車載鉆機靜載性能檢測方法

黨 林

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

煤層氣屬于非常規天然氣的一種，其熱值與天然氣相當，因此，煤層氣是一種熱值高、污染少、安全性好的潔凈能源，是上好的民用、商用、發電燃料和化工原料[1-3]。車載鉆機具有鉆進速度快、操作簡單、輔助作業方便、適用于多種鉆進工藝、拆裝及運輸方便等優點[4-8]，廣泛應用于煤層氣勘探和抽采、礦山應急救援以及工程施工中[9]，是目前煤層氣鉆孔和救援鉆孔施工的主流施工裝備[10]。

車載鉆機主要是靠上裝鉆機部分實現大扭矩回轉和強力起拔來完成作業任務的。這2 個功能參數是車載鉆機最為主要的技術指標。目前，國內的車載鉆機生產企業和專用汽車檢測檢驗機構對這2 個參數的確定最常用的方法是通過公式計算得到1 個設計理論值，或是通過工程施工，憑經驗間接的獲得1 個參數范圍，不能夠準確檢測車載鉆機的這2個主要參數，嚴重制約了車載鉆機上裝性能的檢測檢驗和最大參數值的標定工作，存在最大參數標定不合理、誤區多等缺點，使得車載鉆機的可靠性受到極大限制。為此，提出了一種車載鉆機上裝靜載性能檢測方法，檢測方法能夠直觀、準確、快速對車載鉆機上裝的靜態扭矩和靜態提升力進行檢測，并在實際工作中得到成功應用。

1 檢測平臺搭建

車載鉆機靜載性能檢測時，由于檢測的扭矩和提升力都比較大，檢測平臺需要施加很大的反作用力以達到檢測的目的，檢測平臺建設的難點就在于施力裝置。檢測平臺采用深度約為18～25 m、直徑約為700～900 mm 的鋼筋混凝土灌注樁，中間預埋φ127 mm 鉆桿作為傳力構件來實現，樁身采用C30混凝土澆筑。在中間預埋鉆桿的上端（露出混凝土澆筑樁一端）連接鉆桿接頭，使其法蘭端朝上。車載鉆機靜載性能檢測平臺建設示意圖如1。

圖1 車載鉆機靜載性能檢測平臺建設示意圖Fig.1 Construction diagram of static load performance testing platform of truck-mounted drilling rig

車載鉆機靜載性能檢測平臺主要檢測車載鉆機靜態扭矩和提升力2 個主要參數，鑒于車載鉆機的特點和要求，設計建設的車載鉆機靜載性能檢測平臺在施工和建設時保證其抗扭能力和抗拉能力分別達到30 000 N·m 和1 000 kN 以上，并考慮到安全系數及以后的能力擴充，檢測平臺留有更大的富余空間。為此所配備的靜態扭矩傳感器和提升力傳感器設計測試能力分別為50 000 N·m 和1 200 kN，靜態扭矩傳感器如圖2，靜態提升力傳感器圖3。

圖2 靜態扭矩傳感器Fig.2 Static torque sensor

除傳感器和檢測平臺外，在檢測時還需要相應的工裝來輔助完成檢測檢驗任務。鉆桿接頭如圖4；檢測過程中使用的檢測用鉆桿和檢測平臺建設時預埋的鉆桿都采用這種法蘭接頭，連接尺寸與扭矩傳感器、提升力傳感器、提升力檢測用工裝一致，以便能與其連接。

圖3 靜態提升力傳感器Fig.3 Static lift force sensor

圖4 鉆桿接頭Fig.4 Drill pipe joint

檢測提升力時，為避免檢測鉆桿和預埋鉆桿及傳感器不對中導致的誤差及對傳感器的損傷，采用1 對提升力檢測用工裝，分別連接在檢測鉆桿下端和提升力傳感器上端，中間用鋼絲繩連接。提升力檢測工裝如圖5。

圖5 提升力檢測工裝Fig.5 Lifting force detection tooling

2 車載鉆機靜載性能檢測方法及過程

通過該檢測平臺，對中煤科工集團西安研究院有限公司生產的ZMK5530TZJ60 和ZMK5530TZJ100型車載鉆機進行了靜態扭矩和靜態提升力的試驗和檢測檢驗。

