DROPS在石油鉆機設計中的應用

楊 斌,李 敏,鄔 柯,盧國良

(1.四川宏華石油設備有限公司產品研究所，四川 廣漢 618300；2.成都紡織高等專科學校 機械工程學院，四川 成都 611731)

0 引言

當前，中國已由一個農業大國逐漸轉變為工業大國，石油是工業動脈，國家已將汽車產業作為支柱產業之一，加上傳統石油化工，以及與石油相關的生活日用品制造等行業，這些行業都是基于石油的應用。因此，石油在經濟發展中的重要性是顯而易見的。石油鉆機作為開發石油、天然氣的重要工具，在國內外一直具有一定的需求量。在國外鉆機需求主要是中東、俄羅斯、南美和北美等地區，需求集中在5 000 m和7 000 m鉆機；而在國內鉆機需求主要集中在新疆、四川、陜西、重慶、貴州等地區，尤其是在近兩年“十三五”期間國家加大了石油、天然氣的開發力度之后，需求主要集中在7 000 m和8 000 m超深井鉆機。石油行業作為一個國家經濟生活中重要的組成部分，和其他行業一樣，健康、安全、環保(HSE)一直是石油生產生活中一個不變的主題。而石油鉆機使用過程中，同樣要滿足HSE的要求，各鉆井公司也制定了專門的HSE文件，通常井隊也配有專門的安全監督，保證整個鉆井全過程合規安全地操作。

DROPS(Dropped Object Prevention Scheme)即落物防墜方案最早是針對海洋鉆機，而目前已經成為在中東地區作業鉆機設計最普遍的要求。提出DROPS是為考慮滿足石油鉆機HSE要求，防止石油鉆機部件高空墜落，以最大限度地保護人員的操作安全。本文提出陸地石油鉆機設計中引入DROPS的設計理念，保證鉆機在使用過程中操作安全，減少鉆井風險，降低鉆井安全事故的發生。

1 DROPS概述

DROPS針對鉆機落物防墜設計，并提出一整套的解決方案，目前已成為部分地區鉆機設計的強制要求。在把DROPS引入陸地石油鉆機設計時，首先要明確以下幾個概念[1-2]：

1.1 DROPS中關鍵術語定義

落物(Dropped Object)：指任何存在跌落，存在造成人員受傷、死亡或設備損壞、環境破壞的物體。

落物防墜方案(Dropped Object Prevention Scheme)：考慮滿足石油鉆機HSE要求，防止石油鉆機部件高空墜落，以最大限度地保護人員的操作安全方案。

一定高度(At height)：離地面6′(1.8 m)的高度。

一次防護(Primary securing)：在安裝設備過程中采用正確的連接或防護方式，如螺母、螺栓、螺釘、卡座、支架、螺旋扣或焊接。

二次防護(Secondary Retention)：為安裝在一定高度或一定區域內的設備存在發生墜落的潛在危險而設計的第二次防護功能，以保證一次防護失效時二次防護裝置起作用。

1.2 DROPS系統規范要求

(1)不規范、禁止的行為包括：①沒有合格證的提升設備；②用焊接圓鋼/鋼絲繩和緊固扎帶來代替開口銷或安全銷；③用兩件式卸扣來提升或懸掛設備；④受力螺栓采用雙螺母的方式；⑤在一定高度上對手動工具不采取保護措施，包括加油槍、水壺、收音機、傳感器、筆和電話等；⑥鋼絲鎖緊固定或綁在固定梁上；⑦沒按規定載荷來吊裝設備；⑧用腳手架作為永久性固定或安裝設備，包括采用無認證的腳手架來吊裝設備。

(2)推薦安全認可的行為包括：①供方和合作方共同執行DROPS的程序和要求；②按DROPS的要求對關鍵件進行設計；③發運到井場的所有材料和設備采用正確的包裝；④所有的材料和部件要滿足使用環境的要求；⑤在一定高度使用和安裝的所有設備需采用合適的圍柵，并且易于追溯并提供證書；⑥在一定高度使用和安裝的所有設備需采用合適的保護措施，以避免或消除絆腳或碰撞事故的發生；⑦所有的安全固定裝置要包括標記、制造商詳細信息，并清晰地標記有最大載荷或工作極限載荷；⑧供應商和合作方應該協同工作。

