鉆屑螺旋輸送機安全化改造方案設計

摘 要：鉆屑螺旋輸送機使用過程中頻頻出現木材、塑料、藥品包裝袋卷入輸送機絞籠的現象，造成設備損毀、電機燒壞;近幾年國內外鉆井市場還出現了多起鉆屑螺旋輸送機致人傷亡事故。鑒于此，結合該設備在鉆井施工現場實際情況，研究設計了一套鉆屑螺旋輸送機安全化改造的實施方案：通過對電氣控制線路進行優化改造，并對絞籠加裝蓋板、裝設限位開關、加置聲光報警器、配備急停按鈕等一系列措施，達到設備安全可靠運行的目的。經現場使用測試，改造后的鉆屑螺旋輸送機的經濟和社會效益良好，具有一定的推廣應用前景。

關鍵詞：鉆屑;螺旋輸送機;安全改造;聲光報警

中圖分類號：TE924? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）13-0035-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.010

0??? 引言

在鉆井行業傳統的生產施工活動中，隨著鉆進過程的不斷進行，鉆屑源源不斷地自井下被帶出地面，經振動篩分離出來后，使用水流將鉆屑經專用管道或水槽沖刷至大循環池。然而在極度缺水的中東沙漠地區，水資源的匱乏促使鉆井公司只能采用鉆屑螺旋輸送機來進行鉆屑的移運、輸送;國內鉆井市場隨著環保標準要求的提高，也在不斷推廣使用泥漿不落地系統。鉆屑螺旋輸送機因節水、環保、使用方便等諸多優勢得以不斷推廣普及，取得了良好的使用效果。在使用過程中，如何確保鉆屑螺旋輸送機的使用可靠性和延長裝置的使用壽命是一個重要課題。此外，隨著大面積的推廣使用，鉆屑螺旋輸送機造成了多起人身傷亡事故，暴露出許多安全問題和隱患。

因此，需要根據近幾年鉆屑螺旋輸送機的實際使用情況，結合鉆井行業的作業環境，了解現場工人的作業內容和工作習慣，總結、分析各項因素，對裝置進行必要的軟、硬件升級改造，以確保設備的本質安全，避免設備損壞、人身傷害事故的發生。

1??? 現場存在問題分析及安全改造基本思路

對鉆井現場鉆屑螺旋輸送機工作環境、實際使用過程中出現的設備故障和人員傷亡事故進行考察和分析發現，主要問題出現在以下幾個方面：（1）鉆井施工現場的木材、塑料、泥漿藥品包裝袋等雜物進入絞籠內，造成負荷增加、燒壞電機，同時因雜物難以取出，造成生產活動停滯;（2）裝置較長時間停用、絞籠內鉆屑未及時清理等原因，造成裝置啟動時電機堵轉;（3）因鉆井工藝、工況等原因，造成鉆屑返出量增加，絞籠內鉆屑過多，電機負荷超出額定承受能力;（4）現場作業人員在清洗、檢維修設備或靠近設備時，衣物、身體部位、手工具絞入，由此引發人身傷害事故;（5）設備維修時人員配合不當，造成人身傷害事故;（6）設備的電源開關與設備有一定距離，發現緊急情況，處置時間上會有一定延遲，造成問題惡化;（7）設備因跳閘等原因而故障停機，缺乏停機報警功能，導致發現不及時，造成環境污染。

經過對上述因素的逐一分析，查閱相關材料，結合現場情況和輸送機絞籠的結構特點，制訂出以下安全改造思路：（1）鉆屑螺旋輸送機的絞籠頂部配備頂蓋，起到隔離密封效果，以免現場雜物的進入以及人員衣物或手工具的絞入[1];（2）絞籠頂蓋做成半活動式，方便清潔和檢維修作業，同時設計開蓋自動停機保護功能;（3）分別在絞籠處和循環罐面的顯眼位置設置急停按鈕，實現緊急情況下的設備快速停機;（4）在絞籠處配備聲光報警裝置，并實現電機啟動前聲光預警，然后電機延遲一段時間再啟動;（5）通過合理設計電路和布線，實現故障停機報警功能。

