淺析水下炸礁船潛孔鉆機套管自動拆卸技術

◎ 任春剛 廣西新港灣工程有限公司

1.引言

疏浚工程是指采用挖泥船、炸礁船、其他機具以及人工進行水下挖掘，為水域拓寬和挖深而進行的土石方工程，在規定的范圍和深度內挖掘航道和港口水域的水底泥、沙、石等并加以處理的工程。疏浚工程是開發、改善和維護航道、港口水域的主要手段之一。

水下炸礁船的工作是在水下堅硬的礁石上鉆孔，達到設計標高及超深需求后再往工作孔里面投放炸藥，通過引線引爆炸藥，對礁石進行定向爆破，從而達到可挖掘性的碎石。但在鉆孔過程中，由于地質地貌的不同以及巖土的層高差異，導致覆蓋層厚度不一，巖石高度不一，在設計底標高不變的情況下，每排鉆孔深度也不同，在鉆孔作業中，每排下套管的長度就不同，導致在作業中就需要頻繁拆卸鉆機套管。拆卸套管是鉆機手操作中最煩瑣和最繁重的工作，目前在水下爆破施工行業拆卸套管都是借助扳手、管鉗、撬棍等一些人力工具來實現的，由于在鉆孔施工工程中套管隨著上部液壓缸的壓力及鉆桿逆向旋轉的回轉力，因此套管接頭之間會卡得很緊密、停放久了以后，生銹時或更嚴重的時候還得烤火加熱。這種手工拆卸套管和鉆桿的操作，不僅勞動強度大，工作效率低，而且存在嚴重的安全隱患，傷人事件也常有發生，同時夾具不牢固時，套管還會脫落水中丟失。

2.船用潛孔鉆機發展

潛孔鉆機五十年代初由蘇聯引進國內，六十年代潛孔鉆機在我國進一步發展，許多小露天礦采用潛孔鉆機，七十年代中期，我國中小礦使用潛孔鉆機進行深孔爆破技術，并取得了一定的初效。同時代661工程指揮部開始將潛孔鉆機試用于水下施工[1]，八十年代河北宣化地區逐步形成自有設計生產企業，并在該地區逐步形成產業規模擴大至全國，1981年柳州航務工程處自行研制了自升式航道鉆機船[2]，1987年伴隨著南寧航道處“桂鉆6船”[3]的下水，拉開了內河潛孔鉆機船的序幕，伴隨著祖國改革開放及國內沿海港口經濟的發展，一些大型航電樞紐建設、高等級航道的整治工作提上了發展日程，因此，船用潛孔鉆機的發展應運而生。

3.傳統船用潛孔鉆機組成[4]

（1）鉆架。鉆架是鉆孔構件的支撐和導軌。鉆架的高度決定鉆機的一次鉆進深度，鉆機是安裝在船舷外施工，所以要求重量盡可能輕。為了起吊鉆桿和套管，還設置了兩套輔助卷揚機。

（2）回轉器。回轉器是使沖擊鉆頭旋轉的機構，攪動沖擊后的碎石，回轉器通常由兩種類型，一種由電動機和齒輪減速機組成。另一種由單液壓馬達或雙液壓馬達驅動減速箱方式。

（3）卡盤。卡盤是水下鉆機的特有機構，卡盤由油缸拖動做上下運動，用于將套管壓入覆蓋層和套管的提起（覆蓋層內）。

（4）套管。在鉆孔和裝藥過程起導向作用的，保證鉆孔成孔率。

（5）鉆桿。鉆桿既是沖擊器壓力空氣的通道，也是對沖擊器傳遞軸壓和扭矩的機件。鉆桿與套管之間的空間大小，關系到鉆孔內排渣（碎巖石）的流速。鉆成的孔與鉆桿的間隙，太大時稍大的巖石會溜回孔底，造成重復破碎，太小時稍大的巖石排不出來。

