大直徑井電磁打撈器升降裝備研制及性能測試

郭 亮

中煤科工集團西安研究院有限公司 陜西西安 710077

近年以來，以煤礦為主的各類大直徑工程井的需求逐漸增多，該類特殊井型可實現救援逃生、物料供給、纜線輸送、通風排水、瓦斯強排等功能[1-2]，但在施工裝備及鉆井工藝上與常規油氣井不盡相同，普遍存在鉆進速度慢、施工周期長、廢井風險高等特點[3-5]。由于其鉆頭過大且結構復雜，在施工過程中常發生鉆頭掉件、井口意外墜入金屬物等事故，如未及時發現落物并開展打撈作業，還會造成鉆頭損壞、二次落物、卡鉆等不良后果。然而，大直徑工程井業內尚無專用、成熟的打撈產品，如遇金屬落物事故，井隊不得不使用石油鉆井行業內的專用打撈設備或現場加工工具[6]，作業效果難盡人意。為此開發的大直徑井專用電磁打撈器對鐵基金屬落物捕獲能力極強[7]，但國內鮮有將大型用電設備下入深井施展無人作業的案例。鑒于此，為實現大直徑井電磁打撈器的安全升降、操作便捷，進一步研制了專用升降裝備，與其共同構建成一套完整的大直徑井電磁打撈系統，開展了相關性能試驗并設計了與之配套的打撈工藝。

1 電磁打撈器

電磁打撈器主要由電磁模塊、降阻導流模塊、可拆卸式滑輪模塊、防水接電模塊、提吊模塊構成。ZMKEFS-520D 型電磁打撈器結構如圖 1 所示。該電磁打撈器工作電壓為 220 V，額定電流為 11.2 A，空載質量為 360 kg。

圖1 ZMKEFS-520D 型電磁打撈器結構Fig.1 Structure of ZMKEFS-520D electromagnetic fishing device

電磁模塊是電磁打撈器的核心部件，其內以 2.36 mm×5.00 mm SBELB 雙玻璃絲包扁鋁線作為電磁線圈密繞鐵芯，其特殊的扁平結構有利于充分利用電磁模塊內部空間，增加纏繞匝數，匝數越多，形成的磁場越強。纏繞總匝數為 1 930 圈，總長度達 1 928 m，通電后螺線管內將形成磁場，內插鐵芯受磁場作用后磁化，共同在裝置下方產生復合強磁場，從而實現對鐵質金屬落物的磁吸捕獲。經試驗，ZMKEFS-520D型電磁打撈器可吸附鐵基金屬的最大質量可達 624 kg，磁吸響應的最大直接距離為 308 mm、間接距離為 850 mm，全面積被吸附鐵基金屬的最大抗拉脫離強度為 58.5 kN。

ZMKEFS-520D 型電磁打撈器雖性能良好，但在其潛入井底實施打撈作業時，地面輔助升降裝備需同時承擔對其輸送電力及負載。輔助升降裝備的性能，成為制約電磁打撈器性能發揮的關鍵因素。

2 專用升降裝備的研制

2.1 設計思路

為選取適宜的升降工藝作為研究方向，對以下潛在方案進行了對比分析：①鉆桿連接，牢固、起下速度穩定，但配合供電存在較大難度，供電線纜容易被鉆桿擠壓破壞，而額外開發輸電鉆桿成本過高，不易實現；② 法蘭桿柱連接，可用于大直徑井內排水泵下入，優點為成本低，連接穩定，缺點在于施工過程全部由人工操作，流程繁復，安全隱患較大，下放效率低，與打撈搶險的緊迫性相悖；③雙線纜雙卷揚模式，電磁打撈器起下迅速，但電纜與鋼絲繩受力后的伸縮比例存在差異，2 臺卷揚機輸送速度精準匹配難度較大，且雙纜交叉、纏繞風險高，電纜易被絞斷，安全性較差；④ 依靠單線纜配套卷揚機。該方案具備起下速度快、操作靈活便捷、安全、成本低等優點，但市場上現有的承荷探測電纜自身性能較弱，難以滿足電磁打撈器大載荷、強直流供電的需求。

綜上所述，基于大直徑井工況的特殊性及其自身裝置特點，借鑒承荷探測電纜的工作模式，最適合大直徑井電磁打撈器的升降方案是獨立開發一款既可承重、又可直流輸電的特種專用線纜，同時需研制一套與專用線纜相適配的升降機，實現電纜收納與輸送的安全。

