锤击由壬扳手结构研究进展

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(1.国家油气钻井装备工程技术中心，陕西 宝鸡 721002；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002； 3.西南石油大学 机电工程学院，成都 610500)

锤击由壬是一种常用的管道连接部件，因其具有安装拆卸方便、维护简单的特点，目前已经广泛用于石油钻井、固井、压裂酸化等作业设备中。在钻井现场，立管管汇、泥浆系统、高压管线、节流管汇等都有锤击由壬的使用[1]。近年来，随着致密油、页岩气等非常规油气藏的规模开发，压裂技术得到广泛推广，压裂井口、压裂头与压裂管汇的连接亦使用了大量的锤击由壬。

在现场作业过程中，由壬接头的安装和拆卸作业基本依靠人工锤击。首先通过人力将翼形螺母拧紧，再使用大锤对翼形螺母外缘的3个凸耳敲击进行紧固。这种作业方式的劳动强度大，且存在物体打击等安全风险，容易造成作业人员人身伤害[2]。长期对翼形螺母的锤击还会使翼形螺母凸耳发生严重变形，如图1所示。锤击还会加剧翼形螺母产生裂纹。这些因素会大幅降低由壬接头的使用寿命。Halliburton公司发明了一种无需切割管路即可更换的翼形螺母[3]，但是这并没有从根本上解决螺母的使用寿命问题。

图1 锤击由壬凸耳变形情况

鉴于现场作业存在的问题，人们开始思考如何更安全、高效地完成由壬安装、拆卸这项工作。于是，各种工作方式不同，能够有效提升由壬安装效率及安全性的由壬扳手应运而生。本文通过介绍国内外由壬扳手的发展现状，分析典型产品的结构和工作原理，为国内相关企业进行由壬扳手的研制提供参考。

1 国外发展现状

1.1 美国Torq/Lite公司的HU TOOL液压由壬扳手

美国Torq/Lite公司是世界著名的液压工具制造商，其研制出的HU TOOL液压由壬扳手[4-5]结构如图2所示，由标准的液压扭矩扳手泵提供动力，适用的管路直径为44.45～165.10 mm(1～6英寸)。

1—杠杆；2—支点销轴；3—弹簧；4—连杆；5—锁销；6—颚钳Ⅰ；7—销轴；8—颚钳Ⅱ；9—压头；10—扳手柄；11—液缸。

HU TOOL液压由壬扳手配套有可更换的扳手头，以适应不同规格锤击由壬的安装和拆卸作业。液压由壬扳手的使用方法为：

1) 打开锁销，使颚钳Ⅰ张开。

2) 将扳手放到由壬接头的管路上，压头抵住翼形螺母的一个凸耳，颚钳Ⅱ与管路贴合，关闭颚钳Ⅰ。

3) 将锁销扳回，颚钳Ⅰ与颚钳Ⅱ将管路卡入，弹簧提供一个初始张紧力。

4) 进行操作，使液缸的活塞杆伸出，一方面，活塞杆的伸出使杠杆绕支点销轴旋转，随着杠杆的旋转，通过销轴与杠杆下端相连的连杆给锁销提供一个拉力，从而使得颚钳Ⅰ与颚钳Ⅱ顶部的间隙减小，颚钳Ⅰ与颚钳Ⅱ将管路逐渐抱紧，防止发生相对转动。另一方面，活塞杆的伸出必然使得扳手柄相对液缸产生转动，而扳手柄的前端轮廓及T形槽与颚钳Ⅱ顶部外轮廓及T形轨道配合，从而限制扳手柄按照预先设计好的轮廓进行滑动，连接在扳手柄上的压头跟随扳手柄一起运动，从而压动凸耳并带动翼形螺母转动。

5) 进行操作，使活塞杆缩回，此时压头和凸耳保持相对静止，而连杆通过杠杆的作用带动锁销放松，进而使颚钳Ⅰ与颚钳Ⅱ抱紧的管路松开，颚钳Ⅱ沿扳手柄配合面滑动转动一个角度，相当于完成了棘轮扳手的回程，如此往复操作，从而完成翼形螺母的安装和拆卸。

1.2 美国WEIRSPM公司的Safety Hammer气动由壬锤

美国Weir SPM公司作为全球油田作业泵及流体控制设备的佼佼者，其生产的Safety Hammer气动由壬锤[6]如图3所示，采用压缩空气作为动力源，推荐压缩空气的最低压力为0.62 MPa(90 psi)。

