錘擊由壬扳手結構研究進展

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(1.國家油氣鉆井裝備工程技術中心，陜西 寶雞 721002；2.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002； 3.西南石油大學 機電工程學院，成都 610500)

錘擊由壬是一種常用的管道連接部件，因其具有安裝拆卸方便、維護簡單的特點，目前已經廣泛用于石油鉆井、固井、壓裂酸化等作業設備中。在鉆井現場，立管管匯、泥漿系統、高壓管線、節流管匯等都有錘擊由壬的使用[1]。近年來，隨著致密油、頁巖氣等非常規油氣藏的規模開發，壓裂技術得到廣泛推廣，壓裂井口、壓裂頭與壓裂管匯的連接亦使用了大量的錘擊由壬。

在現場作業過程中，由壬接頭的安裝和拆卸作業基本依靠人工錘擊。首先通過人力將翼形螺母擰緊，再使用大錘對翼形螺母外緣的3個凸耳敲擊進行緊固。這種作業方式的勞動強度大，且存在物體打擊等安全風險，容易造成作業人員人身傷害[2]。長期對翼形螺母的錘擊還會使翼形螺母凸耳發生嚴重變形，如圖1所示。錘擊還會加劇翼形螺母產生裂紋。這些因素會大幅降低由壬接頭的使用壽命。Halliburton公司發明了一種無需切割管路即可更換的翼形螺母[3]，但是這并沒有從根本上解決螺母的使用壽命問題。

圖1 錘擊由壬凸耳變形情況

鑒于現場作業存在的問題，人們開始思考如何更安全、高效地完成由壬安裝、拆卸這項工作。于是，各種工作方式不同，能夠有效提升由壬安裝效率及安全性的由壬扳手應運而生。本文通過介紹國內外由壬扳手的發展現狀，分析典型產品的結構和工作原理，為國內相關企業進行由壬扳手的研制提供參考。

1 國外發展現狀

1.1 美國Torq/Lite公司的HU TOOL液壓由壬扳手

美國Torq/Lite公司是世界著名的液壓工具制造商，其研制出的HU TOOL液壓由壬扳手[4-5]結構如圖2所示，由標準的液壓扭矩扳手泵提供動力，適用的管路直徑為44.45～165.10 mm(1～6英寸)。

1—杠桿；2—支點銷軸；3—彈簧；4—連桿；5—鎖銷；6—顎鉗Ⅰ；7—銷軸；8—顎鉗Ⅱ；9—壓頭；10—扳手柄；11—液缸。

HU TOOL液壓由壬扳手配套有可更換的扳手頭，以適應不同規格錘擊由壬的安裝和拆卸作業。液壓由壬扳手的使用方法為：

1) 打開鎖銷，使顎鉗Ⅰ張開。

2) 將扳手放到由壬接頭的管路上，壓頭抵住翼形螺母的一個凸耳，顎鉗Ⅱ與管路貼合，關閉顎鉗Ⅰ。

3) 將鎖銷扳回，顎鉗Ⅰ與顎鉗Ⅱ將管路卡入，彈簧提供一個初始張緊力。

4) 進行操作，使液缸的活塞桿伸出，一方面，活塞桿的伸出使杠桿繞支點銷軸旋轉，隨著杠桿的旋轉，通過銷軸與杠桿下端相連的連桿給鎖銷提供一個拉力，從而使得顎鉗Ⅰ與顎鉗Ⅱ頂部的間隙減小，顎鉗Ⅰ與顎鉗Ⅱ將管路逐漸抱緊，防止發生相對轉動。另一方面，活塞桿的伸出必然使得扳手柄相對液缸產生轉動，而扳手柄的前端輪廓及T形槽與顎鉗Ⅱ頂部外輪廓及T形軌道配合，從而限制扳手柄按照預先設計好的輪廓進行滑動，連接在扳手柄上的壓頭跟隨扳手柄一起運動，從而壓動凸耳并帶動翼形螺母轉動。

5) 進行操作，使活塞桿縮回，此時壓頭和凸耳保持相對靜止，而連桿通過杠桿的作用帶動鎖銷放松，進而使顎鉗Ⅰ與顎鉗Ⅱ抱緊的管路松開，顎鉗Ⅱ沿扳手柄配合面滑動轉動一個角度，相當于完成了棘輪扳手的回程，如此往復操作，從而完成翼形螺母的安裝和拆卸。

1.2 美國WEIRSPM公司的Safety Hammer氣動由壬錘

美國Weir SPM公司作為全球油田作業泵及流體控制設備的佼佼者，其生產的Safety Hammer氣動由壬錘[6]如圖3所示，采用壓縮空氣作為動力源，推薦壓縮空氣的最低壓力為0.62 MPa(90 psi)。

