劉鞏權(quán)，劉鈞亮

一種油氣井用雷管加強帽高精度安全自動化裝填生產(chǎn)線

劉鞏權(quán)1，劉鈞亮2

（1.西安物華巨能爆破器材有限責任公司，陜西 西安，710061；2.長春匯維科技股份有限公司，吉林 長春，130012）

針對油氣井用雷管加強帽生產(chǎn)時存在的產(chǎn)品質(zhì)量可靠性差、生產(chǎn)線安全風險高等問題，介紹了一種高精度安全自動化裝填生產(chǎn)線，論述了生產(chǎn)線原理及主要組成結(jié)構(gòu)，從精度和安全兩方面，探討高精度安全自動化裝填技術(shù)，并進行試驗驗證。結(jié)果表明：該生產(chǎn)線提高了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性及生產(chǎn)線本質(zhì)安全性。

雷管；加強帽；高精度；安全；自動化；生產(chǎn)線

石油民爆器材用于油氣井勘探開發(fā)完井作業(yè)流程，在油氣井開采中起著關(guān)鍵作用。加強帽為油氣井用雷管始發(fā)元件，裝填羧甲基纖維素疊氮化鉛等敏感藥劑。與傳統(tǒng)民爆行業(yè)相比較，其生產(chǎn)工藝技術(shù)較為落后，采用人工稱裝藥劑，質(zhì)量穩(wěn)定性差；此外操作人員直接接觸起爆藥，存在較大的安全風險。為改變油氣井用雷管加強帽生產(chǎn)工藝落后的情況，從藥劑稱量精度和壓藥壓力精度，以及防止靜電積累、設(shè)備誤動作及殉爆等方面，進行了高精度安全自動化生產(chǎn)線研究。

1 自動裝填生產(chǎn)線組成及原理

基于某型油氣井用雷管加強帽的生產(chǎn)工藝過程，研制自動化裝填生產(chǎn)線。該型加強帽裝藥為羧甲基纖維素疊氮化鉛（XX±5）mg及造粒奧克托今（XX±10）mg。羧甲基纖維素疊氮化鉛感度高，流散性較差，密度批次差異較大；奧克托今雖經(jīng)過造粒，但粒度處于6~45目范圍內(nèi)，均一性差。以單純的定容計量方式裝藥，產(chǎn)品合格率低，難以滿足工藝要求。根據(jù)加強帽工藝要求，對其生產(chǎn)流程進行研究，設(shè)計的自動化生產(chǎn)線如圖1所示。

圖1 加強帽自動化生產(chǎn)線流程

系統(tǒng)采用單模生產(chǎn)模式，直線式布局，由間外操作單元、起爆藥稱裝單元、炸藥稱裝單元、壓藥單元、退模剔廢單元、擦模具打蠟單元、自動控制系統(tǒng)等組成。生產(chǎn)前，人工將電極塞裝入加強帽殼中備用，將藥劑上藥至對應(yīng)稱裝單元。自動化生產(chǎn)過程中，人工將加強帽殼裝入模具中，模具通過輸送線自動傳輸，各單元設(shè)備依次完成起爆藥稱裝、炸藥稱裝、壓藥、退模、剔廢、收盒及模具清擦打蠟。

各單元采用獨立裝甲防護，系統(tǒng)整體形成鋼板防護間，實現(xiàn)人機隔離。采用“SIEMENS S7-1500CPU + 觸摸屏”的控制方案，工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET作為總線連接方式，PLC控制器提供連續(xù)控制、順序控制和邏輯控制等控制方式，觸摸屏通過通訊電纜同PLC相連，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線的過程自動控制、工藝參數(shù)監(jiān)控、自動在線檢測、自動剔除廢品、自動故障檢測、自動報警停機、自動安全聯(lián)鎖等功能的高安全、高質(zhì)量的自動化、連續(xù)化生產(chǎn)。系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2 自動化裝填生產(chǎn)線布局

