转盘扭矩仪的研发与应用

论文摘要：本文通过分析现阶段大修施工工艺现状，重点阐述了SK-8N22夹持式扭矩传感器的技术特点及其工作原理。通过该扭矩仪在现场的应用情况分析，可以看出该工艺技术适合油田井下大修施工，有着广泛的应用前景。

关键词：大修、结构、扭矩、应用

中图分类号：TU3文献标识码： A 文章编号：

前言

在大修施工过程中，为处理井下复杂情况，往往需要使用转盘进行倒扣、磨铣、以及套铣等作业，而修井机没有配套转盘扭矩输出参数的显示设备，在进行倒扣、磨铣、以及套铣等作业时，仅凭经验和感觉来判断输出扭矩的大小，存在严重的安全隐患。特别是井下情况复杂时，这种现象尤为突出，近年来，多次发生扭断大修钻具或打捞工具的事故，造成井下情况的进一步复杂化。

SK-8N22夹持式扭矩传感器是测定修井机传动轴输出扭矩的一种修井辅助设备，其主要功能是：在大修倒扣、磨铣、以及套铣等作业过程中，提供准确的转盘扭矩输出参数，防止钻具在倒扣作业中超负荷工作造成事故隐患或导致事故发生，达到了消除安全隐患，提高施工效率的目的，具有较好的经济效益和社会效益。

一、SK-8N22夹持式扭矩传感器应用的目的

（一）目前大修存在的问题

在进行倒扣、磨铣、以及套铣等大修作业时，由于修井机没有配套转盘扭矩输出参数的显示设备，仅凭经验和感觉来判断输出扭矩的大小，存在严重的安全隐患。

（二）SK-8N22夹持式扭矩传感器应用的目的

根据XJ250-650修井机的配置标准和质量要求，对于从事大修的 XJ250~650修井机转盘以及所有作业队使用的转盘加装扭矩仪，防止大修钻具在倒扣、磨铣、套铣等作业中超负荷工作造成事故隐患或导致事故发生。

二、SK-8N22夹持式扭矩传感器结构组成

（一）SK-8N22夹持式扭矩传感器基本构成

由测量杆、测量杆夹持器、变送器和外壳部分组成的扭矩信号采集、发射为一体的传感器，与带扭矩接收、显示的数显仪，构成一套扭矩采集、无线数据传输、钻台显示的整个结构。

实物图

（二）SK-8N22夹持式扭矩传感器主要技术参数

1、 测量范围：0~±10kNm

2、 测量误差：≤5%FS

3、 响应时间：100mS

4、 输出信号：4~20MA

5、 显示范围：-10.00~0~10.00

6、 转轴直径：Φ75~Φ150

7、 电源电压：发射电路3.6VDC；接收电路24VDC±10%

8、 信号作用半径：1m

9、 消耗电流：发射电路≤5mA；接收电路≤50mA

10、环境温度：-30~50℃

11、转速限制：0~1250rpm

12、外形尺寸：轴向250；径向尺寸根据具体转轴而定

13、防爆形式：本安

14、防护等级：IP65

15、防爆合格证号：CYB

（三）工作原理

该产品分两部分，一部分是随轴旋转扭矩信号采集发射部分（扭矩传感器），另一部分是固定在地面的信号接收转换部分（变送器）。上述两个部分的通信是通过射频无线电信号来传递的，随轴旋转部分由测力部件和电路部分组成。测力部件见图1。紧箍在转轴上的两个零件1、2由于转轴受到扭力会绕轴心相对错开一个角度，此时分别固定在零件1、2上的测量杆3就会产生一定的变形，用固定在测量杆上的力传感器就可以测量出转轴的扭矩大小。

将传感器获得的微弱信号通过固定在零件2上电路放大、A/D转换，再用射频发送电路发射出来。固定在地面的射频接收电路收到测量信号后再通过D/A变换将扭矩信号变成4-20MA的标准信号输出。

电路框图见图2：固定在测量杆上的应变桥把扭矩信号转换成电信号，经放大电路将微弱电信号放大，经放大的电信号由MCU进行AD转换成数字信号，最后由RF射频收发电路将数字化的扭矩信号发给固定在地面的接收电路。

