井架應力監測裝置防爆保溫箱研究

張慧杰，李 強，張軍鋒

（川慶鉆探工程有限公司國際工程公司，四川成都 610056）

0 引言

井架應力檢測是傳統檢測中較為重要的一項，不僅有相關的國家檢測標準要求，也是確保井架正常作業、保障作業人員安全及現場設備可靠運行不可或缺的環節。采用傳統方法檢測時，井架檢測時必須停止現場作業，會導致生產效率下降、成本增加，而井架應力在線監測系統是在傳統人工檢測的基礎上進行優化，消除了人工需多次檢測、多次攀爬井架的危險，通過遠程進行監控，為檢測人員提供了更加安全高效的檢測模式，真正實現了降本增效。

另外，油田鉆井作業極易產生可燃性、易爆伴生氣體，鉆井井場按照危險環境區域劃分屬于1 區（井口位置）、2 區危險區域。所以鉆井井場范圍內使用的電氣設備應能防止產生火花、電弧或危險溫度，在危險環境區域只有安裝防爆電氣設備才能保證鉆井井場人身及設備安全。在鉆井作業現場應按照危險區域劃分配備相應型號、相應防爆等級的設備，設備防爆標志不應低于環境中危險物的級別與組別。通過調研發現部分鉆井井場存在選型不合理或者選用非防爆電氣設備的現象。例如，在干燥房和坐崗房中存在許多非防爆產品，如多用插座、監視儀、低壓控制箱、斷路器、燈具、風扇等，在使用過程中，由于施工需要設備長期暴露在外部環境中，會遭受風吹雨淋等惡劣環境的影響，極易產生腐蝕生銹及損壞而導致無法正常工作。一旦設備內部端子連接處出現電弧、火花，就可能點燃可燃性氣體、引起爆炸。這種因不能安全使用防爆電氣設備而引起爆炸事故，在所有爆炸事故中占比很高。

本次以石油鉆機井架應力在線檢測系統為研究基礎，需在防爆區域內加裝川慶鉆探工程有限公司國際工程公司獨立研發的數據采集裝置監測系統，因成本限制設備無法取得防爆資質，因此采用高于防爆要求的防爆箱放置設備，并按照國家、石油行業標準連接線路進行通電。電器的型式試驗是在正常環境條件下進行的，根據GB/T 14048.1—2012《低壓開關設備和控制設備》規定，正常使用條件有以下規定：

（1）周圍空氣溫度：最高溫度不得超過+40 ℃，且在24 h 一個周期的平均溫度不得超過+35 ℃；最低溫度不得低于-5 ℃。

（2）海拔：安裝地點的海拔不超過2000 m。對用于海拔高于2000 m 的電器，需要考慮到空氣冷卻作用和介電強度的下降。

1 問題原因

目前在線監測技術發展迅速，市場上應力采集裝置非常成熟，種類繁多，價格不一。在線監測模式多種多樣，主要分為兩大類，即集中式與分散式。其中，集中式的機箱較大，只能放置在司鉆房內，且線纜較多，操作較為繁瑣；分散式可放置在井架的不同位置，每幾個為一個小分支，分散成幾個部分，最終統一收集到終端，線纜不繁瑣且體積較小，適合用于井架上端。

例3：科技節水火箭發射升空視頻，可以在視頻選項卡中打開“速度/時間流逝”選項，設置視頻的回放速度小于100，利用慢動作效果放慢播放速度，讓觀眾更加清晰的觀看到發射過程中，水火箭各部分的變化，詳細了解整個發射過程。

基于油田作業要求的防爆背景，經調研發現應力采集裝置產品并沒有對防爆要求進一步升級，只是提升了防護等級，這不能滿足對于油田作業的防爆要求，同時考慮到鉆井作業環境惡劣，有些作業現場處于高寒地區，設備可能無法正常運行。

實際上設備的使用環境惡劣，如新疆項目的現場氣溫最低可以達到-30 ℃，可能帶來的影響有：①供電模塊不工作，裝置斷電；②輸出信號受到影響，漂移過大；③信號發射端、接收端受阻，傳輸速度變慢（圖1）。

圖1 現場溫度

另外，作業現場已經開始施工，不僅無法專門停鉆進行檢測，而且對防爆要求極高。如果臨時開發、定制數據采集裝置，可能面臨的問題有：①周期時間過長，項目無法按時完成；②成本過高，不能達到降本增效的目的。

基于上述考慮，決定對現有數據采集裝置進行小規模的獨立研究設計，能及時滿足項目需求且完成技術方面的自我突破。

2 解決方案與測試

根據調研，數據采集裝置選擇分散式更符合現場條件，線纜安裝不繁瑣，滿足成本控制要求。

（1）對于防爆的問題，可以在數據采集裝置外部加裝根據其尺寸進行定制的防爆箱。防爆類型有本安、增安、隔爆等，本安、增安類型雖體積重量較輕，但不滿足現場防爆要求，對于可實現防爆要求的隔爆型可以選用鋁合金材料使得重量降低。

（2）對于低溫的問題，可以在多種方案下進行試驗，選擇用于石油運輸管道保溫的電伴熱帶進行纏繞。電伴熱帶就伴熱類型可分為恒功率電伴熱帶和自控式電伴熱帶兩類。依據環境的低溫，無需考慮對電伴熱的溫控，故選擇恒功率電伴熱帶，根據現場外部環境、防爆箱的材料，需要的內部溫度，通過熱功率交換公式、熱傳導公式等，計算得出需要電伴熱帶整體功率為60 W，無需控溫，并且電伴熱帶本身也需具有防爆等級要求，對電伴熱帶尾端要做保護。