2 生產(chǎn)線精度設(shè)計

2.1 定性分析

加強帽作為油氣井用雷管中的始發(fā)元件，其質(zhì)量可靠性直接影響雷管質(zhì)量，因此自動裝填生產(chǎn)線設(shè)計過程中必須保證加強帽生產(chǎn)過程的精度高可靠性。

故障模式與影響分析法（FMEA）及故障樹分析法（FTA）是廣泛用于可靠性和安全性的評價方法，但傳統(tǒng)的方法是根據(jù)事件發(fā)生的概率來定性分析事件重要性，這需要精確地概率量化大量基本事件，但許多基本事件存在不確定因素，因此在實際工程中很難做到，甚至是不可能做到的[1]，存在很大的局限性。自動裝填生產(chǎn)線研究過程中，受試驗條件及經(jīng)費原因，無法測出每個基本事件發(fā)生概率。因此本文采用袁光杰等提出的一種用于自動生產(chǎn)線可靠性研究的動態(tài)故障分析法[2]。根據(jù)頂事件確定原則，選取“加強帽質(zhì)量可靠性差”作為頂事件，以加強帽主要生產(chǎn)工序作為次頂事件，對相應(yīng)原因分析，確定“起爆藥稱量精度差”、“炸藥計量精度差”、“壓藥壓力精度差”等基本事件危機程度較高，需要在系統(tǒng)研究過程中優(yōu)先考慮，以降低事件發(fā)生概率。

2.2 生產(chǎn)線精度設(shè)計

2.2.1 起爆藥稱量精度設(shè)計

“裝藥”工序是火工品生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝之一。裝藥量一致性、裝藥精度、裝藥速度等工藝參數(shù)都直接影響火工品的質(zhì)量[3]。為保證裝藥速度，生產(chǎn)中通常采用定容式裝藥，而在傳統(tǒng)的定容式裝藥中，裝藥量的準確性除了與定容器具精度有關(guān)外，還與藥劑流散性有關(guān)。在人工裝藥過程中，如發(fā)現(xiàn)藥劑流散性差導致藥量不均的情況，可根據(jù)個人經(jīng)驗進行調(diào)整，但在自動裝藥過程中，通過自動化程序很難進行調(diào)整，最終會影響產(chǎn)品的合格率[4]。羧甲基纖維素疊氮化鉛感度較高，流散性較差，批次密度差異大，采用傳統(tǒng)的定容式裝藥難以滿足高精度要求。因此，筆者采用“定容+線性振動+稱量”[5-6]式設(shè)計，設(shè)備由防爆電子稱、定容裝置、線性振動裝置、稱量裝置等組成。使用1套精度為±5mg的“定容”式裝置稱取95%藥量，2套精度為±3mg并行的“線性振動”式裝置稱取5%藥量，使用2臺高精度電子稱在線復稱藥量，實現(xiàn)起爆藥的高精度（±3mg）稱量，精度主要由“線性振動”式裝置保證。針對2套并行線性振動式裝置，通過自動控制系統(tǒng)控制并行動作，互不干涉，提高生產(chǎn)節(jié)拍。筆者采用線性振動式裝置作為試驗裝置，在相同條件下，稱量羧甲基纖維素疊氮化鉛150份，根據(jù)記錄的稱藥量，進行數(shù)理分析，線性振動次數(shù)與稱量藥量間呈線性關(guān)系，且精度處于±2~3mg，較原生產(chǎn)工藝要求的±5mg，精度提高。如圖3所示。

圖3 線性振動次數(shù)與稱量藥量關(guān)系

2.2.2 炸藥計量精度設(shè)計

為保證炸藥稱裝效率，采用“定容式”計量裝藥設(shè)計。此方法結(jié)構(gòu)簡單、成本低、稱量速度較高，適用于顆粒大小均勻、自流性好、視比重相對穩(wěn)定的物料計量[7]。而油氣井用雷管加強帽裝藥中，造粒奧克托今炸藥顆粒大小均一性差，處于6~45目范圍內(nèi)，單純使用定容式計量裝藥無法滿足±10mg精度要求。