2??? 安全改造方案的具體技術實施

2.1??? 硬件設施的改造和配備

（1）在鉆屑螺旋輸送機的絞籠槽體頂部加裝由鋼質隔柵做成的蓋板，蓋板寬度尺寸與絞籠槽體大致相同，蓋板可根據絞籠的長度平均分割成0.8～1.0 cm相等長度的小塊。加裝隔柵蓋板的目的是防止雜物進入絞籠，同時也可以通過隔柵看清楚絞籠內部的工作情況。

（2）每塊蓋板的相同一側通過合頁與絞籠的槽體連接，以方便打開蓋板進行檢維修。蓋板的另一側，也就是可活動的一側的上面同一方向焊接長10 cm、寬5 cm、厚0.5 cm的鐵板。該鐵板焊接時，保持鐵板的右邊一半焊接固定于右側隔柵蓋板上，左邊一半伸出，覆蓋在左側隔柵蓋板上。焊接此鐵板的目的是，實現各個蓋板的聯鎖，要想打開任何一個蓋板，都必須打開最右側的蓋板才可以，以便于在最右側蓋板設置鎖定裝置，實現落鎖功能，同時方便設計電氣控制線路時，實現開蓋停機保護功能。

（3）在絞籠蓋板最右側下方，安裝一個限位開關，調整好限位開關的安裝位置，確保打開和關閉蓋板可以觸發限位開關的觸頭狀態發生改變，以識別蓋板的開、關狀態。

（4）在絞籠右側顯眼位置焊接一個高度1.5 m左右的立柱，立柱頂部安裝一個聲光報警裝置。該裝置應確保聲音分貝數滿足現場需要，發光顏色最好為橙色，以滿足現場多水霧環境需要。

（5）在絞籠右側配備一個小配電盒，配電盒上配有一個緊急停止按鈕，以便就近及時關停鉆屑螺旋輸送機。同時，該配電盒的配備也便于限位開關和聲光報警裝置的布線。

（6）在循環罐面的合適位置配置一個小配電盒，配電盒上配有一個緊急停止按鈕，以便罐面上的工作人員可以就近及時關停鉆屑螺旋輸送機，實現遠程控制裝置的停止，起到緊急救援的作用。

2.2??? 鉆屑螺旋輸送機安全化改造后的控制流程及電氣控制線路設計

（1）鉆屑螺旋輸送機安全化改造后的控制流程如圖1所示。

當現場工作人員合上電源后，聲光報警器即時發出聲光報警信號，提示在現場作業環境內的相關人員鉆屑螺旋輸送機已經開始啟動，請立即停止相關作業，提高警惕、不要靠近。當現場設置的兩處急停按鈕均已釋放，絞籠蓋板已蓋好且限位開關已動作，此時按下啟動按鈕，時間繼電器得電，開始按照預先設置的時間進行倒計時（建議10 s）。當倒計時結束后，時間繼電器觸點動作，聲光報警器關閉，同時電機開始運轉，絞籠內鉆屑被正常輸送，整套裝置正常持續運轉。

當現場出現緊急情況需要緊急停機，設備運轉過程中蓋板被違章打開，電機負荷過大超出額定能力，現場工況需要設備正常停機、停止按鈕按下等幾種情況時，電機可以實現立即停機，同時聲光報警裝置發出聲光信號。聲光信號的發出可以讓現場人員及時掌握鉆屑螺旋輸送機的工作狀態，結合實際情況執行人員緊急救援、違章作業制止與糾正、設備故障造成非正常停機的發現與應對等相關狀態下的處置措施。

（2）鉆屑螺旋輸送機安全化改造后的電氣控制原理圖如圖2所示。該線路由主電路和控制電路兩部分組成，其中主電路由電源開關QF、熔斷器FU1、交流接觸器的3個主觸點、熱繼電器FR、主電機和聲光報警器組成，控制電路部分由熔斷器FU2、啟停按鈕開關、時間繼電器開關、急停按鈕、限位開關和接觸器KM線圈組成。