（6）接頭。聯接沖擊器和加長鉆孔深度的聯接方式是接頭，接頭的型式和沖擊器的接頭一樣，是采用美國石油學協會API 23/8”錐形螺紋聯接。

（7）沖擊器。潛孔沖擊器工作原理是，壓縮空氣通過鉆桿驅動潛孔沖擊器高頻沖擊來破碎巖石，同時又以壓縮空氣排渣并清洗孔底的鉆孔方法。通過不斷改變進排氣方向，實現活塞在氣缸內的不斷往復運動，從而不斷反復沖擊鉆頭。

（8）液壓系統。液壓系統采用集中供油的方法，帶有自動卸荷的功能，減少了故障的發生和降低了能源消耗。液壓系統要求在8—12MPa下使用。

（9）氣動推進部分。鉆機的推進加壓是用氣缸來保證的，氣缸和電氣控制協同工作來保證推進的連續性。在鉆機的鉆進中，調整高壓減壓閥的輸出壓力來保證軸壓的大小。

（10）電氣系統控制。主回路是讓電器設備執行動作的電路系統。控制回路是控制主回路動作的方法的電路系統。如：鉆機的小操作箱內的線路，一般情況下，控制系統的電壓為24 V的安全電壓。

（11）電源電壓。鉆機船機電設備的電源電壓有2種（DCAC)，5個電壓等級：

1)AC380V 線路對各類機械設備供電。

2)AC220V線路主要對照明系統供電。

3)AC24V施工設備的控制和操作電源。

4)DC24V內燃機系統和船舶應急照明。

5)DC12V部分通訊設備和一些儀器。

4.存在的問題

在設計底標高不變的情況下，每排鉆孔深度也不同，在鉆孔作業中，每排下套管的長度就不同，導致在作業中就需要頻繁拆卸鉆機套管。由于鉆桿鉆進時是順時針正鉆，套管螺紋方向向左可以避免松脫掉落下海，但套管隨著上部液壓缸的壓力及鉆桿逆向旋轉的回轉力，因此套管接頭之間會卡得很緊密，利用管鉗、撬棍等一些人力工具手工拆卸套管的操作，不僅勞動強度大，工作效率低，而且存在嚴重的安全隱患，傷人事件也常有發生，因此迫切需要設計一套符合施工條件的自動拆卸裝置。

5.施工條件限制及技術要求

設計的自動化裝置必須滿足以下條件：

（1）施工船舶有多臺鉆機，機架之間距離約在2.5m左右，拋開機架本身寬度1.4m，實際兩臺機架之間距離僅在1.1m左右，設備安裝空間受限。

（2）操作的機手一般在鉆機左側操作控制機器，改進裝置只能占用鉆架前部及右側位置。

（3）被拆卸套管屬于管狀物，必須滿足旋轉拆卸要求。

（4）拆卸裝置不能過大，且不能影響操作人員使用。

（5）拆卸裝置扭力滿足最大拆卸需求。

（6）拆卸裝置自動化程度要高，避免出現雞肋。

（7）操作方便，安全高效。

6.解決方案

設計思路及方案1：利用電機驅動專用套管接頭方式。

設計思路及方案2：利用外置液壓驅動扳手進行拆卸。

設計思路及方案3：設計上下液壓回轉鉗替代原有卡盤功能及位置。

經過多次設計及討論、加工、試驗，最終方案1、方案2因不能同時滿足上述基礎條件限制而被迫終止，并對方案3進行細化和試驗，最終形成炸礁船潛孔鉆機拆卸套管裝置。其組成構件包括卡盤座1、滑座2、液壓動力鉗3、滑軌4以及滑架5（詳見圖1）。組成構件的結構的連接關系為：滑座、液壓動力鉗分別用螺栓固定在卡盤座的背面和正面，滑座上的尼龍襯板與滑架上的滑軌相接觸，滑軌固定焊接在滑架上。滑軌是型材方管，本裝置是通過滑座上的尼龍襯板沿著滑軌滑動，滑軌與滑架固定焊接。卡盤座是由升降耳板焊接在卡盤座底板上組成，滑座由滑座底板、滑座肘板、滑座腹板、滑座面板和尼龍襯板組成，所述滑座底板與卡盤座底板用螺栓固定連接，滑座底板和滑座面板通過滑座肘板焊接固定，滑座腹板都與滑座底板、滑座肘板、滑座面板焊接固定，尼龍襯板與滑座腹板固定連接。