本文提供了如下針對該裝置的輔助應對措施：①數據采集裝置的傳輸線纜，必須符合耐低溫要求；②防爆箱開口必須滿足線纜防爆需要，且有縫隙處涂有防爆膠泥；③需專業電工對防爆箱內部進行布線設計，滿足現場使用需要。

考慮到四季交替，電伴熱帶采取了開斷控制措施，高于0 ℃時建議關閉電伴熱帶，低于0 ℃的則必須打開電伴熱帶開關（圖2）。

圖2 黑色電伴熱帶繞防爆箱子四周

為確保在現場可靠實用，對保溫裝置進行模擬現場環境實驗，檢測防爆箱內部的溫度，測試數據采集裝置的正常運轉狀態。本次測試時間為2021 年底。

2.1 使用兩種方法測試防爆盒的溫度

（1）室外放置。因測試地點在成都，室外溫度在7 ℃，放置時間分別為2 h、4 h，通過讀取放置在箱內的溫度計獲取箱內溫度，分別為15 ℃和17 ℃。這說明，常溫下增加電伴熱帶能增加溫度為10 ℃。

（2）低溫箱放置。在防爆箱內放置熱電偶實時測量箱內溫度，熱電偶懸空，在防爆箱中央，即儀器位置。將防爆箱放置在低溫箱二層，加熱電伴熱帶（長度為1.2 m 電伴熱帶放置在防爆盒下方，長度為3.0 m的放置在防爆箱上方），溫度設置為-30 ℃（圖3）。4 h 后，有1.2 m 電伴熱帶的箱內溫度為13～15 ℃。

圖3 溫度傳感器及測試環境

2.2 數據采集裝置測試

將數采儀器放置于防爆盒內，為驗證加裝電伴熱帶的必要性，分別采用不加電伴熱、加1.2 m 電伴熱帶和1.5 m 電伴熱帶3 種情況進行對比，采集時間0.5 h（因時間原因未作加載試驗）。由于不加伴熱帶無法讀取數據，通道全部過載，而1.2 m 與1.5 m 伴熱帶均可讀取數據。為了更好地進行保溫，可以使用1.5 m的伴熱帶。

2.3 根據現場環境進行多次實驗

（1）將應變片貼在厚度為5～7 mm 的鐵板上，利用重物對鐵板進行加載，測試多個數采儀器、多個通道是否對采集速度有影響（表1）。

表1 運行通道測試結果

（2）影響無線傳輸的原因有距離、各種干擾、溫度等，根據原因設計測試，使用四芯屏蔽線連接數據采集儀器、改變與數據采集儀器的距離、測試采集速率與信號強弱。測試在常溫下進行，結果見表2。

表2 影響無線傳輸原因的測試結果

（3）為對比溫度對儀器的影響，在低溫環境下進行了有線及無線兩種工況測試：有線即采用用四芯屏蔽線連接數據采集儀器，所有線纜、儀器都放入低溫箱中；無線測試條件下，無線模塊、所有線纜、儀器都放入低溫箱中（圖4、表3）。

表3 低溫實驗測試結果

圖4 低溫箱設備

（4）長時間穩定性。將儀器放入低溫箱，24 h 后對采集數據與采集速率進行考察（圖5）。測試結論是，24 h 過后，整體采集數據平穩，采集速率無變化。

圖5 采集數據

（5）為進一步確認防爆箱內溫度保護與儀器周圍溫度，單獨將防爆箱放入低溫箱，另外在箱內放置熱電偶在儀器中部與下方，同時精確校正儀器在現場的使用溫度，并根據對低溫箱的使用研究，將防爆箱放置在低溫箱下方，撤出隔板，使得低溫箱的溫度更接近于-30 ℃。測試結論是，放置2 h 后防爆箱中心溫度15 ℃，防爆箱儀器下方溫度-10 ℃，放置6 h 以后溫度與2 h 后的變化相差不大。測試過程中如果將防爆箱倒置，中心溫度為29 ℃。

以上實驗證明，儀器低溫可用，并得到以下3 個結論。

（1）在常溫與低溫環境下，軟硬件采集正常，線纜傳輸正常，有線傳輸速率5 Hz、無線采集速率0.5 Hz，無線傳輸距離在50～60 m，傾角傳感器采集正常，報警功能正常。通過對采集儀器標定，采集數值屬于正常偏差范圍內。

（2）在常溫與低溫環境下，應力應變采集，在有加載與無加載時數據有變化、反應迅速。

（3）設備在無電伴熱情況下可找到信號、可采集信號，為確保使用效果建議使用電伴熱帶加熱。

（4）硬件端線纜多次檢查，同時接上屏蔽線，所有采集儀器需接地。

為確保使用效果，建議使用低溫網線。

3 總結

在石油鉆井現場使用防爆箱，可使原先不防爆的應力采集裝置在防爆區域內安全使用，并且在惡劣環境下，對內部高精尖設備部件進行保護，確保系統能正常運行。同時，通過對電伴熱帶的調研及測試，選擇了恒功率電伴熱帶，保持對防爆箱內部溫度的持續性，提高整體穩定性。

在整個系統層面，通過對軟件端不斷優化，使系統整體簡潔、反應迅速，而數據實時采集功能，可實現借助表格、歷史數據等手段觀察井架參數變化的目的，最終，現場設備管理人員可遠程在線對井架實時狀況進行分析、判斷。總之，井架應力在線監測系統的成功應用，為石油鉆井現場自動化推廣提供了新思路、新方向。