絞車滾筒“咬繩”原因與對策研究

王錫斌，宋 勇，曲博林

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

鋼絲繩使用的安全性和使用壽命是長期以來受到關注的問題，因鋼絲繩損傷和破斷產生的重大事故時有發生。鋼絲繩咬繩是指修井機鋼絲繩纏向絞車滾筒時，相鄰兩圈鋼絲繩不是按順序纏到滾筒上，而是出現了相交，鋼絲繩從相鄰鋼絲繩的表面擦過，落入位置，在壓力作用下鋼絲繩絲與絲之間相互嵌入，產生滑移，造成的剪切現象。咬繩會加劇鋼絲繩的磨損，一般發生在多層卷繞的絞車滾筒上。出現咬繩現象的原因很多，一般要重點關注以下方面。

1 傾斜角

卷繞傾斜角有兩種，一種是快繩與已纏繞的鄰圈鋼絲繩所形成的傾斜角（β 角和α 角），一種是快繩進天車快輪的傾斜角。

1.1 快繩與已纏繞的鄰圈鋼絲繩所形成的傾角

對于有里巴斯槽（Lebus）的滾筒，當第二層鋼絲繩纏繞時，每卷繞一周就有2 個跨越點，可稱為節點，在節點處，繞入的鋼絲繩不再只對下層鋼絲繩產生壓力，而是首先對已卷繞在滾筒上的鄰圈產生壓力。在鋼絲繩繞過節點的瞬間，由張力產生的壓力先作用在相鄰鋼絲繩表面。鋼絲繩都是由很細的鋼絲繞成的，在壓力作用下，絲與絲之間相互嵌入、滑移，產生了剪切運動，造成了咬繩。

如圖1 的滾筒卷繞方式所示，第一層鋼絲繩沿卷筒繩槽排滿后，快繩與已繞入的鄰圈鋼絲繩呈一定角度，稱為β 角（圖1a）。從圖上可以看出，此時在節點處快繩與已卷繞在滾筒上的鄰圈鋼絲繩表面接觸面積很小甚至不接觸，快繩與鄰圈鋼絲繩不會產生很大壓力，能夠安全地落入到下層鋼絲繩的繩槽內。快繩過了滾筒與快繩輪的垂直線O1-O2后，快繩與已繞入的鄰圈鋼絲繩呈一角度（與β 角相反），稱為α 角（圖1b）。從圖上可以看出，α 角出現后，快繩與已卷繞在滾筒上的鄰圈鋼絲繩表面接觸面積加大，鋼絲繩絲與絲之間在壓力的作用下相互剪切，也就是所說的“咬繩”。該α 角隨著鋼絲繩軸向移動而不斷增大，咬繩也越來越嚴重。

圖1 一般的滾筒卷繞方式

正確選擇鋼絲繩在卷繞過程中的軸向位移方向，即選擇第一層鋼絲繩的起繩端，對第二層鋼絲繩是否產生咬繩關系極大。如果把滾筒鋼絲繩排列成如圖2 所示，就能減小α 角，增大β角，這樣也就減小了在節點處快繩與鄰圈鋼絲繩的接觸面積，鋼絲繩張力所產生的壓力基本作用在下層鋼絲繩上，不會產生剪切，也就基本消除了咬繩現象。從圖2 可以看出使絞車滾筒第一層鋼絲繩的起繩端與天車快繩輪在滾筒縱向中心線的同一側，第一層鋼絲在里巴斯槽的作用下能夠安全排列，而在排列第二層鋼絲繩時則能夠在過節點時減少剪切面積，減輕咬繩。實踐證明，如果作業時僅起放一根油管，此種排列的滾筒鋼絲繩比圖1所示的鋼絲繩壽命能夠延長2～3 倍。

圖2 理想的滾筒卷繞方式

多層卷繞的鋼絲繩也可采取定期截頭的方法，即先把新鋼絲繩有意識地多放2～3圈的長度，以后按情況定期從繩端截去半圈，實質上是不斷地移動節點，避免鋼絲繩在同一節點處損傷，從而延長整條鋼絲繩的使用壽命。

1.2 快繩進天車輪的傾斜角（偏心角）

快繩進天車輪的傾斜角，俗稱偏心角λ，是指鋼絲繩繞到絞車滾筒的最邊緣處和天車快輪與筒的中心線所形成的角，或者是通過快輪與滾筒軸垂直引線形成的角，如圖3 所示，其中H 為天車快輪軸到滾筒軸之間的高度，L 為滾筒槽距。偏心角不僅影響鋼絲繩在絞車滾筒上纏繞時咬繩，還影響鋼絲繩在滾筒上纏繞是否整齊。偏心角有一個界限，無論是有槽滾筒還是無槽滾筒，當滾筒直徑特別大時，偏心角λ 最大為1°30′；當沒有輔助手段時，為了使鋼絲繩在纏繞時能順利地在滾筒法蘭盤處返回，并纏繞整齊，偏心角要控制在0°30′以內。