裝置的啟動過程：如圖2所示，三相斷路器QF為整套裝置的總電源，當合上斷路器QF接通電源后，由于聲光報警器用交流接觸器的常閉觸點接通，報警器在合上總電源后會立即發出聲光警示信號，提醒現場人員注意，鉆屑螺旋輸送機已經啟動，主電機即將開始運轉;但此時由于接觸器未動作，接觸器KM的3個主觸點處于斷開狀態，電源無法給電動機供電，此時電動機實際不會運轉。當現場兩個緊急停止按鈕處于釋放狀態，絞籠蓋板已蓋好，限位開關觸電閉合時，按下啟動按鈕啟動裝置，B、C兩相電壓依次通過熱繼電器常閉觸點、兩個急停按鈕、蓋板限位開關以及熔斷器FU2、停止按鈕常閉觸點加載到時間繼電器的兩端。由于啟動按鈕處并聯了時間繼電器KT的常開觸點，形成運行自鎖回路，此時即使松開啟動按鈕，時間繼電器KT仍然有電壓加載，并開始按照預先設置好的時間進行倒計時（建議10 s），當倒計時過程結束，時間繼電器的延遲閉合觸點就會閉合。此時B、C兩相電壓加載到交流接觸器KM線圈的兩端，有電流通過KM線圈，線圈產生的磁場吸引觸頭動作并保持吸合狀態。交流接觸器常閉觸點斷開，聲光報警器回路斷開，停止發出聲光報警信號;同時接觸器的3個主觸點閉合，三相交流電A、B、C通過FU1、KM主觸點和熱繼電器觸點給電動機供電，電動機開始運轉。由于控制回路的自鎖功能，KM主觸點持續閉合，電動機會保持持續運轉狀態。

裝置的停止過程：如圖2所示，當現場因工況需要進行停機時，按下停止按鈕開關，控制回路被切斷，B、C兩相的電壓無法加載到接觸器線圈上，線圈不再產生吸力，無法吸合觸頭，3個主觸點斷開，電動機停止運轉;同時，由于接觸器常閉觸點重新閉合，聲光報警器回路重新導通，將發出聲光警示信號。同理，當兩個急停按鈕的任何一個在緊急情況下被人為按下或者絞籠蓋板被人為違章打開、限位開關動作時，與人為操作主動停機原理相同，一旦接觸器觸頭松開，均可實現電動機停機、聲光報警器發出報警信號?，F場工作人員在確認現場無異常情況后，斷開主斷路器QF，整個輸送機控制系統進入正常關機狀態。

該電路還同時實現以下保護功能：一是電動機過流、過載保護功能。由于主電路中配備了熔斷器和熱繼電器，根據電動機額定功率合理設置保護參數后，可以實現對電動機的過流、過載保護，實現電動機的自動停機。二是欠電壓保護。當電源的相間電壓偏低時（一般在低于額定電壓的85%時），接觸器線圈吸合力下降。當吸合力小于彈簧彈力時，接觸器觸頭松開，主、輔觸點均會動作，實現電動機停機。三是失壓保護。當電源電壓突然消失時，設備被動停止;同時保證控制電路能夠在電壓消失瞬間切斷電動機的供電途徑。當電源恢復重新供電時，由于控制電路各觸點恢復初始狀態，線路不會自動為電動機供電，因此電動機也就不會自行啟動運轉，實現失壓保護功能[2]。以上三種保護功能，除了可保證電動機停機，也可以同時實現聲光報警功能，警示現場工作人員在第一時間結合設備的運行狀態進行分析處理，做出妥善的處置。

3??? 現場使用效果及展望

在科威特鉆井施工現場，按照此方案進行安全化改造后，經過一段時間的實際應用測試，鉆屑螺旋輸送機再也沒有造成一例人身傷害事故，安全性能得到大幅提升，獲得了甲方KOC公司監督的高度肯定和贊賞。使用過程中，未出現雜物卷入現象，設備的可靠性得以提高，使用壽命大大延長。啟動時聲光預警、電機延時啟動、故障停機聲光報警功能的設計，讓設備的本質安全化水平得到較大提升，有效避免了非正常停機導致的環境污染事件。該方案具有良好的經濟效益、安全環保效益，擁有廣闊的推廣應用前景。

[參考文獻]

[1] 董懷榮，李琴，郭振，等.鉆屑用螺旋輸送機設計[J].西部探礦工程，2014，26（5）：23-26.

[2] 蔡杏山.電氣工程師學習手冊[M].北京：化學工業出版社，2020.

收稿日期：2022-04-18

作者簡介：張鵬濤（1986—），男，山東棗莊人，工程師，研究方向：石油鉆井機械及電氣自動化。