(高清版)GBT 31049-2022 石油天然气钻采设备 顶部驱动钻井装置

代替GB/T31049—2014石油天然气钻采设备顶部驱动钻井装置2022-12-30发布2023-07-01实施国家标准化管理委员会I前言 12规范性引用文件 l3术语和定义 14产品分类及产品规格 34.1产品分类 34.2产品规格 34.3型号表示方法 45功能 45.1基本部件功能 45.2专用部件功能 96设计 96.1设计要求 96.2强度分析 96.3连接型式与尺寸 6.4动力水龙头 6.5管子处理装置 6.6平衡机构 6.7导轨与滑车 6.8液压系统 6.9电气系统 6.10电控系统 6.11司钻操作台 6.12顶驱下套管装置 6.13软扭矩系统 6.14扭摆减阻系统 6.15设计确认和验证 7制造 7.1材料 7.2焊接 7.3表面处理及涂装 7.4质量控制与追溯 8试验 Ⅱ8.1通则 8.2静载荷拉伸试验 238.3零部件功能性试验 9检验规则 9.1检验分类 9.2判定规则 10.1通用要求 10.2需要由制造商保存的文件 10.3产品出厂随行文件 11.1产品标志 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件代替GB/T31049—2014《石油钻机顶部驱动钻井装置》,与GB/T31049—2014相比，除结构调整和编辑性改动外，主要技术变化如下：a)增加了顶驱型号表示方法(见4.3);b)增加了1500m、8000m、15000m系列顶驱的产品主要参数、提环与大钩的连接尺寸、提环与游车的连接尺寸、主轴、内防喷器、保护接头尺寸和连接螺纹、旋转头吊耳尺寸、内防喷器规格参数、背钳夹持范围(见表1、表3、表4、表5、表6、表7和表8);c)增加了直驱顶驱动力水龙头结构示例(见图3);d)增加了刹车装置的功能要求(见5.1.1.4);e)增加了承载箱的功能要求和设计要求(见5.1.1.7、6.4.3);f)增加了专用部件功能(见5.2);g)增加了常规顶驱设计使用环境最低温度要求(见6.1.2),增加了易坠落零部件防护措施要求(见6.1.4);h)增加了减速箱润滑系统的设计要求(见6.4.2.3);i)更改了旋转头设计要求(见6.5.1,2014年版的6.5.1);j)增加了液压油温升设计要求(见6.8.2);k)增加了执行元件要求(见6.8.5);1)更改了区域划分的规范性引用文件(见6.9.1,2014年版的6.9.1),增加了海洋顶驱电控房规定(见6.9.1);m)增加了顶驱下套管装置设计要求、试验要求和检验项目(见6.12、8.3.7、表10);n)增加了软扭矩系统的设计要求、试验要求和检验项目(见6.13、8.3.8、表10);o)增加了扭摆减阻系统的设计要求、试验要求和检验项目(见6.14、8.3.9、表10);p)更改了刹车试验方法(见8.3.2,2014年版的8.3.2)、主通道密封试验中型式试验压力数值(见8.3.4.1,2014年版的8.3.4.1),更改了主通道密封试验出厂试验压力(见8.3.4.2,2014年版的q)更改了液压系统试验方法(见8.3.5,2014年版的8.3.5)请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会(SAC/TC96)提出并归口。本文件起草单位：北京石油机械有限公司、中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院、宝鸡石油机械有限责任公司、中国石油集团长城钻探工程有限公司、中国石油集团西部钻探工程有限公司、中国石油集团川庆钻探工程有限公司、中石化中原石油工程有限公司、中海油研究总院有限责任公司、南阳二机石油装备集团股份有限公司。本文件于2014年首次发布，本次为第一次修订。1石油天然气钻采设备顶部驱动钻井装置1范围本文件规定了石油天然气钻采设备顶部驱动钻井装置(以下简称“顶驱”)及其配套装置的分类及规本文件适用于石油天然气钻采设备顶驱及其配套装置的分类及规格、功能、设计、制造、试验、检验、存储和运输。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法GB/T229金属材料夏比摆锤冲击试验方法GB/T231.1金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法GB/T3766液压传动系统及其元件的通用规则和安全要求GB/T3797电气控制设备GB/T4208—2017外壳防护等级(IP代码)GB/T6402—2008钢锻件超声检测方法GB/T7233.1—2009铸钢件超声检测第1部分：一般用途铸钢件GB/T7251.8低压成套开关设备和控制设备第8部分：智能型成套设备通用技术要求GB/T7935液压元件通用技术条件GB/T9444—2019铸钢铸铁件磁粉检测GB11118.1液压油(L-HL、L-HM、L-HV、L-HS、L-HG)GB/T15622液压缸试验方法GB18613—2020电动机能效限定值及能效等级GB/T19190—2013石油天然气工业钻井和采油提升设备GB/T19830石油天然气工业油气井套管或油管用钢管GB/T23507.2石油钻机用电气设备规范第2部分：控制系统JB/T8468—2014锻钢件磁粉检测JB/T10829液压马达SY/T6671石油设施电气设备场所工级0区、1区和2区的分类推荐作法SY/T6919—2020石油天然气钻采设备钻机和修井机涂装规范3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。