一般說來，當滾筒轉速＞100 r/min 時，選λ<1°15′；當滾筒轉 速＜100 r/min 時，λ<1°30′。也就是當H 為100 m 時，L 必須在0.873 m 以內，對于控制鋼絲繩在滾筒上排繩和咬繩有重要意義。從圖3 可以看出，偏心角λ 的大小可以通過絞車滾筒的長度、井架高度、滾筒縱向中心與天車快輪中心的相對位置來控制。在設計過程中要認真計算、統盤考慮來確定這幾個參數。

圖3 偏心角λ

2 鋼絲繩

2.1 鋼絲繩捻向對咬繩的影響

鋼絲有左捻與右捻之分，由于鋼絲繩內應力的原因，右捻的鋼絲繩向左向繞、左捻的鋼絲繩向右向繞比較好。否則有可能繞不起來，容易產生不好卷或者卷亂，造成鋼絲繩在滾筒上相互擠咬，這種現象在鋼絲繩越粗或者鋼絲繩與滾筒的相對直徑越小時，表現越明顯。一般認為不同捻向的鋼絲繩在滾筒上的纏繞應如圖4 所示進行，對于單層纏繞的滾筒，圖4 對減輕鋼絲繩咬繩具有重要意義，對于多層纏繞的滾筒意義不大，但從解決主要矛盾的方面來講也有一定的指導意義。

圖4 不同捻向鋼絲繩在滾筒的纏繞方向

2.2 鋼絲繩繩芯對咬繩的影響

鋼絲繩的繩芯分為金屬芯、礦物芯、天然纖維芯和合成纖維芯四種，后三種又統稱為纖維芯。金屬芯能增加繩的抗壓能力，因而它具有較大剛性，但卻使鋼絲繩的彎曲性能降低，因而對排繩不利。纖維芯能提高鋼絲繩的彎曲性能（即增加鋼絲繩的可繞性），而且能儲存大量的潤滑油，從而確保鋼絲繩在工作時，內部有足夠的潤滑，并能防止鋼絲的腐蝕，從而對排繩有利。

3 里巴斯槽

現代滾筒多采用里巴斯槽，其結構如圖5 所示。由于滾筒有槽，鋼絲繩大部分作環狀纏繞，并在180°對側有兩次跳槽。里巴斯槽的開槽尺寸在SY/T 5202—2004《石油修井機》中有明確規定，這里不再累述，但對于斜段長度則沒有較明確的敘述，事實上不同的廠家做里巴斯槽時根據自己的實際情況，做的斜段長度也不一致，大致有πD 等不同的長度。在相同槽距（L）的情況下，斜段長度決定了它與直段的角度，此角度在設計時要根據井架高度、滾筒長度、天車快輪與滾筒的相對位置等各因素來綜合衡量。

圖5 里巴斯槽結構

4 鋼絲繩內應力

鋼絲繩在加工制造過程中不可避免地會產生內應力，這種內應力在鋼絲繩長期放置后會經自然時效消除，但對于出廠時間不長即使用的鋼絲繩，應人工釋放內應力，俗稱破勁，否則鋼絲繩在在纏繞的過程中會旋轉，加劇咬繩現象。破勁的方法是：截取所需長度的鋼絲繩，一端系上麻繩，麻繩另一端系在機車上，用機車在干凈路面上拖動鋼絲繩2～3 km，使鋼絲繩釋放的內應力消化吸收到麻繩上。

5 井架與絞車的制造、安裝

井架與絞車的制造和安裝精度直接影響到了纏鋼絲繩與快繩的傾斜角。對車裝鉆修機而言，絞車滾筒軸橫向中心線必須平行于井架下體與后支架兩安裝軸孔的中心線，井架縱向中心線必須與主車縱向中心線在垂直面上重合，否則會影響到天車快輪的位置，從而影響到α 角、β 角的大小。

6 其他因素

影響咬繩的其他因素還有繃繩松緊度、車體水平度、絞車滾筒兩端水平度等，雙節井架下體承載機構的水平度也是影響咬繩的重要因素。

7 結語

影響鋼絲繩咬繩是多因素的，它與快繩的傾斜角、鋼絲繩捻向、里巴斯槽、鋼絲繩內應力的釋放、井架絞車的制造安裝精度等有關，在設計、制造、安裝過程中處理好上述影響咬繩的主要因素，對于減輕絞車滾筒鋼絲繩咬繩、延長鋼絲繩的使用壽命、提高鋼絲繩使用的安全性具有重要作用。