防噴器手動鎖緊操作裝置研制與應用

摘" "要：為有效解決鉆井現場防噴器組位置高、操作平臺搭建多、人員操作耗時費力、作業安全風險大等問題，研發了防噴器手動鎖緊操作裝置。該裝置裝置由箱體、傳動機構、高度調節機構、鎖緊桿、連接軸、手輪等部分組成，傳動機構由傘齒輪傳動箱、獨立傳動軸、可伸縮輸出軸、輸出傳動箱等部件組成。借助傘齒輪傳動優勢，優化傳動比，提高傳動效率，降低作業人員勞動強度。同時利用“滑輪+鋼絲繩+雙向自鎖絞盤”的組合形式構建了防噴器高度調節機構，對高低不等的鎖緊桿進行高度調節，并將防噴器組所有操作鎖緊桿集成到同一操作面板上。通過結構優化設計，實現通用性配套安裝。介紹了裝置的結構、工作原理及具備的主要功能，經過廠內測試及現場應用試驗，進一步優化了結構。應用試驗結果表明，該裝置整體性能穩定，滿足設計要求，可在同一操作臺上實現對防噴器閘板的鎖緊與解鎖，也可對鎖緊桿高度進行調節，降低高處作業風險，提高作業安全性。

關鍵詞：防噴器；手動鎖緊裝置；通用性；安全；傘齒輪傳動

中圖分類號：TE921.5" " " " "文獻標志碼：B" " " "doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.02.011

Development and Application of Manual Locking Operation Device

for Blowout Preventers

CHEN Wenyun，MAO Xueping，YANG Changbiao，CHEN Zhangrui，ZENG Faming，ZHANG Yinhui

（ CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited， Safety and Environmental Quality Supervision and Testing Institute， Guanghan 618300， China）

Abstract：In order to effectively solve the problems of the high location of the blowout preventer （BOP） group， difficult construction of the operation platform， time-consuming and labor-intensive operation of personnel， and high operation risk， a set of manual locking operation devices of BOP has been developed. The device includes a box body， transmission mechanism， height adjustment mechanism， locking rod， connecting shaft， handwheel， etc. The structure， working principle， and functions of the device have been described in this paper. The device employs the combined form of \"pulley + wire rope + two-way self-locking winch\"， takes advantage of bevel gear transmission， optimizes the transmission ratio， and designs the retractable components such as spline shaft， transmission box， etc.， the height of the locking rod is reduced. In addition， the height of the locking bar is adjusted and the locking bar is integrated into the same control panel for operation to achieve versatility. Through indoor and outdoor tests， the results show that the overall performance of the device is stable， meets the design expectation， can be operated on the same operating platform， realizes the locking and unlocking of the blowout preventer ram， and can also adjust the height of the locking rod， reducing the risk of high-altitude operation.

Key words： blowout preventer；manual locking device；versatility；safety；bevel gear drive

防噴器手動鎖緊裝置的作用在于當需較長時間關井時，先進行液壓關井，隨后運用手動鎖緊裝置將閘板固定在關閉位置，并卸掉液腔壓力，如此可防止長時間關井期間因液壓管線泄漏致使閘板打開而引發事故。裝置中鎖緊桿經由萬向節、加長桿和手輪伸出井架，通過轉動手輪即可實現對防噴器的鎖緊，確保閘板能夠長期可靠地封井［1-5］。國內外對防噴器鎖緊裝置研究較多，國外對防噴器鎖緊裝置研究起步較早，技術也較為成熟，主要集中在液壓鎖緊裝置方面，但由于技術原因，且進口設備成本高，短期內要更換國內現有鎖緊裝置難以實現。國內對鎖緊裝置的研究起步較晚，雖然有液壓鎖緊裝置應用于部分鉆井現場的案例，但相關技術還有待改進，使用成本有待降低。對于國內現有的手動鎖緊裝置，在鉆井現場，由于手動鎖緊操作機構安裝位置高，現場大多焊制操作平臺，有的甚至在平臺上再搭建平臺，操作人員需要爬多個梯子蹬上操作平臺進行操作。在緊急情況下，操作不便，且易滑跌。另外，在鉆井過程，不同開次，需要更換防噴器組。隨鉆井深度的增加，防噴器組合增多，相應的手動操作桿的高度也隨之增高，導致操作臺的高度也需要調整，作業相當不便［6-9］。