2顶部驱动钻井装置topdrivesystem由动力水龙头和管子处理装置等组成，能驱动钻柱旋转并具有旋紧或松开钻柱接头的功能，可以沿导轨上下移动，完成钻井作业(也可在小鼠洞作业)的装置。电驱动顶驱electrictopdrivesystem由交流或直流电动机提供驱动装置主动力的顶驱。液压驱动顶驱hydraulictopdrivesystem由液压马达提供驱动装置主动力的顶驱。直驱顶驱direct-drivetopdrivesystem动力机直接驱动钻柱旋转的顶驱。动力水龙头powerswivel一种支承钻柱并直接驱动钻杆旋转的水龙头，随游车一起移动，用来在钻井作业时向钻柱的顶部提供旋转动力。管子处理装置pipehandlingdevice抓放钻柱、为旋紧或松开保护接头与钻柱接头之间的连接螺纹提供夹紧力的装置。注：能实现吊环前、后倾斜和旋转等功能。顶驱在钻机井架内沿其上下移动，并保持顶驱旋转轴线相对井架位置固定的部件。注：能承受反扭矩。在各种作业中使顶驱相对于井架保持正确位置的装置。注：能承受反扭矩。旋转头rotatinghead管子处理装置中由动力驱动绕中心轴旋转的总成。管子处理装置中夹紧钻柱接头的总成，用于主轴施加扭矩旋紧或松开保护接头与钻柱之间的连接螺纹时，提供夹紧力的装置。内防喷器insideblowoutpreventer安装在顶驱主承载通道中，在关闭状态下能防止井涌或者井喷时钻井液从钻柱通道喷出的装置。顶驱下套管装置topdrivecasingrunningsystem连接于顶驱(动力水龙头)主轴，由提升总成、驱动总成、卡瓦夹持总成、密封及导向总成组成的用于下套管的机械装置。3保护接头saversub连接顶驱钻井液主循环通道下端和钻柱的转换接头。主承载件primaryload-carryingcomponent设备在操作中承受轴向载荷的零部件。施加给设备的规定最大工作载荷。软扭矩softtorque一种地面控制技术，通过动态调节顶驱输出转速和扭矩，抑制钻柱因不均匀受力引起的有害粘滑振动。扭摆减阻rockingdrilling一种地面控制技术，通过控制顶驱在限定的角度、扭矩范围内来回扭摆钻柱，降低钻柱因贴靠井壁产生的摩阻。4产品分类及产品规格4.1产品分类4.1.1按驱动主轴旋转的动力源形式，可分为电驱动顶驱和液压驱动顶驱，其中电驱动顶驱又可分为直流电驱动顶驱和交流电驱动顶驱。4.1.2按主动力的传递方式，可分为减速驱动顶驱和直驱顶驱。顶驱的规格按名义钻深和额定载荷来划分，主要参数应符合表1的规定。如需特殊参数，可与用户协商。表1产品规格及主要参数名义钻深“m额定载荷连续钻井kN·m短时最大扭矩kN·m额定转速r/min钻井液循环通道工作压力MPa主轴内径mm2000400022504表1产品规格及主要参数(续)名义钻深“m额定载荷连续钻井短时最大扭矩kN·m额定转速r/min钻井液循环通道工作压力MPa主轴内径mm名义钻深是在顶驱使用114mm(41/2in)钻杆情况下的钻井深度。’连续钻井扭矩是在额定转速下的连续最大扭矩。4.3型号表示方法顶驱型号的表示方法见图1。DQD——直流变频驱动B——交流变频驱动Y——液压驱动第二特征符号省略——单主动力机减速驱动S——双主动力机减速驱动D——多主动力机减速驱动Z——主动力机直接驱动名义钻深：表示用114mm钻杆组成的钻柱标定，以100m为单位计的名义钻深范围上限图1顶驱型号的表示方法示例1:名义钻深范围为4000m、交流变频驱动表示为DQ40B。示例2:名义钻深范围为9000m、交流变频驱动、双主动力机减速驱动顶驱型号表示为DQ90BS。5功能5.1基本部件功能5.1.1动力水龙头5.1.1.1结构组成动力水龙头主要包括提环、动力机(电动机或液压马达)、鹅颈管、冲管总成、减速箱(或承载箱)、提环销和主轴等零部件，减速驱动顶驱动力水龙头见图2,直驱顶驱动力水龙头见图3。5标引序号说明：1——提环；2——刹车装置；3——动力机；4——鹅颈管；5——冲管总成；6——减速箱；7——提环销；8——主轴。图2减速驱动顶驱动力水龙头结构示例6标引序号说明：1——提环；2——鹅颈管；3——冲管总成；4——动力机；5——承载箱；6——提环销；7——主轴。提环连接顶驱与钻机提升系统的大钩或游车，承受顶驱和管柱的总载荷。5.1.1.3.1动力机具有为旋转钻柱提供动力的功能，可使用电动机或液压马达。5.1.1.3.2直驱顶驱的动力机驱动轴应为中空，以便钻井液穿过。5.1.1.3.3动力机可置于承载箱的上部(见图3)或下部。5.1.1.4.1刹车装置起制动主轴旋转的作用，能承受反扭矩，刹车装置可采用两种工作形式。