ТРУБНЫЙ МАНИПУЛЯТОР

Полезная модель относится к буровому оборудованию и может быть использована в системе верхнего привода буровых установок для операций развинчивания/свинчивания резьбовых соединений труб и трубчатых деталей.
В качестве наиболее близкого аналога к заявляемой полезной модели выбран трубный манипулятор, сведения о котором содержатся в руководстве по эксплуатации и чертеже. (Руководство по эксплуатации системы верхнего привода 44049.49.000РЭ, стр.1-3, 11-20, чертеж 44049.49.340СБ «Трубный манипулятор»).
Известный трубный манипулятор включает вертлюжную головку, компенсирующий механизм, трубный зажим.
Компенсирующий механизм содержит вертикальный телескопический корпус, выполненный в виде наружного и внутреннего корпусов прямоугольного поперечного сечения, пружину сжатия, надетую на вертикальный стержень и расположенную между рабочей площадкой и буртиком на конце вертикального стержня. Рабочая площадка выполнена с отверстием, через которое свободно проходит вертикальный стержень. Наружный корпус компенсирующего механизма установлен на поверхности вертлюжной головки; выступающий конец внутреннего корпуса соединен с трубным зажимом.
Трубный манипулятор содержит гидроцилиндр, установленный снаружи телескопического корпуса, при этом шток гидроцилиндра связан с трубным зажимом, а его корпус с наружным корпусом.
В известной конструкции трубного манипулятора телескопический корпус выполнен достаточно протяженным, причиной тому является расположение компенсирующего средства в наружном корпусе. Так, длина наружного корпуса выбрана из двух условий: во-первых, из необходимости расположения пружины, во-вторых, из необходимости перемещения вертикального стержня, в верхнем положении выступающего над пружиной на величину перемещения, задаваемую длиной хода штока гидроцилиндра.
В связи со значительной длиной телескопического корпуса наружный корпус на траверсе системы верхнего привода (СВП) вынужденно располагают вдоль всей высоты втулки-траверсы. При таком расположении наружного корпуса гибкие гидравлические рукава как неотъемлемый элемент СВП не могут быть размещены со стороны телескопического корпуса, - данные рукава приходится размещать с противоположной стороны (относительно телескопического корпуса) втулки-траверсы, т.е. в зоне движения штропов. Однако при движении штропов происходит нарушение целостности рукавов, отрицательно сказывающееся на работе СВП.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании трубного манипулятора, расширяющего арсенал средств подобного назначения за счет новой компоновки элементов компенсирующего механизма.
Задача решается тем, что в трубном манипуляторе, включающем вертлюжную головку, трубный зажим, компенсирующий механизм, который содержит вертикальный телескопический корпус, выполненный в виде наружного и внутреннего корпусов прямоугольного поперечного сечения, пружину сжатия, надетую на вертикальный стержень и расположенную между рабочей площадкой и буртиком на конце вертикального стержня, при этом рабочая площадка выполнена с отверстием, через которое свободно проходит вертикальный стержень, при этом наружный корпус установлен на поверхности вертлюжной головки, выступающий конец внутреннего корпуса соединен с трубным зажимом, согласно полезной модели рабочая площадка выполнена в виде торцевой части внутреннего корпуса, пружина сжатия расположена во внутреннем корпусе, буртик расположен на нижнем конце вертикального стержня, компенсирующий механизм снабжен дополнительными элементами - горизонтальным стержнем и тяговым элементом, которые расположены в наружном корпусе и связаны друг с другом, концы горизонтального стержня закреплены на противоположных стенках наружного корпуса, верхний конец вертикального стержня связан с тяговым элементом, нижняя часть тягового элемента выполнена с рабочей поверхностью, обращенной к наружной рабочей поверхности торцевой части внутреннего корпуса, причем дополнительные элементы связаны так, что при перемещении наружного корпуса вверх при сжатии пружины тяговый элемент подвешен на горизонтальном стержне, а при перемещении наружного корпуса вниз при отжатой пружине рабочая поверхность тягового элемента взаимодействует с рабочей поверхностью торцевой части внутреннего корпуса, при этом тяговый элемент находится вне подвешенного положения относительно горизонтального стержня, способного перемещаться вниз.
