Auf den heutigen Bohrplattformen kommen Top Drives – zu Deutsch Kraftdrehköpfe – zum Einsatz. Als Ersatz für die mechanisch aufwendigeren Drehtischantriebe auf den Off- und On-Shore-Bohranlagen treibt ein Kraftdrehkopf den Bohrstrang an. Die Antriebsmaschine befindet sich während des Bohrens auf dem oberen Ende des Bohrstrangs, daher die Bezeichnung Top Drive. Um mit dem Bohrgestänge überhaupt bohren zu können, muss der Top Drive verfahrbar im Mast der Bohranlage gelagert sein. In den meisten Fällen wird er mit einem Flaschenzug bewegt und gehalten, den das Hebewerk der Bohranlage antreibt. Die unter hohem Druck stehende Bohrspülung in das angeschlossene Bohrgestänge weiterzuleiten, ist eine eine zusätzliche Belastung während des Bohrprozesses nach dem Rotary-Bohrverfahren. Außerdem muss der Top Drive die gesamte Masse des Bohrstranges, die über 1000 t wiegen kann, mechanisch durch Hebewirkung hochziehen und gleichzeitig drehen können. Um den Top Drive samt Bohrgestänge präzise verfahren zu können, befinden sich am Seil-Hebewerk mehrere Drehgeber des Typ AX65 von Hengstler. Der AX65 misst die Hebeverfahrwege des Top Drives, um eine Positionsrückführung in unterschiedlichen Achsen durchzuführen. Eine genaue Position wird zum Beispiel bei der Anbindung unterschiedlich langer Rohre benötigt. Außerdem erfasst der Drehgeber in Kombination mit Seilzügen die Längenmessung für den Verfahrweg des Top Drives. Dabei sind Gesamtlängen des Bohrgestänges von mehreren Tausend Metern in die Tiefe möglich. Ist der Bohrkopf verschlissen und muss ausgetauscht werden, wird das gesamte Bohrgestänge nach oben gezogen. Dabei demontieren Arbeiter Rohr für Rohr oder zwei beziehungsweise drei Rohren das Bohrgestänge. Der Bohrkopf hat die Aufgabe, das Gestänge zu drehen, die vereinzelten Rohre zu heben und seitlich in Halterungen abzustellen. Ein Bohrrohr ist nur rund 19 m lang. Demensprechend lang kann es dauern bis der verschlissene Bohrkopf aus 4000 m Tiefe zu Tage gehoben ist. Für solche Hebearbeiten sind große, ausfallsichere, leistungsstarke Hebewerke ein wichtiger Bestandteil an jeder Bohranlage.
Aus 4.000 m Tiefe heben
Das Hebewerk spult das Drahtseil des Flaschenzuges, das den Top Drive samt dem Bohrstrang bewegt, auf und ab. Über das Hebewerk lässt sich zudem die Last auf den Bohrmeißel steuern. Hebewerke unterscheiden sich im Wesentlichen durch ihre Leistung, den verwendbaren Seildurchmesser, die Getriebeart, entweder Kettentrieb- oder Zahnrad-Getriebe, und ihre Betriebsart, entweder Freifall- oder Vier-Quadrantenbetrieb. Die Aufgabe der Drehgeber, die an dem Hebewerksantrieben angeflanscht sind, sind die exakten Positionsrückführungen für die bewegten Distanzen, die sich bei diesen schweren Lasten aus Bohrdrehkopf plus dem langen Bohrgestänge inklusive dem Bohrmeißel ergeben. Für den sicheren Ablauf des Verfahrens muss der Drehgeber für eine genaue, ausfallsichere Geschwindigkeitsrückführung für die Seilbewegung sorgen.
Eine Herausforderung für den Drehgeber stellen die extremen Bedingungen dar: der explosionsgefährdete Bereich sowie raue Bedingungen wie Seewasser, Sturm, Eis und Schnee. Der Drehgeber muss mechanisch stabil gebaut sein, um den starken Stößen und Schlägen, die auf einer Bohrplattform bei der Montage der Rohre entstehen, standzuhalten. Ein sicherer elektrischer Anschluss sowie die schnelle Inbetriebnahme des Drehgebers vor Ort tragen mit dazu bei, Kosten und Zeit zu sparen. Jede Ausfallminute der Bohranlage schlägt mit Tausenden von Dollar zu Buche.
Hohe Anforderungen auf der Bohrinsel
Mit dem Drehgeber AX65 bietet Hengstler sowohl für den Offshore-Einsatz auf Bohrplattformen als auch in anderen explosionsgefährdete Bereichen die passende Lösung an. Seine explosionsgeschützte Heavy-Duty-Ausführung weist eine Schutzart bis IP67 aus. Sein Edelstahlgehäuse macht den Drehgeber resistent gegen Seewasser. Da kein Glase als Decoderscheibe zum Einsatz kommt, sondern der Drehgeber sowohl bei Single- als auch bei Multiturn magnetisch abtastet, ist er robust gegen harte Stöße und Schwingungen. Er liefert auch nach einem Stromausfall stets die richtige Position. Für die Singleturn-Abtastung detektiert ein spezielles Hallelement, mit dem eine Auflösung von 12 Bit erreicht wird. Standardmäßig ist eine Multiturn-Auflösung von 12 und 16 Bit möglich. Zum Erfassen und Ausgeben der Anzahl der Umdrehungen ist der Drehgeber mit einem elektronischen Multiturn ausgestattet. Dieser arbeitet energieautark, kontaktlos und ohne Getriebe oder anderen bewegten Bauteilen.
Leistungsfähige Kugellager tragen ihren Teil zum robusten Aufbau bei. Die Lager nehmen axiale und radiale Kräfte bis zu 300 N auf. Der Drehgeber ist für Schockfestigkeit bis 200 g ausgelegt. Die Vibrationsfestigkeit wurde bis 20 g erfolgreich getestet. Mit seinen Maßen von 70 mm Bautiefe und 59 mm Durchmesser ist der Drehgeber kompakt. Die aufschraubbare und somit auch leicht abnehmbare Anschlusshaube ermöglicht einen einfachen Zugang zu den Kontrollelementen und der Klemmleiste. Durch die Kontrollelemente kann der Anwender zum Beispiel die Baudrate und ID abhängig vom Einsatzfall vor Ort einstellen. Außerdem lässt sich der Drehgeber getrennt vom Kabel tauschen. Dies ist von Vorteil, da auf Plattformen zum Teil Drehgeber in 30 bis 40 m hohen Riggs angebaut werden. Die dafür benötigten 40 m langen Kabel sind schwer und müssen außerdem in Kabelschächten verlegt werden. Das unabhängige Verlegen und Austauschen von Kabel und Geber hat im Servicefall nicht nur sicherheitstechnische Vorteile sondern spart auch Kosten. Der Drehgeber ist für die Busschnittstellen SSI, CANopen und Profibus vorbereitet.
Stefan Horvatic
(mf)
