新型节能塔棚的研制和使用

2014-12-11孙秀梅王建兴杜绪刘建福任晓顺曹艳丽

地质装备 2014年5期

孙秀梅，王建兴，杜绪，刘建福，任晓顺，曹艳丽

（河北省地矿局探矿技术研究院，河北三河 065201）

0 前言

近年来，随着我国地质找矿进入攻深找盲阶段，取心钻探深度不断加大，钻探装备也朝着先进、高效、安全、大型化、人性化方向发展。钻探施工作为一项地下工程，具有投资大、施工难度大、工作条件艰苦、环境恶劣、劳动强度大、事故多发性、不可预见性极强等特点。这一切均或多或少地孕育着不安全的隐患，需要从技术装备等方面进行保障。但长期以来，在不怕脏、不怕苦、艰苦奋斗、乐于奉献的钻探精神和重视效率和效益，忽视人员工作条件的理念支配下，野外钻探工作条件和安全条件多年以来都没有大的改善，钻探施工安全事故时有发生，甚至会有人员伤亡等严重事故发生，给钻探工作者的亲人带来极大痛苦，给钻探施工单位也带来极大的经济损失，是一项需要引起重视的问题。

钻进工作主要是设备安装、钻机操作、塔上摘挂提引环及维修、塔下拧卸组装钻具及泥浆处理工作。钻探设备和器具种类较多，工作繁重，其干扰因素多，技术要求高，劳动强度大，不安全因素多。钻探机台工作的不安全的原因除人员素质、机台管理等人为因素外，存在的客观因素在形成机台安全隐患中是应该特别注意的。这包括光线因素、高空因素、天气因素、噪声因素、地面空间大小、平整度和设备布置格局等。

一直以来，搭建钻棚和给钻塔穿塔衣是适应风雪等恶劣天气的手段，是提高机台工作效率和安全性的方法。但多年来我国塔衣塔棚一直保持最初样子，没有和日新月异的新科技、新材料结合起来，在减小机台工作危险性和提高钻探工作人性化程度方面发挥的作用较小。

1 现状

目前钻塔塔棚塔衣普遍使用普通账蓬帆布材料（图1），存在以下缺点：

（1）塔内光线条件差

由于塔内昏暗，给机台人员操作带来很大的不便和不安全因素。

（2）抗风能力较弱

布质材料容易兜风，加大了钻塔所受风力负荷，也容易被强风撕破。

（3）排水能力差

由于帆布料质地柔软，发生雨雪时塔棚易兜住雨雪，增加许多麻烦。

（4）保温性能低

布料透风透气能力强，保温性能低，冬季寒冷，夏季湿热，使机台工作条件极为不适。

（5）寿命低

普通的一付塔衣寿命一般1～2年。

上述普通塔棚的缺点主要是布制塔棚的不透光和质地柔软造成的。因此选用新型材料来制作塔棚塔衣，可克服上述缺点，增加机台工人工作舒适度和安全性非常必要。

图1 帆布塔棚

2 玻璃钢材料的优点

玻璃钢学名玻璃纤维增强塑料，是以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。根据采用的纤维不同分为玻璃纤维增强复合塑料（GFRP），碳纤维增强复合塑料（CFRP），硼纤维增强复合塑料等。玻璃钢具有下列优点。

2.1 轻质高强

相对密度在1.5～2.0之间，只有碳钢的1／4－1／5，可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而强度可以与高级合金钢相比，某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400MPa以上。因此，在宇宙飞行器、航空、火箭、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都取得了很好效果。

2.2 耐腐蚀

FRP是优良的耐腐材料，对水、大气和一般浓度的盐、碱、酸以及多种油类和溶剂都有良好的抵抗能力，已应用到防腐化工的各个方面，正在取代木材、碳钢、不锈钢、有色金属等传统材料。