1.3 DROPS任務計劃和風險評估

DROPS任務計劃和風險評估按照但不局限于以下幾個方面：

(1)對井場設備提前檢查和使用后復檢，主要了解散件的使用年限，分析存在的隱患。

(2)在運輸和吊裝前進行載荷檢查和評估，包括證書、設備和散件。

(3)工作條件設備檢查，及操作人員資歷評估，同時考慮人員行為因素。

(4)理解落實每件任務，確認操作設備的件數和相關危險及協同人員的安排，操作人員要了解可能會發生物體墜落的情況。

(5)對潛在墜物風險進行識別和評估，找到正確的控制和處理措施，總體上對墜物風險進行識別和評估。

(6)識別落物傳遞的潛在通道。

(7)對服務合作方和/或臨時設備進行有效控制。

1.4 DROPS計算

DROPS計算提供了對潛在落物產生后果的一個通用的標準程序，包括：

(1)為了確定潛在的危險等級，在進行任務策劃和風險評估時采取的手段。

(2)為了確定實際落物發生的潛在危險，所采用的報告程序。

(3)在設計和制造過程中，在一定高度上考慮物體的位置、固定件和防護措施。

采用DROPS計算的因素包括：

(1)對于重量較輕的物體(例如<0.1 kg)，物體發生跌落、破壞可能性的關鍵影響因素。

(2)計算假設物體沒有尖角(例如玻璃尖角、金屬銳邊)，為鈍型物體。

(3)在計算過程中，假設操作人員穿戴了標準的PPE安全防護設備(例如安全帽、勞保鞋和護目鏡)。

(4)不降低單個物體的高度，即跌落到地面的距離。

(5)參考DROPS計算或相似的計算工具，給出的計算結果為事故發生的概率，而不是一個精確的預判結果。

2 DROPS在石油鉆機設計中的應用

目前，DROPS在石油鉆機設計中，主要是從考慮安全防護方式著手開展的。雖然設計時考慮了設備的工作極限載荷WLL(Working Limit Load)，同時考慮了設備采用螺栓螺母作為緊固件，以及采用卡箍、支架或螺旋扣等作為一次防護措施，但是基于DROPS要求，必須還要考慮二次防護措施。二次防護也是DROPS要求中的核心內容。

2.1 螺栓連接二次防護設計

選用正確的螺栓連接方式，設計時考慮強度計算、材料選擇、預緊力選擇和環境因素。

(1)按照DROPS的要求，雙螺母的防松方式是不建議采用的，需采用開槽螺母加開口銷的防松方式。

(2)受拉連接二次防護必須是可靠的，如圖1所示。

圖1 受拉連接二次防護措施

(3)設計需采用可靠的螺栓連接二次防護，如圖2所示。

圖2 其他螺栓連接二次防護

(4)對于配套頭部開孔螺栓連接，例如管卡螺栓、軸端蓋板螺栓等，需采用帶鎖緊鐵絲的二次防護，如圖3所示。在采用鎖緊鐵絲時需注意：一根鎖緊鐵絲最多使用在3個螺栓連接位置；螺栓距離不能超過150 mm；在腐蝕環境下使用不銹鋼鐵絲。

圖3 鎖緊鐵絲正確的纏繞方式

2.2 銷軸連接二次防護設計

按照DROPS要求，對于銷軸連接的防松設計，以下4種二次防護是不能使用的，如圖4所示。

圖4 銷軸連接不能使用的二次防護

針對石油鉆機銷軸連接可以采用如圖5所示的二次防護措施。

圖5 銷軸連接采用的二次防護

2.3 懸重滑輪二次防護設計

懸重滑輪包括天車井架上面的提升絞車滑輪、載人絞車滑輪、吊鉗滑輪和拖拽裝置滑輪等，均需采用二次防護保護措施。通常采用卸扣+安全鋼絲繩的二次防護措施。

2.4 電氣設備二次防護設計

電氣設備二次防護主要是采用安全鋼絲繩和安全防護網兩種措施。針對鉆機燈具、投光燈、避雷針、井架上分線盒等采用增加安全繩的防護措施；而針對井架上攝像頭、天車航空燈、揚聲器等則需采用安全網的防護措施，如圖6所示。

圖6 揚聲器的二次防護

2.5 繩夾的選擇和使用

在石油鉆機設計中，繩卡廣泛使用于無壓制鋼絲繩或單頭壓制鋼絲繩的場合，例如手動大鉗吊繩、鉆桿動力鉗吊繩等。

按照DROPS要求推薦用鐵夾式繩夾(如圖7(a)所示)，不推薦使用常規的U型螺栓繩夾(如圖7(b)所示)。另外，繩夾的使用必須滿足API RP 9B的使用要求[3]，如圖8所示。

圖7 繩夾的正確選擇

圖8 繩夾的正確使用

2.6 吊裝工具的選擇和使用

卸扣和鋼絲繩、鏈條和其他索具組合用于吊裝和懸掛設備。對于卸扣選擇主要注意以下兩點：

(1)推薦采用四件式的卸扣。

(2)卸扣避免斜向受力。

石油鉆機索具鋼絲繩的選用主要考慮：強度、抗疲勞能力和抗磨損能力三個方面。在惡劣和腐蝕環境中，考慮采用鍍鋅鋼絲繩；在每次使用之前，對所用鋼絲繩進行目視檢查，對于鋼絲繩達到標準(參考API RP 9B)要求需更換時應及時進行更換；鋼絲繩繩頭要有清晰的WLL標記。

合格的吊帶作為吊裝工具也是允許使用的。

2.7 其他構件二次防護設計

針對其他構件，例如二層臺猴臺、二層臺指梁、死繩扶繩器、手動大鉗配重塊等，可根據用戶要求增加安全鋼絲繩來作為二次防護措施。而對于管道接頭包括水龍帶接頭、高壓減震膠管接頭、氣路膠管接頭、液路膠管接頭等，通常采用的是安全鋼絲繩的二次防護措施。

3 結論

隨著石油工業的快速發展，健康、安全、環保已深入到整個石油工業中。DROPS針對石油鉆機落物防墜設計提出了很好的解決方案，并且已被業界認可，尤其是成為了在中東地區作業鉆機設計的基本要求。所以作為石油鉆機的設計者，我們必須深刻理解和認識到落物防墜的重要性和必要性，在石油鉆機設計中引入DROPS的概念，使之成為石油鉆機設計中的一個標配，只有這樣設計出來的鉆機才能在高端市場更具競爭力。