浅析水下炸礁船潜孔钻机套管自动拆卸技术

◎ 任春刚 广西新港湾工程有限公司

1.引言

疏浚工程是指采用挖泥船、炸礁船、其他机具以及人工进行水下挖掘，为水域拓宽和挖深而进行的土石方工程，在规定的范围和深度内挖掘航道和港口水域的水底泥、沙、石等并加以处理的工程。疏浚工程是开发、改善和维护航道、港口水域的主要手段之一。

水下炸礁船的工作是在水下坚硬的礁石上钻孔，达到设计标高及超深需求后再往工作孔里面投放炸药，通过引线引爆炸药，对礁石进行定向爆破，从而达到可挖掘性的碎石。但在钻孔过程中，由于地质地貌的不同以及岩土的层高差异，导致覆盖层厚度不一，岩石高度不一，在设计底标高不变的情况下，每排钻孔深度也不同，在钻孔作业中，每排下套管的长度就不同，导致在作业中就需要频繁拆卸钻机套管。拆卸套管是钻机手操作中最烦琐和最繁重的工作，目前在水下爆破施工行业拆卸套管都是借助扳手、管钳、撬棍等一些人力工具来实现的，由于在钻孔施工工程中套管随着上部液压缸的压力及钻杆逆向旋转的回转力，因此套管接头之间会卡得很紧密、停放久了以后，生锈时或更严重的时候还得烤火加热。这种手工拆卸套管和钻杆的操作，不仅劳动强度大，工作效率低，而且存在严重的安全隐患，伤人事件也常有发生，同时夹具不牢固时，套管还会脱落水中丢失。

2.船用潜孔钻机发展

潜孔钻机五十年代初由苏联引进国内，六十年代潜孔钻机在我国进一步发展，许多小露天矿采用潜孔钻机，七十年代中期，我国中小矿使用潜孔钻机进行深孔爆破技术，并取得了一定的初效。同时代661工程指挥部开始将潜孔钻机试用于水下施工[1]，八十年代河北宣化地区逐步形成自有设计生产企业，并在该地区逐步形成产业规模扩大至全国，1981年柳州航务工程处自行研制了自升式航道钻机船[2]，1987年伴随着南宁航道处“桂钻6船”[3]的下水，拉开了内河潜孔钻机船的序幕，伴随着祖国改革开放及国内沿海港口经济的发展，一些大型航电枢纽建设、高等级航道的整治工作提上了发展日程，因此，船用潜孔钻机的发展应运而生。

3.传统船用潜孔钻机组成[4]

（1）钻架。钻架是钻孔构件的支撑和导轨。钻架的高度决定钻机的一次钻进深度，钻机是安装在船舷外施工，所以要求重量尽可能轻。为了起吊钻杆和套管，还设置了两套辅助卷扬机。

（2）回转器。回转器是使冲击钻头旋转的机构，搅动冲击后的碎石，回转器通常由两种类型，一种由电动机和齿轮减速机组成。另一种由单液压马达或双液压马达驱动减速箱方式。

（3）卡盘。卡盘是水下钻机的特有机构，卡盘由油缸拖动做上下运动，用于将套管压入覆盖层和套管的提起（覆盖层内）。

（4）套管。在钻孔和装药过程起导向作用的，保证钻孔成孔率。

（5）钻杆。钻杆既是冲击器压力空气的通道，也是对冲击器传递轴压和扭矩的机件。钻杆与套管之间的空间大小，关系到钻孔内排渣（碎岩石）的流速。钻成的孔与钻杆的间隙，太大时稍大的岩石会溜回孔底，造成重复破碎，太小时稍大的岩石排不出来。

（6）接头。联接冲击器和加长钻孔深度的联接方式是接头，接头的型式和冲击器的接头一样，是采用美国石油学协会API 23/8”锥形螺纹联接。

（7）冲击器。潜孔冲击器工作原理是，压缩空气通过钻杆驱动潜孔冲击器高频冲击来破碎岩石，同时又以压缩空气排渣并清洗孔底的钻孔方法。通过不断改变进排气方向，实现活塞在气缸内的不断往复运动，从而不断反复冲击钻头。

（8）液压系统。液压系统采用集中供油的方法，带有自动卸荷的功能，减少了故障的发生和降低了能源消耗。液压系统要求在8—12MPa下使用。

（9）气动推进部分。钻机的推进加压是用气缸来保证的，气缸和电气控制协同工作来保证推进的连续性。在钻机的钻进中，调整高压减压阀的输出压力来保证轴压的大小。

（10）电气系统控制。主回路是让电器设备执行动作的电路系统。控制回路是控制主回路动作的方法的电路系统。如：钻机的小操作箱内的线路，一般情况下，控制系统的电压为24 V的安全电压。

（11）电源电压。钻机船机电设备的电源电压有2种（DCAC)，5个电压等级：

1)AC380V 线路对各类机械设备供电。

2)AC220V线路主要对照明系统供电。

3)AC24V施工设备的控制和操作电源。

4)DC24V内燃机系统和船舶应急照明。

5)DC12V部分通讯设备和一些仪器。

4.存在的问题

在设计底标高不变的情况下，每排钻孔深度也不同，在钻孔作业中，每排下套管的长度就不同，导致在作业中就需要频繁拆卸钻机套管。由于钻杆钻进时是顺时针正钻，套管螺纹方向向左可以避免松脱掉落下海，但套管随着上部液压缸的压力及钻杆逆向旋转的回转力，因此套管接头之间会卡得很紧密，利用管钳、撬棍等一些人力工具手工拆卸套管的操作，不仅劳动强度大，工作效率低，而且存在严重的安全隐患，伤人事件也常有发生，因此迫切需要设计一套符合施工条件的自动拆卸装置。

