石油钻井绞车防碰系统类型与可靠性分析

鹿正波

摘要：本文简要叙述了当前石油钻井绞车所使用的防碰系统类型，对三种类型的钻井绞车防碰系统进行可靠性分析，提出目前三种钻机绞车防碰系统存在的问题，对今后钻机防碰系统的研究和配备提出建设性意见。

关键词：绞车 防碰类型 可靠性分析

石油钻井绞车的防碰系统是石油钻机配备的非常重要的安全设施，对钻井施工作业设备、井下、人员安全发挥着重要作用。目前主要有重锤式防碰系统 、滚筒过卷阀式防碰系统、智能电子防碰系统三种防碰系统类型，三种防碰系统的主要功能和作用是为避免在钻井施工中，由于人员操作不当等原因引起的游车超限上行，可使游车在提高到某个限定高度时报警或强制停止的装置。为保障钻井施工作业中安全生产，对石油钻井绞车三种防碰系统可靠性分析非常必要，下面主要从对三种防碰系统类型的结构和原理进行可靠性分析。

一、重锤式防碰系统

1、结构和工作原理

重锤式防碰系统的结构比较简单，主要有防碰限位钢丝绳、绞车主气路控制开关、重锤、刹把曲拐、刹车气缸组成，主要应用于机械钻机。防碰原理也比较直接有效，其原理为在距天车滑轮下6米左右（冬季调整为4米），通过井架横向穿越一根直径6.35毫米的钢丝绳作为限位绳，一端固定在井架的一侧，钢丝绳由井架另一侧引出至固定在井架一侧的三通气开关上手柄上，三通气开关手柄顶端设置一个重锤，重锤上端设置一个挂环，下端的限位钢丝绳与挂环用开口销连接。当操作者司钻操作失误没有及时摘开离合器开关，游车继续上行触碰到限位绳，这时，重锤与挂环处的开口销脱落，控制绞车刹车的气缸控制气通过常开继气器切断高、低速离合器气源，同时高压气直接进入刹车气缸紧急刹车，使游车停止运行。

2、可靠性分析

根据上述重锤式防碰系统的结构和原理，重锤式防碰系统主要是靠游动滑车上行过程中超过限位高度时，游动滑车触碰限位钢丝绳，将限位钢丝绳下端的绞车主控制气路气开关上端的连接挂钩拉开，再通过绞车主控制气路气开关下的重锤自由下落将绞车主气路断开，同时刹把上的曲拐气缸进气进行刹车。但是，首先绞车主气路开关断开以后，是通过绞车滚筒气胎式离合器上的快速放气阀放气，气胎离合器放气有一定时间和过程，导致绞车滚筒上的气胎离合器不能立即离合，游动滑车会通过绞车滚筒的惯性继续运行一定的高度。二是刹把上的曲拐气缸进气也需要一定的时间和过程才能通过刹带将滚筒抱住刹车，导致绞车滚筒不能立即抱住刹车，游动滑车会通过绞车滚筒的惯性继续运行一定的高度。三是由于钢丝绳具有一定弹性和安装钢丝绳时的紧度限制，导致游动滑车和滚筒运行时由于两者的惯性也会使游動滑车继续上升一定的高度才能将绞车主气路控制开关断开，通过气控元件触动电磁阀使液压盘刹刹车时，气控元件触动电磁阀也有一定的触动时间，导致液压盘刹刹车动作时间放大。

二、滚筒过卷阀式防碰系统

1、结构和工作原理

过卷阀防碰系统的结构类似于重锤式防碰系统的结构，主要有触动杆、绞车主气路控制开关，主要应用于机械钻机。防碰原理也类似于重锤式防碰系统，是通过设置在滚筒上方，横梁下方的触杆，它通过滚筒钢丝绳大绳层数的多少触碰大绳动作来强制滚筒的运行，由于滚筒内的大绳的排绳层数可反映游车提升的高度，滚筒内过多的排绳层数可触碰触杆，通过碰触触动杆断开绞车主气路开关，使气胎离合器上的快速放气阀放气，达到限制游车高度的目的。

2、可靠性分析

由于过卷阀防碰系统的结构类似于重锤式防碰系统的结构，防碰原理也类似于重锤式防碰系统，同样，首先绞车主气路开关断开以后，是通过绞车滚筒气胎式离合器上的快速放气阀放气，气胎离合器放气有一定时间和过程，导致绞车滚筒上的气胎离合器不能立即离合，游动滑车会通过绞车滚筒的惯性继续运行一定的高度。一是刹把上的曲拐气缸进气也需要一定的时间和过程才能通过刹带将滚筒抱住刹车，导致绞车滚筒不能立即抱住刹车，游动滑车会通过绞车滚筒的惯性继续运行一定的高度，通过气控元件触动电磁阀使液压盘刹刹车时，气控元件触动电磁阀也有一定的触动时间，导致液压盘刹刹车时间放大。二是由于过圈阀防碰系统存在每次更换大绳作业后需要从新调整位置。三是在特殊作业时（起放井架）需要拆卸限位杆才能继续提升游车，有时由于操作不当使大绳不能排齐或大绳跳起，会提前触碰限位杆。

三、智能电子防碰系统

1、结构和工作原理

智能电子天车防碰系统是由智能防碰仪、绞车传感器、电磁阀、刹车气缸或油缸、主滚筒刹车执行机构等组成。它是一个高性能的单片机系统，电子防碰的原理为在钻机的绞车主轴端设置传感器，通过传感器记录绞车主轴和滚筒的旋转圈数来反映游动滑车上升高度的防碰系统。在绞车运转过程中，智能电子防碰系统会通过传感器自动检测绞车滚筒的圈数，通过绞车滚筒上的圈数，反应游动滑车的高度位置，系统会发出声光预警信号。同时系统会输出控制信号，通过接收来自绞车传感器的游车大钩信号进行智能判断，当大钩高度大于限定的高度位置时，智能电子防碰系统立即产生报警并同时打开电磁阀，来控制气缸或油缸，驱动主滚筒刹车执行机构，最后将绞车自动刹车。

2、可靠性分析

由于钻井施工所面临的自然条件相对比较恶劣，钻机长期的震动、雨雪、风沙、严寒和酷热等会影响相对精密的电子记圈数型防碰系统的传感器、通讯电缆以及主机等性能，导致安装在绞车主轴端上的传感器记录不准，影响接收来自绞车传感器的游车大钩信号，控制器不能准确发出控制刹车信号。但是，只要智能电子防碰系统信号接收原件与控制元件性能稳定，与滚筒过卷阀式防碰系统和重锤式防碰系统相比较，在绞车主气路开关动作时间，气控元件触动电磁阀触动时间同样的情况下，智能电子防碰系统的可靠性要优于滚筒过卷阀式防碰系统和重锤式防碰系统，是目前比较理想和可靠的绞车防碰系统。

四、结论

通过对三种防碰系统的结构和工作原理的分析，从上述分析来看，可靠性最优的是智能电子防碰系统，可靠性次之的是滚筒过卷阀式防碰系统，可靠性最差的是滚筒过卷阀式防碰系统。实际生产过程中，可以以三种防碰系统组合的形式进行配置，形成三道屏障，来保障石油钻井施工作业过程中安全生产。

参考文献

[1] 牟春书等. 石油钻井绞车防碰系统分析[J].山东工业技术，2016 第6期