绞车滚筒“咬绳”原因与对策研究

王锡斌，宋 勇，曲博林

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司辽河钻采装备分公司，辽宁盘锦 124010）

0 引言

钢丝绳使用的安全性和使用寿命是长期以来受到关注的问题，因钢丝绳损伤和破断产生的重大事故时有发生。钢丝绳咬绳是指修井机钢丝绳缠向绞车滚筒时，相邻两圈钢丝绳不是按顺序缠到滚筒上，而是出现了相交，钢丝绳从相邻钢丝绳的表面擦过，落入位置，在压力作用下钢丝绳丝与丝之间相互嵌入，产生滑移，造成的剪切现象。咬绳会加剧钢丝绳的磨损，一般发生在多层卷绕的绞车滚筒上。出现咬绳现象的原因很多，一般要重点关注以下方面。

1 倾斜角

卷绕倾斜角有两种，一种是快绳与已缠绕的邻圈钢丝绳所形成的倾斜角（β 角和α 角），一种是快绳进天车快轮的倾斜角。

1.1 快绳与已缠绕的邻圈钢丝绳所形成的倾角

对于有里巴斯槽（Lebus）的滚筒，当第二层钢丝绳缠绕时，每卷绕一周就有2 个跨越点，可称为节点，在节点处，绕入的钢丝绳不再只对下层钢丝绳产生压力，而是首先对已卷绕在滚筒上的邻圈产生压力。在钢丝绳绕过节点的瞬间，由张力产生的压力先作用在相邻钢丝绳表面。钢丝绳都是由很细的钢丝绕成的，在压力作用下，丝与丝之间相互嵌入、滑移，产生了剪切运动，造成了咬绳。

如图1 的滚筒卷绕方式所示，第一层钢丝绳沿卷筒绳槽排满后，快绳与已绕入的邻圈钢丝绳呈一定角度，称为β 角（图1a）。从图上可以看出，此时在节点处快绳与已卷绕在滚筒上的邻圈钢丝绳表面接触面积很小甚至不接触，快绳与邻圈钢丝绳不会产生很大压力，能够安全地落入到下层钢丝绳的绳槽内。快绳过了滚筒与快绳轮的垂直线O1-O2后，快绳与已绕入的邻圈钢丝绳呈一角度（与β 角相反），称为α 角（图1b）。从图上可以看出，α 角出现后，快绳与已卷绕在滚筒上的邻圈钢丝绳表面接触面积加大，钢丝绳丝与丝之间在压力的作用下相互剪切，也就是所说的“咬绳”。该α 角随着钢丝绳轴向移动而不断增大，咬绳也越来越严重。

图1 一般的滚筒卷绕方式

正确选择钢丝绳在卷绕过程中的轴向位移方向，即选择第一层钢丝绳的起绳端，对第二层钢丝绳是否产生咬绳关系极大。如果把滚筒钢丝绳排列成如图2 所示，就能减小α 角，增大β角，这样也就减小了在节点处快绳与邻圈钢丝绳的接触面积，钢丝绳张力所产生的压力基本作用在下层钢丝绳上，不会产生剪切，也就基本消除了咬绳现象。从图2 可以看出使绞车滚筒第一层钢丝绳的起绳端与天车快绳轮在滚筒纵向中心线的同一侧，第一层钢丝在里巴斯槽的作用下能够安全排列，而在排列第二层钢丝绳时则能够在过节点时减少剪切面积，减轻咬绳。实践证明，如果作业时仅起放一根油管，此种排列的滚筒钢丝绳比图1所示的钢丝绳寿命能够延长2～3 倍。

图2 理想的滚筒卷绕方式

多层卷绕的钢丝绳也可采取定期截头的方法，即先把新钢丝绳有意识地多放2～3圈的长度，以后按情况定期从绳端截去半圈，实质上是不断地移动节点，避免钢丝绳在同一节点处损伤，从而延长整条钢丝绳的使用寿命。

1.2 快绳进天车轮的倾斜角（偏心角）

快绳进天车轮的倾斜角，俗称偏心角λ，是指钢丝绳绕到绞车滚筒的最边缘处和天车快轮与筒的中心线所形成的角，或者是通过快轮与滚筒轴垂直引线形成的角，如图3 所示，其中H 为天车快轮轴到滚筒轴之间的高度，L 为滚筒槽距。偏心角不仅影响钢丝绳在绞车滚筒上缠绕时咬绳，还影响钢丝绳在滚筒上缠绕是否整齐。偏心角有一个界限，无论是有槽滚筒还是无槽滚筒，当滚筒直径特别大时，偏心角λ 最大为1°30′；当没有辅助手段时，为了使钢丝绳在缠绕时能顺利地在滚筒法兰盘处返回，并缠绕整齐，偏心角要控制在0°30′以内。