В заявляемой полезной модели тяговый элемент выполнен в виде U-образной рамы с горизонтальной полкой и боковыми сторонами, при этом горизонтальная полка содержит рабочую поверхность, в боковых стенках рамы выполнены соосные продолговатые вертикальные отверстия, при этом горизонтальный стержень продет через продолговатые отверстия.
В заявляемой полезной модели концы горизонтального стержня закреплены на противоположных стенках наружного корпуса посредством разъемного соединения, при этом горизонтальный стержень проходит через отверстия, выполненные в наружном корпусе.
В заявляемой полезной модели в стенках наружного корпуса выполнены дополнительные отверстия, предназначенные для установки горизонтального стержня и расположенные на одной оси с отверстиями, через которые проходит данный стержень.
В заявляемой полезной модели вертлюжная головка выполнена с кронштейном, на котором закреплен наружный корпус, при этом кронштейн установлен в нижней части вертлюжной головки.
Сущность полезной модели поясняется следующим образом.
При свинчивании/развинчивании резьбового соединения, удерживаемых в трубном зажиме трубных элементов, компенсирующий механизм трубного манипулятора предназначен для компенсации изменения расстояния между соединяемыми торцевыми поверхностями трубных элементов: переходного переводника и бурильной трубы.
По сравнению с известным средством компоновка компенсирующего механизма предусматривает иное расположение пружины сжатия. Данная пружина расположена в полости внутреннего корпуса, при этом функцию рабочей площадки, в которую упирается пружина сжатия, выполняет торцевая часть внутреннего корпуса. Наличие буртика на нижнем конце вертикального стержня обеспечивает поджатие упомянутой пружины снизу, что необходимо для упора пружины сжатия в торцевую часть внутреннего корпуса.
Таким образом, компенсирующий механизм содержит пружину сжатия, расположенную во внутреннем корпусе, надетую на вертикальный стержень, свободно проходящий через отверстие в торцевой части внутреннего корпуса, при этом пружина сжатия расположена между внутренней поверхностью торцевой части внутреннего корпуса и буртиком на нижнем конце вертикального стержня.
Компенсирующий механизм содержит дополнительные элементы, а именно: тяговый элемент и горизонтальный стержень, расположенные в наружном корпусе и связанные друг с другом.
Нижняя часть тягового элемента выполнена с горизонтальной рабочей поверхностью, обращенной к наружной рабочей поверхности торцевой части внутреннего корпуса; указанные рабочие поверхности предназначены для и предназначенной для взаимодействия. Соединение верхнего конца вертикального стержня с тяговым элементом обеспечивает фиксированное положение пружины сжатия, а взаимодействие соответствующих рабочих поверхностей тягового элемента и торцевой части внутреннего корпуса необходимо для устойчивого положения внутреннего корпуса при отжатом положении пружины сжатия.
Связь дополнительных элементов определяется операциями свинчивания и развинчивания удерживаемого в трубном зажиме резьбового соединения трубных элементов, когда трубный зажим с внутренним корпусом зафиксирован относительно наружного корпуса.
Так, при перемещении наружного корпуса вверх при сжатии пружины тяговый элемент подвешен на горизонтальном стержне. Для обеспечения подвешенного положения горизонтальный стержень закреплен на противоположных стенках наружного корпуса. Таким образом, при развинчивании резьбового соединения с фиксированным положением внутреннего корпуса компенсация перемещения наружного корпуса осуществляется пружиной сжатия, а именно: при сжатии пружины наружный корпус вместе с тяговым элементом, подвешенном на горизонтальном стержне, перемещается вверх.
Для возврата пружины в исходное положение (отжатие пружины) трубный зажим с внутренним корпусом перемещаются вверх, занимая исходное положение для очередной операции, при котором рабочая поверхность тягового элемента взаимодействует с рабочей поверхностью внутреннего корпуса.