經(jīng)查閱資料，炸藥細化后穩(wěn)定性提高，有利于提高雷管的安全性和可靠性[8]。筆者將造粒奧克托今進行篩分，取30目篩下物。使用篩分后炸藥壓制雷管進行鉛板試驗，并與原試驗結(jié)果進行對比，無明顯差異。筆者使用所設(shè)計定量勺與篩分后造粒奧克托今進行計量試驗，計量藥劑40份，記錄藥量，精度可達±4mg，較原工藝±10mg，精度提高，如圖4所示。

圖4 炸藥計量試驗結(jié)果

進行數(shù)理分析，得到正態(tài)分布曲線如圖5所示。

圖5 正態(tài)分布曲線

根據(jù)計量藥量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，藥量算數(shù)平均值為65.7mg，標準差為1.8，則處于精度±5mg范圍內(nèi)概率為0.991 6。即從概率統(tǒng)計上分析，筆者設(shè)計的炸藥稱裝單元可保證99%以上的合格率。

2.2.3 壓藥壓力精度設(shè)計

火工品壓藥過程中的壓力精度、加壓速度和保壓時間等參數(shù)都對火工品的質(zhì)量有著重要影響。目前，我國火工品廠普遍采用手扳杠桿壓力機、氣動壓力機或秤式杠桿壓機進行小噸位的火工品壓制，這些壓藥方式普遍存在壓力精度及穩(wěn)定性差等缺點，最終導致生產(chǎn)出來的火工品良品率低，且安全隱患多[3]。筆者設(shè)計采用伺服壓機系統(tǒng)，壓力精度小于0.3%，穩(wěn)定性好，調(diào)整壓力方便，保壓時間可調(diào)。同時采用壓力傳感器檢測壓藥壓力，通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)測，出現(xiàn)不合格品時，系統(tǒng)自動記錄信息并在剔廢過程中完成剔廢，保證壓藥壓力精度。

3 生產(chǎn)線安全性設(shè)計

3.1 定性分析

采用袁光杰等提出的動態(tài)故障分析法[2]，根據(jù)頂事件確定原則，選取“自動生產(chǎn)線意外爆炸”作為頂事件，以子單元意外爆炸作為次頂事件，對相應(yīng)原因分析，確定基本事件“靜電積累”、“設(shè)備誤動作”、“殉爆”等危機程度較高，需要在系統(tǒng)研究過程中優(yōu)先考慮，以降低事件發(fā)生概率。

3.2 生產(chǎn)線安全性設(shè)計

3.2.1 防止“靜電積累”設(shè)計

加強帽生產(chǎn)過程中，如因藥劑摩擦、人員動作等產(chǎn)生的靜電未及時導走，易造成靜電積累引發(fā)爆炸事故。因此需在生產(chǎn)線設(shè)計過程中采取消除靜電危害措施，常用措施為抑制和泄放。筆者采用適當減少設(shè)備與加強帽接觸、降低模具運動速度、控制濕度等措施減少靜電的產(chǎn)生；采用防/導靜電材料制作直接接觸藥劑的零部件；通過將各單元金屬部分建立等電位連接，及將設(shè)備接地建立靜電泄流通道等措施，及時將產(chǎn)生的靜電導走。通過多種措施，降低靜電放電危險。

