一種新型游車防碰裝置的研究和應用

滕一寧+孫長征+郭星民

摘要：本文以勝利石油工程公司現有裝備的實際出發，并根據當前安全生產對設備本質安全化的要求，對現有游車防碰裝置的各方面性能進行分析，并對其可靠性和安全性進行完善，研究出一套新型的游車防碰裝置，其能夠實現高度智能化，并大大提高游車操作的安全性和可靠性。

關鍵詞：本質安全化；防碰裝置；安全性；可靠性；智能化

一、 勝利油區現有防碰裝置分析

勝利石油工程公司現有鉆機基本都配備防碰裝置，根據鉆機的類型不同，防碰裝置主要有應用在機械和半電動鉆機上的機械式防碰裝置（重錘防碰和過卷防碰），應用在直流電動鉆機上的獨立電子式防碰裝置和交流電動鉆機集成于操作系統的防碰裝置。前兩種防碰裝置應用較為廣泛，由于設計和功能上存在諸多缺點，成為影響鉆機施工安全的不利因素，其中機械式防碰裝置功能單一，只能防止“頂天車”，且在冬季氣溫較低的情況下，其控制的氣路易結冰導致剎車失效，存在較大的安全隱患；獨立電子式防碰裝置和交流電動鉆機集成于操作系統的防碰裝置雖然可以實現上防碰、下防砸的功能，但是由于通過測量絞車滾筒的角度來計算游車高度，其精度隨著懸重增大和滾筒排繩跳槽而明顯降低，另外，與機械式防碰裝置同樣存在冬季氣路結冰的缺點，所以這兩種防碰裝置并不能滿足實際施工的要求。除此之外，以上兩種防碰裝置在大懸重和高速度的情況下并不能完全保證設備和人員的安全，仍然存在較大的安全隱患，更達不到設備本質安全化的要求。

如上所示，現有的游車防碰裝置均存在較多的設計缺陷，所以，在當前鉆井裝備亟待改造和升級，提高設備的自動化和智能化水平，完善安全設備設施，提高本質安全化水平，降低設備故障損失，以滿足安全生產的要求，保證人員安全和施工的順利進行。

二、 新型防碰裝置的設計

本新型的游車防碰裝置的設計就是通過對現有三種防碰裝置的優點進行整合，使改進后的防碰裝置具有精度高、功能完整、運行可靠，可以應用于除交流變頻鉆機外的機械、半電動和直流鉆機，實現公司現有鉆機防碰系統本質安全化水平的整體提升。為實現該裝置的本質安全化，達到即使在操作失誤的情況下仍能保證安全施工的目的，最重要的工作就是通過防碰系統的功能設計，實現游車的速度控制，保證游車在上下限位間運行。該系統的機構主要由測量機構、數據采集、運算機構和執行機構組成，下面就該項目的重點內容進行介紹。

2.1測量機構

該游車防碰裝置的檢測機構主要由編碼器、壓力傳感器組成，主要用于實時測量游車的高度、速度和懸重。其中游車的懸重在指重表前端液壓管線通過壓力傳感器取得；另外，為保證游車高度的測量精度，對快繩輪軸進行改造，并在天車快繩輪處加裝編碼器支架，選用高質量的聯軸節以連接快繩輪軸和編碼器輸入軸，游車運行時，編碼器實時反饋快繩輪轉速，并通過運算機構計算出游車的高度和速度。由于井架類型、游車及其掛載組合方式不同（如掛載頂驅），在初始調試中都需要對這些涉及到的參數進行設置。

2.2數據傳輸和運算機構

數據采集機構的功能是接收編碼器和壓力傳感器的電子信號，通過模數轉化，最終將速度和壓力的數字信號傳遞給數據運算機構，即該防碰裝置的核心運算模塊。

如圖1所示，電源適配器外接220V交流電源，給各模塊提供低壓直流電流，數據采集模塊將數字信號傳遞給數據運算模塊，然后通過采集到的數據進行運算，實時對執行機構進行控制。

2.3執行機構

執行機構由并聯在液壓盤剎工作鉗控制線路上的電磁比例閥和其前端的信號放大器組成。為實現該執行機構的功能，需要在司鉆房內對剎把進行改造，如圖2所示，在剎車閥（工作鉗控制管線）并聯增加一路分支，該分支由電磁比例閥進行流量控制，兩路管線共有一路進油管線和一路出油管線。

2.4系統運行程序算法

為彌補司鉆操作失誤或者剎把失效，避免游車上頂天車，下砸井口，必須將游車速度和高度保持在可控的范圍內。

如圖3所示為游車速度控制的程序流程圖，進入操作系統后，需要對各個參數進行設置，其中包括盤剎最大制動力矩、繩系、摩擦系數、檢測點高度等。數據運算模塊通過游車的懸重數據和盤剎制動力矩計算出盤剎的最大制動加速度，之后可以計算出在垂直高度上各個監測點的游車允許最大運行速度vn，當游車運行速度v不大于vn 時，執行機構不動作；當游車運行速度v大于vn時，數據運算模塊將根據游車高度給定執行機構一定的數值，使盤剎輸出足夠的制動力矩，將游車運行速度v控制在安全的范圍內。

三、推廣應用前景

近年，隨著安全生產形勢日益嚴峻，作為高危行業的石油鉆井面臨著很大的壓力，野外施工，環境惡劣，工作強度大，員工技能水平普遍不高，設備老化、自動化水平不高等因素均影響著施工的安全運行，所以提高設備的本質安全化水平十分重要。該防碰系統根據勝利油區鉆井裝備特點和施工現場需求設計，能夠適用于幾乎所有的機械、半電動和直流電動鉆機，相比現有的防碰裝置，具有測量精度高、制動迅速、穩定性強、不受氣候影響的特點，更加適用于勝利油區鉆井現場使用，對于改善鉆機設備本質安全化有顯著的效果，具有良好的推廣前景。