針對以上問題，基于防噴器手動鎖緊裝置在國內防噴器配置高達95%以上，國內也對防噴器手動鎖緊裝置進行了研究。李斌等［10］研制的一種防噴器組鎖緊裝置，采用鏈條傳動，將鏈輪機構設置于地面上，工作人員可在地面上直接進行操作。雖然降低了作業人員的操作高度，但是鏈條傳動效率較低，而且調整高度時，需要拆卸裝置取下鏈條來改變鏈條的節數，導致高度調節不便，而且裝置在反復拆卸過程極易造成損壞。董黎明等［11］研制的防噴器手自一體鎖緊裝置，可對防噴器閘板進行手動、自動鎖緊，然而當出現停電、停氣等突發情況需要手動鎖緊功能時，依舊需要攀爬多個梯子進行操作，操作不便且風險高。

本文針對目前常用防噴器手動鎖緊與解鎖中存在的問題，研制了防噴器手動鎖緊裝置，有效解決了防噴器組操作空間狹窄，鎖緊難度大、鎖緊效率低、便捷性低、作業風險大等難題，減少了平臺搭建數量。能在鉆井現場或鉆井平臺出現停電、停氣等突發情況時，利用傘齒輪傳動［12-15］迅速實現對防噴器的鎖緊與解鎖功能，在井控現場應用中極大地提高了鎖緊效率及安全性，對保障油井安全作業意義重大，具有較高的推廣價值。

1 技術分析

1.1 總體設計方案

防噴器手動鎖緊操作裝置包括箱體、滑輪組、鋼絲繩、滑軌、連接軸、傳動機構等，其中箱體用于對內部結構的保護，滑輪組、鋼絲繩用于調節高度，連接軸用于箱體與防噴器的連接，傳動機構在鋼絲繩作用下，可沿著滑軌上下移動。傳動機構通過設計傘齒輪傳動箱（輸入傳動箱、輸出傳動、傳動箱）、伸縮軸等，充分利用傘齒輪傳動優勢（效率高、傳動平穩），優化傳動比，能在緊急情況下，實現快速對防噴器鎖緊。同時設計滑輪、鋼絲繩、雙向自鎖絞盤，實現鎖緊桿與手輪間垂直距離高度差異調節，適應不同型號的防噴器組合高度，使裝置具有通用性。

1.2 結構組成

防噴器手動鎖緊操作裝置結構如圖1所示，該裝置主要由箱體、傳動機構、高度調節機構、花鍵軸、連接軸、手輪等組成。連接軸位于箱體背面（注：手輪面為正面），每根連接軸的一端依次與減振聯軸器、花鍵軸、固定座、輸出傳動箱（內部置有傘齒輪組）等部件連接，另一端與防噴器鎖緊桿連接，各部件通過軸連接后共同構成傳動機構。箱體左右兩側為升降機構，用于對鎖緊桿的高度調節，升降機構由滑輪、鋼絲繩和雙向自鎖絞盤等部件組成，通過電動或手動進行升降，實現鎖緊桿的高度調節。防噴器手動鎖緊裝置的四個操作手輪位于箱體的正面，每個手輪對應特定的鎖緊桿。

裝置整體固定在鉆機船型底座內側，根據防噴器與船型底座兩側的距離，選擇相應長度的連接軸進行連接，然后通過升降機構將連接軸及傳動機構升降至與防噴器高度相對應的位置，最后利用連接頭將連接軸與防噴器連接，進而完成防噴器與鎖緊裝置的連接，旋轉手輪，即可對鎖緊桿實施操作。

防噴器手動鎖緊操作裝置內部結構如圖2所示。每個傳動機構通過4根獨立的傳動軸進行傳動，以其中一個傳動機構為例。其主要由傳動軸、傳動箱、鋼絲繩托輪、限位板、滑動軌道、鋼絲繩、雙向自鎖絞盤、連接軸、花鍵軸、手輪等組成。鋼絲繩通過滑輪、滑軌、第一絞盤、第二絞盤將傳動機構調節至與防噴器組高度匹配的位置，實現高度調節。連接軸與花鍵套同軸安裝，鎖緊桿一端與外花鍵連接，另一端與手輪連接，當旋轉手輪，實現對防噴器組的鎖緊與解鎖。