1）檢測前準備工作。在檢測過程中，檢測平臺的基礎及預埋鉆桿固定不動，將車載鉆機停靠在檢測平臺合適的位置，立車后，將檢測用鉆桿連接到車載鉆機動力頭處，檢測用鉆桿的下端連接如圖4的鉆桿接頭，使其法蘭端朝下，使檢測用鉆桿與檢測平臺預埋鉆桿盡可能同軸，以減少檢測時的數據誤差，提高檢測時的精度和安全性。

2）靜態扭矩檢測方法。將圖2 的扭矩傳感器上端與檢測用鉆桿下端的法蘭進行連接，在檢測平臺預埋鉆桿的上端法蘭處安裝萬向聯軸器（萬向聯軸器兩端法蘭的連接尺寸和圖2 的扭矩傳感器以及圖4 的鉆桿接頭相同），將車載鉆機動力頭向下行走，使扭矩傳感器的另一端和萬向聯軸器的一端連接。所有采用螺栓連接處都使用高強度螺栓。螺紋連接處，在連接之前都必須涂抹絲扣油。扭矩傳感器和工裝連接完成后，將扭矩傳感器儀表與傳感器進行連接，通電后即可開始檢測車載鉆機的靜態扭矩。車載鉆機靜態扭矩檢測時的狀態如圖6。傳感器通電后，車載鉆機停止給進，動力頭在低速檔的狀態下，調節回轉調速控制手柄，由低到高逐漸加載，測量車載鉆機動力頭輸出的扭矩值，該值即為車載鉆機的靜態扭矩。

圖6 車載鉆機靜載檢測示意圖Fig.6 Diagram of static load detection of truck-mounted drilling rig

3）靜態提升力檢測方法。扭矩檢測完后，將扭矩傳感器、萬向聯軸器依次從檢測平臺和檢測用鉆桿上拆除，使車載鉆機和檢測平臺恢復到上文“檢測前準備”的狀態。將圖3 的提升力傳感器的下端連接到預埋鉆桿的法蘭盤上，提升力傳感器的上端連接1 個圖5 的提升力檢測用工裝，檢測用鉆桿下端的法蘭連接另1 個圖5 的提升力檢測用工裝，將車載鉆機動力頭向下行走，使得2 個提升力檢測用工裝距離在1 m 左右，然后將鋼絲繩穿過2 個提升力檢測用工裝的圓環，用繩扣鎖緊。所有采用螺栓連接處都使用高強度螺栓。提升力傳感器和提升力檢測用工裝連接完成后，將提升力傳感器儀表與傳感器進行連接，通電后即可開始檢測車載鉆機的靜態提升力。傳感器通電后，車載鉆機在停止回轉的狀態下，調節提升調速控制手柄，由低到高逐漸加載，在系統壓力達到額定壓力時測得的提升力數值為車載鉆機的靜態提升力。2 個主要技術參數檢測完成后，拆除傳感器及工裝，將車載鉆機桅桿收回，并將車載鉆機移出檢測區域，使檢測平臺恢復到如圖1的狀態，做好保養和防護。

4）靜載性能檢測及結果。對ZMK5530TZJ60 型和ZMK5530TZJ100 型車載鉆機按照上述方法進行了靜態扭矩和靜態提升力的檢測。ZMK5530TZJ60型車載鉆機靜態扭矩在額定壓力26 MPa 時的檢測值為12 135 N·m；靜態提升力在額定壓力35 MPa時的檢測值為612 kN。ZMK5530TZJ100 型車載鉆機靜態扭矩在額定壓力26 MPa 時的檢測值為30 758 N·m；靜態提升力在額定壓力35 MPa 時的檢測值為1 089 kN。

3 結 語

介紹了車載鉆機靜載性能檢測方法，檢測方法既提高了車載鉆機的試驗和檢測能力，又對車載鉆機最大參數的標定提供了準確依據，避免了采用傳統方法導致的最大參數標定不合理、誤區多等缺點。使用該檢測方法，在車載鉆機試驗和檢測檢驗階段進行了成功應用，效果直觀、準確、快速，達到了預期目的。