2.3 电性能好

FRP是很好的绝缘材料，高频下仍能保护良好介电性，可以制造绝缘体，用于雷达天线罩已很广泛。

2.4 热性能良好

FRP热导率低，室温下为1.25～1.67kJ／（m·h·K），只有金属的1／100～1／1000，是优良的绝热材料，同时在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器承受高速气流的冲刷。

2.5 可设计性好

（1）设计者可以根据需要，灵活地设计出各种结构来满足使用要求，产品形状能够多样化，从而使产品有很好的整体性。由于生产工艺不复杂，可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。

（2）能充分选择材料来满足产品的性能，如耐腐、耐瞬时高温、高介电性，还能通过设计实现产品某方向上有特别高强度。

综上，FRP的透光性、高强度及绝热性均可达到钻探机台场棚所要求的性能，探索用FRP材料设计机台场所棚有很大可行性。

图2 玻璃钢冷却塔

3 玻璃钢材料的缺陷及野外应用的适应性

FRP也存在一些不足，这就要求结合实际使用环境，配合其它基架材料进行灵活设计。

（1）弹性模量低、剪切强度低

FRP的弹性模量比木材大两倍，但比钢（E＝2.1E5）小10倍，因此在产品结构中常感到刚性不足，容易变形。为此需做成薄壳结构、夹层结构来提高整体刚性，也可通过高模量纤维或者做加强筋等形式来弥补。对于机台场棚承受的一般为雨雪压力和风力，通过设计可加强排水和提高结构密度，从而减少平面受力，完全可以能满足场棚强度需求。

（2）长期耐温性差

尽管一般FRP不能在高温下长期使用，通用聚酯FRP在50℃以上强度就明显下降，一般只在100℃以下使用；通用型环氧FRP在60℃以上，强度有明显下降。野外钻塔只需满足大气温度范围，玻璃钢完全满足使用要求。

（3）老化现象

FRP仍属于塑料范畴，存在一定老化现象，紫外线、风沙雨雪、化学介质、机械应力等作用会导致性能有所下降。但与目前常用粉煤灰质塔衣原料相比，调查显示其性能下降并不突出，完全可以满足使用。事实上，FRP已广泛用于大气环境中，寿命并不亚于某些金属材料，因为后者氧化锈蚀现象也是较大难题。所以FRP的老化现象对其用来作为场棚材料负面影响不大。

4 新型钻塔的研制

为满足钻探需求，改善机台作业条件，针对目前常见塔棚的缺陷，我院利用玻璃钢这种新型材料，通过钢结构进行补强和科学设计，开发了新型玻璃钢塔棚与SGB－13四角钻塔匹配。该新型塔棚以满足钻探操作为设计出发点，其结构形式如下：

（1）基架采用镀锌管材通过榫卯结构将横梁与立柱90°丁字结合方式，将上圈梁、下圈梁、立柱等形成刚性基架，以薄壁不锈钢管做成格扇框，将玻璃钢板镶嵌固定到上面玻璃钢窗格扇，这样既通过增加格扇框横格数可灵活提高格扇整体强度，还可根据基架不同位置确定每个窗格扇的大小，在塔棚中有的格扇长达6m多，有的不足3m，有的呈梯形，有的呈方形，充分利用了玻璃钢易于切割特性和不锈钢强度高的特性，使格扇做得很大，前后十几米场棚只用十几片。格扇通过拼合，相邻格扇叠压拼接，安装十分简便。

（2）前后场顶呈斜坡形，由天梁、上圈梁形成基架，一面与钻塔前后门上顶梁固定顶棚呈对称梯形，上下间如屋瓦铺排，较高处的压住较低处的，保证了排水良好，设计的顶格扇探出侧墙形成屋檐，保证排水注到塔棚墙基一定距离外。

（3）场棚以钻塔为基体，上下圈梁中心和中心立柱均由钻塔大梁承担，保证塔棚稳定性，棚前后端最高处均高于四角塔前后门，可靠保证长钻具的提拉摆放。