傳動機構如圖3所示。旋轉操作手輪，將動力傳遞到輸入傳動箱，在第一傳動軸的帶動下，將此運動輸入到傳動齒輪箱，再傳遞到輸出齒輪箱，進而將動力輸入給伸縮輸出軸，使伸縮輸出軸向前運動，實現對防噴器的鎖緊。該結構較現有技術圓柱齒輪和渦輪傳動而言，能夠使得整個傳動機構更穩定，承載能力更強，工作更加可靠。

1.3 工作原理

傳動機構工作時，順時針旋轉波紋手輪，依次通過角傳動箱—花鍵軸—連接軸—十字頭，將轉動傳遞到鎖緊桿，鎖緊桿向內移動時，帶動花鍵軸也向內移動，就實現了對防噴器的鎖緊功能。當需要解鎖時，反向旋轉手輪，即可實現對防噴器的解鎖。

當需要調節輸出傳動箱高度時，搖動手搖式雙向自鎖絞盤，旋轉連接有滑輪組的絞盤，利用高度調節機構，將傳動箱調至需求位置，即可實現位于不同位置鎖緊桿的高度調節，滿足不同型號防噴器組合在現場的應用。

2 技術創新點

防噴器手動鎖緊操作裝置的研制，解決了不同型號防噴器組鎖緊桿高度不可調節、搭建操作平臺數量多、傳動不省力等問題。具有以下創新點：

1） 利用“滑輪+鋼絲繩+雙向自鎖絞盤”的組合形式和花鍵軸的可伸縮性特點，既實現了對不同高度鎖緊桿的調節，也滿足了現場對防噴器手動鎖緊裝置通用性的需求，解決了現場搭建操作臺多、高處作業風險高的問題。

2） 設計4根獨立的傳動軸，縮小了裝置體積（不超過2 m3），裝卸方便。

3） 設計傘齒輪、伸縮輸出軸、輸出傳動箱，將萬向節連接方式改為水平連接，解決鎖緊桿操作不省力、傳動效率低的問題，提高作業效率。

3 廠內試驗

依據GB/T 20174—2019《石油天然氣鉆采設備鉆通設備》的要求，對防噴器手動鎖緊操作裝置進行了室內試驗及整機性能檢驗。該裝置能迅速完成防噴器的鎖緊與解鎖，使用方便靈活，性能可靠。測試內容如下：

{1} 穩定性測試，如圖4所示。采用簡易船型底座，模擬現場安裝，將裝置固定在底座上，將質量約100 kg的物體懸掛在裝置兩側的爬梯上，操作傳動機構，傳動平穩，說明裝置能在外力約200 kN的作用下保持穩定傳動，展示出傘齒輪的傳動優勢，具有承載力強、傳動穩定的特點。

{2} 靈活性及調節范圍測試，如圖5～6所示。圖5a中的1、2、3、6分別為連接部件及相應的傳動件（伸縮軸），4、5、7、8為升降機構，圖5b中的9、10、11、12為手輪。升降機構Ⅰ控制連接部件Ⅰ及與其對應的傳動機構Ⅰ，手輪Ⅰ對應傳動機構Ⅰ。對于調節范圍，以升降機構Ⅳ為例，在輸出端，安裝連接軸Ⅳ，操作升降手柄，對傳動機構及連接軸Ⅳ進行升降，經測試，通過升降，可將連接軸及傳動機構從3 792 mm的位置升至5 631 mm的位置，升降范圍為：0～1 839" mm。經測試，裝置各部件轉動、傳動靈活，整體調節范圍為776～1 839 mm，滿足設計要求。

{3} 扭力大小測試。固定操作手輪，用扭力扳手測試傳動軸強度，經測試，傳動件可承受最大轉矩為280 N·m，輸入轉矩為5～160 N·m，輸出轉矩為7.5～260 N·m，裝置的輸入轉矩小，輸出轉矩大，說明傳動省力，傳動效率高。

4 現場應用試驗

2024-08-09在四川省南充市西充縣境內蓬陽區塊70XXX井隊進行了現場試驗，如圖7所示，鉆機型號為ZJ70DB，防噴器組合為：2FZ35-105型雙閘板防噴器、FZ35-105型剪切閘板防噴器、FZ35-105型半封閘板防噴器。手輪Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分別控制下半封防噴器、全封防噴器、剪切防噴器、上半封防噴器的鎖緊與解鎖。

