王亞鵬 廖恒偉 李 勇
(1.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司 2.寶雞巨菱鉆采設(shè)備有限責(zé)任公司)
在當(dāng)前油氣鉆井輔助提升作業(yè)中,主要使用氣動(dòng)絞車進(jìn)行甩鉆具等載物吊裝作業(yè)[1-4]。在安裝頂驅(qū)、水龍帶、掛大繩及維修設(shè)備等高空作業(yè)中,常用氣動(dòng)載人絞車進(jìn)行高空載人作業(yè)。其中載物作業(yè)用氣動(dòng)絞車的生產(chǎn)廠家眾多,主要有泰安巨菱、煙臺(tái)石油及英格索蘭(美國(guó)) 等公司。近些年,隨著國(guó)產(chǎn)絞車技術(shù)工藝不斷成熟及顯著的價(jià)格與服務(wù)優(yōu)勢(shì),其占比達(dá)90%以上;載人用氣動(dòng)絞車生產(chǎn)廠家則相對(duì)較少,主要有泰安巨菱及英格索蘭等,受安全性和品牌力等因素影響,國(guó)產(chǎn)絞車占比不足50%,且存在以下問(wèn)題:①無(wú)論是載物氣動(dòng)絞車還是載人氣動(dòng)絞車,同級(jí)別產(chǎn)品往往進(jìn)口絞車要比國(guó)產(chǎn)絞車貴70%左右,甚至更高;②單臺(tái)絞車只具備載人或載物功能,利用率低,一般鉆井平臺(tái)需同時(shí)配備1 臺(tái)載人氣動(dòng)絞車及2 臺(tái)載物氣動(dòng)絞車,設(shè)備成本高,占用空間大;③氣動(dòng)絞車存在噪聲大、能效低、提升力不足以及低溫環(huán)境適應(yīng)性差等缺點(diǎn)[5-12],比如在川渝等地很多鉆井隊(duì)中,在往鉆臺(tái)面運(yùn)送鉆鋌和套管等較大載荷鉆井工具時(shí),為避免氣動(dòng)絞車由于供氣不連續(xù)或氣壓不足造成提升力不足,從安全角度考慮,往往使用吊車進(jìn)行運(yùn)輸鉆具作業(yè);而在新疆、大慶和中亞等高寒地區(qū),氣動(dòng)絞車易產(chǎn)生凝露和結(jié)冰故障,難以滿足使用要求。
鑒于此,中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司聯(lián)合寶雞巨菱鉆采設(shè)備有限責(zé)任公司及相關(guān)單位,于2019 年9 月首次在石油鉆機(jī)輔助提升設(shè)備領(lǐng)域提出“載人載物”雙用途電動(dòng)絞車的理念,并成功研制了DJB-5/50×35-R 型載人載物電動(dòng)絞車。
DJB-5/50×35-R 型載人載物電動(dòng)絞車主要由絞車主體、電控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。絞車主體包括防爆變頻制動(dòng)電機(jī)、絞車架、行星減速機(jī)、卷筒體、自動(dòng)排繩器、壓繩器、限位裝置和帶式剎車等,其中電機(jī)、減速機(jī)和卷筒采用同軸式布局,電機(jī)尾部防爆罩內(nèi)設(shè)置電磁失電制動(dòng)器(簡(jiǎn)稱盤剎) 及編碼器。電控系統(tǒng)由防爆電控箱體、溫控系統(tǒng)、變頻器、控制回路和制動(dòng)電阻路等組成,非防爆電氣元件封裝在防爆電控箱內(nèi)。控制系統(tǒng)由防爆(手柄) 操作盒和控制箱兩套互鎖且互為備份的系統(tǒng)組成。載人載物電動(dòng)絞車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。
圖1 載人載物電動(dòng)絞車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the people/cargo-carrying electric winch
載人載物電動(dòng)絞車采用載物與載人兩種工作模式。載物模式下,可用防爆操作盒手柄控制絞車以無(wú)級(jí)調(diào)速方式載物,此工作模式靈活高效;載人模式下,可用控制箱上的控制旋鈕控制絞車平穩(wěn)低速載人,此工作模式安全可靠。
通過(guò)操作盒手柄或控制旋鈕,控制絞車電控系統(tǒng)(變頻器) 給電機(jī)提供變頻電源,對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度設(shè)定,電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)帶動(dòng)卷筒體轉(zhuǎn)動(dòng),卷筒體纏繞或松開鋼絲繩,實(shí)現(xiàn)提升或下放人員(重物) 功能。
載人時(shí)允許負(fù)載×速度(首層鋼絲繩):5 kN×12 m/min (勻速,可設(shè)定);
絞車額定功率:15 kW;
卷筒尺寸(直徑×長(zhǎng)度):?370 mm×441 mm;
