一种新型游车防碰装置的研究和应用

滕一宁+孙长征+郭星民

摘要：本文以胜利石油工程公司现有装备的实际出发，并根据当前安全生产对设备本质安全化的要求，对现有游车防碰装置的各方面性能进行分析，并对其可靠性和安全性进行完善，研究出一套新型的游车防碰装置，其能够实现高度智能化，并大大提高游车操作的安全性和可靠性。

关键词：本质安全化；防碰装置；安全性；可靠性；智能化

一、 胜利油区现有防碰装置分析

胜利石油工程公司现有钻机基本都配备防碰装置，根据钻机的类型不同，防碰装置主要有应用在机械和半电动钻机上的机械式防碰装置（重锤防碰和过卷防碰），应用在直流电动钻机上的独立电子式防碰装置和交流电动钻机集成于操作系统的防碰装置。前两种防碰装置应用较为广泛，由于设计和功能上存在诸多缺点，成为影响钻机施工安全的不利因素，其中机械式防碰装置功能单一，只能防止“顶天车”，且在冬季气温较低的情况下，其控制的气路易结冰导致刹车失效，存在较大的安全隐患；独立电子式防碰装置和交流电动钻机集成于操作系统的防碰装置虽然可以实现上防碰、下防砸的功能，但是由于通过测量绞车滚筒的角度来计算游车高度，其精度随着悬重增大和滚筒排绳跳槽而明显降低，另外，与机械式防碰装置同样存在冬季气路结冰的缺点，所以这两种防碰装置并不能满足实际施工的要求。除此之外，以上两种防碰装置在大悬重和高速度的情况下并不能完全保证设备和人员的安全，仍然存在较大的安全隐患，更达不到设备本质安全化的要求。

如上所示，现有的游车防碰装置均存在较多的设计缺陷，所以，在当前钻井装备亟待改造和升级，提高设备的自动化和智能化水平，完善安全设备设施，提高本质安全化水平，降低设备故障损失，以满足安全生产的要求，保证人员安全和施工的顺利进行。

二、 新型防碰装置的设计

本新型的游车防碰装置的设计就是通过对现有三种防碰装置的优点进行整合，使改进后的防碰装置具有精度高、功能完整、运行可靠，可以应用于除交流变频钻机外的机械、半电动和直流钻机，实现公司现有钻机防碰系统本质安全化水平的整体提升。为实现该装置的本质安全化，达到即使在操作失误的情况下仍能保证安全施工的目的，最重要的工作就是通过防碰系统的功能设计，实现游车的速度控制，保证游车在上下限位间运行。该系统的机构主要由测量机构、数据采集、运算机构和执行机构组成，下面就该项目的重点内容进行介绍。

2.1测量机构

该游车防碰装置的检测机构主要由编码器、压力传感器组成，主要用于实时测量游车的高度、速度和悬重。其中游车的悬重在指重表前端液压管线通过压力传感器取得；另外，为保证游车高度的测量精度，对快绳轮轴进行改造，并在天车快绳轮处加装编码器支架，选用高质量的联轴节以连接快绳轮轴和编码器输入轴，游车运行时，编码器实时反馈快绳轮转速，并通过运算机构计算出游车的高度和速度。由于井架类型、游车及其挂载组合方式不同（如挂载顶驱），在初始调试中都需要对这些涉及到的参数进行设置。

2.2数据传输和运算机构

数据采集机构的功能是接收编码器和压力传感器的电子信号，通过模数转化，最终将速度和压力的数字信号传递给数据运算机构，即该防碰装置的核心运算模块。

如图1所示，电源适配器外接220V交流电源，给各模块提供低压直流电流，数据采集模块将数字信号传递给数据运算模块，然后通过采集到的数据进行运算，实时对执行机构进行控制。

2.3执行机构

执行机构由并联在液压盘刹工作钳控制线路上的电磁比例阀和其前端的信号放大器组成。为实现该执行机构的功能，需要在司钻房内对刹把进行改造，如图2所示，在刹车阀（工作钳控制管线）并联增加一路分支，该分支由电磁比例阀进行流量控制，两路管线共有一路进油管线和一路出油管线。

2.4系统运行程序算法

为弥补司钻操作失误或者刹把失效，避免游车上顶天车，下砸井口，必须将游车速度和高度保持在可控的范围内。

如图3所示为游车速度控制的程序流程图，进入操作系统后，需要对各个参数进行设置，其中包括盘刹最大制动力矩、绳系、摩擦系数、检测点高度等。数据运算模块通过游车的悬重数据和盘刹制动力矩计算出盘刹的最大制动加速度，之后可以计算出在垂直高度上各个监测点的游车允许最大运行速度vn，当游车运行速度v不大于vn 时，执行机构不动作；当游车运行速度v大于vn时，数据运算模块将根据游车高度给定执行机构一定的数值，使盘刹输出足够的制动力矩，将游车运行速度v控制在安全的范围内。

三、推广应用前景

近年，随着安全生产形势日益严峻，作为高危行业的石油钻井面临着很大的压力，野外施工，环境恶劣，工作强度大，员工技能水平普遍不高，设备老化、自动化水平不高等因素均影响着施工的安全运行，所以提高设备的本质安全化水平十分重要。该防碰系统根据胜利油区钻井装备特点和施工现场需求设计，能够适用于几乎所有的机械、半电动和直流电动钻机，相比現有的防碰装置，具有测量精度高、制动迅速、稳定性强、不受气候影响的特点，更加适用于胜利油区钻井现场使用，对于改善钻机设备本质安全化有显著的效果，具有良好的推广前景。