2.2 專用線纜的研制

大直徑井工況復雜，任何線纜都會與井壁產生接觸、摩擦，且鉆井液殘留物為堿性，會對普通線纜的橡膠等物質產生腐蝕。因此，專用線纜在實現電磁打撈器載荷、供電主要功能的同時，還需要具備防水、耐壓、耐磨、抗腐蝕等性能。

為保護供電安全、穩定，電纜導體按 2 組 4 芯設置在線纜內部，每芯截面積為 3.5 mm2，滿足電磁打撈器直流電用電需求的同時，其截面結構更加對稱。專用線纜截面示意如圖 2 所示，電纜由絕緣護套包裹，間隙由 PE 線材及特殊膠質填充，用于結構支撐，通過涂覆涂敷聚氨酯，護套實現高強度的防水、耐壓、耐磨功能，外層護套對內部導體進行約束以集中保護，纜芯外圍由直徑為 1.32 mm 的鋼絲正反雙層絞合，特殊的絞合方式使其具有抗自轉能力，避免扭斷，提升了安全性，使用 1 770 MPa 級熱鍍鋅處理可提升防銹、抗腐能力。

圖2 專用線纜橫截面示意Fig.2 Sectional sketch of special cable

由于電磁打撈器自身質量極大，如脫離連接墜入井底，會造成廢井，風險極高。因此，專用線纜靠近井下的一端由鋼絲繩網套連接在電磁打撈器頂端的承重銷釘上，專用線纜末端剝離出的電纜纜芯接入電磁打撈器防水線盒，再由絕緣樹脂及防水膠密封，實現供電；剝離剩余的鋼絲繩股作為安全繩連接在電磁打撈器頂端的安全銷釘上；靠近地面的一端，專用線纜經卷筒收容后接入提升機電控系統整流器，形成供電回路。

經試驗驗證，研制的專用線纜在保持電力輸送的情況下，極限抗拉強度可達 136 kN。大直徑井電磁打撈器質量為 360 kg，最大下深 520 m，專用線纜線密度為 0.81 kg/m，在最大工作深度下，專用線纜與電磁打撈器在井口卷揚吊臂繩頭的載荷合計為 8.39 kN。煤礦安全規程對人員升降專用單繩纏繞式升降裝置的安全系數要求為 9[8]，大直徑井電磁打撈器在未打撈落物時的安全系數可達 16.23，打撈滿載 14.50 kN 下的安全系數可達 9.38，均超過載人安全標準，可保障大直徑井電磁打撈器充分發揮性能。專用線纜主要性能參數如表 1 所列。

表1 專用線纜的主要性能參數Tab.1 Main performance parameters of special cable

2.3 專用升降平臺的研制

電磁打撈器屬于事故處理應急裝備，這一特殊性要求專用升降平臺必須具備以下特點：較強的野外環境適應能力；體積緊湊，不過多占用井場空間；與各類地形貼合牢靠；提吊靈活穩定，不傾覆失穩，卷揚對線纜的控制安全可靠，不發生纏繞、跳繩、亂繩等異常情況；結構精簡，易于維修。

因此，研制的專用升降平臺采用了全電控系統，主要由提升子系統和車架子系統 2 部分組成。提升子系統安裝在車架子系統上方，用于控制專用線纜的上提與下放；車架子系統使用專用升降平臺，具備野外全地形自主移動能力，便于現場布置，擺脫了對吊車等運載設備的依賴。

專用升降平臺外接 380 V、50 Hz 交流電源，裝機容量為 35 kW，由總控柜及內置的變壓器、變頻器對電磁打撈器、提升子系統、車架子系統整體的電力、操作系統進行分配與整合?？偪毓窦闪酥鞑僮髅姘寮皩崟r載荷、行程、提吊速度、運行時間等參數的數顯功能。升降平臺質量為 12 t，最大起升高度為2.4 m，結構如圖 3 所示。

圖3 專用升降平臺結構Fig.3 Structure of special lifting platform

2.3.1 提升子系統

提升子系統主要包括卷筒、排繩器、起重電動機、減速機、制動器。外接電源通過總控柜接入提升機 22 kW 變頻器，帶動起重變頻電動機，實現對卷筒的轉動。卷筒直徑為 500 mm、擋板間寬度為 760 mm、表面設計有螺旋式繩槽，有利于前 1～ 2 層線纜的有序排布。容繩量為 520 m，滿繞線纜后共排布 7層、每層 42 匝。卷筒與排繩器通過鏈條連接，卷筒轉動可以帶動排繩器在絲杠上往復移動，專用線纜穿過車架子系統前端吊臂上的定滑輪后，經由排繩器引導后有序纏繞在卷筒上，避免了跳繩、亂繩等異常情況的出現。提升子系統整合了速度傳感器、行程傳感器和計時器，可通過電控柜上的屏顯元件對打撈作業上提下放行程、實時速度和開機時間進行精確顯示。提升子系統結構如圖 4 所示。

