天车智能防碰装置在渤海油田的推广应用

邓忠彬 孟凡贵 王晓雷 （中海油能源发展股份有限公司油建渤海装备分公司 天津300452）

0 引言

海洋钻修机在作业过程中，最频繁的操作就是起下钻作业。动力系统通过滚筒的钢丝绳拉动游车大钩并通过吊环和吊卡来带动井下管柱上提或下放。在上提油管过程中，如果出现操作失误，游车大钩到达一定高度未及时刹车，游车大钩将碰到井架顶部的天车系统，对井架结构产生破坏性的影响。同样，在下放油管的过程中，如果出现操作失误，大钩到达转盘附近未及时刹车，一方面对转盘及井架结构带来较大的冲击载荷，对底座支撑和转盘造成损坏，另一方面可能砸伤井口区域的操作人员。近几年的陆地和海洋油田事故报告多次提到游车大钩砸伤人员的案例，目前天车防碰系统已经得到了管理者和操作者的很大重视。普通天车防碰系统由于其防碰过于简单，越来越不适应现场安全作业的需要。随着海洋钻修机技术的不断发展，智能天车防碰系统在海洋平台钻修机上的应用已经迫在眉睫。

1 普通天车防碰系统工作原理及使用方法

2007年以前，渤海油田海洋修井机及钻机上全部采用普通天车防碰系统。普通天车防碰系统是防止游动滑车碰撞井架天车的装置，它联接在修井机（通井机）的气控系统中。通过防碰过卷肘阀的气控系统来控制刹车从而防止游车大钩与天车相碰。

1.1 工作原理

普通天车防碰系统在绞车主滚筒轴上方安装了一套防碰过卷肘阀。当游车大钩起升至一定高度时，钢丝绳碰到防碰过圈肘阀，此时防碰过圈肘阀进气孔打开，气源通过解碰阀进入防碰过圈肘阀，再进入二位五通换向阀的右腔，推动二位五通换向阀向左移动，此时气体通过二位五通换向阀进入气缸，气缸推动刹车助力器，从而带动刹把，刹住滚筒，防止游车大钩继续上升，碰到天车。解除防碰：当用手操纵解碰阀时，气体进入二位五通换向阀的左腔，防碰过圈阀内的气体通过二位五通换向阀排空，气缸左腔内气体排空，在弹簧作用下，气缸复位，此时防碰天车解碰。普通天车防碰系统气路原理图如下图1：

图1 普通天车防碰系统气路控制原理图

1.2 使用方法

工作状态：将操作台下的解碰阀处以常开状态。解除：将操作台下的解碰阀处以关闭状态。

2 普通天车防碰系统设计缺陷

根据对渤海油田钻修机作业现场使用情况的调查，普通防碰系统基本上能正常工作。但由于天车防碰系统属于一种安全预防事故发生的装置，在有些井队也许一年也没有动作一次，所以容易被使用者忽略。阀件长时间没有动作，到关键时刻一旦失灵后果不堪设想。而且还存在以下设计缺陷：[1]天车防碰系统不设紧急刹车气路，一旦紧急情况出现需制动，只能靠司钻压紧急制动；天车防碰系统不设刹车复位气路，刹车复位时，搬回防碰过卷阀的肘杆，松开刹把，游车下降，刹车气缸通过与刹把连接的连杆机构随之复位。国内生产的部分钻机，复位通过解碰阀，气由刹车气缸的另一端进入，此时刹车完全解除，游车迅速下降，不利于安全操作；该装置不能频繁使用；刹车系统不带减速装置，刹车时容易造成顿钻现象，对井架及上下底座造成冲击。

3 智能型天车防碰系统组成原理

智能型天车防碰系统由智能防碰仪、绞车、绞车传感器、电磁阀、刹车气缸或油缸、主滚筒刹车执行机构等组成。如图2所示。

图2 天车智能防碰原理

智能防碰仪是智能型天车防碰系统的核心，它是一个高性能的单片机系统。通过接收来自绞车传感器的游车大钩信号进行智能判断，当大钩高度大于某一上限设定值或小于下限设定值时，智能防碰仪立即产生报警并同时打开电磁阀，来控制气缸或油缸，驱动主滚筒刹车执行机构。最后将绞车自动刹死。智能防碰仪电气工作原理见图3。

图3 智能天车防碰仪电气工作原理图

4 智能型天车防碰系统优点

智能游车防碰系统是一套与普通天车防碰系统并行运行的一种先进的防止钻机发生游车上碰下砸事故的安全保护设备。在钻机运转过程中，智能游车防碰系统会自动检测游车的高度位置，当游车运行至钻机顶部警戒高度区域（上限）或运行至钻台警戒高度区域（下限）时，系统会发出声光预警信号。同时系统会输出控制信号，强制进行刹车，确保游车运行安全。它克服了普通天车防碰系统设计缺陷，具有如下优点：[2]

①数字高度显示：仪器面板一般都设有数码管显示窗口，以数字形式实时显示大钩工作高度，使司钻能准确掌握大钩工作位置。

②预警提示：当大钩提升到距井口设定高度时，仪器开始报警提示操作手提前做好断离合及刹车制动准备。

③自动断离合：当操作手没能及时断离合，大钩到达设定高度时，仪器会自动对滚筒离合器实施断气控制。

④自动刹车：因没能及时刹车，当大钩到达设定高度时，仪器自动控制实施刹车；同时可以控制气喇叭报警警示。

⑤具有位置记忆功能：当遇突然停电或其他原因，游车可能停在任何高度位置，这时智能游车防碰系统会自动记忆游车的位置，当供电恢复，游车再次运行时，系统不需要重新校准仍可正常工作。

⑥深度校准方便：司钻台设置有一个智能游车防碰系统校准按钮，需要时可用此按钮对系统进行校准。将游车下放至井台（游车底部距井台面为10～200 mm）位置，轻轻按一下校准按钮即可。

5 现场推广使用情况

2007年以来，我公司先后承担了JZ9-3A、BZ34-1N、JZ25-1S、BZ29-4等修井机建造项目的建造任务。在这些项目中均配套安装了智能天车防碰系列产品，经过近3年的安装运行，并跟踪试验，系统运行稳定、正常。通过现场测试，该类智能天车防碰系统均能自动控制大钩在设定的区域内安全运行，连续监视大钩运行位置，并可实现声光报警，自动控制刹车。目前，智能天车防碰系列产品在渤海油田已得到了业主和使用方的广泛认可。随着天车智能防碰系统的推广应用，渤海油田安全管理将上一个新的台阶。■

[1]尹雪菲，马永刚，赵小奎.天车防碰系统浅析[J].石油矿场机械，2006，35（增刊）：84-85.

[2]尹永晶.石油修井机[M].北京：石油工业出版社，2003.