3.2.2 防止“設(shè)備誤動作”設(shè)計

油氣井用雷管加強帽裝填有羧甲基纖維素疊氮化鉛，該藥劑感度高，受到摩擦、震動、撞擊時可發(fā)生爆炸。如生產(chǎn)線使用過程中某單元設(shè)備出現(xiàn)誤動作，易引起爆炸。筆者在生產(chǎn)線設(shè)計過程中，采取充分措施保證系統(tǒng)安全：對易產(chǎn)生撞擊的運動部位，在運動的終點設(shè)置緩沖；對易產(chǎn)生摩擦的運動部位采用專用摩擦副外加防護；對機械手及關(guān)鍵夾緊部位采取雙重檢測，保證動作的可靠；在每個氣動回路中均配置限流器，對各氣缸的運行速度進行控制；通過在裝藥過程中盡量避免藥劑與其它零部件碰撞和摩擦，防止發(fā)生爆炸等危險。同時，由于該生產(chǎn)線為流水生產(chǎn)模式，當其中1個單元發(fā)生誤動作及故障時，自動控制系統(tǒng)必須及時通知所有單元停止動作[9]。在自動控制系統(tǒng)編程時充分考慮上下單元之間，防爆窗、防爆門與設(shè)備之間等的程序設(shè)計；通過現(xiàn)場多種傳感器實時將生產(chǎn)線和產(chǎn)品的信息采集到自動控制系統(tǒng)中，發(fā)生異常時及時有效地自動報警停機、顯示故障點。

3.2.3 防止“殉爆”設(shè)計

在自動化生產(chǎn)雷管過程中，如出現(xiàn)殉爆，易造成整條生產(chǎn)線上的雷管發(fā)生爆炸，擴大事故損失。因此，筆者在設(shè)計過程中采用“抗”、“放”相結(jié)合的措施，防止殉爆發(fā)生[10]?！翱埂奔磳Ρ▍^(qū)域采取加強措施，防止爆炸造成主體結(jié)構(gòu)喪失承載能力與整體穩(wěn)定性。自動生產(chǎn)線各單元采用厚度為20mm的鋼板獨立裝甲防護，抗爆能力設(shè)計充分冗余，防止各單元殉爆；生產(chǎn)線整體采用厚度為16mm鋼板，形成防護間，頂層鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)及PVC板，提升整體防殉爆能力?！胺拧奔从幸庾R地設(shè)計一些薄弱環(huán)節(jié)形成泄壓面，將爆炸瞬間產(chǎn)生的大量能量釋放，減少主體結(jié)構(gòu)爆炸載荷。在各單元裝甲防護頂部采用泄爆筒泄爆，泄爆口朝向室外泄爆屏院。

4 結(jié)語

研究表明，該油氣井用雷管加強帽自動化裝填生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)加強帽的高精度安全自動化裝填，提高自動化水平。通過藥劑高精度稱裝、壓制、實時質(zhì)量檢測等，提高加強帽質(zhì)量穩(wěn)定性。除間外操作單元，其他單元均設(shè)計有獨立裝甲防護，有效防止工序間殉爆；生產(chǎn)線整體形成防護間，實現(xiàn)人機隔離；減少人員與起爆藥等藥劑接觸，危險作業(yè)人員由原人工生產(chǎn)線的9人減少至3人，提高生產(chǎn)線本質(zhì)安全性。其中，羧甲基纖維素疊氮化鉛的自動化稱量技術(shù)提供了一種新的敏感藥劑高精度稱量自動化方案。該生產(chǎn)線對改善石油民爆行業(yè)火工品生產(chǎn)現(xiàn)狀，具有借鑒和推廣價值。

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An Automatical Filling Production Line for Reinforcing Cap of Detonator Used in Oil and Gas Wells

LIU Gong-quan1，LIU Jun-liang2

（1. Xi'an Wuhua Juneng Blasting Equipment Co. Ltd.,Xi'an,710061；2.Changchun Huiwei Science and Technology Co. Ltd.,Changchun,130012）

Aiming at the problem of high safety risk in artificial weighing and charging of pyrotechnic composition, such as CMC-Pb(N3)2and RDX in production of reinforcing cap of detonator used in oil and gas wells, an automatical filling production line, which can be used for the reinforcing caps of fire detonators and electric detonators for oil and gas wells, was developed. The principle and the main components of the production line were discussed from accuracy and safety aspects. The research results shows that production line can improve the quality stability of products and safety of the production line.

Detonator；Reinforcing cap；High-precision；Safety；Automatical；Production Line

1003-1480（2018）06-0054-04

TJ450.5

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.06.014

2018-08-05

劉鞏權(quán)（1971 -），男，高級工程師，主要從事油氣井爆破器材生產(chǎn)工藝技術(shù)管理及智能制造研究。