圖4 提升子系統結構Fig.4 Structure of lifting subsystem

提升子系統最大提升力為 50 kN，升降速度為18～ 54 m/min。在傳統打撈方式中，鉆機起下鉆單次按 2 根計，含人工上卸扣時間，平均速度約為 4～5 m/min。而專用升降平臺的最高安全起下速度為 54 m/min。以井深 500 m 為例，電磁打撈器下至井底僅需9.26 min，極大縮短了打撈作業時間，對于搶救工期、節約成本具有重要意義。

2.3.2 車架子系統

車架子系統主要結構：

(1) 車架 主要起承載作用，其上設置有吊耳，可用于整車吊裝及錨固連接點；

(2) 車輪組 由車輪箱、輪胎、小車驅動電動機、減速機組成；

(3) 起升承重吊臂 由承重梁、支承座、定滑輪及載荷傳感器滑輪軸等組成；

(4) 駕駛座 由方向盤、副操作面板、腳踏板等組成。

將車架子系統的移動方式設計為四驅驅動，外接電源通過總控柜接入車架的 7.5 kW 變頻器，帶動車架底部 4 個輪箱中的 4 臺 1.5 kW 動力電動機，可實現車架前進、倒退、加減速、剎車。實心橡膠越野輪胎可適應沙地、泥地、山地、雪地等野外環境，最高移動速度為 20 m/min。車架底部前端的 2 個輪箱具備同步轉向功能，駕駛座正前方設計有方向盤，當方向盤轉動時，帶動起下部的轉向機，轉向機聯動撥叉桿，實現升降平臺移動中轉向。駕駛位下方右腳位置設計有腳踏板，用于施加前進或倒退動力。

繩頭定滑輪為可拆卸結構，如鉆井井架不便撤出場地，可將定滑輪拆除，使專用線纜從滑輪下方穿過后，重新裝回定滑輪，專用線纜被引導至上方，由井架大鉤上設置的定滑輪再次引導至井口。起升承重吊臂為可拆卸式，便于運輸。

在操作設計上，駕駛座右前側設計有副操作面板，與總控柜主操作面板功能一致，二者皆可用于操控整個升降平臺。駕駛位的各類操作功能全面、便捷，僅由 1 人即可完成打撈作業全部操作，降低了工作配合難度。

3 性能測試

研制的專用線纜與升降平臺相互配合，輔助電磁打撈器完成打撈作業，3 項裝備共同構建了完整的電磁打撈系統，如圖 5 所示。

圖5 電磁打撈系統性能測試Fig.5 Performance test of electromagnetic fishing system

2022 年 3 月在中煤科工集團西安研究院廠區對該系統進行了工程試車及打撈模擬試驗。

工程試車方面，重點測試了專用升降平臺提升子系統的長距離提吊穩定性與排繩可靠性。在專用線纜繩頭施加重為 10.30 kN 的載荷，選取長度為 124 m的廠區道路，開展長距離牽引拖拽試驗。拖拽過程中產生的滑動摩擦力，與實際打撈作業上提過程中電磁打撈器與井壁接觸產生的摩擦力相似。拖拽試驗耗時 3.29 min，儀表顯示載荷高達 12.95～13.44 kN，接近滿載，最高時速為 53.1 m/min，最低時速為 17.9 m/min，平均速度為 37.6 m/min，被拖拽重物移動平穩，排繩系統運轉平順，卷筒收繩有序。通過對車架子系統進行動態測試，車體行走、轉向功能滿足設計要求。試驗過程中各項功能運行良好，傳感器數顯功能正常。

打撈模擬試驗方面，制作了長度為 4 m、內徑為850 mm 的有機玻璃透明容器作為人工井底，蓄滿水后，在人工井底放置 17 支、共計 96 kg 不同規格金屬物體。電磁打撈系統按既定打撈工藝開展打撈模擬試驗 5 次，其中 4 次將井底落物一次性打撈成功，各項技術指標均滿足設計要求。

4 結語

通過構建大直徑井電磁打撈系統，填補了煤礦大直徑井缺乏專用打撈產品的空白。研制的專用線纜既可承重亦可供電，安全系數高于煤礦安全規程標準；研制的專用升降平臺具備全地形自主移動能力，野外適應能力強，整合了大直徑井電磁打撈系統的各項功能與操作，其提升子系統排繩安全、穩定，升降迅速，對于搶救工期具有重要意義。大直徑井電磁打撈系統具有良好的推廣價值及市場前景。