высокомоментный трубный ключ

Формула изобретения

1. ВЫСОКОМОМЕНТНЫЙ ТРУБНЫЙ КЛЮЧ, включающий передвижную несущую раму с направляющими, силовой вращатель в виде гидравлически раскрывающегося на шарнирах корпуса с силовым замыканием, полноповоротное гидроприводное роторное колесо, установленное на подшипниковых опорах в корпусе, разъемный челюстедержатель с гидроприводными зажимающими башмаками, оборудованными плашками, узел совмещения разъемов корпуса и роторного колеса с челюстедержателем, тормозной узел челюстедержателя, стопорный ключ с тремя радиальными гидроприводными зажимающими элементами, подъемную каретку, связанную с силовым вращателем и установленную на направляющих рамы с возможностью вертикального перемещения под действием гидроцилиндра подъема, и гидроцилиндры докрепления-раскрепления трубы, отличающийся тем, что, с целью расширения функционально-технологических возможностей, повышения надежности и удобства в эксплуатации ключа путем уменьшения нагрузок в роторном колесе, осуществления перехода со свинчивания на развинчивание переворотом силового вращателя и разгрузки резьбы от поперечной силы при докреплении-раскреплении, он снабжен верхними и нижними ползунами с планками, установленными в челюстедержателях соответственно выше и ниже зажимающих башмаков, и фрикционными пластинами, в челюстедержателях выполнены окна, на внутренней поверхности роторного колеса выполнены двусторонние копиры с углами подъема 15 - 36^o, зажимающие башмаки размещены в окнах челюстедержателей с возможностью контактирования с двусторонними копирами, корпус силового вращателя, роторное колесо и челюстедержатель выполнены из трех частей, при этом части роторного колеса соединены между собой шарнирно, гидропривод зажимающих башмаков выполнен в виде установленных в каждой части корпуса радиально направленных встроенных друг в друга внутреннего и внешнего гидроцилиндров зажима, причем внутренние гидроцилиндры оснащены вилками для охвата роторного колеса и взаимодействия с хвостовыми частями зажимающих башмаков, а внешние гидроцилиндры соединены с ползунами, фрикционные пластины установлены между нижними ползунами и челюстедержателем и подпружиненны относительно последнего, гидроцилиндры докрепления-раскрепления трубы установлены на каретке с возможностью взаимодействия с частями корпуса и роторного колеса для их открытия-закрытия.

2. Ключ по п.1, отличающийся тем, что углы подъема двусторонних копиров преимущественно составляют 20 - 30^o.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при выполнении спускно-подъемных операций с бурильными трубами в процессе проводки нефтегазовых скважин.

Известен выпускаемый фирмой Везерфорд подвесной ключ, имеющий раскрывающийся на шарнирах корпус, внутри которого на роликах размещена составная роторная шестерня с зажимными башмаками, причем один из башмаков задней частью контактирует с копиром [1].

Однако область использования таких ключей ограничена величиной развиваемого момента (не более 35 кН.м). Кроме того, при переходе на новый диаметр труб возникает необходимость в замене зажимающих вкладышей. Недостатком также является ручная операция открытия и закрытия створок корпуса, снижающая безопасность работы ключа.

Наиболее близким из известных по технической сущности и достигаемому результату является высокомоментный трубный ключ, состоящий из передвижной несущей рамы, силового вращателя, включающего гидравлически раскрывающийся на шарнирах корпус с силовым замыканием, внутри которого помещены полноповоротное гидроприводное разъемное роторное колесо на роликовых или иных опорах, снабженное разъемным челюстедержателем с гидроприводными зажимающими башмаками, оборудованными плашками, устройство совмещения корпуса и роторного колеса с челюстедержателем, тормозное устройство челюстедержателя, а также из стопорного ключа с тремя радиальными гидроприводными зажимающими элементами, подъемной каретки [2].

