天車智能防碰裝置在渤海油田的推廣應用

鄧忠彬 孟凡貴 王曉雷 （中海油能源發展股份有限公司油建渤海裝備分公司 天津300452）

0 引言

海洋鉆修機在作業過程中，最頻繁的操作就是起下鉆作業。動力系統通過滾筒的鋼絲繩拉動游車大鉤并通過吊環和吊卡來帶動井下管柱上提或下放。在上提油管過程中，如果出現操作失誤，游車大鉤到達一定高度未及時剎車，游車大鉤將碰到井架頂部的天車系統，對井架結構產生破壞性的影響。同樣，在下放油管的過程中，如果出現操作失誤，大鉤到達轉盤附近未及時剎車，一方面對轉盤及井架結構帶來較大的沖擊載荷，對底座支撐和轉盤造成損壞，另一方面可能砸傷井口區域的操作人員。近幾年的陸地和海洋油田事故報告多次提到游車大鉤砸傷人員的案例，目前天車防碰系統已經得到了管理者和操作者的很大重視。普通天車防碰系統由于其防碰過于簡單，越來越不適應現場安全作業的需要。隨著海洋鉆修機技術的不斷發展，智能天車防碰系統在海洋平臺鉆修機上的應用已經迫在眉睫。

1 普通天車防碰系統工作原理及使用方法

2007年以前，渤海油田海洋修井機及鉆機上全部采用普通天車防碰系統。普通天車防碰系統是防止游動滑車碰撞井架天車的裝置，它聯接在修井機（通井機）的氣控系統中。通過防碰過卷肘閥的氣控系統來控制剎車從而防止游車大鉤與天車相碰。

1.1 工作原理

普通天車防碰系統在絞車主滾筒軸上方安裝了一套防碰過卷肘閥。當游車大鉤起升至一定高度時，鋼絲繩碰到防碰過圈肘閥，此時防碰過圈肘閥進氣孔打開，氣源通過解碰閥進入防碰過圈肘閥，再進入二位五通換向閥的右腔，推動二位五通換向閥向左移動，此時氣體通過二位五通換向閥進入氣缸，氣缸推動剎車助力器，從而帶動剎把，剎住滾筒，防止游車大鉤繼續上升，碰到天車。解除防碰：當用手操縱解碰閥時，氣體進入二位五通換向閥的左腔，防碰過圈閥內的氣體通過二位五通換向閥排空，氣缸左腔內氣體排空，在彈簧作用下，氣缸復位，此時防碰天車解碰。普通天車防碰系統氣路原理圖如下圖1：

圖1 普通天車防碰系統氣路控制原理圖

1.2 使用方法

工作狀態：將操作臺下的解碰閥處以常開狀態。解除：將操作臺下的解碰閥處以關閉狀態。

2 普通天車防碰系統設計缺陷

根據對渤海油田鉆修機作業現場使用情況的調查，普通防碰系統基本上能正常工作。但由于天車防碰系統屬于一種安全預防事故發生的裝置，在有些井隊也許一年也沒有動作一次，所以容易被使用者忽略。閥件長時間沒有動作，到關鍵時刻一旦失靈后果不堪設想。而且還存在以下設計缺陷：[1]天車防碰系統不設緊急剎車氣路，一旦緊急情況出現需制動，只能靠司鉆壓緊急制動；天車防碰系統不設剎車復位氣路，剎車復位時，搬回防碰過卷閥的肘桿，松開剎把，游車下降，剎車氣缸通過與剎把連接的連桿機構隨之復位。國內生產的部分鉆機，復位通過解碰閥，氣由剎車氣缸的另一端進入，此時剎車完全解除，游車迅速下降，不利于安全操作；該裝置不能頻繁使用；剎車系統不帶減速裝置，剎車時容易造成頓鉆現象，對井架及上下底座造成沖擊。

3 智能型天車防碰系統組成原理

智能型天車防碰系統由智能防碰儀、絞車、絞車傳感器、電磁閥、剎車氣缸或油缸、主滾筒剎車執行機構等組成。如圖2所示。

圖2 天車智能防碰原理

智能防碰儀是智能型天車防碰系統的核心，它是一個高性能的單片機系統。通過接收來自絞車傳感器的游車大鉤信號進行智能判斷，當大鉤高度大于某一上限設定值或小于下限設定值時，智能防碰儀立即產生報警并同時打開電磁閥，來控制氣缸或油缸，驅動主滾筒剎車執行機構。最后將絞車自動剎死。智能防碰儀電氣工作原理見圖3。

圖3 智能天車防碰儀電氣工作原理圖

4 智能型天車防碰系統優點

智能游車防碰系統是一套與普通天車防碰系統并行運行的一種先進的防止鉆機發生游車上碰下砸事故的安全保護設備。在鉆機運轉過程中，智能游車防碰系統會自動檢測游車的高度位置，當游車運行至鉆機頂部警戒高度區域（上限）或運行至鉆臺警戒高度區域（下限）時，系統會發出聲光預警信號。同時系統會輸出控制信號，強制進行剎車，確保游車運行安全。它克服了普通天車防碰系統設計缺陷，具有如下優點：[2]

①數字高度顯示：儀器面板一般都設有數碼管顯示窗口，以數字形式實時顯示大鉤工作高度，使司鉆能準確掌握大鉤工作位置。

②預警提示：當大鉤提升到距井口設定高度時，儀器開始報警提示操作手提前做好斷離合及剎車制動準備。

③自動斷離合：當操作手沒能及時斷離合，大鉤到達設定高度時，儀器會自動對滾筒離合器實施斷氣控制。

④自動剎車：因沒能及時剎車，當大鉤到達設定高度時，儀器自動控制實施剎車；同時可以控制氣喇叭報警警示。

⑤具有位置記憶功能：當遇突然停電或其他原因，游車可能停在任何高度位置，這時智能游車防碰系統會自動記憶游車的位置，當供電恢復，游車再次運行時，系統不需要重新校準仍可正常工作。

⑥深度校準方便：司鉆臺設置有一個智能游車防碰系統校準按鈕，需要時可用此按鈕對系統進行校準。將游車下放至井臺（游車底部距井臺面為10～200 mm）位置，輕輕按一下校準按鈕即可。

5 現場推廣使用情況

2007年以來，我公司先后承擔了JZ9-3A、BZ34-1N、JZ25-1S、BZ29-4等修井機建造項目的建造任務。在這些項目中均配套安裝了智能天車防碰系列產品，經過近3年的安裝運行，并跟蹤試驗，系統運行穩定、正常。通過現場測試，該類智能天車防碰系統均能自動控制大鉤在設定的區域內安全運行，連續監視大鉤運行位置，并可實現聲光報警，自動控制剎車。目前，智能天車防碰系列產品在渤海油田已得到了業主和使用方的廣泛認可。隨著天車智能防碰系統的推廣應用，渤海油田安全管理將上一個新的臺階。■

[1]尹雪菲，馬永剛，趙小奎.天車防碰系統淺析[J].石油礦場機械，2006，35（增刊）：84-85.

[2]尹永晶.石油修井機[M].北京：石油工業出版社，2003.