防噴器自動翻轉系統開發與應用

蘇 磊

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司，黑龍江大慶163411）

防噴器是井控裝置的關鍵部分，用于在鉆井、修井、試油等作業中控制井口壓力，能夠有效防止井噴事故的發生，實現安全施工。但由于防噴器的品種、規格較多，整機重量不等，體積龐大，外形復雜，在維修或清洗時需要進行0°～180°的人工翻轉，以便完成檢修項目，另外在長途運輸時，由于防噴器底部尺寸小，上部尺寸大，直立運輸不平穩，為了方便運輸，也需要將防噴器翻轉90°，增大與車廂接觸面積，降低重心，保證行車安全。防噴器品種、規格較多，體積龐大，整機重量從1000～13000kg不等、長寬高及外形結構有較大差別，由于沒有專用工具翻轉，為了檢修防噴器的底部，只有2種方法：①使用吊車吊起檢查。②在木方平臺翻倒防噴器。使用吊車將防噴器吊起檢查時，員工需要站在吊起重物的下面檢查，嚴重違反了安全規定，方法不可取。使用吊車與維修工人配合在廠房內的木方平臺上進行防噴器翻轉，翻轉到最后吊車無法控制防噴器，防噴器頂部會突然倒向地面，人員如果防護不及時，會造成人身傷害。另外，防噴器的棱角會夾扁鋼絲繩，吊起時鋼絲繩可能突然斷裂，存在較大的安全隱患。同時對防噴器連接密封部位損傷很大，費時、費力，安全及可靠性均不高并且影響維修質量。針對這種情況，設計了防噴器自動翻轉系統，使用該系統對防噴器進行翻轉時，施工作業簡單，速度快，效率高，并且大大降低了安全風險。

1 翻轉系統的研制

1.1 翻轉工藝設計的研究

（1）翻轉角度應滿足180°的要求，采用2次90°翻轉的方式，2次翻轉之間使用平板車運輸。

（2）根據大慶油田主流防噴器的外形與重量設計翻轉機身。該裝置的設計尺寸及承載能力應滿足大慶油田現有主流防噴器的外形尺寸和重量要求。防噴器的外形尺寸及重量見表1。

同時要考慮以下4方面的因素：

①液壓缸的行程應滿足翻轉的需要。

②防噴器四通的寬度不影響翻轉時的平穩。

③應減輕90°翻轉時產生的沖擊。

④防噴器的外形與重量。

經過研究確定外形尺寸為8976×1500×3430。承載能力為25t。機架主體為普通碳鋼Q235板材焊接成型，整體結構采用閉框式設計，兩端設計了緩沖彈簧，減少沖擊力，經計算完全滿足強度與剛度要求。為了實現180°的翻轉，采用二次組合翻轉的形式，2次翻轉之間使用移動平板車運載，液壓驅動。

1.2 翻轉裝置的研制

1.2.1 翻轉機械部分的研制

（1）翻轉機構的設計。由左右兩側的雙油缸對防噴器進行翻轉，左右2個單作用油缸和翻轉機構組成活動的一體，巧妙地形成了一個雙作用油缸，在液壓控制上在2個油缸的進油段加上了平衡閥，使得在翻轉過程非常平滑、穩定。設計時油缸采用了三節油缸，特點是體積小形成長，由于在翻轉過程中，對左面的油缸的作用力是由大到小，對右面的油缸的作用力是由小到大，對于多極油缸具有上述的特點，有較高的經濟性和實用性。

表1 常規防噴器外形尺寸

（2）液壓缸的研制。在活塞桿的強度計算時，以液壓缸的活塞桿端部和缸筒后端蓋均為耳環鉸接式安裝方式作為基本情況考慮。經過計算，21MPa的系統油壓可以生成25t的推力，能夠滿足最重的2FZ35-70翻轉所需要的推力。移動小車液壓推動桿能夠生成10t的推力。由此可確定額定推力下的液缸內徑。

液缸壁厚應滿足強度的要求：

式中：D——缸筒內徑;

