石油钻机井架配套气动输送装置

闫 泓，张海鹏，张志良

（渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

国内生产的石油钻机井架有塔形、前开口K形和A形井架，新生产的钻机主要采用前开口K形井架，该型井架低位安装，整体起放，稳定性好，安全性高。以往井架工在钻台和二层台之间的往返，借助配重攀爬助力工具，人力攀爬井架，工作强度大，工作效率低，紧急情况下，人员撤离二层台缺少掩护物，存在安全隐患。研究设计适用于整体起升钻井井架的气动输送装置，可实现地面、钻台和二层台之间人员往返的机械化，改善井架工人工作环境，提高工作效率，紧急情况下为撤离人员提供安全保障。

1 装置结构设计

井架气动输送装置由轨道单元、气动单元、输送平台、气路系统、刹车装置和控制系统组成。工作原理是通过在井架上安装可随井架拆装的轨道，轨道的两端内置三级单作用举升气缸，利用动、定钢丝绳滑轮系统，由气缸的短行程获得钢绳活绳端的长行程，实现运载人员和物品在地面到钻台和二层台之间往返。

1.1 轨道设计

轨道使输送装置沿井架上下移动，通过安装板与井架构件相连，在轨道两端，配置两组气缸。轨道单元采用镀锌方管，为减轻装置重量和减少风阻，轨道四面开有圆孔。通过调节底座上的调节螺柱，使整个轨道的重量大部分施加在底座上，减少装置工作时对井架的影响。轨道单元之间气路通过快速接头连接。

1.2 气动单元

轨道两端的气动单元由3级单作用举升气缸和动、定钢绳滑轮系统组成，置于轨道内，为载人仓移动提供动力。上、下动滑轮组与上、下3级气缸自由端固定连接，定滑轮组与气缸座活连接，固定在轨道上；上、下动滑轮组之间连接一定长度钢丝绳，确保上、下3级气缸同步动作。

工作过程:一端3级单作用举升气缸伸出时，该系统钢绳活绳端拖动输送平台沿着轨道移动，同时通过连接钢绳和拖曳钢绳牵引，使另一端气缸收缩，如此交替工作，拖动输送平台在场地与钻台和二层台之间移动。

1.3 输送平台

输送平台用于载运人员，由轨道滑轮、安全系统和载人舱组成。轨道滑轮固接在载人舱上，通过滑轮限制，载人舱只可沿着轨道上下运动。安全系统保证平台在极端情况下能停止在轨道上。载人舱用于载运人员往返地面和二层台，在紧急情况下可以密闭起来，用于逃生。输送平台上部与气动单元钢绳自由端连接，并通过钢绳和一个井架定滑轮与配重相连接，使整个装置的负荷保持合适的大小。

1.4 保护机构设计

安全机构用于输送平台的安全保护，载运平台在失去牵引的极端情况下能安全停止在轨道上。工作过程:在上拖曳钢绳没有受力时，蓄能弹簧驱动刹车块紧抱轨道，使整个输送装置静止在轨道上；在上拖曳钢绳受力时，由于输送平台自身重力作用，蓄能弹簧被压缩，刹车块与轨道脱离接触，气动单元可以拖动输送平台上下移动。

2 装置的控制

装置的控制功能是通过气动控制，驱动上、下2个3级举升气缸，实现输送平台在轨道上任何位置自由启停，有手动控制、遥控控制和紧急情况3种模式。系统由手动电磁阀、移动遥控单元和遥控接收单元等组成（图1、图2）。

图1 控制原理

图2 遥控单元原理

图1中，3位3通手动电磁阀有手动、电磁控制和弹簧对中的功能，用于分别给上、下3级举升气缸通、断工作介质，2位2通手控电磁阀用于在特殊情况下连通2气缸。移动遥控单元设置在载人平台内，由转换开关、点动常开开关、常闭限位开关和遥控发射单元组成。遥控接收单元位于控制箱内，通过控制电磁阀线圈实现载人平台升降和停止功能。

（1）手动模式。直接在地面操作3位3通手动电磁阀，实现手动移动功能。

（2）移动模式。在载人平台内，控制移动遥控单元，通过选择转换开关选择升降停止，由点动常开开关控制行程，常闭限位开关用于安全保护，在轨道上下终点位置触发，停止输送平台。

3 装置的安装

井架气动输送装置安装、拆卸、运输随同井架构件，简单方便，安全可靠。以K形井架配套为例，在初次安装时，井架低位安装完成后，利用井架爬梯安装焊接件，轨道分段安装在井架爬梯位置，随井架一起拆装搬运，在井架安装完成后，接通各段轨道之间气管线，连接气缸轮系钢绳活绳端、配重活绳端在输送平台上下连接位置，随井架整体起升。之后，连接装置井架部分与控制箱之间的电路，通过调节轨道和基础连接螺母，使轨道各部分紧密接触，并使整个装置重量大部分施加在基础上，整个装置安装完成。

4 技术参数

4.1 工作介质

装置采用压缩空气作为动力，在井场利用原有空气设备系统。系统配备储气罐，最大工作压力0.9 MPa，工作压力设定0.6 MPa。

4.2 配重

配重用于抵消输送平台自重，减轻装置在工作过程中的负荷，要求在不载重情况下，不触发保护机构。因此配重应小于输送平台自重与保护机构触发力之差。保护机构触发力就是在空载时，可使刹车装置松开的蓄能弹簧压力。根据图2保护机构原理图和机构臂尺寸，保护机构刹车块正压力N与蓄能弹簧压力F比为10:1。刹车块与导轨的摩擦系数0.8，输送平台设计质量200 kg，配重 175 kg。

4.3 载荷

根据图1装置结构，输送平台在工作过程中受自重力、负载重力、配重拉力、限位滑轮阻力及气动单元上下拖曳纲绳的拉力。在上升过程中，装置的载荷最大，在上升状态，负载T1=G2-G1+G3+f+T2。其中，G1表示配重，G2表示输送平台自重，G3表示负载，f表示摩擦力，T1表示上拖曳拉力，T2表示下拖曳拉力。

工作过程中，输送平台近乎垂直，横向压力产生的限位滑轮滚动阻力和下拖曳拉力可不计。载重按质量200 kg计，装置的设计载荷为Tmax=2250 kN。

4.4 多级气缸参数

（2）二层台到地面距离L，3级气缸总伸长为L/6，单级伸L/18。钻机二层台到地面距离取40 m，3级气缸长2.2 m左右。

4.5 钢绳及绳轮

钢绳载荷2250 N，安全系数8，选择钢绳直径11 mm。滑轮的直径D和钢丝绳的直径d的比值越大，钢丝绳的抗疲劳性能就更好，取最小D:d=18:1，滑轮直径D=200 mm。

5 结束语

装置实现钻井井架地面到钻台和二层台之间人员往返，装置结构和原理新颖，安装简单方便，操作灵敏可靠，可实现井架工攀爬机械化，是改善井架工工作条件、提高工作效率很好的解决方案。同时它还为钻机井架改造和钻机配套可提供有益的参考，具有较好的推广应用前景。