自锁式绷绳快速拉紧器研究与应用

张孝宁 高文斌 单忠利 张孝燕

（1.辽河油田金海采油厂；2.辽河油田分公司特种油开发公司）

1 区域概况

1.1 地质概况

研究区域为辽河油田重要稠油生产区块，开发目的层为东营组二、三段以及沙河街组三段，油藏埋深为1 150～1 466m，孔隙度为24.0%～31.8%，渗透率为0.6～2.3 D，平均原油黏度为15 090mPa·s，平均密度为0.984 g/cm3，储层发育较好，属于中深层高孔、高渗特稠油油藏[1]。

在采油、集输生产过程中，需要使用大型卧式加热炉对采出液进行加热外输，为保证加热炉燃烧充分，对其安装了高耸的烟囱。每台加热炉烟囱都安装了拉紧绷绳，保证烟囱不发生倒伏事故，确保加热炉的安全稳定性。

1.2 加热炉烟囱绷绳现状

加热炉烟囱绷绳一般为3 根，平面夹角为120°，拉索与烟囱轴夹角不小于25°，拉绳应使用钢丝绳，钢丝绳连接应使用绳卡。当钢丝绳直径d<18mm 时，钢丝绳卡数量为3 个；当直径在18mm≤d＜26mm 时钢丝绳卡数量4 个。钢丝绳与地锚连接处应露出地表，同一地锚不可连接两个烟囱拉绳。

2 现场中存在的问题及原因分析

2.1 存在的问题

拉紧烟囱绷绳的操作过程需要两个人进行，由于滑杆螺丝紧固距离相对较小，当其旋紧到位后，只能对每条绷绳重新进行调整。整个操作过程需要松紧9个绳卡子18条螺丝，人工拉紧钢丝绳，很难拉紧到位。如果绷绳紧固不及时，在恶劣天气下，烟囱受力不均，易造成烟囱从根部的损坏，甚至导致出现烟囱倒伏事故的发生，存在很大的安全隐患[2]，需要定期对加热炉烟囱绷绳进行紧固。

在试验过程中发现，由于加热炉长期处于室外，滑杆螺丝和绳卡螺丝易发生锈蚀现象，从而导致拆卸困难，增加了操作难度。根据加热炉烟囱绷绳现场紧固时间调查（表1）来看，紧固绷绳的操作时间根据设备的不同，时间控制在20～40min内，最长用时达到42min/次以上，降低工作效率。

2.2 影响因素分析

通过对研究区域各站跟踪调查，影响绷绳松动的原因有两点：研究区域地质条件差，易造成下地地矛的上移，会影响绷绳松紧度；四季气候温度变化加大，加热炉设备基础下沉，造成绷绳松动。

表1 加热炉烟囱绷绳现场紧固时间调查

2.3 绷绳拉紧分析

1）普通的绷绳紧固组件的受力方式属于上下拉伸受力，需要较大的人为外力拉拽，连接部件及固定部件较多，并受外界因素影响。

2）改装原绷绳紧固组件无固定紧固工具，紧固劳动强度较大。

3 技术对策研究

3.1 改变绷绳的工作方式

借鉴井下作业车的钢丝绳滚轮装置和手摇绞盘装置，使用滚轮接触均匀受力，将钢丝绳缠绕在中间固定件上，采用绳卡子与中间旋转轴紧固连接[3]。钢丝绷绳与中间转动固定件没有硬性接触，不能造成钢丝绳的损坏。

3.2 新的力学结构，改变拉紧方式

借鉴重型滑杆套筒扳手的杠杆加力原理，改变原来没有固定工具的拉紧方式[4]。选中间轴一端，设计加力装置，该装置为圆柱形构件，对称均布四个圆孔，放入杠杆加力，圆柱形构件后端设计成圆柱孔与中间轴采油焊接连接。

综上所述，通过对绷绳工作方式的改变及采用新的力学结构改变拉紧方式，得出一种新型的绷绳快速拉紧装置（图1）。

图1 新型绷绳快速拉紧装置示意图

4 自锁式绷绳快速拉紧器的研制

4.1 主体部位构成确定

主体部位由旋转滚轮缠绕式和旋转杠杆加力式结合构成，采用侧板和底板设计成“U”字型支架，底板为普通钢板，侧板上部设有与各部配件配合的孔槽。在两端侧板的中心孔处穿入一根中心管，中心管一端穿入绷绳钢丝绳，用来固定和转动加紧绷绳；另一端是旋转架与中心管焊接，在旋转架四周均布四个适宜的圆孔，使用与旋转架圆孔配套的转轴加力杆来转动旋转架，带动中心管360°转动，达到旋转加紧烟囱绷绳的目的。采用绞盘式滚轮旋转缠绕钢丝绷绳，稳定性好，工艺简单；采用杠杆加力，转动旋转装置及中心管，降低劳动强度。

