北京石油机械厂 - 交流变频顶部驱动钻井装置系列产品

顶部驱动的发展前景很好,值得我们关注!

企业简介：

北京石油机械厂是一个有着五十余年历史的国有中二型企业，现有员工470名。目前是中国石油天然气集团公司（CNPC）石油钻采配件一级供应网络成员单位、中国石化备品配件资源市场成员厂、中国石油物资装备出口网络成员，也是中油集团公司井控设备液压控制装置定点生产厂，企业拥有自营进出口权。 北京石油机械厂地处中关村高科技园中心区，具备较强的科技开发能力。拥有完善的质量保证体系，1996年通过了ISO9001质量体系认证，2002年取得了美国石油学会API SPEC 16D认证，成为中国第一家获得此认证的企业。2003年至2005年北石厂连续获得美国石油学会API SPEC 7、API SPEC 8A、API SPEC 8C会标使用许可权。

北京石油机械厂集开发、设计、制造、销售、服务为一体，其主导产品包括：顶部驱动钻井装置系列、螺杆钻具系列、地面防喷器控制装置系列、震击器及加速器系列、钻柱减震器系列、井下单螺杆抽油泵系列等。产品覆盖了中石油、中石化、中海油陆上及海上油气田，同时出口到美国、加拿大等40个国家和地区。

北京石油机械厂在“十五”期间先后承担了4项国家重大装备攻关科技项目，8项中国石油天然气集团公司科技攻关和产业化项目。企业“十五”目标提前实现，各项经营指标显著，2005年产值达2.61亿元，销售收入达1.78亿元，实现利润1126万元。

北京石油机械厂承担的“交流变频顶部驱动钻井装置”产业化项目以及有北石厂参与的“欠平衡钻井技术研究与应用”科研项目分别获得中国石油天然气集团公司2005年技术创新一等奖；为国产9000米钻机配套的“DQ90BSC顶驱装置”被评为2005年中国石油集团科技十大进展。

顶部驱动的发展前景很好,值得我们关注!

二、2006中国数字化产品创新最佳实践参评项目情况

（一）通过产品创新项目开发的新产品简介

顶部驱动钻井装置是20世纪80年代以来当今石油钻井工程界的重大前沿技术与装备，被誉为近代钻井装备的三大革命性技术成果之一。过去一直被美国、加拿大等少数发达国家的几家公司垄断。为了打破国外垄断，研制具有我国自主知识产权的顶驱产品，中石油集团确定北京石油机械厂为顶驱装置国产化的实施单位。

顶部驱动钻井装置集成了常规石油钻机的转盘、水龙头等传动和循环系统，增加了钻柱自动化处理装置和钻柱内防喷器，结合光机电液及信息技术实现了钻井的自动化和智能控制，代表了当今钻井工艺技术装备较高水平，是重大技术创新，对于超深井、复杂井等高难度钻井作业具有显著的技术优势，对于加快油气勘探、保证钻井安全、节约钻井成本、确保我国能源安全，促进国民经济的持续发展有重要意义。

顶部驱动的发展前景很好,值得我们关注!

（二）新产品的创新点

① 独创的全功能、全功率综合试验装置；

② 独创的背钳技术；

③ 独创的齿轮箱杯状结构；

④ 独创的非圆截面提环结构；

⑤ 采用先进的交流变频驱动技术，双电机一对一控制；

⑥ 提升系统为独具特色的双负荷通道；

⑦ 新型的泥浆伞技术克服了上部循环系统的泥浆泄漏进齿轮箱的难题；

⑧ 采用PLC可编程控制器、ProfiBus－DP现场总线控制、光纤通讯、远程监控、人机操作界面(HMI)等诸多先进技术对系统进行全面智能控制；

⑨ 液压系统采用微循环溢流加热技术，满足低温条件下的使用要求。

目前，具有我国自主知识产权的顶驱装置已经形成了4000米、7000米、9000米钻机配套系列产品，拥有多项国家专利，填补了国内空白。在国内多个油田应用，出口到美国、沙特、伊朗、俄罗斯等13个国家，受到国内外用户的高度评价。

