石油鉆井絞車防碰系統類型與可靠性分析

鹿正波

摘要：本文簡要敘述了當前石油鉆井絞車所使用的防碰系統類型，對三種類型的鉆井絞車防碰系統進行可靠性分析，提出目前三種鉆機絞車防碰系統存在的問題，對今后鉆機防碰系統的研究和配備提出建設性意見。

關鍵詞：絞車 防碰類型 可靠性分析

石油鉆井絞車的防碰系統是石油鉆機配備的非常重要的安全設施，對鉆井施工作業設備、井下、人員安全發揮著重要作用。目前主要有重錘式防碰系統 、滾筒過卷閥式防碰系統、智能電子防碰系統三種防碰系統類型，三種防碰系統的主要功能和作用是為避免在鉆井施工中，由于人員操作不當等原因引起的游車超限上行，可使游車在提高到某個限定高度時報警或強制停止的裝置。為保障鉆井施工作業中安全生產，對石油鉆井絞車三種防碰系統可靠性分析非常必要，下面主要從對三種防碰系統類型的結構和原理進行可靠性分析。

一、重錘式防碰系統

1、結構和工作原理

重錘式防碰系統的結構比較簡單，主要有防碰限位鋼絲繩、絞車主氣路控制開關、重錘、剎把曲拐、剎車氣缸組成，主要應用于機械鉆機。防碰原理也比較直接有效，其原理為在距天車滑輪下6米左右（冬季調整為4米），通過井架橫向穿越一根直徑6.35毫米的鋼絲繩作為限位繩，一端固定在井架的一側，鋼絲繩由井架另一側引出至固定在井架一側的三通氣開關上手柄上，三通氣開關手柄頂端設置一個重錘，重錘上端設置一個掛環，下端的限位鋼絲繩與掛環用開口銷連接。當操作者司鉆操作失誤沒有及時摘開離合器開關，游車繼續上行觸碰到限位繩，這時，重錘與掛環處的開口銷脫落，控制絞車剎車的氣缸控制氣通過常開繼氣器切斷高、低速離合器氣源，同時高壓氣直接進入剎車氣缸緊急剎車，使游車停止運行。

2、可靠性分析

根據上述重錘式防碰系統的結構和原理，重錘式防碰系統主要是靠游動滑車上行過程中超過限位高度時，游動滑車觸碰限位鋼絲繩，將限位鋼絲繩下端的絞車主控制氣路氣開關上端的連接掛鉤拉開，再通過絞車主控制氣路氣開關下的重錘自由下落將絞車主氣路斷開，同時剎把上的曲拐氣缸進氣進行剎車。但是，首先絞車主氣路開關斷開以后，是通過絞車滾筒氣胎式離合器上的快速放氣閥放氣，氣胎離合器放氣有一定時間和過程，導致絞車滾筒上的氣胎離合器不能立即離合，游動滑車會通過絞車滾筒的慣性繼續運行一定的高度。二是剎把上的曲拐氣缸進氣也需要一定的時間和過程才能通過剎帶將滾筒抱住剎車，導致絞車滾筒不能立即抱住剎車，游動滑車會通過絞車滾筒的慣性繼續運行一定的高度。三是由于鋼絲繩具有一定彈性和安裝鋼絲繩時的緊度限制，導致游動滑車和滾筒運行時由于兩者的慣性也會使游動滑車繼續上升一定的高度才能將絞車主氣路控制開關斷開，通過氣控元件觸動電磁閥使液壓盤剎剎車時，氣控元件觸動電磁閥也有一定的觸動時間，導致液壓盤剎剎車動作時間放大。