鋼絲繩規(guī)格(直徑×長(zhǎng)度):?20 mm×130 mm(阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩);
電控系統(tǒng)參數(shù):15 kW/380 V/50 Hz;
減速機(jī)傳動(dòng)比:99;
防爆變頻制動(dòng)電機(jī)參數(shù):15 kW/380 V/0~100 Hz/ExdIIBT4/IP56/H;
教學(xué)組織 在混合式教學(xué)中,教學(xué)不再僅局限于課堂教學(xué)這一環(huán)節(jié),而是圍繞課前、課中和課后三個(gè)階段進(jìn)行教學(xué)組織和設(shè)計(jì)[7],包括課前自主學(xué)習(xí)、課堂教學(xué)活動(dòng)、課后拓展性學(xué)習(xí)及計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)研究活等環(huán)節(jié)。在這個(gè)過(guò)程中,教師要發(fā)揮引導(dǎo)的作用,促使學(xué)生能有效開展自主學(xué)習(xí)、探究合作學(xué)習(xí),保證教學(xué)過(guò)程有序進(jìn)行。
吊裝鎖具安全系數(shù):≥5 (載物),≥50 (載人)。
首次在石油鉆機(jī)輔助提升設(shè)備領(lǐng)域引入“載人載物”雙用途電動(dòng)絞車?yán)砟?,通過(guò)電動(dòng)絞車設(shè)置有線可移動(dòng)式防爆(手柄) 操作盒和控制箱(旋鈕) 兩套控制系統(tǒng),分別對(duì)應(yīng)載物和載人兩種工作模式,從功能和使用場(chǎng)景上實(shí)現(xiàn)載人載物雙用途絞車設(shè)計(jì)理念。在控制箱上設(shè)置兩種工作模式的轉(zhuǎn)換旋鈕。切換到載物模式,可用操作盒手柄控制絞車無(wú)級(jí)調(diào)速載物運(yùn)行,沖擊小、效率高;切換到載人模式,可用控制箱上的控制旋鈕控制絞車低速載人運(yùn)行,工作平穩(wěn)、安全性高。兩套控制系統(tǒng)互鎖且互為備份,實(shí)現(xiàn)了既保證安全性又提高系統(tǒng)可靠性的預(yù)期目標(biāo)。
對(duì)電控系統(tǒng)、電機(jī)、減速機(jī)和盤剎等關(guān)鍵部件選型時(shí)適當(dāng)放大級(jí)別并加大安全系數(shù);在鋼絲繩、吊鉤及起重鏈條等吊裝鎖具設(shè)計(jì)中引入雙設(shè)計(jì)系數(shù)的理念,即載物時(shí)吊裝鎖具的安全系數(shù)≥5,載人時(shí)吊裝鎖具的安全系數(shù)≥50,確保滿足載人載物雙用途要求。
本電動(dòng)絞車的電機(jī)、減速機(jī)和卷筒采用同軸式布置,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維護(hù)方便。為縮短絞車長(zhǎng)度,行星減速機(jī)采用內(nèi)藏式(藏于卷筒內(nèi)部) 設(shè)計(jì)。此外,由于電機(jī)的功率質(zhì)量比較氣動(dòng)馬達(dá)小很多,同等功率級(jí)別下其質(zhì)量大、尺寸長(zhǎng),如采用常規(guī)設(shè)計(jì),則同軸式電動(dòng)絞車的整體長(zhǎng)度將比現(xiàn)有氣動(dòng)絞車長(zhǎng)度增加約30%,即便如此也難以滿足鉆井平臺(tái)對(duì)設(shè)備長(zhǎng)度(較短) 的要求。對(duì)此,通過(guò)對(duì)電機(jī)型式進(jìn)行多次選型和優(yōu)化,最終確定“緊湊型設(shè)計(jì)”方案,即在比常規(guī)電機(jī)更大的機(jī)座上設(shè)計(jì)同功率級(jí)別的電機(jī),去除散熱風(fēng)扇,縮短電機(jī)長(zhǎng)度,適當(dāng)加大直徑,增加散熱面積,從而達(dá)到了縮短電機(jī)長(zhǎng)度的同時(shí)又提高其散熱效率的目的。
電動(dòng)絞車的緊湊型整體設(shè)計(jì)確保其長(zhǎng)度與主流同級(jí)別氣動(dòng)絞車基本一致,能滿足各型鉆機(jī)鉆臺(tái)面的空間布置要求。
