新型航道钻机的防浪涌装置

2012-12-01周在友

凿岩机械气动工具 2012年2期

关键词：推进力潜孔浪涌

周在友

（长江重庆航道工程局，重庆 400012）

新型航道钻机的防浪涌装置

周在友

（长江重庆航道工程局，重庆 400012）

航道钻机在钻凿水下爆破孔的过程中，江河或近海的浪涌不仅降低钻机的钻进效率，而且容易造成钻杆、冲击器钻头的损坏。文中介绍了SWDW165型航道潜孔钻机配备的一种防浪涌装置的结构及工作原理。该防浪涌装置结构简单，性能可靠，在水面有浪涌的情况下能保证航道钻机正常施工。

航道钻机；防浪涌装置；缓冲气缸；钻杆；潜孔冲击器

1 项目背景

随着改革开放的不断深入和扩大，目前我国已成为世界上港口吞吐量和集装箱吞吐量最多、增长速度最快的国家。全国港口货物吞吐量由新中国成立初期的1000万吨增长到2010年的超过80亿吨。港口吞吐量已连续多年稳居世界第一。

港口吞吐量内河水运货运量的飞速发展带来了港口建设航道治理的水下工程爆破的急剧增加。

在江河航道、沿海航道和港口码头建设等水下工程施工中，为消除险滩礁石，拓宽挖深航道，需要进行水下钻孔爆破作业。而船用钻机作为钻爆船的主要装备，除需要适应各种不同的岩土特性、钻孔孔径、孔深以及疏浚方式外，还需适应江河或海面经常会起浪涌的特殊工作条件。

实际施工时，江河或近海的浪涌不仅降低了航道钻机的钻孔效率，而且还很容易造成钻杆、冲击器和钻头的损坏，甚至对钻机造成更大的损坏。为了消除浪涌对钻杆、冲击器、钻头及钻机的损坏，提高钻进效率，由长江重庆航道工程局、中南大学机电工程学院智能机械研究所、山河智能装备股份有限公司共同研究开发制造了SWDW165航道潜孔钻机，该钻机配备了一种防浪涌装置，实际工程应用证明该防浪涌装置工作正常有效[1]。

2 航道钻机防浪涌装置结构与工作原理

如图1所示，航道钻机防浪涌装置主要包括动力头滑架、溢流阀、防浪涌气缸、拖动板等。动力头滑架（件1）和拖动板（件4）安装在钻架上，通过链条推进拖动板（件4），拖动板（件4）通过防浪涌气缸（件3）带动动力头滑架（件1），从而使钻杆得到向下的推进力和向上的提升力。由于气体的压缩和膨胀性好，气缸运动速度快，在拖动板和动力头滑架之间能起到很好的缓冲连接作用。如果航道钻机在起浪涌的时候施工，浪涌涨潮时船体上升，拖动板上升，由于设有防浪涌气缸（件3），防浪涌气缸活塞杆腔内的压缩空气膨胀，活塞杆缩回，不使防浪涌气缸缸筒上升带动动力头滑架上升，从而不带动钻杆、钻具上升，钻头仍可抵住孔底进行钻进。在浪涌落潮时船体下降，拖动板下降，由于设有防浪涌气缸（件3），防浪涌气缸活塞杆腔内的压缩空气压缩，活塞杆伸出，不使防浪涌气缸缸筒下降带动动力头滑架下降，从而不带动钻杆、钻具下降，避免它们受到很大的压力，达到保护钻具和钻杆的作用。当潮差很大，活塞杆伸出很长，防浪涌气缸（件3）内压缩空气的压力升高过大时通过溢流阀（件2）溢流，进一步起到保护作用。如果潮差大于防浪涌气缸行程，钻杆往上顶，使活塞杆全部拉出，推进链条会受到很大的拉力。推进马达推进力调节溢流阀调定的压力可控制最大推进力，当钻杆往上顶的力大于调定的最大推进力时，溢流阀溢流，链条拉动推进马达反转，使链条、回转动力头、钻杆、冲击器、钻头等不至于受到船舶巨大的重量压力而损坏，起到最终的保护作用。浪涌退去后，防浪涌气缸（件3）内充入压缩空气使之复位继续工作。

该防浪涌装置具有以下明显的优点：

（1）结构简单，加工制造容易，性能可靠。

（2）在水面有浪涌的情况下能够保证航道钻机正常施工，大大提高了工作效率。

（3）能更好地保护钻杆、冲击器、钻头和钻机，提高钻杆、冲击器、钻头及钻机的使用寿命。

图1 航道钻机防浪涌装置结构示意图

3 航道钻机防浪涌装置参数设计

SWDW165航道钻机钻孔直径范围为105～180 mm，配有自动接卸钻杆的卸杆器、钻杆库和套管压紧装置，钻孔深度可达到平台以下48m。根据实际钻孔直径大小可选用4吋、5吋、6吋潜孔冲击器，4吋潜孔冲击器推荐使用的推进压力为5～15kN，5吋潜孔冲击器推荐使用的推进压力为6～17kN，6吋潜孔冲击器推荐使用的推进压力为7～20kN。为了使动力头滑架受力均衡和方便布置，防浪涌装置设有防浪涌气缸2支。根据潜孔冲击器推荐使用的推进力，钻爆船正常工作浪涌潮高要求，设计防浪涌装置的参数如下：

活塞杆直径 d=32mm

气缸缸径 D=63mm

气缸行程 s=800mm

溢流阀开启压力 P2=3.2MPa

空压机供气压力 P1=2.07MPa

活塞杆端压气作用面积 A=2313mm2

正常工作时推进力 F1=2P1A=9576N

溢流时最大推进力 F2=2P2A=14803N

航道钻机推进马达推进压力正常调节范围为3～8MPa

8MPa时最大推进力 F3=20kN

从设计计算的参数可以看出，防浪涌装置能很好地满足潜孔冲击器推荐使用的推进力要求。内河浪涌潮高一般不会超过0.5m，而设计的防浪涌装置在浪涌潮高小于0.6m时，防浪涌油缸行程还能很好地满足使用要求。如果在海上工作，当浪涌潮高大于0.6m时，尽管有推进压力溢流阀的保护，无论从钻机使用安全需要的考虑，还是船舶安全要求的考虑，建议停止钻机工作，提升钻杆、冲击器和钻头。

4 航道钻机防浪涌装置的应用实效

2007年，两台SWDW165航道潜孔钻机（如图2）参加国家重点工程——长江安庆段太子矶炸礁工程[1]。在有风时潮高达到0.3m左右，由于配有防浪涌装置，不必停止钻机，可以连续工作，平均每分钟可钻进0.5m，比以前老式航道钻机快3倍以上，为长江航道清除水中障碍做出了突出贡献。

图2 SWDW165航道潜孔钻机在安庆太子矶施工现场

2008年，六台SWDS165海上潜孔钻机（如图3）在泉州湾航道拓深炸礁工程中，在有风时潮高达到0.5m，同样由于配有防浪涌装置，可以连续工作[2]。因为水深，要求钻孔也深，配置了高风压空压机，平均每分钟可钻进0.6m，比以前老式航道钻机快5倍以上，为沿海航道清除水中暗礁和航道拓深加快了进度，所以重庆长江航道工程局在接下来以后的湄州湾航道拓深工程招标中一举中标。