1—开关；2—鹅颈；3—空气锤；4—适配器；5—凸耳卡口；6—锤头；7—手柄。

Safety Hammer气动由壬锤配套有不同型号的适配器，以适应不同规格锤击由壬的安装和拆卸作业。使用方法为：

1) 将空气锤和适配器组装成一体，并用挡圈固定，接好压缩空气管线。

2) 将适配器上的凸耳卡口卡住翼形螺母其中一个凸耳，一手按住手柄，另一只手握住鹅颈部位。

3) 按下开关，锤头在空气锤的作用下不断捶打翼形螺母的凸耳，从而完成由壬的安装和拆卸作业。

空气锤的规格是通过对比人工使用2.72 kg(6磅)大锤锤击由壬测试结果进行优选的，保证气动由壬锤可以满足现场作业要求[2]。锤头是Safety Hammer气动由壬锤的易损件，锤头损坏后需要及时进行更换。

1.3 加拿大HUWE公司的HUWE由壬扳手

总部位于加拿大卡尔加里的HUWE公司在石油和天然气钻井、完井服务及定制设备的设计和制造方面积累了丰富的经验。该公司制造的HUWE扳手[7-8]已经获得了近20个国家的专利授权。HUWE系列由壬扳手的结构如图4所示。

1—加长手柄；2—安全链；3—锁销；4—扳手头；5—凸耳卡口；6—凸耳卡槽。

HUWE系列由壬扳手是1种手动由壬扳手，它的结构非常简单，主要包括1个扳手头和1个加长手柄。扳手头是铸钢整体式结构，经特殊热处理而制成。使用方法为：

1) 将扳手头的凸耳卡口完全卡住翼形螺母的1个凸耳，凸耳卡槽3面卡住另1个凸耳。

2) 将加长手柄装入整体式扳手头的柄部，插入锁销，防止加长手柄和扳手头滑脱，即可进行由壬的安装和拆卸作业。

HUWE系列由壬扳手目前有12种整体式扳手头，适应的由壬尺寸为50.8～152.4 mm(2～6 英寸)，如表1所示。同时有609.6 mm(24 英寸)、914.4 mm(36英寸)、1 066.8 mm(42英寸)、1 168.4 mm(46英寸) 4种加长手柄供用户选择。目前，HUWE系列由壬扳手在国外某些公司已经得到了规模化应用。

表1 HUWE系列扳手头适用由壬规格型号

1.4 美国Concentric公司的SSWS安全手动大钳

美国Concentric Pipe and Tool Rentals作为一家能源服务公司，是常规井和水平井完井的主要租赁服务提供商。Concentric公司的SSWS[9](Superior Safety Wrench System)超级安全手动大钳结构如图5所示。

1—伸缩手柄；2—安全销；3—锤座；4—钳头。

SSWS超级安全手动大钳的钳头顶端留有略大于适用管汇外径的开口，钳头内圈加工有多个凹槽，使用方法为：

1) 将钳头开口套入管路，然后将翼形螺母的3个凸耳卡在凹槽内。

2) 人工操作手柄进行翼形螺母的安装和拆卸作业。

钳头与手柄连接部位安装有方便拆卸、更换的锤座。大钳手柄是可伸缩加长结构，可以在设定位置通过安全销锁住。伸缩手柄的尾端加工有一个锤头，当需要进行锤击时，可将伸缩手柄直接从固定手柄中抽出，然后对锤座进行锤击。

SSWS的钳头部分是铝制的，大幅降低了大钳的整体质量，方便现场作业人员随身携带，尤其适合需要进行上下攀爬作业的场合，可以有效降低人员劳动强度，提高作业的安全性。此外，Concentric公司正在研发SSWS的气动版本。

1.5 加拿大NELSEN TECHNOLOG IESINC公司的由壬扳手

加拿大NTI(NELSEN TECHNOLOG IESINCNELSEN)公司可以为客户提供钻机高压管汇服务，其制造的由壬扳手[10]如图6所示。

图6 NTI公司的由壬扳手

NTI公司的由壬扳手在使用使用方法为：

1) 将扳手头部通过预留开口从由壬一端的管路中套入，使扳手头部均匀布置的凹槽卡住翼形螺母的3个凸耳。

2) 将手柄插入扳手头部预留孔中，上好安全销。

3) 人工进行翼形螺母的安装和拆卸作业。也可以将锤座直接插入扳手头部预留孔中，上好安全销后使用锤击方式进行由壬的安装和拆卸作业，这种锤击方式使得翼形螺母3个凸耳同时承载，有效地保护了翼形螺母，提高其使用寿命。