——盘刹制动是一种机械制动方法，装在电机主轴的轴伸端，由刹车钳对刹车盘施以夹紧力，实现刹车，制动能量与施加的压力成正比。——能耗制动是一种电气制动方法，通过电磁作用，产生阻碍转子转动的制动力矩，达到制动目的。5.1.1.4.2顶驱宜采用能耗制动降低转速，待降至较低转速后通过盘刹制动。盘刹也可用于紧急制动，防止突然失电时钻具倒扣。冲管总成上端与鹅颈管相连，下端与主轴相连，具有对主轴旋转密封的功能，为钻井液提供循环7通道。减速箱将动力机的动力传递给主轴，带动钻柱旋转，兼有承受载荷和传递钻井动力的功能。减速箱主轴的下部与内防喷器、钻柱相连接，上部与冲管总成、鹅颈管相连接，形成钻井液循环通道。直驱顶驱由动力机直接驱动主轴旋转，承载箱应承受载荷。承载箱主轴的下部与内防喷器、钻柱相连接，上部与冲管总成、鹅颈管相连接，形成钻井液循环通道。5.1.2管子处理装置管子处理装置包括旋转头、吊环倾斜机构、内防喷器、防松装置、背钳和保护接头等，管子处理装置结构示例见图4。标引序号说明：1——旋转头；2——内防喷器；3——吊环倾斜机构；4——防松装置；5——保护接头；6——背钳。图4管子处理装置结构示例旋转头两侧应有吊耳用于连接吊环及吊卡，能使吊环、吊卡绕主轴正反360°自由旋转(或只旋转一定的角度),配合吊环倾斜机构去小鼠洞抓取单根或对准二层台的立柱，或将吊环及吊卡转至某一位8吊环倾斜机构应实现吊环的前倾、后倾，并具有浮动功能。内防喷器连接主轴与保护接头，可以通过关闭内防喷器阻断钻柱内部通道。主轴、内防喷器、保护接头之间应安装防松装置，保证螺纹连接不会因为钻进、旋紧或松开钻柱接头的操作而更加旋紧或松开。背钳能夹持钻柱接头完成钻柱旋紧或松开作业，也能夹持内防喷器和保护接头完成拆装作业。背钳应具有适宜的夹持范围，适应不同规格的钻柱。保护接头安装在内防喷器下部，保护内防喷器的连接螺纹。平衡机构是在旋紧或松开钻柱螺纹时平衡顶驱本体(或顶驱本体与一个立根)的质量，减小螺纹在旋紧或松开钻柱螺纹过程中的磨损。平衡机构还应具有缓冲功能，减小冲击载荷对提环的影响。5.1.4导轨与滑车5.1.4.1导轨与滑车的作用是使顶驱沿钻机井架上下移动，在钻井作业中保持在相对于井架的正确位5.1.4.2顶驱导轨通常可分为单导轨和双导轨两种结构。5.1.4.3双导轨与井架在整个高度上刚性连接，钻井时向井架传递扭矩。5.1.4.4单导轨上部与天车采用铰接连接，底部通过反扭矩装置固定在井架的反扭矩横梁上，钻井时将扭矩传递到井架下端。5.1.5液压传动和控制系统5.1.5.1液压传动和控制系统按功能，可分为主液压传动和控制系统、辅助液压传动和控制系统。5.1.5.2顶驱本体质量的平衡、旋紧或松开钻柱螺纹时背钳的夹紧与松开、吊环的前倾与后倾、旋转头回转与锁紧、内防喷器的打开与关闭、主动力机的制动与松开等功能均由辅助液压传动和控制系统实现。5.1.5.3对于液压驱动的顶驱，除上述功能要求以外，由主液压传动和控制系统提供主动力。5.1.6.1电气传动与控制具有对顶驱的运行情况进行控制和实时监测的功能。5.1.6.2对于电驱动顶驱，电气传动与控制的核心部分分为驱动和控制两部分，驱动部分包括驱动装置、动力机及连接附件，控制部分包括配电系统、可编程逻辑控制器(PLC)控制系统及连接附件。顶驱应配有司钻操作台，具有钻井所需要的基本操作功能。实现对顶驱的转速、扭矩、操作模式及9钻井工况的控制。必要时，可以在二层台上配置辅助操作台，用于在二层台操作旋转头和吊环倾斜机构。5.2专用部件功能5.2.1顶驱下套管装置顶驱下套管装置是基于顶驱进行下套管作业的一种工具，可在下套管的同时实现管柱的旋转、钻井液的循环。如果配置顶驱下套管装置，设计应符合6.12的规定，试验应符合8.3.7的规定，功能应满足以下要求：——通过顶驱的提升和下放实现套管柱的提升和下放动作；——通过顶驱的主轴旋转带动顶驱下套管装置的卡瓦夹持总成实现套管螺纹的连接和松开；——顶驱下套管装置的密封导向总成具备密封套管的能力，满足钻井液灌注及循环作业要求；——设定、记录和归档下套管作业数据(扭矩、转速等),具备追溯性。软扭矩系统应通过附加安装(或嵌入)在顶驱控制系统中的软、硬件，对顶驱输出转速、扭矩自动动态调节，抑制粘滑振动。如果配置软扭矩系统，设计应符合6.13的规定，试验应符合8.3.8的规定，功能应满足以下要求：——启动、运行及停止过程中，顶驱无异常响声或振动；——记录运行时的状态和参数。扭摆减阻系统应通过附加安装(或嵌入)在顶驱控制系统中的软、硬件，在滑动定向过程中控制顶驱以给定的速度，在限定的扭矩或角度范围内来回摆动钻柱，减小井下摩阻。如果配置扭摆减阻系统，设计应符合6.14的规定，试验应符合8.3.9的规定，功能应满足以下要求：——启动、运行及停止过程中，顶驱无异常响声或振动；——具有控制顶驱连续完成正向或反向旋转循环的功能。旋转循环的转速、角度、扭矩、相对零点、保持时间、循环次数实时可调；——记录运行时的状态和参数。6设计6.1设计要求6.1.1顶驱零部件的设计应达到预期的目的，应操作简便、安全可靠。6.1.2常规产品设计使用环境最低温度应为一20℃。6.1.3特殊环境用顶驱的材料应满足所处环境下的性能要求、液压和电气系统应在所处环境下可靠工作。