4.2 优选固定装置连接方式

在原有地锚的基础上，采用地锚和钢板进行固定，添加转换接头装置。由底座固定连接方式示意图可见（图2），将底座固定连接方式分成了2 个部分，一个是主体部分与底座转换接头的连接方式，采用螺纹式连接；另一个是底座转换接头与下地地锚连接固定方式，采用套管式连接。中间转换接头上部为螺纹连接，下部为略大于地锚管外径的套管连接，并进行加固焊接，在其螺纹连接处加设一背帽锁紧装置，确保装置整体的稳固性[5]。

图2 底座固定连接方式示意图

主体与转换接头之间采用的是螺纹连接，需要在主体部位的下端连接一个带有螺纹丝扣的油管接头[6]。截取日常生产中报废的N80 油管完好部分进行加工，油管一端重新进行螺纹加工，该部件上部无螺纹端与主体部位焊接，下部螺纹端与下部转换接头连接，降低装置成本费用。

4.3 装置限位方式的选择

自锁式绷绳快速紧固器的主体受力旋转部位为一个缠绕拉紧绷绳作用的中心管，中心管本身并不具备锁死功能，只能受外力旋转拉紧，当烟囱绷绳加紧到一定程度，存在反作用力，带动中心管反转，造成绷绳回到松弛状态。中心管转到适宜位置时，需要锁定限位装置对其固定，确保中心管不再转动，确保烟囱绷绳始终处于拉紧状态。

限位固定装置是该装置的核心部分，针对主体部位结构特点和旋转方式，最终确定棘轮锁定方式。借鉴抽油机辅助刹车装置的原理，在中间旋转加力轴的两端设计棘轮装置，并设有限位棘爪装置，限制并锁定棘轮，其优点是双棘轮棘爪锁定牢固稳定，操作快捷简单[7]。

借鉴现有的游梁式抽油机辅助式刹车的棘轮棘爪锁定结构，设计该装置的锁定自锁装置，由棘轮棘爪限位装置设计图（图3）可见，在旋转的中心管两端各设有一个棘轮，随旋转的中心管同时转动。在棘轮的上端设置自重锁死棘爪，采用螺钉固定，实现将棘轮锁死在任意位置，在连锁作用下，限制中心管旋转，达到装置限位锁定功能。

图3 棘轮棘爪限位装置设计图

5 对策实施及实施效果

5.1 筛选装置各部位材料

针对该装置的特殊性，通过对每一个部位的材质进行分析，根据不同的形状及受力特点进行了各部位材料的筛选。

在材料筛选的过程中，采用了日常石油开采生产现场常用的几种钢材材质，分别为Q235#钢、45#钢和N80 钢油管等，针对不同材质的优缺点[8-10]以及经济性制定了各部位材料筛选方案（表2）。

表2 各部位材料筛选方案

5.2 完整结构设计组合

在主体部位架构、中心管、旋转架、油管接头、背帽锁紧装置、固定装置转换接头、锁定棘轮棘爪限位装置等配件制作完成后，将“U”字型的支架作为支撑架，中心管穿入中心孔，并在中心管的一端与旋转架焊接。把棘轮安装在中心管两端，随同中心管转动，并在“U”字型支架两端，棘轮的上端，装上棘爪限位装置。在装置下端的固定装置与“U”字型底板进行焊接，将各分解的各零部件连接成为一个整体，完成自锁式绷绳快速拉紧器整体构造（图4）。

图4 自锁式绷绳快速拉紧器整体实物图

5.3 实施效果

1）自锁式绷绳快速拉紧器整体制作完成后，在研究区域H11、H12 站进行了安装试验，紧固绷绳的时间分别由42min 下降至3min、由36min 下降至3.5min，大大的缩短了烟囱绷绳的紧固时间。研究区域共计安装了10 台次，紧固绷绳的操作时间大幅的缩短，平均操作时间达到3min。

2）自锁装置的主体部分采用报废的N80 油管制作，每台大约节约材料费用500 元，本次实验研制及推广使用50台，共节约费用2.5万元。

6 结论

1）自锁式绷绳快速拉紧器的研制与安装，大幅度缩短了员工紧固加热炉烟囱绷绳的操作时间，降低了员工的劳动强度。

2）自锁式绷绳快速拉紧器的研制与安装，提高了加热炉烟囱在生产运行中的安全稳定性，确保了设备的平稳运行。

3）该装置立足现场需求，主体采用废料制作，投入少，利用高，可以在采油生产单位推广使用。