При перемещении наружного корпуса вниз при отжатом положении пружины, тяговый элемент находится вне подвешенного положения относительно горизонтального стержня, способного перемещаться вниз вместе с наружным корпусом, при этом рабочая поверхность тягового элемента взаимодействует с рабочей поверхностью внутреннего корпуса. Возможность относительного перемещения горизонтального стержня обеспечивается тем обстоятельством, что нижняя часть тягового элемента выполнена с поверхностью, взаимодействующей с наружной поверхностью торцевой части внутреннего корпуса.
Необходимость перемещения наружного корпуса вниз при отжатом положении пружины вызвана операцией свинчивания резьбового соединения трубных элементов.
Для подъема и опускания трубного зажима и внутреннего корпуса на необходимый уровень предусмотрен монтаж/демонтаж горизонтального стержня, для этой цели в стенках наружного корпуса выполнены дополнительные отверстия, предназначенные для установки горизонтального стержня и расположенные на одной оси с отверстиями, через которые проходит данный стержень. Закрепление концов горизонтального стержня на противоположных стенках наружного корпуса, выполненное посредством разъемного соединения, обеспечивает возможность извлечения стержня из соответствующих отверстий и его установку в дополнительные отверстия с последующим закреплением на стенках наружного корпуса. Таким образом, компенсирующий механизм возможно использовать для осуществления операций свинчивания и развинчивания резьбового соединения трубных элементов.
В заявляемой полезной модели целесообразно тяговый элемент выполнять в форме рамы с поперечным U-образным профилем, как правило, прямоугольным.
Выбранная форма является оптимальной, т.к. такая рама содержит горизонтальную полку и боковые стороны. При расположении U-образной рамы в наружном корпусе наружная поверхность горизонтальной полки, выполняющая функцию рабочей площадки, взаимодействует с рабочей поверхностью торцевой части внутреннего корпуса; боковые наружные стороны рамы с зазором расположены вдоль боковых стенок наружного корпуса для обеспечения беспрепятственного перемещения рамы вдоль внутренней поверхности наружного корпуса.
Для обеспечения подвешенного положения рамы на горизонтальном стержне в боковых стенках рамы выполнены соосные продолговатые отверстия, через которые продет горизонтальный стержень.
Для компенсации перемещения наружного корпуса при отжатом положении пружины выполнение отверстий продолговатой формы обеспечивает скольжение горизонтального стержня относительно рамы, находящейся в фиксированном положении. Так, горизонтальный стержень скользит вниз вдоль поверхности, образованной продолговатыми отверстиями, как в направляющих, при этом рабочая поверхность рамы опирается на рабочую поверхность торцевой части внутреннего корпуса, т.е. рама неподвижна относительно перемещаемого горизонтального стержня.
С учетом вышесказанного компоновка элементов компенсирующего механизма представляет собой сочетание пружины сжатия, расположенной во внутреннем корпусе между его торцевой частью и буртиком на нижнем конце стержня, и дополнительных взаимодействующих элементов - тягового элемента и горизонтального стрежня, расположенных в наружном корпусе.
Таким образом, трубный манипулятор с новой компоновкой элементов компенсирующего механизма дополняет перечень средств, предназначенных для технологических операций с использованием трубного манипулятора.
Уменьшение вертикального габарита телескопического корпуса трубного манипулятора достигается за счет того, что взаимное расположение пружины сжатия и тягового элемента исключает необходимость расположения пружины как протяженного элемента в наружном корпусе. Компоновка элементов компенсирующего средства с расположением пружины сжатия во внутреннем корпусе приводит к сокращению высоты наружного корпуса, следовательно, всего телескопического корпуса.
Сокращение высоты телескопического корпуса обеспечивает возможность установить наружный корпус на нижней части вертлюжной головки трубного манипулятора, освободив технологическое пространство вокруг нее для размещения гибких гидравлических рукавов. Данная возможность реализуется за счет выполнения вертлюжной головки с кронштейном, на котором закреплен наружный корпус компенсирующего механизма, причем при установке кронштейна в нижней части вертлюжной головки становится возможным располагать гидравлические рукава со стороны телескопического корпуса, что исключает нахождение указанных рукавов в зоне действия штропов СВП, следовательно, сохраняет целостность гидравлических рукавов.
