石油鉆機井架配套氣動輸送裝置

閆 泓，張海鵬，張志良

（渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

國內生產的石油鉆機井架有塔形、前開口K 形和A 形井架，新生產的鉆機主要采用前開口K 形井架，該型井架低位安裝，整體起放，穩定性好，安全性高。以往井架工在鉆臺和二層臺之間的往返，借助配重攀爬助力工具，人力攀爬井架，工作強度大，工作效率低，緊急情況下，人員撤離二層臺缺少掩護物，存在安全隱患。研究設計適用于整體起升鉆井井架的氣動輸送裝置，可實現地面、鉆臺和二層臺之間人員往返的機械化，改善井架工人工作環境，提高工作效率，緊急情況下為撤離人員提供安全保障。

1 裝置結構設計

井架氣動輸送裝置由軌道單元、氣動單元、輸送平臺、氣路系統、剎車裝置和控制系統組成。工作原理是通過在井架上安裝可隨井架拆裝的軌道，軌道的兩端內置三級單作用舉升氣缸，利用動、定鋼絲繩滑輪系統，由氣缸的短行程獲得鋼繩活繩端的長行程，實現運載人員和物品在地面到鉆臺和二層臺之間往返。

1.1 軌道設計

軌道使輸送裝置沿井架上下移動，通過安裝板與井架構件相連，在軌道兩端，配置兩組氣缸。軌道單元采用鍍鋅方管，為減輕裝置重量和減少風阻，軌道四面開有圓孔。通過調節底座上的調節螺柱，使整個軌道的重量大部分施加在底座上，減少裝置工作時對井架的影響。軌道單元之間氣路通過快速接頭連接。

1.2 氣動單元

軌道兩端的氣動單元由3 級單作用舉升氣缸和動、定鋼繩滑輪系統組成，置于軌道內，為載人倉移動提供動力。上、下動滑輪組與上、下3 級氣缸自由端固定連接，定滑輪組與氣缸座活連接，固定在軌道上；上、下動滑輪組之間連接一定長度鋼絲繩，確保上、下3 級氣缸同步動作。

工作過程：一端3 級單作用舉升氣缸伸出時，該系統鋼繩活繩端拖動輸送平臺沿著軌道移動，同時通過連接鋼繩和拖曳鋼繩牽引，使另一端氣缸收縮，如此交替工作，拖動輸送平臺在場地與鉆臺和二層臺之間移動。

1.3 輸送平臺

輸送平臺用于載運人員，由軌道滑輪、安全系統和載人艙組成。軌道滑輪固接在載人艙上，通過滑輪限制，載人艙只可沿著軌道上下運動。安全系統保證平臺在極端情況下能停止在軌道上。載人艙用于載運人員往返地面和二層臺，在緊急情況下可以密閉起來，用于逃生。輸送平臺上部與氣動單元鋼繩自由端連接，并通過鋼繩和一個井架定滑輪與配重相連接，使整個裝置的負荷保持合適的大小。

1.4 保護機構設計

安全機構用于輸送平臺的安全保護，載運平臺在失去牽引的極端情況下能安全停止在軌道上。工作過程：在上拖曳鋼繩沒有受力時，蓄能彈簧驅動剎車塊緊抱軌道，使整個輸送裝置靜止在軌道上；在上拖曳鋼繩受力時，由于輸送平臺自身重力作用，蓄能彈簧被壓縮，剎車塊與軌道脫離接觸，氣動單元可以拖動輸送平臺上下移動。

2 裝置的控制

裝置的控制功能是通過氣動控制，驅動上、下2 個3 級舉升氣缸，實現輸送平臺在軌道上任何位置自由啟停，有手動控制、遙控控制和緊急情況3 種模式。系統由手動電磁閥、移動遙控單元和遙控接收單元等組成（圖1、圖2）。

