自鎖式繃繩快速拉緊器研究與應用

張孝寧 高文斌 單忠利 張孝燕

（1.遼河油田金海采油廠；2.遼河油田分公司特種油開發公司）

1 區域概況

1.1 地質概況

研究區域為遼河油田重要稠油生產區塊，開發目的層為東營組二、三段以及沙河街組三段，油藏埋深為1 150～1 466m，孔隙度為24.0%～31.8%，滲透率為0.6～2.3 D，平均原油黏度為15 090mPa·s，平均密度為0.984 g/cm3，儲層發育較好，屬于中深層高孔、高滲特稠油油藏[1]。

在采油、集輸生產過程中，需要使用大型臥式加熱爐對采出液進行加熱外輸，為保證加熱爐燃燒充分，對其安裝了高聳的煙囪。每臺加熱爐煙囪都安裝了拉緊繃繩，保證煙囪不發生倒伏事故，確保加熱爐的安全穩定性。

1.2 加熱爐煙囪繃繩現狀

加熱爐煙囪繃繩一般為3 根，平面夾角為120°，拉索與煙囪軸夾角不小于25°，拉繩應使用鋼絲繩，鋼絲繩連接應使用繩卡。當鋼絲繩直徑d<18mm 時，鋼絲繩卡數量為3 個；當直徑在18mm≤d＜26mm 時鋼絲繩卡數量4 個。鋼絲繩與地錨連接處應露出地表，同一地錨不可連接兩個煙囪拉繩。

2 現場中存在的問題及原因分析

2.1 存在的問題

拉緊煙囪繃繩的操作過程需要兩個人進行，由于滑桿螺絲緊固距離相對較小，當其旋緊到位后，只能對每條繃繩重新進行調整。整個操作過程需要松緊9個繩卡子18條螺絲，人工拉緊鋼絲繩，很難拉緊到位。如果繃繩緊固不及時，在惡劣天氣下，煙囪受力不均，易造成煙囪從根部的損壞，甚至導致出現煙囪倒伏事故的發生，存在很大的安全隱患[2]，需要定期對加熱爐煙囪繃繩進行緊固。

在試驗過程中發現，由于加熱爐長期處于室外，滑桿螺絲和繩卡螺絲易發生銹蝕現象，從而導致拆卸困難，增加了操作難度。根據加熱爐煙囪繃繩現場緊固時間調查（表1）來看，緊固繃繩的操作時間根據設備的不同，時間控制在20～40min內，最長用時達到42min/次以上，降低工作效率。

2.2 影響因素分析

通過對研究區域各站跟蹤調查，影響繃繩松動的原因有兩點：研究區域地質條件差，易造成下地地矛的上移，會影響繃繩松緊度；四季氣候溫度變化加大，加熱爐設備基礎下沉，造成繃繩松動。

表1 加熱爐煙囪繃繩現場緊固時間調查

2.3 繃繩拉緊分析

1）普通的繃繩緊固組件的受力方式屬于上下拉伸受力，需要較大的人為外力拉拽，連接部件及固定部件較多，并受外界因素影響。

2）改裝原繃繩緊固組件無固定緊固工具，緊固勞動強度較大。

3 技術對策研究

3.1 改變繃繩的工作方式

借鑒井下作業車的鋼絲繩滾輪裝置和手搖絞盤裝置，使用滾輪接觸均勻受力，將鋼絲繩纏繞在中間固定件上，采用繩卡子與中間旋轉軸緊固連接[3]。鋼絲繃繩與中間轉動固定件沒有硬性接觸，不能造成鋼絲繩的損壞。

3.2 新的力學結構，改變拉緊方式

借鑒重型滑桿套筒扳手的杠桿加力原理，改變原來沒有固定工具的拉緊方式[4]。選中間軸一端，設計加力裝置，該裝置為圓柱形構件，對稱均布四個圓孔，放入杠桿加力，圓柱形構件后端設計成圓柱孔與中間軸采油焊接連接。

綜上所述，通過對繃繩工作方式的改變及采用新的力學結構改變拉緊方式，得出一種新型的繃繩快速拉緊裝置（圖1）。

圖1 新型繃繩快速拉緊裝置示意圖

4 自鎖式繃繩快速拉緊器的研制

4.1 主體部位構成確定

主體部位由旋轉滾輪纏繞式和旋轉杠桿加力式結合構成，采用側板和底板設計成“U”字型支架，底板為普通鋼板，側板上部設有與各部配件配合的孔槽。在兩端側板的中心孔處穿入一根中心管，中心管一端穿入繃繩鋼絲繩，用來固定和轉動加緊繃繩；另一端是旋轉架與中心管焊接，在旋轉架四周均布四個適宜的圓孔，使用與旋轉架圓孔配套的轉軸加力桿來轉動旋轉架，帶動中心管360°轉動，達到旋轉加緊煙囪繃繩的目的。采用絞盤式滾輪旋轉纏繞鋼絲繃繩，穩定性好，工藝簡單；采用杠桿加力，轉動旋轉裝置及中心管，降低勞動強度。