二、滾筒過卷閥式防碰系統

1、結構和工作原理

過卷閥防碰系統的結構類似于重錘式防碰系統的結構，主要有觸動桿、絞車主氣路控制開關，主要應用于機械鉆機。防碰原理也類似于重錘式防碰系統，是通過設置在滾筒上方，橫梁下方的觸桿，它通過滾筒鋼絲繩大繩層數的多少觸碰大繩動作來強制滾筒的運行，由于滾筒內的大繩的排繩層數可反映游車提升的高度，滾筒內過多的排繩層數可觸碰觸桿，通過碰觸觸動桿斷開絞車主氣路開關，使氣胎離合器上的快速放氣閥放氣，達到限制游車高度的目的。

2、可靠性分析

由于過卷閥防碰系統的結構類似于重錘式防碰系統的結構，防碰原理也類似于重錘式防碰系統，同樣，首先絞車主氣路開關斷開以后，是通過絞車滾筒氣胎式離合器上的快速放氣閥放氣，氣胎離合器放氣有一定時間和過程，導致絞車滾筒上的氣胎離合器不能立即離合，游動滑車會通過絞車滾筒的慣性繼續運行一定的高度。一是剎把上的曲拐氣缸進氣也需要一定的時間和過程才能通過剎帶將滾筒抱住剎車，導致絞車滾筒不能立即抱住剎車，游動滑車會通過絞車滾筒的慣性繼續運行一定的高度，通過氣控元件觸動電磁閥使液壓盤剎剎車時，氣控元件觸動電磁閥也有一定的觸動時間，導致液壓盤剎剎車時間放大。二是由于過圈閥防碰系統存在每次更換大繩作業后需要從新調整位置。三是在特殊作業時（起放井架）需要拆卸限位桿才能繼續提升游車，有時由于操作不當使大繩不能排齊或大繩跳起，會提前觸碰限位桿。

三、智能電子防碰系統

1、結構和工作原理

智能電子天車防碰系統是由智能防碰儀、絞車傳感器、電磁閥、剎車氣缸或油缸、主滾筒剎車執行機構等組成。它是一個高性能的單片機系統，電子防碰的原理為在鉆機的絞車主軸端設置傳感器，通過傳感器記錄絞車主軸和滾筒的旋轉圈數來反映游動滑車上升高度的防碰系統。在絞車運轉過程中，智能電子防碰系統會通過傳感器自動檢測絞車滾筒的圈數，通過絞車滾筒上的圈數，反應游動滑車的高度位置，系統會發出聲光預警信號。同時系統會輸出控制信號，通過接收來自絞車傳感器的游車大鉤信號進行智能判斷，當大鉤高度大于限定的高度位置時，智能電子防碰系統立即產生報警并同時打開電磁閥，來控制氣缸或油缸，驅動主滾筒剎車執行機構，最后將絞車自動剎車。

2、可靠性分析

由于鉆井施工所面臨的自然條件相對比較惡劣，鉆機長期的震動、雨雪、風沙、嚴寒和酷熱等會影響相對精密的電子記圈數型防碰系統的傳感器、通訊電纜以及主機等性能，導致安裝在絞車主軸端上的傳感器記錄不準，影響接收來自絞車傳感器的游車大鉤信號，控制器不能準確發出控制剎車信號。但是，只要智能電子防碰系統信號接收原件與控制元件性能穩定，與滾筒過卷閥式防碰系統和重錘式防碰系統相比較，在絞車主氣路開關動作時間，氣控元件觸動電磁閥觸動時間同樣的情況下，智能電子防碰系統的可靠性要優于滾筒過卷閥式防碰系統和重錘式防碰系統，是目前比較理想和可靠的絞車防碰系統。

四、結論

通過對三種防碰系統的結構和工作原理的分析，從上述分析來看，可靠性最優的是智能電子防碰系統，可靠性次之的是滾筒過卷閥式防碰系統，可靠性最差的是滾筒過卷閥式防碰系統。實際生產過程中，可以以三種防碰系統組合的形式進行配置，形成三道屏障，來保障石油鉆井施工作業過程中安全生產。

參考文獻

[1] 牟春書等. 石油鉆井絞車防碰系統分析[J].山東工業技術，2016 第6期