Недостатки такой конструкции ключа в пониженной надежности из-за больших распорных сил в роторном колесе, в необходимости перевертывания силового вращателя при переходе со свинчивания на развинчивание труб, а также в повышенном износе резьбы труб вследствие возникновения большой поперечной силы при докреплении односторонним цилиндром.

Целью изобретения является расширение функционально-технологических возможностей, повышение надежности и удобства эксплуатации ключа путем уменьшения нагрузок в роторном колесе и перевертывания силового вращателя для перехода со свинчивания на развинчивание, а также разгрузка резьбы от поперечной силы при докреплении-раскреплении.

Поставленная цель достигается тем, что в ключе, состоящем из передвижной несущей рамы, силового вращателя, включающего гидравлически раскрывающийся на шарнирах корпус с силовым замыканием, внутри которого помещены полноповоротное гидроприводное разъемное роторное колесо на роликовых или иных опорах, снабженное разъемным челюстедержателем с гидроприводными зажимающими башмаками, оборудованными плашками, устройство совмещения разъемов корпуса и роторного колеса с челюстедержателем, тормозное устройство челюстедержателя, а также из стопорного ключа с тремя радиальными гидроприводными зажимающими элементами, подъемной каретки гидроцилиндров докрепления-раскрепления и подъема каретки, в соответствии с предлагаемым изобретением, корпус силового вращателя, роторное колесо и челюстедержатель выполнены из трех частей, части роторного колеса также соединены между собой шарнирно, а в каждой части корпуса установлены радиально направленные, например, встроенные друг в друга внутренний и внешний гидроцилиндры зажима, при этом внутренние гидроцилиндры взаимосвязаны через толкающие вилки с хвостовыми частями зажимных башмаков, а внешние гидроцилиндры соединены с ползунами, несущими на себе плашки и охватывающими роторное колесо с обоих его торцов, причем между нижними ползунами и челюстедержателем предусмотрены подпружиненные фрикционные пластины, зажимающие башмаки размещены в окнах челюстедержателя в контакте с выполненными на внутренней поверхности роторного колеса двухсторонними копирами с углом подъема от 15 до 36 град, предпочтительно от 20 до 30 град, а сам корпус силового вращателя снабжен двумя боковыми гидроцилиндрами докрепления-раскрепления и открытия-закрытия частей корпуса и роторного колеса.

Предложенное техническое решение отвечает требованиям критерия изобретения "существенные отличия".

Выполнение корпуса силового вращателя и роторного колеса с челюстедержателем из трех шарнирно скрепленных между собой частей с установкой в каждой части корпуса радиально направленных, например, встроенных друг в друга внутренних и внешних гидроцилиндров зажима с взаимодействием внутренних гидроцилиндров через толкающие вилки с хвостовыми частями зажимающих башмаков, а внешних гидроцилиндров - с ползунами, несущими на себе плашки и охватывающими роторное колесо с обоих торцов, а также размещение зажимающих башмаков в окнах челюстедержателя в контакте с выполненными на внутренней поверхности роторного колеса двухсторонними копирами с углом подъема от 15 до 36 град, предпочтительно от 20 до 30 град, обеспечивают повышение надежности путем уменьшения распорных нагрузок на роторное колесо, снижение неравномерности и величины удельных нагрузок на зажимающие башмаки и ползуны силового вращателя. Кроме того это позволяет значительно увеличить диапазон захвата диаметров труб одним комплектом зажимающих башмаков, исключив их смену при переходе на новый диаметр. Функционально-технологические возможности ключа расширяет также и снабжение его двумя боковыми гидроцилиндрами докрепления-раскрепления, которые наряду с исключением необходимости переворота силового вращателя при переходе со свинчивания к развинчиванию, выполняют еще функции по открытию-закытию боковых частей корпуса и роторного колеса. При этом они разгружают резьбу от поперечной силы, возникающей при докреплении-раскреплении, с помощью одного гидроцилиндра. Необходимость переворота вращателя при переходе со свинчивания к развинчиванию исключают так же и двухсторонние копиры роторного колеса.