На чертежах изображен трубный манипулятор системы привода буровой установки: на фигуре 1 изображен общий вид трубного манипулятора, на фигуре 2 и 3 изображен узел А в различных видах.
Осуществление полезной модели и поясняется следующим примером.
Трубный манипулятор системы верхнего привода буровой установки содержит вертлюжную головку 1, трубный зажим 2 и компенсирующий механизм 3.
Вертлюжная головка 1 установлена на неподвижную втулку 4 приводного вертлюга-редуктора 5 с вертикальным стволом (позицией не обозначен).
Компенсирующий механизм 3 содержит телескопический корпус, выполненный в виде наружного корпуса 6 и внутреннего корпуса 7 с прямоугольным поперечным сечением.
На кронштейне 8, установленном на поверхности вертлюжной головки 1, посредством осей крепится наружный корпус 6 компенсирующего механизма 3.
Внутренний корпус 7 компенсирующего механизма 3 соединен с трубным зажимом 2.
В трубном зажиме 2 удерживаются трубные элементы: бурильная труба 9, соединенная с переходным переводником 10.
Трубный манипулятор снабжен гидроцилиндром 11 со штоком 12; гидроцилиндр 11 установлен снаружи телескопического корпуса, при этом шток 12 гидроцилиндра 11 связан с трубным зажимом 2, а его корпус с наружным корпусом 6.
Во внутреннем корпусе 7 установлены две пружины сжатия 13, надетые на два вертикальных стержня 14, которые из полости внутреннего корпуса 7 свободно проходят в полость наружного корпуса 6 через отверстия 15, выполненные в торцевой части 16 внутреннего корпуса 7.
Компенсирующий механизм 3 содержит две пружины 13 сжатия исходя из необходимости приложения достаточного усилия, обеспечивающего перемещение внутреннего корпуса 7.
Между каждой пружиной 13 и вертикальным стержнем 14 на верхних и нижних сторонах стержня 14 установлены по две втулки 17, обеспечивающие скольжение пружины 13 вдоль данных стержней 14, при этом каждая нижняя втулка 17 выполнена с буртиком (позицией не обозначен), который поджимает пружину 13 до упора в торец 16 внутреннего корпуса 6.
Тяговый элемент 18 расположен в наружном корпусе и выполнен в виде U-образной рамы (18) прямоугольного сечения, горизонтальная полка которого выполнена с отверстиями 19, а боковые стенки рамы 18 с вертикальными продолговатыми отверстиями 20.
Горизонтальная полка рамы 18 обращена вниз, т.е. ее наружная рабочая поверхность взаимодействует с рабочей наружной поверхностью торца 16 внутреннего корпуса 7, при этом отверстия 19 в горизонтальной полке рамы 18 располагаются над отверстиями 15 в торце 16 внутреннего корпуса 7. Таким образом, верхние концы вертикальных стержней 14 продеты через отверстия 15 и 19 и соединены с горизонтальной полкой рамы 18 посредством винтового соединения (позицией не обозначено).
Рама 18 установлена в наружном корпусе 6 с зазором относительно внутренней поверхности его стенок для обеспечения перемещения рамы 18 внутри наружного корпуса 6.
Стержень 22 в горизонтальном положении установлен в наружном корпусе 6.
Рама 18 связана с горизонтальным стержнем 22 благодаря тому, что стержень 22 продет через продолговатые отверстия 20 в стенках рамы 18.
Стержень 22 проходит через отверстия 23, выполненные в стенках наружного корпуса 6, при этом концы стержня 22 закреплены на противоположных стенках наружного корпуса 6 посредством разъемного соединения, например, винтового соединения. Разъемное соединение стержня 22 со стенками наружного корпуса 6 применяется для обеспечения подъема/опускания трубного зажима 2 вместе с внутренним корпусом 7.