1.6 美国Mountain Valley Supply公司的由壬扳手

Mountain Valley Supply公司的由壬扳手[11]如图7所示。在使用过程中靠2个侧板之间焊接的卡板卡住翼形螺母的凸耳，通过人力操作完成由壬的的安装和拆卸作业。此产品与其他手动由壬扳手不同的一点在于扳手的上端面开有1个和适配管路配合的弧形槽。此弧形槽具有辅助举升管路的功能，当现场进行由壬连接时，为保证凹、凸接头更好对准，经常需要调整管路，此时可将管路置入扳手弧形槽内，然后靠杠杆作用将管路支起进行调整，同时用另一把由壬扳手将翼形螺母上紧。

图7 Mountain Valley Supply公司的由壬扳手

2 国内发展现状

目前，我国的由壬扳手研制依然处于起步阶段，现有产品主要是某些钻探公司为解决现场问题而制造的一些简易工具，并未对其产生足够的重视。关于由壬扳手专利仍然较少。

1) 长城钻探公司。针对压裂作业过程中高压管汇翼形螺母的安装和拆卸作业，自制了由壬扳手[12]，如图8所示。该扳手是在现场实践中不断总结、改进的基础上研制出来的。现场使用案例证明了在高压作业情况下能够满足使用要求，具有一定的推广价值。

图8 长城钻探公司由壬扳手

2) 胜利油田分公司采油工艺研究院。针对锤击由壬使用过程中存在的问题，研制了由壬钳，分别在修井现场管线快速连接、水泥车高压管线快速连接及注汽管线快速连接等展开了现场试验。该由壬钳可实现锤击由壬的快速连接，能够满足现场使用的需要[13]。

3) 宝鸡石油机械有限责任公司。对国内外相关技术进行了跟踪和研究，目前已经完成手动由壬扳手的制造，即将投入现场验证使用效果。

4) 其他。周轶青等人了提出一种锤击由壬动力拆卸和安装工具[14]。郭俊平等人提出了一种石油钻井用由壬扳手[15]。但是，均未见有产品投入现场应用。

3 技术现状分析

国外已经研发出多款由壬扳手，且均获得知识产权，产品均已经投入现场应用，并在不断完善产品系列。通过对国外由壬扳手进行分析研究可以看出，国外产品针对由壬扳手的材料、设计、制造等过程都进行了大量的基础研究，测试和使用效果同样有数据作为支撑。

1) HU TOOL液压由壬扳手结构较其它产品复杂，设计过程中首先进行运动规律研究，然后进行机构选型，还要结合运动学优选参数，最后通过动力学分析进行参数优化后方可投产样机。HU TOOL液压由壬扳手体现了Torq/Lite公司在此类工具制造领域的技术积累。

2) HUWE系列由壬扳手虽然外观结构简单，但在细节方面，整体式由壬扳手在凸耳固定部分和连杆部分的过渡形状，甚至是连杆的角度、凸耳卡口的角度都具有一个最优值。整体式扳手头的制造通过铸造成型加热处理工艺保证了由壬扳手具有足够的强度和使用寿命。

3) SSWS由壬扳手的钳头使用了铝材，具有更轻便的特点。伸缩手柄可以安装各种不同规格的钳头，在作业完成后可以将由壬钳拆卸，然后装入标准便携手提箱内，如图9所示。

国外产品的诸多细节表明国外公司对由壬扳手的重视提高到了专业工具的高度。

图9 SSWS由壬扳手的便携箱

目前，我国由壬扳手设计和制造水平跟国外存在着较大差距。首先，我国的由壬扳手结构基本都是手动类型，结构简单。在设计阶段虽然也有不断改进的过程，但是少有深入的分析研究。在制造方面，由壬扳手的生产方式依然停留在现场临时制造阶段，与材料、生产及热处理工艺等方面结合较少。这些因素制约了我国由壬扳手的发展及推广。

我国正处于从制造业大国往制造业强国转变的关键时期。国内的石油装备制造厂商、能源服务商、专业工具制造厂商可以结合自身优势，针对不同的现场作业条件，综合人员、材料、工艺等生产要素，推出具有自主知识产权的产品，并尽早实现相关产品的标准化、系列化，有效提高现场作业效率及作业过程的安全性。

4 结论

1) 国外由壬扳手的研制已趋于成熟，形式各异的产品纷纷应用于作业现场。国内对于由壬扳手研究较少，产品样式单一，暂无系列化应用案例。

2) 目前作业现场在用的由壬扳手主要有液动、气动、手动3种类型。在人员劳动强度方面，液动及气动工具相比手动工具更具优势，但是作业时需配置动力源和管线，易受作业现场条件制约。

3) 随着现场锤击由壬安装和拆卸作业对安全性及效率要求不断提高，自动化及轻量化是锤击由壬扳手的主要发展趋势。未来将会有更多操作便捷、适应性强、性能稳定的由壬扳手投入现场应用。