5.施工条件限制及技术要求

设计的自动化装置必须满足以下条件：

（1）施工船舶有多台钻机，机架之间距离约在2.5m左右，抛开机架本身宽度1.4m，实际两台机架之间距离仅在1.1m左右，设备安装空间受限。

（2）操作的机手一般在钻机左侧操作控制机器，改进装置只能占用钻架前部及右侧位置。

（3）被拆卸套管属于管状物，必须满足旋转拆卸要求。

（4）拆卸装置不能过大，且不能影响操作人员使用。

（5）拆卸装置扭力满足最大拆卸需求。

（6）拆卸装置自动化程度要高，避免出现鸡肋。

（7）操作方便，安全高效。

6.解决方案

设计思路及方案1：利用电机驱动专用套管接头方式。

设计思路及方案2：利用外置液压驱动扳手进行拆卸。

设计思路及方案3：设计上下液压回转钳替代原有卡盘功能及位置。

经过多次设计及讨论、加工、试验，最终方案1、方案2因不能同时满足上述基础条件限制而被迫终止，并对方案3进行细化和试验，最终形成炸礁船潜孔钻机拆卸套管装置。其组成构件包括卡盘座1、滑座2、液压动力钳3、滑轨4以及滑架5（详见图1）。组成构件的结构的连接关系为：滑座、液压动力钳分别用螺栓固定在卡盘座的背面和正面，滑座上的尼龙衬板与滑架上的滑轨相接触，滑轨固定焊接在滑架上。滑轨是型材方管，本装置是通过滑座上的尼龙衬板沿着滑轨滑动，滑轨与滑架固定焊接。卡盘座是由升降耳板焊接在卡盘座底板上组成，滑座由滑座底板、滑座肘板、滑座腹板、滑座面板和尼龙衬板组成，所述滑座底板与卡盘座底板用螺栓固定连接，滑座底板和滑座面板通过滑座肘板焊接固定，滑座腹板都与滑座底板、滑座肘板、滑座面板焊接固定，尼龙衬板与滑座腹板固定连接。

图1 炸礁船潜孔钻机拆卸套管装置的主视图

液压动力钳由旋转主钳、夹紧背钳、前导杆总成、后导杆总成、液压马达和尾把总成组成，所述液压马达通过连接座与旋转主钳固定连接，尾把总成与夹紧背钳、后导杆总成固定连接，旋转主钳和夹紧背钳分别与前导杆总成、后导杆总成固定连接，旋转主钳和夹紧背钳之间的距离通过前导杆总成和后导杆总成来调节。

7.工作原理

由本船自带的液压动力设备给液压动力钳3的液压马达提供动力，由液压马达的动力输入轴总成的齿轮带动双联齿轮总成的双联齿轮转动，双联齿轮总成的双联齿轮带动挂挡机构总成的齿轮转动，挂挡机构总成的齿轮带动介轮总成的介轮转动，介轮总成的介轮带动开口齿轮转动。经挂挡机构总成实现两级或一级减速后，产生高低两种转速，带动旋转主钳的开口齿轮转动，从而带动套管旋转。开口齿轮转动时，其中旋转主钳的腭板架在制动盘的制动作用下先不转动，使开口齿轮与腭板架之间有个相对运动，这样腭板的两个滚轮就会在坡板上爬坡，并迫使腭板上的牙坐向套管中心移动，直至牙块咬紧套管或钻杆，然后与开口齿轮一起带动套管转动。液压马达可以正传或反转，从而实现套管和钻杆的上紧或卸下。

旋转主钳夹紧套管后由液压马达带动套管正传或反转，起到上扣、卸扣套管的作用。夹紧背钳夹紧下面的套管，是靠动力油缸推动齿条柱作直线换向运动，齿条柱塞带动双齿轮转动，从而实现鄂板架旋转爬坡，达到夹紧或松开套管或钻杆的目的。

液压动力钳3（详见图2）中的前导杆总成3－3、后导杆总成3－4不仅连接旋转主钳3－1和夹紧背钳3－2，还可起到调节旋转主钳3－1和夹紧背钳3－2间距的作用。

图2 液压动力钳主视图

8.结论及成果

水下炸礁船施工作业拆卸套管装置，替换原有的卡盘设计，本机构不仅能拆卸套管，在不同工作直径下对拆卸钻杆同样有效。

针对详细设计已经加工出了首套水下炸礁船施工作业拆卸套管装置进行现场实地试验，经过多次部分小工艺修改及参数调整，使用情况良好，将原本二十分钟左右的拆卸作业时间，缩减到十几秒，全程自动化操作，无需再用其他工具及人工辅助，大大提高了施工作业效率，减少了劳动强度及提高了操作的安全性，达到了当初设计目的与要求，改变了传统炸礁船水下潜孔钻机的组成，解决了痛点，提高了疏浚行业内水下炸礁船潜孔钻机的自动化水平，并获取了《用于水下炸礁船施工作业拆卸套管和钻杆的装置》的实用新型专利证书，水下炸礁船施工作业拆卸套管装置应用前景非常大，也是今后水下潜孔钻机自动化发展的一种趋势。