如钻井设计地层中含有硫化氢，顶驱钻井液循环通道零部件应选用抗硫化氢腐蚀配置。海洋环境用顶驱应满足耐腐蚀、防盐雾、隔爆阻燃的要求。6.1.4应设计顶驱易坠落零部件的防护措施。6.2强度分析6.2.1.1顶驱主承载件强度分析通常应以弹性理论为基础。但在适当场合下，可按GB/T19190—2013GB/T31049—2022中4.3.5的规定采用极限强度(塑性)分析，也可采用有限元法，或采用和有限元相结合的分析方法。6.2.1.2对于所有影响设计的力的每个横截面，应采用力的作用位置与方向的最不利的组合方式。6.2.2等效应力根据芬·米塞斯-亨克(VonMises-Hencky)理论，由额定载荷引起的名义等效应力，不应超过由公式(1)计算的最大许用应力Rmx值。式中：Rmx——最大许用应力，单位为兆帕(MPa);R——最小屈服强度，单位为兆帕(MPa);ns——设计安全系数(应符合6.2.3的规定)。6.2.3主承载件设计安全系数主承载件设计安全系数应符合表2中的规定。表2主承载件设计安全系数额定载荷Pmx设计安全系数n,1334～4448(含)3.00-[0.75(Pmx—1334)/3114]“1334、3114单位为千牛(kN)。在涉及剪力的设计计算中，剪切屈服强度与抗拉屈服强度之比应为0.58。6.3连接型式与尺寸6.3.1提环尺寸如果需要使用提环与大钩连接时，提环与大钩的连接尺寸应符合表3和图5的规定。对于与游车直接连接的提环，提环与游车的连接尺寸应符合表4和图6的规定。表3提环与大钩的连接尺寸名义钻深m额定载荷提环与大钩接触表面的半径mm其他连接尺寸mmE2,mxF2.mind2.maxe2,min50.80200057.15470表3提环与大钩的连接尺寸(续)名义钻深m额定载荷提环与大钩接触表面的半径mm其他连接尺寸mm— 一 注：E₂、F₂、d₂、e₂见图5。.1—:1图5提环与大钩的连接表4提环与游车的连接尺寸名义钻深m额定载荷提环与游车接触表面的半径其他连接尺寸A2,minB₂,max69.8576.20200076.2076.20表4提环与游车的连接尺寸(续)名义钻深m额定载荷提环与游车接触表面的半径mm其他连接尺寸mmA₂.minB₂.maxa2,minC2,max4000225076.2076.20450082.55800082.559000675082.55————9000—— 注：A₂、B₂、az、c₂见图6。图6提环与游车的连接6.3.2.1顶驱主轴的下端连接遥控内防喷器(上部)、手动内防喷器(下部)和保护接头，保护接头的下端连接钻柱的上接头。6.3.2.2主轴、内防喷器、保护接头的连接见图7,主轴与内防喷器采用螺纹连接，连接方式按需确定，图7为常见的螺纹连接方式，连接尺寸及螺纹应符合表5的规定。如需特殊参数，可与用户协商。标引序号说明：1——主轴；2—-内防喷器；3——保护接头。图7主轴、内防喷器、保护接头的连接示例表5主轴、内防喷器、保护接头的尺寸和连接螺纹名义钻深m额定载荷内防喷器外径mm内防喷器连接螺纹上端下端——6.3.3旋转头吊耳尺寸旋转头上悬挂吊环的吊耳见图8,连接尺寸应符合表6的规定。GB/T31049—2022图8旋转头吊耳表6旋转头吊耳尺寸名义钻深m额定载荷旋转头吊耳与吊环接触表面半径mm其他连接尺寸mmD₁.minC₁.maxh].max ————————注：D₁、C₁、fi、gi、h₁见图8。6.4动力水龙头6.4.1主推力轴承主推力轴承承受钻柱纵向载荷。动力水龙头主推力轴承的额定载荷W,应由公式(2)确定： 式中：W.——主推力轴承在100r/min时的计算载荷，单位为千牛(kN);WR——主推力轴承在100r/min时，90%的轴承最短使用寿命为3000h时的额定载荷，单位为牛800——单位为牛/千牛(N/kN)。6.4.2.1减速箱应运转平稳，不应有冲击、异常震动及不均匀响声，主轴空载转速为100r/min时，在油温稳定后，润滑油温升不应超过45℃,最高温度不应超过85℃。6.4.2.2顶驱正常运转时，减速箱各处密封均应无渗漏、无卡阻现象。6.4.2.3润滑系统清洁可靠，应保证减速箱齿轮啮合、轴承的润滑以及散热，宜具有润滑油油位、油温、流量等检测装置。6.4.3.1承载箱应运转平稳，不应有冲击、异常震动及不均匀响声，主轴空载转速为100r/min时，在油温稳定后，润滑油温升不应超过45℃,最高温度不应超过85℃。6.4.3.2顶驱正常运转时，承载箱各处密封均应无渗漏、无卡阻现象。6.4.3.3润滑系统清洁可靠，应保证承载箱轴承的润滑以及散热，宜具有润滑油油位、油温、流量等检测装置。6.5管子处理装置旋转头旋转速度应可调，宜设定为3r/min～6r/min。旋转头内部宜预留至少3路旋转液压油路，用于液压吊卡的配套。前倾应伸向小鼠洞或二层台抓放钻柱，最大后倾时应使吊卡抬离钻台面保证顶驱正常钻进。6.5.3内防喷器及控制装置6.5.3.1出厂前宜安装两个内防喷器，分别为遥控操作内防喷器(上部)和手动操作内防喷器(下部)。6.5.3.2在空载条件下，遥控操作内防喷器的关闭，应在按下操作按钮后5s内完成动作。内防喷器的规格参数应符合表7的规定。如需特殊参数，可与用户协商确认。