本電動(dòng)絞車采用起重用防爆交流變頻制動(dòng)電機(jī),其過(guò)載能力大、抗沖擊強(qiáng)、安全系數(shù)高。在電機(jī)尾部的防爆罩內(nèi)設(shè)置有盤剎及編碼器。為縮短長(zhǎng)度且要滿足戶外防潮防腐防爆要求,除采用2.2 節(jié)“緊湊型設(shè)計(jì)”外,盤剎和編碼器電纜采用“內(nèi)置線”設(shè)計(jì),即盤剎和編碼器的電纜依次從電機(jī)后端蓋、電機(jī)殼體的內(nèi)部通道直達(dá)電機(jī)接線盒,防爆罩上無(wú)需設(shè)置電纜出線孔,使得電機(jī)防潮、防水和防爆性能大幅提高。同時(shí),在對(duì)電機(jī)盤剎進(jìn)行調(diào)整間隙和清理污物等日常維護(hù)工作時(shí),只需拆除防爆罩即可,不需要拆卸電纜,讓日常檢修維保工作變得簡(jiǎn)捷、便利、高效。緊湊型電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 緊湊型電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the compact motor
緊湊型電機(jī)采用內(nèi)置線設(shè)計(jì),一方面,適當(dāng)加大了電機(jī)直徑,可安裝比常規(guī)的更大級(jí)別的制動(dòng)器,提高了剎車安全系數(shù),保證剎車散熱效果,增加了安全性;另一方面,為實(shí)現(xiàn)特殊工況應(yīng)急下放人員(重物) 的功能,本絞車盤剎特別設(shè)計(jì)了具備緊急手動(dòng)釋放功能的制動(dòng)器,緊急情況下配合帶式剎車可將人員(重物) 安全落下。
電氣元件特別是核心器件變頻器對(duì)環(huán)境溫度、濕度較為敏感,故電控系統(tǒng)的防潮、散熱和保溫設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵,電控系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境直接影響著系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。為便于施工、搬家及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù),本電動(dòng)絞車的電控系統(tǒng)采用獨(dú)立封裝式設(shè)計(jì),自成單元,就近模塊化安裝于鉆臺(tái)區(qū),如鋪臺(tái)和偏房等處。為滿足石油鉆井設(shè)備的防爆和防潮要求,本電控系統(tǒng)采用隔爆型設(shè)計(jì),將所有非防爆元器件封裝在防爆柜體內(nèi),防護(hù)等級(jí)達(dá)IP56。
電控系統(tǒng)防爆柜體設(shè)計(jì)為上、下柜體獨(dú)立布局,上柜體布置變頻器等功率單元元件,下柜體布置制動(dòng)電阻單元,從而避免制動(dòng)電阻工作時(shí)大量產(chǎn)熱對(duì)變頻器的不利影響。同時(shí),為保持電控系統(tǒng)所需的適宜環(huán)境溫度(-10~+40 ℃) 和相對(duì)濕度(小于90%),在上柜體內(nèi)設(shè)置自動(dòng)溫控系統(tǒng),即在上柜體外部設(shè)置散熱片和散熱風(fēng)機(jī),在上柜體內(nèi)部設(shè)置加熱器及溫控儀,以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫控、定期除濕,這樣可滿足海洋、雨林、沙漠和極地等嚴(yán)苛環(huán)境下的使用要求。此外,根據(jù)鉆井平臺(tái)的不同配置,電控系統(tǒng)也可安裝于鉆機(jī)的空調(diào)恒溫電控房?jī)?nèi),此時(shí)無(wú)需單獨(dú)增加防爆、溫控和除濕等功能。電控系統(tǒng)控制原理如圖3 所示。
圖3 電控系統(tǒng)控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of the electronic control system
與氣動(dòng)絞車和液壓絞車相比,電動(dòng)絞車無(wú)高壓傷害風(fēng)險(xiǎn),但存在觸電風(fēng)險(xiǎn)。絞車主體的電機(jī)由變頻器電力驅(qū)動(dòng),非運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)變頻器不輸出電能,此時(shí)無(wú)觸電風(fēng)險(xiǎn),而當(dāng)絞車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)則存在觸電風(fēng)險(xiǎn)。因此,本電動(dòng)絞車采用TN-S 系統(tǒng)以及等電位接地,電力拖動(dòng)系統(tǒng)具備完整的過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓和接地保護(hù)回路,電氣故障發(fā)生時(shí),電氣回路能自動(dòng)分?jǐn)嚯娫?,?shí)現(xiàn)斷電保護(hù)功能。同時(shí),對(duì)操作者頻繁接觸的操作(手柄) 盒和控制箱兩處控制單元采用24 V DC 安全電壓設(shè)計(jì),最大程度地降低觸電風(fēng)險(xiǎn),保護(hù)人員及設(shè)備安全。