一般说来，当滚筒转速＞100 r/min 时，选λ<1°15′；当滚筒转 速＜100 r/min 时，λ<1°30′。也就是当H 为100 m 时，L 必须在0.873 m 以内，对于控制钢丝绳在滚筒上排绳和咬绳有重要意义。从图3 可以看出，偏心角λ 的大小可以通过绞车滚筒的长度、井架高度、滚筒纵向中心与天车快轮中心的相对位置来控制。在设计过程中要认真计算、统盘考虑来确定这几个参数。

图3 偏心角λ

2 钢丝绳

2.1 钢丝绳捻向对咬绳的影响

钢丝有左捻与右捻之分，由于钢丝绳内应力的原因，右捻的钢丝绳向左向绕、左捻的钢丝绳向右向绕比较好。否则有可能绕不起来，容易产生不好卷或者卷乱，造成钢丝绳在滚筒上相互挤咬，这种现象在钢丝绳越粗或者钢丝绳与滚筒的相对直径越小时，表现越明显。一般认为不同捻向的钢丝绳在滚筒上的缠绕应如图4 所示进行，对于单层缠绕的滚筒，图4 对减轻钢丝绳咬绳具有重要意义，对于多层缠绕的滚筒意义不大，但从解决主要矛盾的方面来讲也有一定的指导意义。

图4 不同捻向钢丝绳在滚筒的缠绕方向

2.2 钢丝绳绳芯对咬绳的影响

钢丝绳的绳芯分为金属芯、矿物芯、天然纤维芯和合成纤维芯四种，后三种又统称为纤维芯。金属芯能增加绳的抗压能力，因而它具有较大刚性，但却使钢丝绳的弯曲性能降低，因而对排绳不利。纤维芯能提高钢丝绳的弯曲性能（即增加钢丝绳的可绕性），而且能储存大量的润滑油，从而确保钢丝绳在工作时，内部有足够的润滑，并能防止钢丝的腐蚀，从而对排绳有利。

3 里巴斯槽

现代滚筒多采用里巴斯槽，其结构如图5 所示。由于滚筒有槽，钢丝绳大部分作环状缠绕，并在180°对侧有两次跳槽。里巴斯槽的开槽尺寸在SY/T 5202—2004《石油修井机》中有明确规定，这里不再累述，但对于斜段长度则没有较明确的叙述，事实上不同的厂家做里巴斯槽时根据自己的实际情况，做的斜段长度也不一致，大致有πD 等不同的长度。在相同槽距（L）的情况下，斜段长度决定了它与直段的角度，此角度在设计时要根据井架高度、滚筒长度、天车快轮与滚筒的相对位置等各因素来综合衡量。

图5 里巴斯槽结构

4 钢丝绳内应力

钢丝绳在加工制造过程中不可避免地会产生内应力，这种内应力在钢丝绳长期放置后会经自然时效消除，但对于出厂时间不长即使用的钢丝绳，应人工释放内应力，俗称破劲，否则钢丝绳在在缠绕的过程中会旋转，加剧咬绳现象。破劲的方法是：截取所需长度的钢丝绳，一端系上麻绳，麻绳另一端系在机车上，用机车在干净路面上拖动钢丝绳2～3 km，使钢丝绳释放的内应力消化吸收到麻绳上。

5 井架与绞车的制造、安装

井架与绞车的制造和安装精度直接影响到了缠钢丝绳与快绳的倾斜角。对车装钻修机而言，绞车滚筒轴横向中心线必须平行于井架下体与后支架两安装轴孔的中心线，井架纵向中心线必须与主车纵向中心线在垂直面上重合，否则会影响到天车快轮的位置，从而影响到α 角、β 角的大小。

6 其他因素

影响咬绳的其他因素还有绷绳松紧度、车体水平度、绞车滚筒两端水平度等，双节井架下体承载机构的水平度也是影响咬绳的重要因素。

7 结语

影响钢丝绳咬绳是多因素的，它与快绳的倾斜角、钢丝绳捻向、里巴斯槽、钢丝绳内应力的释放、井架绞车的制造安装精度等有关，在设计、制造、安装过程中处理好上述影响咬绳的主要因素，对于减轻绞车滚筒钢丝绳咬绳、延长钢丝绳的使用寿命、提高钢丝绳使用的安全性具有重要作用。