液壓動力鉗自動化升級研究及應用

2020-07-14 09:49:22胡穎焦偉剛

機械工程師 2020年6期

胡穎，焦偉剛

（三一集團有限公司湖南分公司，長沙410007）

0 引言

修井中，上、卸油管是操作工較為繁重的工作。盡管油田現已采用液壓動力鉗替代過去的管鉗或鏈鉗扳手。但是仍然需要井口操作工對液壓動力鉗進行持續的推、送，上、卸扣，高、低擋切換，對U形缺口等，勞動強度非常大，且存在夾手等風險[1]。所以，最安全、穩妥的解決方法是將操作工徹底從上、卸油管工作中解放出來，遠離液壓動力鉗進行遙控遠程操作。通過增加動力鉗驅動調整機構，改進動力鉗控制及執行機構，增加動力鉗位置、高度檢測，最終將所有動作納入控制體系，通過無線遙控器即可對動力鉗所有動作進行控制[2-6]。本文以油田小修常用XQ89-3Y型液壓動力鉗為例，闡述其自動化升級的具體方法及使用效果。

1 液壓動力鉗常規操作

目前常規的油田小修作業，井口操作工手動操作液壓動力鉗對油管進行上、卸扣，如圖1所示。操作工手動推扶液壓動力鉗實現其往返于簡易平臺和井口中心之間，頻繁切換上、卸扣及高、低檔手柄，手動對準U形缺口以便退出動力鉗。該過程中，操作工多次反復執行該系列動作，勞動強度大，易疲勞，同時還存在作業風險。且長期的井口作業，井場的有害、有毒礦物質、油污等也會對操作工造成傷害。

2 液壓動力鉗自動化升級

2.1 總體概述

為了徹底解放井口操作工，實現液壓動力鉗自動化升級，主要從以下內容來實現。參考圖2，通過在井口的工作平臺上設置固定的兩根導軌，液壓動力鉗安裝于門形架內，門形架帶動液壓動力鉗在導軌中進行前后移動，且能準確地停止在設定位置上。通過提升機構實現動力鉗升降、浮動及微調等動作，同時也能實現動力鉗的左右移動。最后對液壓動力鉗本體進行升級，采用電磁閥控制上、卸扣馬達、換擋油缸來實現自動旋扣及高、低擋切換，通過在液壓動力鉗本體上安裝傳感器實現自動對齊U形缺口，下文詳細介紹各部分升級內容[7-10]。

圖1 手動操作液壓動力鉗

2.2 門型架

參考圖1以往的操作模式，液壓動力鉗懸掛在懸吊筒下端，井口操作工將其扶至油管接箍位置進行上、卸扣。為了完美地模擬人工扶動力鉗的動作，如圖2所示，將動力鉗固定在提升機構上，裝配到移動的門形架中。該門形架通過油缸或馬達驅動使其實現前后的移動，從而實現液壓動力鉗的前后移動。同時，門形架能通過圖2中導軌上安裝的感應開關，實現多個位置任意定位，且可實現提前減速，避免門形架到位沖擊。門形架集成防噴接污功能，當油管卸扣完成后，門形架內部防噴接污機構包住油管，待司鉆操作工將油管中的污水、油排出后，防噴接污機構打開，門形架完成了防噴接污功能。

2.3 提升機構

常規人工作業時，液壓動力鉗通過小絞車鋼絲繩懸掛在懸吊筒下方，懸吊筒內部設置兩個緩沖彈簧，當動力鉗對油管上扣時能通過彈簧壓縮來適應上、下兩根油管之間距離的減小。而當動力鉗對油管卸扣時同樣也能通過鋼絲繩的柔性特點來適應上、下兩根油管之間距離的增加。所以提升機構的設計可得到懸吊筒+鋼絲繩的效果，本文闡述了兩種實現方案如下。

方案1：采用常規吊主鉗方式。如圖3所示，剛性懸吊桿連接在動力鉗的主鉗吊點上，類似上文中人工操作懸吊方式。提升機構由升降油缸驅動實現動力鉗的上升和下降。在上、卸扣時，如圖3所示，旋扣馬達啟動，其油路到達浮動開啟閥，使得升降油缸中有桿腔和無桿腔連通，實現提升機構浮動，上扣時動力鉗往下浮動，卸扣時往上浮動。

同時提升機構可通過電動機或馬達驅動絲杠螺母或蝸輪蝸桿的形式來實現動力鉗左右方向的自動調整。

通過以上方式，可實現動力鉗前后左右自動調整，同時通過傳感器檢測和控制來確定動力鉗的具體位置，就能準確地將動力鉗定位至井口中心，且能控制所需高度以適應油管接箍位置。以上方案在實際應用中效果良好，動力鉗定位精度控制在2 mm以內。

方案2：采用吊背鉗方式。如圖4所示，液壓動力鉗由一套懸掛機構固定在背鉗上，懸掛機構通過上下兩個彈簧將動力鉗的主鉗和背鉗連接，從而使得主鉗相對背鉗能進行一定范圍內被動上升或下降，所以液壓動力鉗就具備了向上或向下一定距離的浮動，在上、卸扣油管時就能補償主鉗和背鉗之間的距離變化。同時懸掛機構通過球頭軸承連接到提升機構橫梁上，在旋扣過程中具備釋放旋轉力矩能力，避免損壞動力鉗。同時該方案通過機械結構實現浮動，更為安全可靠，成本更占優勢。

以上兩種方案在實際應用中都得到了驗證，皆能很好地實現動力鉗上、下自動調整。

2.4 動力鉗本體自動化升級

液壓動力鉗本體自動化升級是關鍵技術，需實現自動旋扣，高、低擋切換及自動對U形缺口功能。

常規液壓動力鉗上、卸扣及高低擋切換是通過井口操作工切換手柄來進行操作。如圖5所示，操作動力鉗后部馬達手動換向閥手柄來實現上扣和卸扣動作之間的切換。通過側面快、慢檔切換手柄操作來實現內部撥叉環上下滑動，進而實現不同齒輪嚙合，達到不同速比最終實現高、低擋切換。

而實現自動上、卸扣需將手動操作模式升級為自動控制模式。如圖6所示，通過電磁換向閥控制馬達正、反轉實現動力鉗上、卸扣。通過電磁換向閥控制高、低擋切換油缸實現高、低擋切換自動化。并且為了解決液壓動力鉗工作過程中切換高、低擋存在掛檔不暢問題，在高、低擋切換油缸安裝方式上應用一個柔性緩沖機構，并且控制系統給出高、低擋切換脈沖信號，避免出現高、低擋切換不到位，掛擋不暢。

液壓動力鉗在上、卸扣完成后需要將鉗體的U形缺口對正以便將油管鉗從油管中退出。常規人工作業模式依靠現場操作工經驗手法對好該缺口，此時需正、反切換幾次才能對準缺口。為了實現自動對缺口功能，如圖7所示，動力鉗主鉗增加一套感應系統，兩個接近開關配合一個寬度合適的感應塊。上扣時，感應塊隨主鉗順時針旋轉，上扣完成后，按下停止鍵，主鉗逆時針反向旋轉對準U形缺口，這時感應塊滑過接近開關1開始減速，滑至接近開關2停止，通過調整接近開關2的位置能精確定位上扣時對準U形缺口的位置。而當卸扣時，感應塊逆時針旋轉，卸扣完成后，主鉗繼續逆時針旋轉，感應塊同樣在接近開關1減速，在接近開關2停止。以上可實現動力鉗準確對正U形缺口，同時能記錄上、卸扣圈數。