图2信号放大原理图

在地面的接收电路收到射频信号后由RF收发模块进行解调，再通过MCU将数字化的扭矩信号送到DA转换电路转换成4~20MA的标准模拟信号输出。4~20mA电流变送器采用三线制方式，根据接收模块接收到的扭矩值，在电流环内输出相应的电流。当扭矩显示数值为0时，变送器输出电流为12mA；当扭矩显示数值为+10KN即扭矩正向最大时，变送器输出电流为20mA；当扭矩显示数值为-10KN即扭矩反向最大时，变送器输出电流为4mA。当接收模块在2秒钟未接收到任何扭矩数据时，液晶屏上的扭矩显示数值以及电流变送器的输出电流维持不变。当2秒钟之后仍未接收到任何扭矩数据时，变送器输出电流为3.5mA，且接收模块的显示屏上闪烁显示“ERROR”字样。数据显示部分负责将接收到的扭矩数值在液晶屏上进行显示。扭矩显示范围为0~10KN以及0~ -10KN，最小显示单位为0.01KN。

三、现场应用

2011年3月开始，对公司的大修设备XJ250-XJ650修井机的万向轴基本数据进行逐个测量，根据各修井机的万向轴尺寸，设计加工不同的夹持器。

与上海神开公司进行合作研究开发，到2011年7月生产出7套，结合生产情况进行安装，利用现有的无线可视化设备，优化扭矩系统，进行扭矩信号与无线设备接口对接，实现远程信号传输，完成扭矩信号实时采集、现场显示、无线发射传送、数据记录等功能测试（如下图所示）。

图3信息采集方块图

（二）安装说明

1、安装结构示意图

由夹持环（含测力杆）、电池、发射装置、紧固调整螺钉组成

图4安装结构示意图

2、安装位置示意图

图5安装位置示意图

扭矩传感器采用夹持方式安装在万向轴上 ，用紧固螺钉进行固定和归零调节。

3、安装范例

2011年7月6日， SK-8N22夹持式扭矩传感器装置，组织到19队大修施工现场跃327斜井进行安装，扭矩传感器安装在万向轴上，显示器安装在司钻操作台，方便司钻观察，通过三芯电线与GPS发射器相连，一方面实现取电，另一方面实现扭矩信号传输。

图6安装实例图

（三）现场应用实例

经过现场安装调试后，在作业19队XJ-450机组跃327斜井大修施工过程中，对倒扣打捞、磨铣、套铣作业三种大修施工工艺进行了资料录取，扭矩输出参数显示清楚，为大修工艺提供真实的转盘扭矩实时输出参数，改变了以前凭经验判断的不准确性，为下一步的施工提供科学的判断依据。

1、 倒扣打捞作业扭矩实时曲线

2、 磨铣作业扭矩实时曲线

3、套铣作业扭矩实时曲线

（四）现场实验结论

1、试验结论

（1）SK-8N22夹持式扭矩传感器结构简单，安装方便，具有防水、抗震﹑防爆﹑耐腐蚀等特点，能确保井场安全作业。

（2）SK-8N22夹持式扭矩传感器在倒扣打捞、磨铣、套铣作业三种大修施工工艺中，能够提供准确的转盘扭矩输出参数，装置灵敏、可靠，各项指标达到设计要求。

2、存在的问题

（1）该显示器使用液晶屏现场显示数据，无背光灯指示，夜间作业读数不便，需加装照明灯 。

（2）该装置无自动归零设置，每次安装均需机械调零；现场使用过程中，也经常发生初始扭矩数值过大，致使扭矩仪读数不准，甚至不能正常工作的现象。

（3） 使用过程中，外罩损坏，无法正常保护电气盒和电池盒；

（4）使用过程中，电气控制盒损坏导致传感器无法工作；

（5）传感器的安装部位不统一，有的安装在花键轴上，有的则安装在花键套上。

3、建议

（1）改变调零的方式:采用电气调零，即在电路中添加专门的调零模块，通过外部的按钮或磁棒脉冲来调零；

（2）改变夹紧的方式：采用三个板牙抱紧万向轴，板牙通过过盈配合安装到抱箍上，再用螺钉和螺纹胶固定；

（3）电气盒、电池盒和主连接杆集成到一起，呈扇形居中安装在两抱箍之间，且扇形的最大直径小于抱箍的外径；

（4）电气盒、电池盒和主连接杆集成到一起，呈扇形居中安装在两抱箍之间，且扇形的最大直径小于抱箍的外径；

（5） 电气盒内部灌环氧树脂胶来实现密封；

（6）电气盒、电池盒和主连接杆集成到一起的扇形模块采用不锈钢材质。

四、经济、社会效益情况及推广应用前景

SK-8N22夹持式扭矩传感器的应用推广，将改变以前在倒扣打捞、磨铣、套铣作业三种大修施工工艺中，仅凭经验和感觉判断转盘输出扭矩的不准确性，有利于消除安全隐患。该装置的推广必将产生良好的经济效益和长远的社会效益，值得推广应用。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。