表7内防喷器规格参数名义钻深m额定载荷外径压力等级MPa防松装置应保证主轴、内防喷器、保护接头之间的螺纹连接在最大卸扣扭矩作用下不松开。背钳机构应在规定扭矩下夹紧钻柱接头，并应带有防护装置(或功能),防止在正常钻进时夹紧机构与钻柱接头接触产生摩擦。背钳的夹持范围应符合表8的规定。如需特殊参数，可与用户协商。表8背钳夹持范围名义钻深m额定载荷夹持范围mm86～12786～12786～12786～19786～19786～21686～21686～21686～25086～2506.6平衡机构平衡机构的承载能力应不小于顶驱本体与一个钻杆立根的质量。6.7导轨与滑车6.7.1导轨的长度应与井架高度相适应，悬挂高度可调。导轨安装好后，下端面距离钻台面的高度宜不小于2m,同时保证顶驱本体接近钻台面时滑车不会从导轨中脱出。6.7.2滑车的设计、设计验证试验、材料要求、质量控制和标志按GB/T19190—2013中9.17的规定6.8液压系统液压系统设计应符合GB/T3766的规定，液压元件应符合GB/T7935的规定。液压源应满足顶驱液压系统对压力和流量的需求，应当包括适宜的净化和防护功能，并满足环境温度的要求。使用时液压油温升不应超过65℃。6.8.3.1管线、管路与接头的材质应适合于所传输的流体介质，并且能承受大于系统额定压力1.5倍的6.8.3.2软管的爆破压力应为软管额定压力的4倍。6.8.3.3软管总成应进行软管额定压力1.5倍的压力试验。安装在顶驱上的电磁阀应具有隔爆功能，隔爆等级不低于ExdⅡBT4。6.8.5.1油缸零部件的设计应按照相应的标准，油缸试验应按GB/T15622的规定执行。6.8.5.2液压马达的输出转速和转矩应满足顶驱的要求，检验应符合JB/T10829的要求。6.8.5.3液压油性能应满足环境要求，保证清洁，液压油的检验应符合GB11118.1的要求。6.9电气系统6.9.1陆地井场顶驱电控房所处的场所应为SY/T6671中规定的非分类区域。海洋移动钻井装置上顶驱电控房所因空间原因无法处于非分类区域时，应采用符合所在区域要求的防爆设计。6.9.2顶驱本体和司钻操作台的区域安全设计应按SY/T6671的相关规定执行。6.9.3所有元器件均应能够在所处环境中全天候100%负荷下连续工作。6.9.4电气系统应符合GB/T23507.2规定的电网条件和海拔的要求。6.9.5设备中所用导线的颜色应符合国家或国际标准的相关规定。6.9.6导线的额定绝缘电压应与电路的额定工作电压或对地电压相适应。6.9.7挠性电缆的最小弯曲半径不应小于电缆厂家根据其产品所处环境温度范围所规定的弯曲半径。6.9.8为了方便现场安装和连接，动力电缆和控制电缆允许分段。在电缆分段处连接插接装置的防护等级应不低于GB/T4208—2017中IP55。6.9.9配套的三相防爆异步小电机的能效等级应不低于GB18613—2020中3级的规定。6.9.10变频电动机外壳防护等级应不低于GB/T4208—2017中IP55。6.9.11系统中所有控制柜以及外部安装的元器件应通过专门的接地导线连接到接地系统中。如有可能，所有电器控制及电力回路要与上述接地系统绝缘。上述系统所有接地导线的尺寸设计要根据最大接地故障电流值来确定。6.9.12电控柜包括接入电控柜的导管和进入电控柜的电缆压盖，设计应满足或超过所安装区域的特殊防爆要求。6.9.13电气系统应具备加热及去凝露装置。6.9.14应配置适当的装置，保证控制柜在适当的温湿度范围内工作。6.10电控系统6.10.1.1电控系统应能实现对顶驱主传动装置的速度、转矩的控制。应提供数据接口与第三方监控系统实现数据交换，宜采用总线通讯的形式，用于输出顶驱当前速度、转矩等参数。6.10.1.2配套集中控制一体化钻机的顶驱，电控系统应符合GB/T23507.2规定的联锁、保护要求。6.10.1.3电控系统应包括人机界面(HMI)或接口，用于系统参数的设置和状态监测。6.10.1.4控制电路的设计应保障人身安全，采取措施减小引发操作失误的概率，增强系统的安全性。6.10.1.5电控系统应具有包容性，可嵌入其他控制技术。这些控制技术可实现如软扭矩等特定功能，但不应影响原控制系统的稳定性。6.10.1.6管子处理装置的控制回路应采用冗余电气回路设计，在顶驱本体通讯故障时，仍能实现对管子处理装置的控制。6.10.2控制电路的保护6.10.2.1对可能危及人身安全、损坏设备的情况，应采取联锁装置，使设备停止运行或采取其他应急措施。6.10.2.2控制电路的电源引入端应装有熔断器或断路器做短路保护。6.10.3.1.2安装于保护房内的柜体防护等级一般不低于GB/T4208—2017中IP2X。6.10.3.1.3柜体的结构应牢固，应能承受运输和正常使用条件下可能遇到的机械振动，以及电气、热应力及潮湿等影响。元件之间应有足够的空间，以便装配和接线，更换电池等易耗元件，每个元件附近应标注明显的符号和代号。6.11司钻操作台6.11.1面板上的操作件应方便操作。6.11.2面板上的操作应有互锁设计。6.11.3应设置转速、转矩、操作模式及钻井工况所需的辅助操作。应设有故障或报警指示灯，用于故障或报警。