顶驱装置产业化的成功，是我国石油钻井装备制造业的一件大事，打破了国外垄断，使国产钻井装备参与国际市场竞争能力得到提升。

（三）使用的主要数字化产品创新软件

管理：

ERP（易飞）：50点

OA（易飞）：100点

工作流（易飞）：50点

AM：120点

CAXA图文档：90套

开发设计：

三维CAD：17套CAXA实体设计

二维CAD：44套CAXA电子图板

CAPP：16套CAXA工艺图表

CAE（Ansys）：１套

BOM：1套CAXA工艺汇总表

制造：

制造：16套CAXA网络DNC

（四）这些软件在实现该产品的创新方面发挥了哪些重要作用

1、三维CAD为北石顶驱立功劳

通常研制这样的重大装备需要3年以上的时间，北石厂由于采用了CAXA三维、二维以及协同设计极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，保证了结构设计的准确性，仅用9个月的时间就完成了研制的任务，缩短设计周期3倍以上。

北石厂总工程师邹连阳说，在2003年我们研制7000米钻机暨配套顶驱装置的时候，从2003年1月立项，2004年1月就完成了整体设计，1年时间完成从设计到样机，我们将3年时间变成了1年时间。2005年北石厂又承担国家发改委重大科技项目，中石油2005年重大科技专项9000米钻机暨配套顶驱装置，这个项目在2005年1月14日立项，2005年9月份出产品，10月份产品出现场，12月份产品安装完成了，我们将三年时间变成了9个月。

对顶驱装置项目进行立项，这个装置可能用传统的二维设计方法也做得出来，但是我们打算用先进的方

顶部驱动的发展前景很好,值得我们关注!

法进行设计，以提高我厂的立项水平、设计水平、设计理念水平和设计手段水平。因此从立项开始我们就直接从CAXA实体设计三维创新设计软件入手，完全摒弃传统的二维设计，事实证明我们的尝试是非常成功的。从我们的亲身感受可以把CAXA三维创新设计在顶驱装置设计中归纳为：一挥而就（快速） 一次成功（节省） 一步到位（优化）。”具体含义：

一挥而就，体现在快速。从2005年1月立项，2005年9月就完成了整体设计。在短短9个月时间就把价值800万的顶驱装置设计出来了！一般传统设计至少需要三年的时间才能完成，但是我们在不到一年之间就完成了从设计到做出样机的整个过程。

一次成功，设计上没有返工，实验上没有失败。此顶驱装置2005年9月进行排砂试验，2005年10月份就直接上井工作了。如果我们按照传统方式做个样机出来试验，没有问题再生产成品去买，首先样机的800万是肯定要花的，而且如果样机不合格，多次返工重新修改和生产样机要花多少钱就可想而知了。但是利用CAXA三维创新设计软件，我们只需要做个虚拟的样机，然后直接做一个成品。所以一次成功节省了大量的金钱和时间，这个效率非常明显。

一步到位，三维数字化设计非常直观可见，可以做看得到想得到的任何东西，由于可以在二维环境里面直接看到三维样机，还可以随意的翻过来掉过去，上下左右看，能看到所有的想到和没想到的缺陷，所以产品出来后，从2003年起步，到2006年的今天，三年时间过去了，90％的设计和三年前完全一样，没有大的返工率，也没有重新设计，这种一步到位也节约了大量的时间和金钱。

2、有限元分析提高了产品设计质量

针对北石顶驱的主承载件：减速箱箱体、主轴、悬挂体、提环、内套等运用ANSYS有限元分析软件进行了载荷分析，以下以为9000米钻机配套的DQ90BSC北石顶驱主要承载件为例加以说明。

a） 减速箱分析

减速箱是北石顶驱最重要的承载零件，其结构复杂、加工周期长。项目组运用3D数字化设计和有限元分析，对减速箱进行了十几次反复的结构设计和强度分析，在确认得到最优化的结果后才交付加工，使得试制周期大幅度的缩短。

通过有限元分析箱体局部应力分布如图所示。

顶部驱动的发展前景很好,值得我们关注!