Вдоль наружного корпуса 6 выполнены дополнительные отверстия 23, предназначенные для установки стержня 22 на уровень, соответствующий новому местоположению внутреннего корпуса 7 и трубного зажима 2, определяемому при подъеме и опускании указанных элементов 2, 7.
Компоновка элементов компенсирующего механизма 3 трубного манипулятора привносит преимущество заявляемой полезной модели, заключающейся в сокращении высоты телескопического корпуса. Компенсирующий механизм 3, характеризующийся оптимальной высотой телескопического корпуса, становится возможным устанавливать в нижней части вертлюжной головки 1, освобождая ее поверхность для размещения гибких гидравлических рукавов. Таким образом, заявляемый трубный манипулятор обеспечивает размещение гибких рукавов вне зоны действия штропов системы верхнего привода, что позволяет сохранить целостность уязвимого элемента.
Трубный манипулятор при замене переходного переводника 10, установленного на стволе вертлюга-редуктора 5 работает следующим образом.
Для подъема трубного зажима 2 вместе с внутренним корпусом 7 стержень 22 раскрепляют и извлекают из наружного корпуса 6. Предварительно сняв бандаж (на чертеже не показан), удерживающий разъем трубчатых элементов: «переходной переводник 10 - бурильная труба 9», при давлении рабочей жидкости шток гидроцилиндра 11 втягивается, при этом трубный зажим 2 занимает верхнее положение и удерживает переходной переводник 10; внутренний корпус 7 также перемещается вверх. При этом новое местоположение внутреннего корпуса 7, следовательно, рамы 18 фиксируется благодаря тому, что стержень 22 продевается через отверстия 23 в наружном корпусе 6 и продолговатые отверстия 20 в раме 18. Таким образом, рама 18 подвешена на горизонтальном стержне 22.
Следует отметить, что подъем и опускание трубного зажима 2 вместе с внутренним корпусом 7 может осуществляться посредством вспомогательной лебедки.
В первом рабочем положении при фиксированном положении трубного зажима 2 и внутреннего корпуса 7 привод вращения включают в режим, который обеспечивает развинчивание резьбы соединяемых трубчатых элементов. Вертлюг-редуктор 5 с вертлюжной головкой 1 приподнимается, следовательно, наружный корпус 6 вместе с рамой 18, подвешенной на горизонтальном стержне 22, перемещается вверх, при этом пружины 13 сжимаются, следовательно, компенсируется изменение (увеличение) расстояния между соединяемыми торцевыми поверхностями трубных элементов «переходной переводник 10 - бурильная труба 9» за счет перемещения наружного корпуса 6.
При возврате пружины 13 в исходное положение внутренний корпус 7 перемещается вверх при фиксированном положении наружного корпуса 6.
Заключительной операцией является удержание переходного переводника 10 в трубном зажиме 2; при фиксированном положении трубного зажима 2 и внутреннего корпуса 7 привод вращения включают в режим, который обеспечивает свинчивиание резьбы соединяемых трубных элементов «переходной переводник - бурильная труба». При фиксированном положении внутреннего корпуса 7 и трубного зажима 2 во втором рабочем положении перемещение наружного корпуса 6 компенсируется за счет возможности скольжения горизонтального стержня 22 относительно рамы 18 (вместе с наружным корпусом 6) вдоль поверхности продолговатых отверстий 20 рамы 18 как в направляющих. При перемещении наружного корпуса 6 вниз пружина 13 отжата, рабочая поверхность рамы 18 опирается на рабочую поверхностью торцевой части внутреннего корпуса 7.
Для опускания трубного зажима 2 и внутреннего корпуса 7 вниз стержень 22 извлекают из отверстий 20, 23. Когда внутренний корпус 7 и трубный зажим 2 достигнут необходимого нижнего уровня, стержень 22 снова устанавливается в отверстия 23 наружного корпуса 6 и продолговатые отверстия 20 в раме 18. В данном положении осуществляется свинчивание/развинчивание резьбового соединения трубных элементов.