6.11.4面板上应设有“紧急停止”开关或按钮。开关或按钮应设在司钻易于发现和操作的位置，开关6.11.5应采取适当的防爆措施，比如正压防爆，并且防护等级不低于GB/T4208—2017中IP55。6.12顶驱下套管装置6.12.1下放套管规格应符合GB/T19830的规定。6.12.2由于不同规格套管的抗内、外压能力不同，为了安全起见，当套管标称外径大于等于168.28mm时宜采用内卡的夹持方式，当套管标称外径小于168.28mm时宜采用外卡的夹持方式。6.12.3应和顶驱具有良好的兼容性，与顶驱连接后应留有安全作业空间。6.12.4与顶驱之间应具有良好的接口(连接螺纹、控制管线),安装时不应拆除内防喷器，安装后不应影响顶驱基本操作。6.12.5顶驱下套管作业时，宜使用加长吊环，满足安全提升管柱要求。6.12.6在满足安全提升和扭矩载荷的前提下，一套装置应能满足多种规格套管的作业需求，减少设备的数量。6.12.7卡瓦夹持机构提升管柱时，额定提升载荷应大于理论套管柱悬重；否则不应使用顶驱下套管装置的卡瓦夹持机构提升。6.12.8卡瓦夹持机构及整机应提供满足驱动套管(柱)旋转的扭矩且具备反转功能，其最小额定工作扭矩应不低于对应套管螺纹上紧扭矩的1.5倍，满足松开套管螺纹的技术要求。应加装放松装置，防止顶驱下套管装置松开套管螺纹，导致与顶驱连接螺纹松动。6.12.9顶驱下套管的密封总成动态密封压力不应低于钻井液循环通道实际工作压力。6.12.10主要技术参数应符合表9的规定。表9顶驱下套管装置的主要技术参数适用套管标称外径“mm(in)额定提升载荷”额定工作扭矩kN·m密封耐压°MPa连接螺纹⁴NC50或219.08(856)244.48(95%)2250/4500273.05(1034)298.45(113%)339.72(133)406.40(16)473.08(185%)508.00(20)所有列出套管规格均符合GB/T19830,非标套管可按照标称外径接近的套管执行。”额定提升载荷是指顶驱下套管装置卡瓦夹持机构所能承受的最大提升载荷，不同装置承载能力不同，当实际套管重量大于装置的提升载荷时不应采用装置提升，应用满足要求的吊环提升。密封耐压是指顶驱下套管装置密封总成所能承受的最低套管密封压力。连接螺纹可根据客户需求进行定制，应满足安全提升要求。6.13软扭矩系统6.13.1频域响应设计6.13.1.1具有必要的软、硬件接口，可获取或释放对顶驱旋转动力的相关控制权。软件接口应包括但不限于转速设定值、扭矩限定值、旋转方向；硬件接口应采用总线通讯、数字信号、模拟信号等形式中的一种或数种。6.13.1.2运行时，应能明显抑制粘滑现象，在60s内使地面扭矩(扭矩实际值)波动幅值减小30%6.13.1.3运行时，地面转速(转速实际值)波动幅值应在0～200%转速设定值，不应超过顶驱的最大转速；地面转速(转速实际值)平均值与转速设定值的偏差应小于转速设定值的10%。6.13.1.4应有转速实际值与扭矩实际值的慢速归档、快速归档与趋势显示功能，慢速归档间隔采样周期不大于500ms,快速归档采样周期不大于5ms,趋势显示采样周期不大于500ms。不应因软扭矩功能致使转速实际值产生发散振荡。软扭矩系统开启时，不应改变顶驱原控制系统的安全措施，应在任意工况下参与或退出顶驱控制；出现故障时，不应影响顶驱原控制系统的功能。6.14扭摆减阻系统6.14.1.1应具有必要的软、硬件接口，可获取或释放对顶驱旋转动力的相关控制权。软件接口应包括等形式中的一种或数种。6.14.1.2控制顶驱的转速偏差不应超过±1%额定转速，扭矩偏差不应超过±2.5%额定扭矩，角度偏差不应超过±3°,相对零点偏差不应超过±3°,时间偏差不应超过±1s。6.14.2.1应采取必要的措施，确保顶驱原控制系统的优先控制权。6.14.2.2应具有紧急停止功能，能在任意状态下紧急停止顶驱并释放对顶驱的控制权。6.15设计确认和验证6.15.1顶驱应进行设计确认。通过对顶驱进行静载荷拉伸试验，对零部件进行性能试验，整机性能试验(包括液压系统试验和电控系统试验)以及通过顶驱的现场应用来验证设计的合理性。6.15.2制造商应保存设计控制文件，证明产品设计达到预计的目标。设计控制文件应至少包括设计7.1材料所有材料均应适用于预定的用途。除另有规定外，7.1.2～7.1.5规定了主承载件和承压件材料要求。主承载件应有所用材料的规范文件。包括但不限于下列各项：——化学成分和允差；——力学性能要求；——试验方法；——加工要求(包括许可的熔炼、加工和热处理方法);——补焊要求。对于锻件，加工方法的说明应包括锻造比。7.1.3.1材料应符合制造商的材料规范规定的性能要求。力学性能试验应在合格的试样上进行，试样的取样方法应符合GB/T19190—2013中6.4的相关规定。试件的拉力试验方法按GB/T228.1的规定执行。试件的硬度试验应按GB/T231.1的规定执行。7.1.3.2材料吸收能量应由试件三次试验的平均值确定。7.1.3.3最小屈服强度大于或等于310MPa的主承载件材料，其在一20℃时的平均吸收能量不小于42J,且其中任一值不小于32J。