圖1 控制原理

圖2 遙控單元原理

圖1 中，3 位3 通手動電磁閥有手動、電磁控制和彈簧對中的功能，用于分別給上、下3 級舉升氣缸通、斷工作介質，2 位2 通手控電磁閥用于在特殊情況下連通2氣缸。移動遙控單元設置在載人平臺內，由轉換開關、點動常開開關、常閉限位開關和遙控發射單元組成。遙控接收單元位于控制箱內，通過控制電磁閥線圈實現載人平臺升降和停止功能。

（1）手動模式。直接在地面操作3 位3通手動電磁閥，實現手動移動功能。

（2）移動模式。在載人平臺內，控制移動遙控單元，通過選擇轉換開關選擇升降停止，由點動常開開關控制行程，常閉限位開關用于安全保護，在軌道上下終點位置觸發，停止輸送平臺。

3 裝置的安裝

井架氣動輸送裝置安裝、拆卸、運輸隨同井架構件，簡單方便，安全可靠。以K 形井架配套為例，在初次安裝時，井架低位安裝完成后，利用井架爬梯安裝焊接件，軌道分段安裝在井架爬梯位置，隨井架一起拆裝搬運，在井架安裝完成后，接通各段軌道之間氣管線，連接氣缸輪系鋼繩活繩端、配重活繩端在輸送平臺上下連接位置，隨井架整體起升。之后，連接裝置井架部分與控制箱之間的電路，通過調節軌道和基礎連接螺母，使軌道各部分緊密接觸，并使整個裝置重量大部分施加在基礎上，整個裝置安裝完成。

4 技術參數

4.1 工作介質

裝置采用壓縮空氣作為動力，在井場利用原有空氣設備系統。系統配備儲氣罐，最大工作壓力0.9 MPa，工作壓力設定0.6 MPa。

4.2 配重

配重用于抵消輸送平臺自重，減輕裝置在工作過程中的負荷，要求在不載重情況下，不觸發保護機構。因此配重應小于輸送平臺自重與保護機構觸發力之差。保護機構觸發力就是在空載時，可使剎車裝置松開的蓄能彈簧壓力。根據圖2 保護機構原理圖和機構臂尺寸，保護機構剎車塊正壓力N 與蓄能彈簧壓力F 比為10:1。剎車塊與導軌的摩擦系數0.8，輸送平臺設計質量200 kg，配重175 kg。

4.3 載荷

根據圖1 裝置結構，輸送平臺在工作過程中受自重力、負載重力、配重拉力、限位滑輪阻力及氣動單元上下拖曳綱繩的拉力。在上升過程中，裝置的載荷最大，在上升狀態，負載T1=G2-G1+G3+f+T2。其中，G1表示配重，G2表示輸送平臺自重，G3表示負載，f 表示摩擦力，T1表示上拖曳拉力，T2表示下拖曳拉力。

工作過程中，輸送平臺近乎垂直，橫向壓力產生的限位滑輪滾動阻力和下拖曳拉力可不計。載重按質量200 kg 計，裝置的設計載荷為Tmax=2250 kN。

4.4 多級氣缸參數

（1）氣動單元采用3×3 輪系，在最大載荷狀態下，介質額定壓力P=0.6 MPa，氣缸半徑。

（2）二層臺到地面距離L，3 級氣缸總伸長為L/6，單級伸L/18。鉆機二層臺到地面距離取40 m，3 級氣缸長2.2 m 左右。

（3）輸送平臺速度最大取v=0.5 m/s，氣缸最大半徑取R=120 mm，氣體流量。

4.5 鋼繩及繩輪

鋼繩載荷2250 N，安全系數8，選擇鋼繩直徑11 mm。滑輪的直徑D 和鋼絲繩的直徑d 的比值越大，鋼絲繩的抗疲勞性能就更好，取最小D：d=18:1，滑輪直徑D=200 mm。

5 結束語

裝置實現鉆井井架地面到鉆臺和二層臺之間人員往返，裝置結構和原理新穎，安裝簡單方便，操作靈敏可靠，可實現井架工攀爬機械化，是改善井架工工作條件、提高工作效率很好的解決方案。同時它還為鉆機井架改造和鉆機配套可提供有益的參考，具有較好的推廣應用前景。