石油钻机天车防碰装置改进设计

王议，张瑞娟，张鹏飞，李立新，何庆，姜小刚

（1.宝鸡石油机械有限责任公司；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心；3.宝鸡技师学院，陕西 宝鸡 721002）

石油钻机天车防碰装置改进设计

王议1,2，张瑞娟3，张鹏飞1,2，李立新1，何庆1,2，姜小刚1

（1.宝鸡石油机械有限责任公司；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心；3.宝鸡技师学院，陕西 宝鸡 721002）

针对常规石油钻机天车防碰装置安装维护困难、防碰高度不可调等诸多缺点，从现场使用的角度出发，创新思路对其进行了改进设计，并完成了样机的试制，在钻机上获得了较为理想的试验效果，也印证了系统设计方案的可行性。

石油钻机；天车防碰装置；改进； 气控阀；配重块；钢丝绳

目前，常规石油钻机配套的天车防碰装置，主要由天车防碰梁、防碰气控阀、防碰钢丝绳等组成。当上行的游车撞击绷紧的钢丝绳时，钢丝绳拉动气控阀动作，实现防碰功能。该装置存在以下不足：一是防碰梁、悬绳器和防碰钢丝绳安装在高位，现场维护时需要操作者爬到井架上段或天车上进行高空作业，存在一定的安全风险；二是天车防碰高度不可调节，无法满足不同钻井设备防碰高度的要求；三是钻井钢丝绳与防碰钢丝绳交叉，在游车碰撞钢丝绳时，易发生防碰钢丝绳夹在游车滑轮槽内，引发事故。因此应对其进行必要的改进。

1 系统概述

改进后天车防碰装置由二位三通气控阀、配重块、钢丝绳、导向轮总成等部分组成，安装如图1所示。

图1 天车防碰装置安装示意图

整个系统工作过程是，在图1中，将配重块（5）按照钻机设计要求的防碰高度卡在与死绳最近的第一根快绳上。钢丝绳（7）的一端与配重块相连，另一端经过井架上段的导向轮总成（6）顺井架左前腿与笼梯支腿之间而下，与安装在井架下段笼梯处的气控阀（7）相连，将阀的压板拉紧，使阀处于断气状态。当游车上行到防碰高度处顶到配重块（5），钢丝绳（7）松弛，气控阀（8）动作通气，切断盘刹控制气和滚筒离合器气源，使滚筒刹车。当防碰解除后手动按压防碰阀压板，防碰阀断气，刹车解除，游车向下运行，钢丝绳（7）通过配重块（5）的自重重新拉紧气控阀，游车正常工作。

2 元器件选型计算

2.1 气控阀选型

常规的钢丝绳天车防碰装置是通过游车撞击防碰钢丝绳，防碰钢丝绳拉防碰阀，防碰阀通气动作，实现刹车。根据设计要求，需要选择一种阀，在不受力的情况下，可以使气路接通，实现刹车。在这里选用FESTO滚轮杠杆式二位三通气控阀（常闭），型号R-3-1/4-B。工作原理：阀的杠杆在不受力时，气路接通；杠杆受到拉力时，压下阀体触头，气路断开。

2.1.1 主要参数

驱动方式：单项滚轮杠杆式阀；工作介质：过滤压缩空气；安装方式：两个通孔安装；接口：G1/4；标准额定流量(l/min)：550；工作压力范围（bar）：-0.95～+10；驱动力（N）：35；温度范围（℃）：-10～+60；材料：阀体，压铸铝合金；密封件，丁腈橡胶。

2.1.2 对阀的改进

在正常情况下，气控阀滚轮杠杆要受到配重块和钢丝绳的拉力，对阀体触头产生压力，断开气路，滚轮杠杆上还要连接钢丝绳。显然原有结构不能满足要求。在这里对阀的滚轮杠杆做了更改，改成了加长压板，上面有开孔，可以很方便绑钢丝绳。而且在气控阀处，通过改变钢丝绳的长度，来改变配重块的高度，从而能改变防碰高度。改进后的阀体实物，见图2。

图2 二位三通气控阀

2.2 配重块设计

重量计算。配重块通过钢丝绳给气控阀拉力，在正常情况下靠自身重力可以使阀的杠杆压下触头，使阀动作；防碰释放后能依靠自身重力复位。它的最小重量G应该为阀的驱动力F1（35N）与钢丝绳重量F2之和，即：G=F1+F2。

钢丝绳是从配重块的位置经过导向轮，再到达笼梯下端的气控阀，根据井架高度，钢丝绳长度估算为60m，如果选用直径为3.5mm的钢丝绳，查阅相关资料，得到3.5mm钢丝绳的近似质量系数为，则：

结构设计。配重块要求能在钻井钢丝绳上，上下移动，而且不能与钻井钢丝绳摩擦，安装还要简单，考虑将配重块做成空心圆柱体形状。把它沿高的方向切成两等份，一边用合页连接，另一边用螺栓固定。在配重块上增加提环，用于和钢丝绳的连接。配重块实物如图3所示。

图3 配重块

外型尺寸确定。设圆柱体的质量m，它的外径为d1,内径为d2,高为h，铁的密度为ρ，则：

根据表1，考虑配重块两侧钻井钢丝绳间隙，不能与钻井钢丝绳摩擦，而且在防碰时配重块不能卡在游车的绳槽内。

表1 系列钻机游车绳槽宽度对照表

配重块安装。配重块安装在与死绳最近的快绳上如图4所示。由于游车相当于动滑轮组，在工作过程中动滑轮组的第一根绳移动的速度与死绳最接近，所以快绳与配重块的摩擦小，振动小，减小了因外力变化而使防碰装置发生故障的可能性（图4）。

图4 配重块安装位置示意图

2.3 其他附件

（1） 气控阀加长板。固定防碰钢丝绳，调节防碰高度。（2） 导向轮总成。包括安装板、U型卡、导向轮、螺母、螺栓（天车底部安装）、绳卡等，起导向作用，安装在井架左上段最上端的花梁上。

3 系统优点

改进后天车防碰装置在我公司一套40DB钻机上进行了试验，试验效果良好，能实现预定功能。有以下优点：（1）去掉了防碰梁，结构简单，生产成本低。（2）安装或检修时可在低位进行，避免了高空作业。（3）可以方便调节防碰高度，克服了常规天车防碰装置不能调节。

防碰高度的缺点。（1）反应速度灵敏，3～4s，与常规天车防碰装置响应时间相当。（2）钢丝绳与快绳平行安装，游车移动时，两绳无磨擦，无干涉、缠绕现象。

4 结语

经过改进后的天车防碰装置，结构简单，安装方便，并且可以随意调节防碰高度，能很好地满足钻井工艺的要求；其生产成本低廉、可靠性高、实用性好，在石油钻机上将会有广阔的推广前景。

[1]李立新，戴世安，李洪波.石油钻机用天车防碰装置，ZL 201020619694.4[P] ，2011,6,22.

[2]《石油钻机》编委会,石油钻机[M].北京：石油工业出版社，2012:304～306.

[3]成大先.机械设计手册（第四版）第5卷[M].北京：化学工业出版社，2002,(19～67).

[4]周鹤法，舒干，张晓东，龚才德，彭远龙，肖华清.重锤式天车防碰装置改进设计[J].中国安全科学学报，1996,12:12～15.

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