由应力云图可以可得出，在最大静载荷作用下，箱体应力最大值230MPa产生在内套支撑面上，安全系数为2.26，满足API Spec 8C对箱体强度的要求。

b） 主轴分析

通过有限元分析主轴局部应力分布如下图所示。

由主轴应力计算结果可得出，主轴最大应力分布在大圆盘跟部，为337MPa，安全系数为2.45，满足API Spec 8C对主轴强度的要求。

c） 悬挂体分析

通过有限元分析悬挂体应力分布如下图所示。

由应力分布云图可见，悬挂体吊耳根部附近的应力值相对比较大，加工时注意对根部的打磨处理，避免复杂曲面变化引起的应力集中，最大应力值为229.5MPa，安全系数为2.27，满足API Spec 8C对悬挂体强度的要求。

顶部驱动的发展前景很好,值得我们关注!

d） 提环分析

提环的设计和加工是90顶驱研制的瓶颈之一。其难点在于由于结构尺寸限制，很难将应力水平降下来，而且在制造中不应引起应力分布的变化。借助3D数字化结构设计和有限元分析的帮助，对提环结构进行优化设计，最终放弃了传统圆截面提环结构的方案，形成了非圆截面结构设计方案，并申请了专利。 在6750kN最大静载荷的作用下，通过有限元分析提环应力分布局部如下图所示。

由应力分布云图可见，提环的最大应力为309MPa，分布在提环销子孔处。屈服强度安全系数为2.27，满足API Spec 8C所规定的安全系数要求。

e） 内套分析

在6750kN最大载荷作用下，通过有限元分析内套应力分布如下图所示。

由应力分布云图可见，内套的最大应力分布在其支撑面根部的倒角处，最大应力为347MPa；安全系数为2.37，满足API Spec 8C的要求。

3、一体化方案提升北石厂自主创新能力

邹连阳总工说，从我们的实际工作中的体会是，信息化是实现自主创新愿望的手段、工具和平台。只有把信息化做好了才能自主创新，抛开信息化，说创新是不可能的。所以北石厂非常重视信息化工作，从2002年开始就在CAXA的帮助下制定了信息化目标，提出了信息化的整体构架：研发信息化、管理信息化和制造信息化。

北石厂在短短的几年时间里，实现了以协同管理类的CAXA图文档软件为核心平台，无缝集成设计类、工艺类和制造类的软件的产品研发制造管理信息化，在研发信息化方面实现了三维数字化设计（CAXA 3D CAD）和数字仿真与有限元分析；管理信息化方面实现了办公自动化系统、工作流系统、企业资源计划系

顶部驱动的发展前景很好,值得我们关注!

统以及图文档管理（CAXA Vault）；制造信息化方面实现了构建信息化制造平台和计算机辅助制造（CAXA CAPP/CAM/网络DNC）。

北石厂根据自身产品开发的特点，将设计、工艺、管理过程分为了两个方向，即创新型产品组和传统改型产品组。创新型产品组负责的产品都是设计初期没有成型技术的，绝大部分的设计生产都是没有图纸可寻，只能是根据技术参数和设计指标来指导设计，那么整个设计过程相对而言都需要自主创新。三维设计的直观性与可模拟分析性则让整个设计变得更加简单明了，同时让企业争得了宝贵的时间并降低了企业试制成本，如北石厂的顶部驱动装置设计、生产、管理过程是个非常典型的例子。

创新型产品设计生产管理流程

传统改型产品组则负责老产品的改型设计，很多时候都能找到老图纸来帮助设计，相对而言用二维开始设计，借用老图，让设计过程变得更加容易，同时辅助以三维设计来对产品进行宣传，用三维数据模型来指导用户了解和使用产品，将提高老产品改型后的市场竞争力。

传统型产品设计生产管理流程

顶部驱动的发展前景很好,值得我们关注!