最小屈服强度低于310MPa的主承载件材料，其在一20℃时的平均吸收能量不小于27J,且其中任一值不应小于20J。设计温度低于一20℃时，材料的吸收能量要求应符合GB/T19190—2013中A.3的规定。试件的冲击试验方法按GB/T229的规定执行。7.1.4.1每一炉的材料成分均应按制造商规范的要求对规定的元素进行分析。7.1.4.2主承载件材料的最大含硫和含磷量均应小于0.025%。7.1.5.1铸钢件应进行超声波检测和磁粉检测。超声波检测结果应符合GB/T7233.1—2009中的2级规定，磁粉检测结果应符合GB/T9444—2019中的2级规定。7.1.5.2锻件应进行超声波检测和磁粉检测。超声波检测结果应符合GB/T6402—2008中的3级规定。磁粉检测应符合JB/T8468—2014中的2级规定。7.1.5.3主承载件在进行静载荷拉伸试验后，应在24h后对其关键部位进行无损检测，检测方法按7.1.5.1和7.1.5.2进行。7.2规定了主承载件和承压件组焊和补焊(如允许)的要求，包括连接焊缝的要求。制造商应按GB/T19190—2013中的相应规定制定书面的焊接规范。焊接应按书面规范进行，包括但不限于下列各项：——焊接材料及管理；——焊接工艺规程；——焊接工艺评定；——焊工技能评定；——焊接检验员资格；——相关质量记录。7.2.3焊接材料的管理7.2.3.1焊接材料应符合焊接材料制造商的规范。制造商应具有书面的焊接材料存放与管理的规程。7.2.3.2低氢型焊接材料应按焊接材料制造商的推荐方法储存和使用，以保持其原有的低氢性能。焊接应按经过评定的焊接工艺规程进行。执行焊接工艺规程的施焊记录应按第10章的要求作为记录保存。7.2.5焊工技能评定7.2.5.1焊接应由评定合格的焊工进行。如果焊工连续6个月以上没有从事资格评定过的工作，其资格应重新评定。7.2.5.2焊工的焊接技能评定应有相应的技能评定记录。焊工的资格鉴定记录应按第10章的要求作为记录保存。7.2.6焊接检验员资格无损检测人员和完工焊缝进行目检的人员应按相应的标准进行资格鉴定。7.2.7焊接工艺评定7.2.7.1焊接工艺要进行评定，评定程序应符合GB/T19190—2013中第7章的规定。7.2.7.2工艺评定记录应按第10章的要求作为记录保存。焊缝无损检测应符合GB/T19190—2013中8.4.9要求。对导轨、滑车、反扭矩梁等结构件焊接后应用适当的方法(如振动或热处理)消除应力。7.2.10.1锻件不应补焊。7.2.10.2铸钢件中主承载件的关键部位不应补焊，其他部位可补焊。焊条或焊丝应与铸件材质相匹配，并应在最终热处理前进行，所有补焊均应按照制造商的书面焊接工艺规范进行。焊接的工艺规范应形成文件并根据买方的要求提供。7.3表面处理及涂装应按照腐蚀环境、使用环境、防腐年限设计涂层配套体系。顶驱所处腐蚀环境在大气环境下分为C3,C4、C5和CX,大气腐蚀分类按照SY/T6919—2020中表1的规定。防腐年限分为低(不超过7年)、中(7年～15年)、高(15年以上～25年)三个等级。顶驱的漆膜厚度应根据腐蚀环境和防腐年限来确定，应符合SY/T6919—2020中表3的规定。制造商应以书面程序制定涂料品种、涂层配置、涂层工艺以及检验要求。7.4质量控制与追溯制造商应制定质量控制管理规程，该规程应包括相应的方法、定量与定性验收标准。所有设备、零件和材料的验收情况应在设备、零件和材料上或在可追溯到该设备、零件或材料的记录中加以说明。7.4.2质量控制人员的资格7.4.2.1无损检测人员、焊接操作和完工焊缝进行目视检测人员应按相应的标准进行资格评定。7.4.2.2所有从事直接影响材料和产品质量的其他质量控制工作的人员应按制造商制定的程序进行资格评定。7.4.3测量和试验设备用于检测、试验和检验材料或用于检查、试验和检验其他设备的设备应按照法定的程序进行认定、7.4.4.1各零部件应能根据识别标记或相关记录进行追溯，主承载件应能追溯到相应的热处理炉号。7.4.4.2识别标记应在所有加工阶段保留在材料上以及保留在成品零部件上。制造商制定的可追溯性要求应包括保留、更换识别标记和识别标记检查记录的条款。紧固件如果是按照公认的标准进行标记的，可不再规定追溯性要求。8试验8.1通则应对顶驱进行静载荷拉伸试验来验证设计的合理性和可靠性。产品装配完成后应进行功能性试验。功能性试验包括：——动力水龙头试验；——刹车试验；——管子处理装置试验；——主通道密封试验；——液压系统试验；——电控系统试验；——顶驱下套管试验(如配置);——软扭矩系统试验(如配置);——扭摆减阻系统试验(如配置)。8.2静载荷拉伸试验8.2.1试验载荷的确定施加到被试产品上的最大试验载荷应按公式(3)确定：式中：P₁——最大试验载荷，不应小于2Pmx,单位为千牛(kN);n,——设计安全系数(见6.2.3)。8.2.2.1试验装置应按照GB/T19190—2013中5.6的要求进行校准，保证获得规定的试验载荷。如载荷超过3558kN,可以使用相当于A级，误差小于2.5%的校准器进行校验。8.2.2.2应对试验装置的试验能力进行验证。试验装置对产品(或零部件)的加载方式应与实际工况基本相同，包括载荷支撑面的接触面积。