Технических решений с предложенными признаками в их взаимодействии, взаимосвязи и взаимообусловленности не обнаружено.

На фиг. 1 и 2 изображен ключ, вид сбоку и сверху, соответственно; на фиг. 3 - роторное колесо с челюстедержателем и зажимающими башмаками в плане; на фиг. 4 - замыкающие цилиндры, башмаки и ползуны (сечение Б-Б на фиг. 2); на фиг. 5 - устройство совмещения разъемов роторного колеса и челюстедержателя; на фиг. 6 - стопорный ключ (вид по стрелке А на фиг. 1); на фиг. 7, 8 - схема действия сил на зажимающий башмак с плашками.

Высокомоментный трубный ключ состоит из передвижной несущей рамы 1, силового вращателя 2, стопорного ключа 3, подъемной каретки 4, гидроцилиндров докрепления-раскрепления 5, гидроцилиндра подъема каретки 6. Передвижная несущая рама 1 опирается на четыре колеса 7, два передних из которых через цепную передачу 8 приводятся двумя гидромоторами в движение. Силовой вращатель консольно установлен на столе подъемной каретки, которая закреплена в вертикальных направляющих подвижной несущей рамы. Внутри корпуса силового вращателя и в шарнирно закрепленных на нем боковых частях 9 расположено охватывающее трубную секцию роторное колесо 10, на котором размещены три части челюстедержателя 11, 12, 13 с выдвигающимися зажимающими башмаками 14, между выступающей задней частью которых и челюстедержателем помещены пружины отжима 15. Роторное колесо состоит из трех шарнирно скрепленных частей и покоится на роликах 16, оси которых служат стяжками верхних и нижних листов корпуса и его боковых частей. Составной челюстедержатель может перемещаться в направляющих на внутренних поверхностях частей роторного колеса. Челюстедержатель имеет окна прямоугольной формы, которые являются направляющими для зажимающих башмаков 14, на лицевых сторонах которых зафиксированы по две плашки 17, а хвостовыми частями башмаки охватывают роторное колесо. Передача момента роторному колесу осуществляется от двух гидромоторов 18 через зубчатые передачи. В контакт с хвостовыми частями башмаков при зажиме ими замка трубы 19 вступают вилки 20 штоков гидроцилиндров зажима 21. Зажим замка трубы при страгивании и затяжке резьбы производится с помощью гидроцилиндров 22 верхних 23 и нижних 24 ползунов, связанных с толкателями цилиндров 22. Ползуны помещены между направляющими, укрепленными на внутренних поверхностях верхних и нижних листов, корпуса и его боковых частей. В нижних ползунах размещены фрикционные пластины 25 с пружинами 26. Для сцепления боковых частей корпуса в их закрытом состоянии служит шкворень 27. Для совмещения разъемов челюстедержателя предусмотрен флажок 28, закрепленный на челюстедержателе осью 29 и снабженный фиксатором 30 на роторном колесе и выступом 31. Для фиксации флажка в другом крайнем положении в челюстедержателе имеется углубление 32.

Для совместного открытия створок корпуса и роторного колеса в верхних листах боковых частей корпуса укреплены пальцы 33, а на боковых частях роторного колеса предусмотрены буртики 34. Горизонтальность стола каретки настраивается регулировкой эксцентричности осей роликов 35.

Гидроцилиндры 36 зажима стопорного ключа (вид А) размещены также, как в силовом вращателе - под 120^о друг к другу. Их штоки закреплены в корпусе стопорного ключа.

Высокомоментный ключ работает следующим образом.