设计方面，三维数字化设计（CAXA 3D CAD）应用在产品研发中发挥了重要作用，缩短研发周期，主导产品的新品种推出时间由过去的三个月缩短为目前的一个月。顶驱装置做为光机电一体化的大型高技术钻井装备，通常研制通常需要3年以上的时间，而北石厂由于采用了CAXA三维、二维以及协同设计极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，保证了结构设计的准确性，仅用一年的时间就完成了研制的任务，缩短设计周期3倍以上。

工艺方面，工艺数据管理（CAXA CAPP）实施效果最显著的是实现了工艺文件的共享以及版本控制，使得生产系统及有关部门方便的得到工艺信息。实现了编制工艺文件过程中对工艺资源的自动关联。同时初步实现与ERP之间的BOM传递。将过去单一的工艺表格变为了有机的整体，将过去分散的工艺数据形成了一系列方便易查的数据库，极大地提高了企业的工艺设计能力。

管理方面，图文档管理系统（CAXA Vault ）让企业的技术管理有了可靠的保证，目前图纸、工艺及其它技术文件实现了网上传输、网上查询、网上审核，效果明显。北石厂以前大量的CAD图纸和设计文件虽然是电子版，但均是按照手工管理方式，没有进行电子化管理，导致大量技术文件在管理上存在安全隐患。实施图文档管理系统后建立起基于数据库系统的企业产品数据库，建立起技术文件的电子化管理。目前我们已经建立了顶部驱动钻井装置、随钻震击器、减震器、螺杆钻具、随钻测量装产品置的文档结构，建立产品的结构树，非常方便地实现了图纸共享与查询，实现了各种BOM表的自动汇总，并实现产品BOM结构和ERP的相互传递，使生产、检验等部门对报表的需要，使所有与产品开发、生产准备、生产制造相关的人员在整个产品生命周期中共享与产品相关的数据。图纸的查询时间大幅提高，过去手工查询至少需要半个小时，现在通过图文档管理系统查询几分钟即可完成，查询速度提高了50％以上.而数据的准确率提高了90%以上。

顶部驱动的发展前景很好,值得我们关注!

CAXA图文档管理系统

制造方面，网络化制造系统（CAXA网络DNC）的实施使企业的生产管理得到提高，北石厂通过实施数控网络化制造已经见到了成效，多台数控设备同时进行通讯网络化管理，程序员不再拿着笔记本到机床边传输程序，管理人员也可以对数控设备的运行进行实时的监控管理，经过分厂使用，纯工效提高5倍以上，最高可达8～10倍.大量的提高了数控设备的利用率。钻采分厂在液控产品的制造过程中，由过去三个月制造出成品到现在的一个月制造出成品，缩短了制造周期。

北石厂的信息化建设取得了重大成果，目前，技术人员开发新产品从三维到二维，从工艺到编程，从生成BOM结构到图纸管理，一系列的工作在很短的时间内就能够完成，新产品推向市场的时间大幅降低，企业对市场的反应速度明显提高，参与国际市场竞争的能力显著提升。邹连阳总工说：“北石厂信息化的总体轮廓大部分都由CAXA搭建，现在信息化应用的水平举个简单的例子来说，在我们厂不用带笔计本电脑等任何东西，可以走遍全厂看到你想看的任何东西，这得感谢CAXA。”

北石厂这个有着50多年历史的老企业，发展到目前的2005年销售收入19000万元，实现利润总额1100万元，企业资产总额已达2.6亿元，产品出口的国家包括美国、巴基斯坦、哈萨克斯坦、沙特、埃塞俄比

顶部驱动的发展前景很好,值得我们关注!

亚、伊拉克和伊朗等33个国家。北石厂走的正是一条科技创新的发展之路，而信息化则成为了北石厂创新道路的助推器。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/osmj.html