8.2.3.1若产品的结构形状许可，应将应变片贴到试验产品所有预期会产生高应力的部位上。在关键8.2.3.2将设计验证试验载荷施加到产品上。此试验载荷应小心施加，读出应变仪数值并观察其屈服情况。试验产品可根据需要多次加载以便获得足够数据。8.2.3.3根据应变仪读数算出的应力值不应超过由设计计算(以最大试验载荷P,为依据)求得的数值。如果不能满足此项要求或任一试验产品过早地失效，都应对该设计进行全面的重新评定，随后再以与原来要求的相同试验产品件数(其中包括与失效的一件规格和额定值相同的试验产品)进行重复8.2.3.4试验完成卸载后，检查产品的设计功能，所有零件的设计功能不准许因此项加载而受到损害；检查每个零件有无屈服现象，除接触区外，永久变形不应超过0.2%。8.2.3.5产品中的个别零件，当其工装模拟的载荷条件符合组装后该零件的情况时，也可单独进行试验，除接触区外，永久变形不应超过0.2%。8.3零部件功能性试验8.3.1动力水龙头试验主轴能够在0r/min至最大转速之间运转，无级调速。8.3.1.2扭矩加载运转试验应在额定扭矩和额定功率条件下进行加载试验，绘制性能曲线图。性能曲线应满足表1要求。8.3.1.3上卸扣功能试验采用50%～70%的连续钻井扭矩进行钻柱上扣和卸扣试验，检测背钳伸出缩回状态。卸扣时不应有飞车现象。进行最大卸扣扭矩试验，背钳不应出现打滑现象，最大卸扣扭矩应符合表1短时最大扭矩的规定。主轴在小于10r/min低速转动，加载至连续扭矩使主轴停止，堵转3min。降载后电动机或液压马达应工作正常。主轴转速小于10r/min,加载至最大连续钻井扭矩，采用盘刹制动型式刹车。主轴停止转动并保持静止3min,证明刹车工作正常。当采用能耗制动刹车时，应制定试验方法，检查能耗制动的有效性与可靠性。8.3.3管子处理装置试验旋转头在小于10r/min下进行正、反向旋转测试，旋转平稳，无卡阻现象，换向时无冲击，运转8.3.3.2倾斜机构空载试验吊环应能前、后倾斜运动到设计位置，倾斜运动平稳无卡滞现象。8.3.3.3倾斜机构中位浮动试验吊环应能自由回到垂直位置，并保持浮动状态。开启和关闭内防喷器，内防喷器的开关灵活自如，操作方便，开关到位，无卡阻，最大开关扭矩应不大于200N·m。8.3.4主通道密封试验主通道内工作压力小于或等于35MPa,其试验压力应为工作压力的两倍。工作压力大于35MPa,试验压力应大于工作压力1.5倍，但不少于70MPa。试验时应带冲管盘根总成及其附件试验。试验时应带冲管总成及附件试验，主通道内试验压力等于工作压力。静压力试验应包含以下四个步骤：a)初次保压，保压时间不应少于3min;b)降压到零；c)使设备的外表面彻底风干；d)二次保压阶段：保压时间不应少于3min,保压过程中无可见泄漏，或压力下降不大于0.7MPa。保压阶段应当在试验压力达到稳定，设备及压力监测仪表同压力源隔断之后开始计时。8.3.5液压系统试验液压系统额定压力条件下的密封性能试验保压时间不应少于5min,系统中管线、接口和密封处应无漏油，管道应无永久性变形。在额定压力下进行液压源、液压阀组和各个执行机构的功能及联动试验，液压机构响应灵敏可靠，无可见液压油泄漏。液压油温升不超过65℃。进行电控系统的功能试验以及显示、报警、保护及功能互锁试验，电控系统的各个执行机构应控制正确，人机界面显示与报警无误。互锁功能齐全、准确、有效。8.3.7顶驱下套管装置试验主轴在0r/min～50r/min转速之间运转，无级调速，先低速，后高速，低速运转时长不小于10min,总运转时长不应小于30min。不同转速下最高转矩应不大于3.0kN·m。顶驱下套管装置卡瓦夹持机构(钳牙)抱紧套管后，以额定工作拉力为试验拉力的上限值，按规定从0逐级拉伸，测试顶驱下套管装置的提升机构及卡瓦夹持机构的抗拉性能。在试验套管的额定拉力范围内，卡瓦与套管之间应无明显相对轴向滑动，卡瓦对套管无明显咬伤，咬痕深度不超过1mm。顶驱下套管装置卡瓦夹持机构抱紧套管后，以额定工作扭矩为试验扭矩的上限值，按规定从0逐级扭转，测试顶驱下套管装置的传扭机构及卡瓦夹持机构的抗扭性能。在试验套管的额定扭矩范围内，卡瓦与套管之间应无明显相对周向滑动，卡瓦对套管无明显咬伤，咬痕深度不超过1mm。密封总成中的主密封元件的密封性能，宜在整机上进行试验。当工装模拟的压力条件符合组装后该元件的情况时，亦可单独进行试验。试验压力值应不低于对应的密封耐压。以密封耐压为试验压力的上限值，按规定从0逐级增压，测试顶驱下套管装置密封总成的密封能力。稳压后保持测试压力5min,最大压降不应大于1.0MPa。8.3.8软扭矩系统试验频域响应试验应在空载状态下进行，包含以下六个步骤：a)顶驱在60%～70%额定转速匀速运转不小于30s;b)施加动态扰动不小于60s,并以不大于5ms的采样周期，记录转速扭矩相关的输入、输出和中间控制变量；c)去掉动态扰动；d)顶驱以120%～130%额定转速匀速运转不小于30s;e)施加动态扰动不小于60s,并以不大于5ms的采样周期，记录转速扭矩相关的输入、输出和中间控制变量；f)分析b)、e)记录的数据，动态扰动过程中，软扭矩系统的频域响应特性应满足顶驱动态性能的要求。采用8.