新型安全带安全绳快速分离装置

赵 辉，黄 磊，方永春，邹 超

（西部钻探克拉玛依钻井公司，新疆克拉玛依 834000）

0 引言

钻机二层台助力器是石油钻井必要的作业工具，由井架工独自施工操作。在使用助力器（小绞车）的过程中，一旦钢丝绳与安全带发生缠绕，操作人员无法迅速停止助力器运转，滚筒钢丝绳缠绕拉紧安全带，如果危急情况下不能迅速分离安全带尾绳逃生，将造成人员伤亡的严重事故。快速脱离式安全带挂绳连接器，不仅可以给高空作业者提供保护，还可以保证作业人员遇险时能快速脱离开安全带挂绳，从而撤离现场，降低人身伤害的概率，在钻井施工现场具有很好的推广价值。

1 研究背景

高空作业时，一旦突发井喷事故、着火（爆炸）、有毒气体泄漏等紧急情况，作业人员必须将安全带尾绳的金属扣件从差速器取出才能逃生。但遇到紧急情况时，作业人员难免惊慌失措，取掉尾绳后由于其金属扣件较大，如果作业人员在逃生过程中不能第一时间将尾绳挂在身上合适的位置，安全带的尾绳及尾绳扣件可能会卡在二层台护栏、助力器等物体缝隙及突出物上，影响人员逃生速度。安全带挂绳连接器可以避免以上情况发生，为作业人员争取更多逃生时间，增加逃生的可能性。

2 研制目的

针对二层台助力器控制开关的误碰情况或设备故障，助力器与操作人员安全带发生缠绕，如果操作人员无法停止助力器运转，将造成人员伤亡。为此设计一套保护装置，该装置操作简单灵活、安全性高，可以给高空作业者提供稳定保护，保证作业人员遇险时能快速撤离现场，避免人身伤害。

初步制定设计方案：

（1）安全带锚点高挂低用方案（图1）。设计安全带高挂低用合适的锚点，用差速器+安全带使安全带尾绳保持上拉预紧状态，不与钢丝绳接触。其优点是原理简单；缺点是要在钻机井架二层台上方焊接，连接安全带锚点需要引绳。

图1 锚点高挂低用方案

（2）安全带与尾绳快速分离装置方案（图2）。险情发生时能快速解除尾绳与安全带（人）的连接束缚，规避人员风险。

图2 安全带与尾绳快速分离装置

考虑到实际情况的可操作性，最终选择方案2：安全带与尾绳快速分离装置，即使在设备出现问题、人员慌乱等复杂情况下，也能以最快的速度让工作人员脱离险境。

3 方案介绍

高挂安全带用于吊住高空作业者的身体，防止其意外坠落，从而起到安全保护作用。快速脱离式安全带挂绳连接器（CN102974054A）公开了一种能快速脱离的安全带挂绳连接器，不仅可以给高空作业者提供保护，还可以保证作业人员遇险时能快速脱离开安全带挂绳，从而撤离现场，降低人身伤害的概率。但其存在以下缺陷：①胸前的拉环存在误拉操作的可能性；②脱离操作时需要一定的力度剪断安全销；③安全销不能剪断或安全带受力时（销轴卡死），则分离装置不能实现分离操作；④分离操作速度慢。

本方案针对该项技术提供了一种快速脱离式安全带挂绳连接器，克服上述不足之处，能有效解决现有安全带挂绳连接器存在胸前拉环误拉操作可能性以及分离速度慢的问题。

具体改进措施有：固定座内部设置有凹槽，撞击锁固定安装在固定座的凹槽内，固定座与撞击锁通过螺栓和螺母固定安装在一起。固定座前、后两侧固定安装有固定板，前、后两侧的固定板上分别设置通孔。连接件呈倒U 形，连接件两侧连接杆端部分别设置有销孔，连接件两侧连接杆分别穿过前、后两侧固定板上的通孔，并通过在销孔固定安装柱销将连接件限位安装在固定座底端。连接环一端悬挂在撞击锁的锁钩上，连接环另一端固定连接安全挂绳。固定座一端固定安装螺纹管，螺纹管的另一端与护套通过固定螺母固定连接在一起。护套与快速接头通过固定头固定连接在一起。护套采用空心软管、钢丝管。

该装置设计合理、牢固、使用方便，能为高空作业者提供可靠的安全保障。高空作业者将护套搭在肩头并延伸至胸前，通过打开并拉动快速接头，使得钢丝拉绳触动撞击锁内部的解锁机构解锁，相比现有技术能更有效地解决现有安全带挂绳连接器存在的胸前拉环误拉操作可能性和分离速度慢的问题，保证高空作业者遇险时能够快速脱离安全挂绳，撤离现场，避免人身伤害，具有安全、省力、简便、高效的特点。