圖1 炸礁船潛孔鉆機拆卸套管裝置的主視圖

液壓動力鉗由旋轉主鉗、夾緊背鉗、前導桿總成、后導桿總成、液壓馬達和尾把總成組成，所述液壓馬達通過連接座與旋轉主鉗固定連接，尾把總成與夾緊背鉗、后導桿總成固定連接，旋轉主鉗和夾緊背鉗分別與前導桿總成、后導桿總成固定連接，旋轉主鉗和夾緊背鉗之間的距離通過前導桿總成和后導桿總成來調節。

7.工作原理

由本船自帶的液壓動力設備給液壓動力鉗3的液壓馬達提供動力，由液壓馬達的動力輸入軸總成的齒輪帶動雙聯齒輪總成的雙聯齒輪轉動，雙聯齒輪總成的雙聯齒輪帶動掛擋機構總成的齒輪轉動，掛擋機構總成的齒輪帶動介輪總成的介輪轉動，介輪總成的介輪帶動開口齒輪轉動。經掛擋機構總成實現兩級或一級減速后，產生高低兩種轉速，帶動旋轉主鉗的開口齒輪轉動，從而帶動套管旋轉。開口齒輪轉動時，其中旋轉主鉗的腭板架在制動盤的制動作用下先不轉動，使開口齒輪與腭板架之間有個相對運動，這樣腭板的兩個滾輪就會在坡板上爬坡，并迫使腭板上的牙坐向套管中心移動，直至牙塊咬緊套管或鉆桿，然后與開口齒輪一起帶動套管轉動。液壓馬達可以正傳或反轉，從而實現套管和鉆桿的上緊或卸下。

旋轉主鉗夾緊套管后由液壓馬達帶動套管正傳或反轉，起到上扣、卸扣套管的作用。夾緊背鉗夾緊下面的套管，是靠動力油缸推動齒條柱作直線換向運動，齒條柱塞帶動雙齒輪轉動，從而實現鄂板架旋轉爬坡，達到夾緊或松開套管或鉆桿的目的。

液壓動力鉗3（詳見圖2）中的前導桿總成3－3、后導桿總成3－4不僅連接旋轉主鉗3－1和夾緊背鉗3－2，還可起到調節旋轉主鉗3－1和夾緊背鉗3－2間距的作用。

圖2 液壓動力鉗主視圖

8.結論及成果

水下炸礁船施工作業拆卸套管裝置，替換原有的卡盤設計，本機構不僅能拆卸套管，在不同工作直徑下對拆卸鉆桿同樣有效。

針對詳細設計已經加工出了首套水下炸礁船施工作業拆卸套管裝置進行現場實地試驗，經過多次部分小工藝修改及參數調整，使用情況良好，將原本二十分鐘左右的拆卸作業時間，縮減到十幾秒，全程自動化操作，無需再用其他工具及人工輔助，大大提高了施工作業效率，減少了勞動強度及提高了操作的安全性，達到了當初設計目的與要求，改變了傳統炸礁船水下潛孔鉆機的組成，解決了痛點，提高了疏浚行業內水下炸礁船潛孔鉆機的自動化水平，并獲取了《用于水下炸礁船施工作業拆卸套管和鉆桿的裝置》的實用新型專利證書，水下炸礁船施工作業拆卸套管裝置應用前景非常大，也是今后水下潛孔鉆機自動化發展的一種趨勢。