自動(dòng)排繩器安裝在絞車架上方,其動(dòng)力來(lái)自卷筒軸頭,通過(guò)計(jì)算合適的傳動(dòng)比,可滿足鋼絲繩在卷筒體上每纏繞一圈,自動(dòng)排繩器主體轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)鋼絲繩當(dāng)量直徑的距離。與此同時(shí),在絞車卷筒體的出繩側(cè)安裝壓繩器,在彈簧張緊力的作用下壓繩器始終緊壓鋼絲繩,如此可消除鋼絲繩在空載放繩工況下的“松繩”及纏繩工況下的“騎繩”現(xiàn)象。排繩器與壓繩器的一體化運(yùn)用,取得了良好的排繩效果。
采用能耗制動(dòng)+盤式剎車+帶式剎車三重剎車方式,確保絞車滿足鉆井輔助提升作業(yè)中頻繁啟動(dòng)、停止和剎車的使用要求。能耗制動(dòng)和盤式剎車兩種剎車方式能跟隨操作手柄/旋鈕的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換,即絞車電機(jī)使能時(shí)能耗制動(dòng)切入,絞車電機(jī)開始工作時(shí)盤式剎車退出,反之亦然,始終保持絞車駐車制動(dòng)、斷電剎車和故障剎車,足以滿足所有工況的使用要求;帶式剎車通常應(yīng)對(duì)緊急釋放等特殊情況,確保應(yīng)急情況下人員與設(shè)備安全。
選用國(guó)內(nèi)著名品牌的起重專用變頻器,其閉環(huán)矢量控制技術(shù)具備零伺服保護(hù)功能。當(dāng)出現(xiàn)盤式剎車故障時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)盤式剎車狀態(tài),并控制電機(jī)輸出扭矩實(shí)現(xiàn)自動(dòng)懸停。同時(shí),系統(tǒng)會(huì)不斷發(fā)出聲光警示,提醒操作人員實(shí)施應(yīng)急處理和排除故障,由此進(jìn)一步提高了絞車運(yùn)行的安全性。
在絞車(手柄) 操作盒及防爆控制箱上均設(shè)置了緊急停止按鈕,緊急狀況可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速急停和盤式剎車抱閘。雙重急停設(shè)計(jì),避免了單一急停開關(guān)故障時(shí)無(wú)法應(yīng)急響應(yīng)的情況,提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。
在絞車卷筒輸出軸頭上設(shè)置上、下限位裝置,當(dāng)絞車(吊鉤) 運(yùn)行范圍超過(guò)設(shè)定的行程范圍時(shí),會(huì)自動(dòng)觸發(fā)限位開關(guān),絞車則立即停止運(yùn)行并投入剎車,確保安全。限位裝置動(dòng)作后,必須長(zhǎng)按限位釋放復(fù)位按鈕方可重回設(shè)定行程,然后絞車才會(huì)繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。限位保護(hù)及限位釋放功能既保證了設(shè)備運(yùn)行安全,又滿足了操作的便捷性。
絞車盤式剎車具備手動(dòng)緊急釋放功能,如遇長(zhǎng)時(shí)間斷電等特殊狀況,可配合使用帶式剎車以手動(dòng)模式調(diào)整盤式剎車力矩,將人員或重物安全而平穩(wěn)地緩慢下放。
在安全負(fù)載范圍內(nèi),通過(guò)設(shè)置變頻器的過(guò)載保護(hù)系數(shù),可按需設(shè)定絞車的最大提升閾值,當(dāng)絞車提吊負(fù)載超過(guò)設(shè)定上限時(shí),絞車系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行并報(bào)故障警示。通過(guò)設(shè)置變頻器的松繩保護(hù)系數(shù),當(dāng)絞車負(fù)載低于設(shè)定下限時(shí),系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)提示。
本絞車使用起重專用變頻器,具備斷電保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、失壓保護(hù)、失速保護(hù)和過(guò)流保護(hù)等安全保護(hù)功能。