1—開關；2—鵝頸；3—空氣錘；4—適配器；5—凸耳卡口；6—錘頭；7—手柄。

Safety Hammer氣動由壬錘配套有不同型號的適配器，以適應不同規格錘擊由壬的安裝和拆卸作業。使用方法為：

1) 將空氣錘和適配器組裝成一體，并用擋圈固定，接好壓縮空氣管線。

2) 將適配器上的凸耳卡口卡住翼形螺母其中一個凸耳，一手按住手柄，另一只手握住鵝頸部位。

3) 按下開關，錘頭在空氣錘的作用下不斷捶打翼形螺母的凸耳，從而完成由壬的安裝和拆卸作業。

空氣錘的規格是通過對比人工使用2.72 kg(6磅)大錘錘擊由壬測試結果進行優選的，保證氣動由壬錘可以滿足現場作業要求[2]。錘頭是Safety Hammer氣動由壬錘的易損件，錘頭損壞后需要及時進行更換。

1.3 加拿大HUWE公司的HUWE由壬扳手

總部位于加拿大卡爾加里的HUWE公司在石油和天然氣鉆井、完井服務及定制設備的設計和制造方面積累了豐富的經驗。該公司制造的HUWE扳手[7-8]已經獲得了近20個國家的專利授權。HUWE系列由壬扳手的結構如圖4所示。

1—加長手柄；2—安全鏈；3—鎖銷；4—扳手頭；5—凸耳卡口；6—凸耳卡槽。

HUWE系列由壬扳手是1種手動由壬扳手，它的結構非常簡單，主要包括1個扳手頭和1個加長手柄。扳手頭是鑄鋼整體式結構，經特殊熱處理而制成。使用方法為：

1) 將扳手頭的凸耳卡口完全卡住翼形螺母的1個凸耳，凸耳卡槽3面卡住另1個凸耳。

2) 將加長手柄裝入整體式扳手頭的柄部，插入鎖銷，防止加長手柄和扳手頭滑脫，即可進行由壬的安裝和拆卸作業。

HUWE系列由壬扳手目前有12種整體式扳手頭，適應的由壬尺寸為50.8～152.4 mm(2～6 英寸)，如表1所示。同時有609.6 mm(24 英寸)、914.4 mm(36英寸)、1 066.8 mm(42英寸)、1 168.4 mm(46英寸) 4種加長手柄供用戶選擇。目前，HUWE系列由壬扳手在國外某些公司已經得到了規模化應用。

表1 HUWE系列扳手頭適用由壬規格型號

1.4 美國Concentric公司的SSWS安全手動大鉗

美國Concentric Pipe and Tool Rentals作為一家能源服務公司，是常規井和水平井完井的主要租賃服務提供商。Concentric公司的SSWS[9](Superior Safety Wrench System)超級安全手動大鉗結構如圖5所示。

1—伸縮手柄；2—安全銷；3—錘座；4—鉗頭。

SSWS超級安全手動大鉗的鉗頭頂端留有略大于適用管匯外徑的開口，鉗頭內圈加工有多個凹槽，使用方法為：

1) 將鉗頭開口套入管路，然后將翼形螺母的3個凸耳卡在凹槽內。

2) 人工操作手柄進行翼形螺母的安裝和拆卸作業。

鉗頭與手柄連接部位安裝有方便拆卸、更換的錘座。大鉗手柄是可伸縮加長結構，可以在設定位置通過安全銷鎖住。伸縮手柄的尾端加工有一個錘頭，當需要進行錘擊時，可將伸縮手柄直接從固定手柄中抽出，然后對錘座進行錘擊。

SSWS的鉗頭部分是鋁制的，大幅降低了大鉗的整體質量，方便現場作業人員隨身攜帶，尤其適合需要進行上下攀爬作業的場合，可以有效降低人員勞動強度，提高作業的安全性。此外，Concentric公司正在研發SSWS的氣動版本。

1.5 加拿大NELSEN TECHNOLOG IESINC公司的由壬扳手

加拿大NTI(NELSEN TECHNOLOG IESINCNELSEN)公司可以為客戶提供鉆機高壓管匯服務，其制造的由壬扳手[10]如圖6所示。

圖6 NTI公司的由壬扳手

NTI公司的由壬扳手在使用使用方法為：

1) 將扳手頭部通過預留開口從由壬一端的管路中套入，使扳手頭部均勻布置的凹槽卡住翼形螺母的3個凸耳。

2) 將手柄插入扳手頭部預留孔中，上好安全銷。

3) 人工進行翼形螺母的安裝和拆卸作業。也可以將錘座直接插入扳手頭部預留孔中，上好安全銷后使用錘擊方式進行由壬的安裝和拆卸作業，這種錘擊方式使得翼形螺母3個凸耳同時承載，有效地保護了翼形螺母，提高其使用壽命。