4.2 優選固定裝置連接方式

在原有地錨的基礎上，采用地錨和鋼板進行固定，添加轉換接頭裝置。由底座固定連接方式示意圖可見（圖2），將底座固定連接方式分成了2 個部分，一個是主體部分與底座轉換接頭的連接方式，采用螺紋式連接；另一個是底座轉換接頭與下地地錨連接固定方式，采用套管式連接。中間轉換接頭上部為螺紋連接，下部為略大于地錨管外徑的套管連接，并進行加固焊接，在其螺紋連接處加設一背帽鎖緊裝置，確保裝置整體的穩固性[5]。

圖2 底座固定連接方式示意圖

主體與轉換接頭之間采用的是螺紋連接，需要在主體部位的下端連接一個帶有螺紋絲扣的油管接頭[6]。截取日常生產中報廢的N80 油管完好部分進行加工，油管一端重新進行螺紋加工，該部件上部無螺紋端與主體部位焊接，下部螺紋端與下部轉換接頭連接，降低裝置成本費用。

4.3 裝置限位方式的選擇

自鎖式繃繩快速緊固器的主體受力旋轉部位為一個纏繞拉緊繃繩作用的中心管，中心管本身并不具備鎖死功能，只能受外力旋轉拉緊，當煙囪繃繩加緊到一定程度，存在反作用力，帶動中心管反轉，造成繃繩回到松弛狀態。中心管轉到適宜位置時，需要鎖定限位裝置對其固定，確保中心管不再轉動，確保煙囪繃繩始終處于拉緊狀態。

限位固定裝置是該裝置的核心部分，針對主體部位結構特點和旋轉方式，最終確定棘輪鎖定方式。借鑒抽油機輔助剎車裝置的原理，在中間旋轉加力軸的兩端設計棘輪裝置，并設有限位棘爪裝置，限制并鎖定棘輪，其優點是雙棘輪棘爪鎖定牢固穩定，操作快捷簡單[7]。

借鑒現有的游梁式抽油機輔助式剎車的棘輪棘爪鎖定結構，設計該裝置的鎖定自鎖裝置，由棘輪棘爪限位裝置設計圖（圖3）可見，在旋轉的中心管兩端各設有一個棘輪，隨旋轉的中心管同時轉動。在棘輪的上端設置自重鎖死棘爪，采用螺釘固定，實現將棘輪鎖死在任意位置，在連鎖作用下，限制中心管旋轉，達到裝置限位鎖定功能。

圖3 棘輪棘爪限位裝置設計圖

5 對策實施及實施效果

5.1 篩選裝置各部位材料

針對該裝置的特殊性，通過對每一個部位的材質進行分析，根據不同的形狀及受力特點進行了各部位材料的篩選。

在材料篩選的過程中，采用了日常石油開采生產現場常用的幾種鋼材材質，分別為Q235#鋼、45#鋼和N80 鋼油管等，針對不同材質的優缺點[8-10]以及經濟性制定了各部位材料篩選方案（表2）。

表2 各部位材料篩選方案

5.2 完整結構設計組合

在主體部位架構、中心管、旋轉架、油管接頭、背帽鎖緊裝置、固定裝置轉換接頭、鎖定棘輪棘爪限位裝置等配件制作完成后，將“U”字型的支架作為支撐架，中心管穿入中心孔，并在中心管的一端與旋轉架焊接。把棘輪安裝在中心管兩端，隨同中心管轉動，并在“U”字型支架兩端，棘輪的上端，裝上棘爪限位裝置。在裝置下端的固定裝置與“U”字型底板進行焊接，將各分解的各零部件連接成為一個整體，完成自鎖式繃繩快速拉緊器整體構造（圖4）。

圖4 自鎖式繃繩快速拉緊器整體實物圖

5.3 實施效果

1）自鎖式繃繩快速拉緊器整體制作完成后，在研究區域H11、H12 站進行了安裝試驗，緊固繃繩的時間分別由42min 下降至3min、由36min 下降至3.5min，大大的縮短了煙囪繃繩的緊固時間。研究區域共計安裝了10 臺次，緊固繃繩的操作時間大幅的縮短，平均操作時間達到3min。

2）自鎖裝置的主體部分采用報廢的N80 油管制作，每臺大約節約材料費用500 元，本次實驗研制及推廣使用50臺，共節約費用2.5萬元。

6 結論

1）自鎖式繃繩快速拉緊器的研制與安裝，大幅度縮短了員工緊固加熱爐煙囪繃繩的操作時間，降低了員工的勞動強度。

2）自鎖式繃繩快速拉緊器的研制與安裝，提高了加熱爐煙囪在生產運行中的安全穩定性，確保了設備的平穩運行。

3）該裝置立足現場需求，主體采用廢料制作，投入少，利用高，可以在采油生產單位推廣使用。