DJB-5/50×35-R 型載人載物電動(dòng)絞車研制成功后,為確保其各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,對(duì)其進(jìn)行了嚴(yán)格的工廠試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括:絞車基本性能試驗(yàn)、空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、負(fù)載性能試驗(yàn)、剎車性能試驗(yàn)、噪聲性能試驗(yàn)、安全釋放功能試驗(yàn)、靜止剎車力矩性能試驗(yàn)以及過(guò)載保護(hù)、松繩保護(hù)、限位保護(hù)、零伺服保護(hù)等安全保護(hù)功能試驗(yàn)。
試驗(yàn)結(jié)果表明,該載人載物電動(dòng)絞車各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,其性能出色、工作可靠、安全性強(qiáng)、適用性廣。與同級(jí)別氣動(dòng)(載人) 絞車相比,其在提升能力、提升速度、能耗比、噪聲以及安全性能等方面均有較大的優(yōu)勢(shì)。載人載物電動(dòng)絞車與氣動(dòng)絞車性能參數(shù)對(duì)比見表1。
根據(jù)表1 中數(shù)據(jù),對(duì)載人載物電動(dòng)絞車性能評(píng)價(jià)如下。
表1 載人載物電動(dòng)絞車與氣動(dòng)絞車性能參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of performance parameters between people/cargo-carrying electric winch and pneumatic winch
(1) 提升能力:載物氣動(dòng)絞車最大提升能力50 kN,而該電動(dòng)絞車具有較強(qiáng)的過(guò)載能力,可實(shí)現(xiàn)2 倍短時(shí)過(guò)載及1.2 倍額定載荷長(zhǎng)期過(guò)載。
(2) 提升速度:輕載(≤650 kg) 工況,載物氣動(dòng)絞車與該電動(dòng)絞車最大提升速度相當(dāng),重載工況(≥2 500 kg),該電動(dòng)絞車提升速度比載物氣動(dòng)絞車提高了50%。
(3) 能耗比:輕載高速時(shí),載物氣動(dòng)絞車與該電動(dòng)絞車能耗比為32 ∶1;重載慢速工況,載物氣動(dòng)絞車與該電動(dòng)絞車能耗比為4 ∶1。
(4) 噪聲:該電動(dòng)絞車比氣動(dòng)絞車降低噪聲約15%。
2020 年10 月,兩臺(tái)DJB-5/50×35-R 載人載物電動(dòng)絞車分別在甘肅省慶陽(yáng)市慶城地區(qū)長(zhǎng)慶鉆井總公司所屬40657 和50710 鉆井隊(duì)進(jìn)行了工業(yè)性應(yīng)用,至今已連續(xù)應(yīng)用10 個(gè)月,設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)安全平穩(wěn),無(wú)故障。
截至2021 年7 月,累計(jì)50 多套DJB-5/50×35-R載人載物電動(dòng)絞車分別在新疆、四川、陜北、青海和內(nèi)蒙等油田相繼投入應(yīng)用?,F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,該絞車操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、性能可靠,完全滿足沙漠、雨林和寒冷等地區(qū)石油鉆井輔助提升作業(yè)中的載人載物雙用途要求。
(1) DJB-5/50×35-R 型載人載物電動(dòng)絞車在石油鉆機(jī)輔助提升設(shè)備領(lǐng)域?qū)儆陂_創(chuàng)性的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了“一機(jī)兩用”的功能,節(jié)省了設(shè)備綜合采購(gòu)成本,尤其是與當(dāng)前國(guó)內(nèi)石油鉆機(jī)廣泛應(yīng)用的英格索蘭氣動(dòng)載人絞車相比,節(jié)省成本80%以上,另外還節(jié)省了1 臺(tái)載人絞車的鉆臺(tái)布置空間。
(2) 該載人載物電動(dòng)絞車采用雙設(shè)計(jì)安全系數(shù),設(shè)置過(guò)載保護(hù)、急停保護(hù)、斷電保護(hù)、限位保護(hù)、零伺服保護(hù)、松繩保護(hù)以及緊急釋放等安全保護(hù)功能。該絞車性能可靠、安全高效、節(jié)能環(huán)保、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便,完全滿足石油鉆井輔助提升作業(yè)中的載人載物雙用途要求,具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。