Pmax——最高允許壓力；

[σ]——缸筒材料的許用應力

σs——缸筒材料的屈服強度；n——安全系數，通常取3.5～5。

經過計算：額定工作壓力21MPa下根據計算選擇液壓缸殼體的厚度。

第一級：缸徑：210mm，桿徑：280mm，行程509mm；

第二級：缸徑：125mm，桿徑：150mm，行程515mm；

第三級：缸徑：80mm，桿徑：100mm，行程526mm。

（3）翻轉軸承的強度分析：

按當量彎矩計算軸強度：

實心軸計算公式：

式中：σ-1——彎曲應力，MPa；

d——軸計算截面上的直徑，mm；

M——軸計算截面上的合成彎矩，N·mm；

T——軸計算截面上的轉矩，N·mm；

α——系數。

材料選取45#鋼調制處理，單根軸承載能力設定為50t。45#鋼調制力學性能如表2所示。

經計算單件軸承直徑d=60mm。

表2 45#鋼調制力學性能

1.2.2 液壓控制部分的研制

（1）液壓部分的設計：裝置在翻轉過程中，隨著防噴器的翻轉，重心點會隨之變動，故系統中增加平衡閥，確保兩側油缸在翻轉過程中的動態平衡，達到整個翻轉過程安全、平穩；在翻轉的初期，油缸的作用力最大，隨著行程的增加，油缸的力逐漸變小，翻轉到45°時力最小，當超過45°時，右面的油缸開始受力，由于安裝了平衡閥，防止了當右面油缸受力后會快速下降，右面油缸的下降速度是根據左油缸的油壓來決定，整個翻轉過程是一種動態中的平衡，無論是上升還是下降的速度，都是根據液壓泵給油的多少，來決定防噴器的翻轉速度。對于大噸位設備的翻轉起到了一個比較安全可靠的工作基礎。本裝置液壓泵站是采用齒輪泵組作為動力源，通過操作手柄的開合角度來調節比例調壓閥控制流量,達到調節旋轉速度。

相應計算簡化式：

式中：V——柱塞泵每轉的排量；

A——有效面積；

H——行程。

式中：Q——流量；

n——轉速。

式中：M——平均扭矩；

Δp——有效壓力。

式中：phydr——液壓功率。

式中：pdrive——驅動功率。

式中：pout——液壓馬達輸出功率。

（2）PLC流程安全設計：位移完成后，必須將位移油缸縮回，否則將對二次翻轉造成影響；當防噴器完全位移至2#翻轉臺，且位移油缸全部縮回后，方可進入下部操作，PLC流程如圖1所示。

（3）液壓部分組成：液壓站主要由電控箱、保護框架、電機、壓力表、電磁閥、溢流閥、油箱、輸出端口組成。

2 關鍵技術與創新

2.1 關鍵技術

（1）雙向同步液壓缸的研究。由左右兩側的雙油缸對防噴器進行翻轉，左右2個單作用油缸和翻轉機構組成活動的一體，巧妙的形成了一個雙作用油缸。

圖1 PLC流程圖

（2）PLC安全程序設計，杜絕人為誤操作的發生。

2.2 創新

（1）首次研究出0°～180°翻轉的防噴器專用翻轉設備。

（2）雙向同步液壓缸確保翻轉過程平穩安全、減小翻轉沖擊力，同時具備調速功能，操作人性化。

（3）自動水平移動系統同時具備液壓驅動、PLC安全程序保護功能，并設計有運載平板車防脫落功能，確保運載車90°直立時，不從導軌上掉落。

3 現場應用情況

已在井控裝備管理中心使用一年，維修翻轉防噴器300臺次，每臺防噴器在維修過程中要經歷2次180°的翻轉過程,運行平穩，安全可靠。

4 結束語

翻轉裝置的應用，一方面能及時排除防噴器檢修過程中存在的安全隱患，降低惡性事故的發生，確保防噴器生產的安全運行，取得重大的社會效益；另一方面，該項目的研發思路處于國內同行業的領先水平，市場前景大，為企業帶來顯著的經濟效益。