，当大钩负载大于120 kN时，发动机的转速随着大钩负载的增加而增加。机油压力与转速的变化规律类似，与大钩的负载之间不存在线性关系，机油压力随着转速的增加而增加，转速减小时机油压力减小。发动机水温与打钩负载之间没有关系，当大钩压力为110、120、130 kN时，水温值相同，均为89℃，随着发动机转速的增加水温增加，但是在大钩负载为140 kN时，水温存在一个降低趋势，大钩负载继续增加，水温开始回升，高于小负载的水温。具体如表2所示。

表2 正拉发动机读数

5 总结

（1）对底座进行了选用设计，底座的结构设计的是旋升式结构，在较低的位置进行安装。

（2）给出了底座钢结构的受压和弯曲两种应力构件计算方法。

（3）利用ANSYS对井架的模态进行了分析，提出了可以对底座的结构进行优化，改变底座的固有频率，或者在实际的施工过程中调整转盘的转速，使转盘避开底座的激励频率的方法。

（4）通过钻机负载试验，对采用该底座的钻机性能进行了分析。