1.6 美國Mountain Valley Supply公司的由壬扳手

Mountain Valley Supply公司的由壬扳手[11]如圖7所示。在使用過程中靠2個側板之間焊接的卡板卡住翼形螺母的凸耳，通過人力操作完成由壬的的安裝和拆卸作業。此產品與其他手動由壬扳手不同的一點在于扳手的上端面開有1個和適配管路配合的弧形槽。此弧形槽具有輔助舉升管路的功能，當現場進行由壬連接時，為保證凹、凸接頭更好對準，經常需要調整管路，此時可將管路置入扳手弧形槽內，然后靠杠桿作用將管路支起進行調整，同時用另一把由壬扳手將翼形螺母上緊。

圖7 Mountain Valley Supply公司的由壬扳手

2 國內發展現狀

目前，我國的由壬扳手研制依然處于起步階段，現有產品主要是某些鉆探公司為解決現場問題而制造的一些簡易工具，并未對其產生足夠的重視。關于由壬扳手專利仍然較少。

1) 長城鉆探公司。針對壓裂作業過程中高壓管匯翼形螺母的安裝和拆卸作業，自制了由壬扳手[12]，如圖8所示。該扳手是在現場實踐中不斷總結、改進的基礎上研制出來的。現場使用案例證明了在高壓作業情況下能夠滿足使用要求，具有一定的推廣價值。

圖8 長城鉆探公司由壬扳手

2) 勝利油田分公司采油工藝研究院。針對錘擊由壬使用過程中存在的問題，研制了由壬鉗，分別在修井現場管線快速連接、水泥車高壓管線快速連接及注汽管線快速連接等展開了現場試驗。該由壬鉗可實現錘擊由壬的快速連接，能夠滿足現場使用的需要[13]。

3) 寶雞石油機械有限責任公司。對國內外相關技術進行了跟蹤和研究，目前已經完成手動由壬扳手的制造，即將投入現場驗證使用效果。

4) 其他。周軼青等人了提出一種錘擊由壬動力拆卸和安裝工具[14]。郭俊平等人提出了一種石油鉆井用由壬扳手[15]。但是，均未見有產品投入現場應用。

3 技術現狀分析

國外已經研發出多款由壬扳手，且均獲得知識產權，產品均已經投入現場應用，并在不斷完善產品系列。通過對國外由壬扳手進行分析研究可以看出，國外產品針對由壬扳手的材料、設計、制造等過程都進行了大量的基礎研究，測試和使用效果同樣有數據作為支撐。

1) HU TOOL液壓由壬扳手結構較其它產品復雜，設計過程中首先進行運動規律研究，然后進行機構選型，還要結合運動學優選參數，最后通過動力學分析進行參數優化后方可投產樣機。HU TOOL液壓由壬扳手體現了Torq/Lite公司在此類工具制造領域的技術積累。

2) HUWE系列由壬扳手雖然外觀結構簡單，但在細節方面，整體式由壬扳手在凸耳固定部分和連桿部分的過渡形狀，甚至是連桿的角度、凸耳卡口的角度都具有一個最優值。整體式扳手頭的制造通過鑄造成型加熱處理工藝保證了由壬扳手具有足夠的強度和使用壽命。

3) SSWS由壬扳手的鉗頭使用了鋁材，具有更輕便的特點。伸縮手柄可以安裝各種不同規格的鉗頭，在作業完成后可以將由壬鉗拆卸，然后裝入標準便攜手提箱內，如圖9所示。

國外產品的諸多細節表明國外公司對由壬扳手的重視提高到了專業工具的高度。

圖9 SSWS由壬扳手的便攜箱

目前，我國由壬扳手設計和制造水平跟國外存在著較大差距。首先，我國的由壬扳手結構基本都是手動類型，結構簡單。在設計階段雖然也有不斷改進的過程，但是少有深入的分析研究。在制造方面，由壬扳手的生產方式依然停留在現場臨時制造階段，與材料、生產及熱處理工藝等方面結合較少。這些因素制約了我國由壬扳手的發展及推廣。

我國正處于從制造業大國往制造業強國轉變的關鍵時期。國內的石油裝備制造廠商、能源服務商、專業工具制造廠商可以結合自身優勢，針對不同的現場作業條件，綜合人員、材料、工藝等生產要素，推出具有自主知識產權的產品，并盡早實現相關產品的標準化、系列化，有效提高現場作業效率及作業過程的安全性。

4 結論

1) 國外由壬扳手的研制已趨于成熟，形式各異的產品紛紛應用于作業現場。國內對于由壬扳手研究較少，產品樣式單一，暫無系列化應用案例。

2) 目前作業現場在用的由壬扳手主要有液動、氣動、手動3種類型。在人員勞動強度方面，液動及氣動工具相比手動工具更具優勢，但是作業時需配置動力源和管線，易受作業現場條件制約。

3) 隨著現場錘擊由壬安裝和拆卸作業對安全性及效率要求不斷提高，自動化及輕量化是錘擊由壬扳手的主要發展趨勢。未來將會有更多操作便捷、適應性強、性能穩定的由壬扳手投入現場應用。