試驗條件：中完情況下，取出井下工具后進行。

試驗過程：先將裝置通過氣動絞車吊至安裝區域后，用騎馬卡通過螺栓將其固定在船型底座內側，然后在裝置背面連接相應的連接軸，再通過升降機構將連接軸調至與防噴器高度對應的位置，待高度調節好后，用連接頭將連接軸與防噴器連接，最后安裝手輪和圈數計數器，所有零部件安裝后，對手輪、裝置的靈活性、傳動效率等性能進行測試。試驗內容如下：

{1} 穩定性測試。裝置左右兩側各加載質量為100 kg物體，操作手輪，各傳動機構傳動平穩，說明裝置能在外力約200 kN重力的情況下保持穩定傳動，充分展示出傘齒輪的傳動優勢，承載力強，傳動穩定的特點。

{2} 靈活性測試。操作升降手柄Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（圖7a中3、5、7、8），傳動機構及相應的連接軸能上下移動；旋轉手輪，鎖緊桿能前后移動，表明各零部件傳動靈活。

{3} 高度調節測試。以連接軸Ⅳ（圖7a中6）為例，操作升降手柄，連接軸Ⅳ及與之相連接的花鍵軸、鎖緊桿會隨之上下移動，升降范圍為0～1 839 mm。用同樣的方法依次操作其他幾個升降手柄，皆能對連接軸及與之相連接的傳動機構實施升降，進行高度調節，調節范圍皆在設計范圍內。

{4} 同一操作臺、同一界面操作手輪。由圖7b可以看出，可在同一平臺對防噴器組所有手輪進行操作，操作相應的手輪，可實施對相應防噴器的鎖緊與解鎖。圖7b中對應手輪Ⅰ，控制下半封防噴器，旋轉該手輪，可對下半封防噴器進行鎖緊與解鎖，圖7b中手輪Ⅱ，控制全封防噴器，圖7b中手輪Ⅲ，控制剪切防噴器，圖7b中對應手輪Ⅳ，控制上半封防噴器。

{5} 鎖緊與解鎖閘板防噴器。當需要鎖緊時，先通過液壓管線，利用液壓將防噴器閘板活塞推至關閉狀態，然后順時針旋轉手輪15圈，鎖緊桿向前移動，將閘板固定在鎖緊位置；當需要解鎖時，逆時針旋轉手輪15圈，鎖緊桿后退，將閘板固定在打開位置。

通過現場試驗，驗證了該裝置可迅速完成防噴器的鎖緊與解鎖；完成鎖緊桿的高度調節；在同一平臺對防噴器組的所有鎖緊桿進行操作。結果表明裝置的傳動性能穩定、傳動效率高、使用方便省力、高度差異可調，性能可靠，使用效果良好，降低了高處作業風險與勞動強度，滿足設計要求，具有較好的推廣價值與意義。

5 改進建議

1） 前期從安全角度考慮，在設計和選材上都按照最可靠、最安全的角度考慮，箱體鋼板厚度設計為3 mm，材質為Q235，傳動組件為45#鋼，導致整機質量較重，約為800 kg，體積為約為2 m3。下一步可從設計和選材上入手，減輕質量，縮小體積，便于安裝。

2） 裝置在井口附近操作，存在風險，下一步可增加自動化、數字化遠程操作，開發相應的控制軟件。自動化數字化操作可遠離井口，作業更安全。

3） 通常試驗時，鉆井現場工況是正在鉆進，導致在吊裝時周邊障礙物較多，嚴重影響安裝。建議在開鉆前，安裝好底座后就對其進行安裝。

6 結論

1） 傳動機構通過設計傘齒輪傳動箱，配合伸縮輸出軸，使整個傳動機構傳動穩定，承載能力高，能實現多級傳動、集成傳動、高效省力的效果。

2） 與現有防噴器鎖緊裝置鏈條傳動方式相比，通過傘齒輪傳動的方式，不僅傳動可靠、效率高，而且高度調節方便，不用拆卸裝置即可完成鎖緊桿高度的調節。

3） 該裝置承載能力強，對中性好，導向性好，具有良好的普適性。升降機構通過設計滑輪、滑軌等組合結構，使連接軸的高度可調，解決了鎖緊桿操作不集中、高度不可調的問題。

4） 該裝置不僅實現了在同一操作平臺同一界面對防噴器組所有鎖緊桿的操作，而且也解決了搭建多個操作臺的問題，降低了作業風險。另外其對鎖緊桿高度可調，實現了裝置的通用性，能應用于不同型號防噴器組。

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（編輯：馬永剛）