Вначале он надвигается на трубу, перемещаясь по рельсам с открытым силовым вращателем. Далее боковые части корпуса закрываются и скрепляются шкворнем 27. Одновременно происходит зажим нижней трубы гидроцилиндрами 36 стопорного ключа. Затем, выдвигаясь из цилиндров зажима 21, штоки своими вилками 20 толкают зажимающие башмаки 14 в окнах челюстедержателя и зажимают замок трубы с заданным усилием. Включаются гидромоторы 18, приводящие в движение роторное колесо, которое смещаясь относительно неподвижного челюстедержателя, набегает на затылочную часть зажимающих башмаков копирами и фиксирует их радиальное положение. Когда сопротивление вращению роторного колеса достигает максимального значения, вилки зажимающих цилиндров 21 отводятся. Роторное колесо с зажатой трубой совершает необходимое количество оборотов и останавливается.

При воздействии копира с углом подъема на башмак усилием S (см.фиг. 6), являющимся суммой нормальной силы N и касательной к контактной поверхности силы трения F, на зубчатых поверхностях 37, 38 плашек возникают реакции. Минимальное радиальное усилие для работоспособности плашек такое, при котором прекращается контакт поверхности 37. В этом случае равнодействующие реакций R₁ и R₂ направлены перпендикулярно к этим поверхностям. Учитывая незначительный взаимный наклон двух плашек можно принять угол наклона их граней к оси перпендикулярной оси симметрии башмака одним и тем же. Из условия равновесия башмака

S cos (_max + ) = (R₁ + R₂) cos

S sin (_max + ) = (R₁ + R₂) sin откуда

_max = - Здесь угол определяется величиной силы трения F. Выбором необходимо создать запас прижатия плашек, так что <_max. При этом поверхности 38 нагружаются, а радиальное усилие Р возрастает. Если принять, что коэффициент трения f = 0,15, = =45^о, то _max = 36^о. Учитывая возможные колебания коэффициента трения в большую или меньшую сторону вследствие попадания абразива или раствора, следует создать гарантированный запас усилия Р и принять верхний предел = 30^о. Чрезмерное снижение приводит к значительному увеличению усилия Р, поэтому предпочтительно _min = 20^о.

После осуществления предварительного свинчивания выдвигаются толкатели цилиндров 22. Плашки, закрепленные на концах ползунов, внедряются в тело трубы (Причем в дополнительных по отношению к зажимающим башмакам точках). Возникающие реактивные усилия воспринимаются замкнутым шкворнем корпусом. В таком состоянии весь силовой вращатель вместе с трубой доворачивается цилиндрами докрепления-раскрепления. При свинчивании и развинчивании каретка вместе с вращателем перемещается в вертикальных направляющих с помощью цилиндра 6.

После докрепления ползуны отводятся от трубы, корпус возвращается в исходное положение гидроцилиндрами 5, а роторному колесу дается обратное вращение. Челюстедержатель, притормаживаемый фрикционными пластинами 25, удерживается на месте до подвода выступа 31 к флажку 28, а башмаки 14, отжимаемые от центра пружинами 15, фиксируются в среднем положении между копирами; при этом разъемы челюстедержателя и роторного колеса совмещаются. Дальнейшее совмещение с разъемом корпуса вращателя производится визуально. На фиг. 5 положение флажка 28 соответствует совмещенному состоянию роторной шестерни и челюстедержателя после операции свинчивания. После совмещения вынимается скрепляющий шкворень 27, части корпуса с помощью гидроцилиндров 5 разводятся, и ключ смещается в исходное положение.

При разворачивании после замыкания корпуса первыми вступают в действие ползуны, затем башмаки. Флажок совмещения переводится в положение, показанное на фиг. 5 штрихпунктиром. В остальном порядок работы аналогичен операции свинчивания.

Экономический эффект от использования изобретения слагается из исключения затрат времени на переналадку, повышения работоспособности и долговечности конструкции и труб за счет ликвидации чрезмерных сил, воздействующих на роторное колесо и резьбовое соединение, а также экономии валюты. Так стоимость модели Marco IR2000 Iron Roughneck (ЕПВ N 58672, кл. В 25 В 17/00), согласно данным на июль 1988 (Mational ilwell) в зависимости от комплектности доходит до 160 тыс. долларов США, что и равно экономии валюты в данном случае.