如图3～图4 所示，快速脱离式安全带挂绳连接器包括固定座以及安装在固定座上的撞击锁。固定座可拆卸，连接有护套，撞击锁设有解锁机构，解锁机构连接有钢丝拉线，钢丝拉线依次穿过护套、快速接头以及并在末端连接有限位件。限位件可以是金属头，快速接头与护套可拆卸连接。连接件用于将固定座固定在安全带上，固定座与连接件相连。连接件呈凹字形，包括中间连接杆以及与中间连接杆两端垂直连接的两个固定螺栓，固定螺栓端部开设有销孔。护套为空心软管或钢丝管，一端连接固定螺母，固定座连接螺纹管，螺纹管与凹槽内连通，固定螺母与螺纹管螺纹连接；护套另一端连接与快速接头配合的固定头。固定座包括固定板以及垂直固定板的4 个侧耳，依次相连围成容纳撞击锁的凹槽。固定板开设有与固定螺栓配合的第一通孔，固定螺栓穿过第一通孔并通过柱销固定，4 个侧耳中左、右2 个侧耳开设有多个第二通孔，左、右两个侧耳对称开设有避让孔，其中固定板与4 个侧耳一体焊接而成。

图3 固定座与撞击锁连接示意

图4 快速接头与护套连接示意

撞击锁包括壳体和两个相对设置并自壳体伸出的锁钩。壳体形成有多个贯穿孔，螺栓穿过对应的第二通孔和贯穿孔并通过螺母将固定座与撞击锁固定在一起。撞击锁工作原理为：接受连接环的撞击并将连接环锁住，通过拉动钢丝拉线触发解锁机构进行解锁，连接环外接安全挂绳。撞击锁的开闭原理和连接结构如图5 所示。

图5 撞击锁结构

本文设计的新型快速脱离式安全带挂绳连接器使用方法如下：将撞击锁安装在固定座上，并将钢丝拉线从螺纹管穿出，然后安装护套，并使得钢丝拉线依次穿过护套、快速接头并在末端连接有限位件，并通过连接件固定在安全带上，使用者穿戴安全背负使连接器，将撞击锁与连接环相连并外接安全挂绳。使用者将护套搭在肩头并延伸至胸前，在需要紧急下，打开并拉动快速接头，触动解锁机构，从而使得撞击锁与连接环分离。从而实现安全带与安全绳快速分离，让工作人员及时从危险中脱离出来。

4 校核

对快速脱离式安全带挂绳连接器进行强度校核。

对于自由落体运动：

从人跌倒到安全带对人产生作用力，再到人彻底被安全带控制住的整个过程中，重力的冲量为I：

在整个运动的全程中，根据动量定理可得：

由此可得平均作用力为：

其中，F 为落体过程中人受到的平均作用力；m 为人体重量；g 为重力加速度，取9.8 m/s2；t 为安全带开始产生作用力到安全带达到最长伸度的时间；h 为人自由落体的高度，即开始跌落时刻到安全带开始产生作用力时刻之间人的下落距离。

例如，已知一个人的体重为m，安全带缓冲包长度为165 cm，安全带到缓冲包绳锁长度为130 cm（测量钻台使用尾绳），安全带缓冲包展开长度为1.65 m，缓冲时间为t=1.2 s，钻井队使用缓冲包长度可以达到2 m，但是缓冲时间未知，取用常用量1.65 m，缓冲时间按1.2 s 计算即可。

对于平挂平用安全带：h=1.3+1.65=2.95 m；对于高挂抵用安全带：高挂1.5 m 使用，则h=1.3+1.65-1.5=1.45 m。联立式（1）～式（4），计算可得表1。

表1 各种情况下安全带受力

安全带强度需要满足受力最大情况下的需要，即作用力为1638 N 情况的需要，安全带迅速分离装置只要最大能承受1638 N 就可以满足日常需求，而脱扣器最大能承受的作用力为9000 N、大于1638 N，完全满足需求，故此方案可行。

5 应用情况

经过多次测试，本文设计的快速脱离式安全带挂绳连接器装置操作可靠、灵敏度高，控制尾绳脱扣器断开的动作时间仅为1 s。

6 结论

本文设计的新型快速脱离式安全带挂绳连接器结构设计合理、牢固、使用方便，能为高空作业者提供安全保障。高空作业者将护套搭在肩头并延伸至胸前，通过打开并拉动快速接头，使得钢丝拉绳触动撞击锁内部的解锁机构解锁。相比现有技术，本文设计的新型快速脱离式安全带挂绳连接器能有效解决现有连接器存在的胸前拉环误拉操作可能性和分离速度慢的问题，保证高空作业者遇险时能够快速脱离开安全挂绳、撤离现场，避免人身伤害，具有安全、省力、简便、高效的特点。