车载钻机静载性能检测方法

2020-07-27党林

煤矿安全 2020年7期

党林

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

煤层气属于非常规天然气的一种，其热值与天然气相当，因此，煤层气是一种热值高、污染少、安全性好的洁净能源，是上好的民用、商用、发电燃料和化工原料[1-3]。车载钻机具有钻进速度快、操作简单、辅助作业方便、适用于多种钻进工艺、拆装及运输方便等优点[4-8]，广泛应用于煤层气勘探和抽采、矿山应急救援以及工程施工中[9]，是目前煤层气钻孔和救援钻孔施工的主流施工装备[10]。

车载钻机主要是靠上装钻机部分实现大扭矩回转和强力起拔来完成作业任务的。这2 个功能参数是车载钻机最为主要的技术指标。目前，国内的车载钻机生产企业和专用汽车检测检验机构对这2 个参数的确定最常用的方法是通过公式计算得到1 个设计理论值，或是通过工程施工，凭经验间接的获得1 个参数范围，不能够准确检测车载钻机的这2个主要参数，严重制约了车载钻机上装性能的检测检验和最大参数值的标定工作，存在最大参数标定不合理、误区多等缺点，使得车载钻机的可靠性受到极大限制。为此，提出了一种车载钻机上装静载性能检测方法，检测方法能够直观、准确、快速对车载钻机上装的静态扭矩和静态提升力进行检测，并在实际工作中得到成功应用。

1 检测平台搭建

车载钻机静载性能检测时，由于检测的扭矩和提升力都比较大，检测平台需要施加很大的反作用力以达到检测的目的，检测平台建设的难点就在于施力装置。检测平台采用深度约为18～25 m、直径约为700～900 mm 的钢筋混凝土灌注桩，中间预埋φ127 mm 钻杆作为传力构件来实现，桩身采用C30混凝土浇筑。在中间预埋钻杆的上端（露出混凝土浇筑桩一端）连接钻杆接头，使其法兰端朝上。车载钻机静载性能检测平台建设示意图如1。

图1 车载钻机静载性能检测平台建设示意图Fig.1 Construction diagram of static load performance testing platform of truck-mounted drilling rig

车载钻机静载性能检测平台主要检测车载钻机静态扭矩和提升力2 个主要参数，鉴于车载钻机的特点和要求，设计建设的车载钻机静载性能检测平台在施工和建设时保证其抗扭能力和抗拉能力分别达到30 000 N·m 和1 000 kN 以上，并考虑到安全系数及以后的能力扩充，检测平台留有更大的富余空间。为此所配备的静态扭矩传感器和提升力传感器设计测试能力分别为50 000 N·m 和1 200 kN，静态扭矩传感器如图2，静态提升力传感器图3。

图2 静态扭矩传感器Fig.2 Static torque sensor

除传感器和检测平台外，在检测时还需要相应的工装来辅助完成检测检验任务。钻杆接头如图4；检测过程中使用的检测用钻杆和检测平台建设时预埋的钻杆都采用这种法兰接头，连接尺寸与扭矩传感器、提升力传感器、提升力检测用工装一致，以便能与其连接。

图3 静态提升力传感器Fig.3 Static lift force sensor

图4 钻杆接头Fig.4 Drill pipe joint

检测提升力时，为避免检测钻杆和预埋钻杆及传感器不对中导致的误差及对传感器的损伤，采用1 对提升力检测用工装，分别连接在检测钻杆下端和提升力传感器上端，中间用钢丝绳连接。提升力检测工装如图5。

图5 提升力检测工装Fig.5 Lifting force detection tooling

2 车载钻机静载性能检测方法及过程

通过该检测平台，对中煤科工集团西安研究院有限公司生产的ZMK5530TZJ60 和ZMK5530TZJ100型车载钻机进行了静态扭矩和静态提升力的试验和检测检验。

1）检测前准备工作。在检测过程中，检测平台的基础及预埋钻杆固定不动，将车载钻机停靠在检测平台合适的位置，立车后，将检测用钻杆连接到车载钻机动力头处，检测用钻杆的下端连接如图4的钻杆接头，使其法兰端朝下，使检测用钻杆与检测平台预埋钻杆尽可能同轴，以减少检测时的数据误差，提高检测时的精度和安全性。

2）静态扭矩检测方法。将图2 的扭矩传感器上端与检测用钻杆下端的法兰进行连接，在检测平台预埋钻杆的上端法兰处安装万向联轴器（万向联轴器两端法兰的连接尺寸和图2 的扭矩传感器以及图4 的钻杆接头相同），将车载钻机动力头向下行走，使扭矩传感器的另一端和万向联轴器的一端连接。所有采用螺栓连接处都使用高强度螺栓。螺纹连接处，在连接之前都必须涂抹丝扣油。扭矩传感器和工装连接完成后，将扭矩传感器仪表与传感器进行连接，通电后即可开始检测车载钻机的静态扭矩。车载钻机静态扭矩检测时的状态如图6。传感器通电后，车载钻机停止给进，动力头在低速档的状态下，调节回转调速控制手柄，由低到高逐渐加载，测量车载钻机动力头输出的扭矩值，该值即为车载钻机的静态扭矩。

图6 车载钻机静载检测示意图Fig.6 Diagram of static load detection of truck-mounted drilling rig

3）静态提升力检测方法。扭矩检测完后，将扭矩传感器、万向联轴器依次从检测平台和检测用钻杆上拆除，使车载钻机和检测平台恢复到上文“检测前准备”的状态。将图3 的提升力传感器的下端连接到预埋钻杆的法兰盘上，提升力传感器的上端连接1 个图5 的提升力检测用工装，检测用钻杆下端的法兰连接另1 个图5 的提升力检测用工装，将车载钻机动力头向下行走，使得2 个提升力检测用工装距离在1 m 左右，然后将钢丝绳穿过2 个提升力检测用工装的圆环，用绳扣锁紧。所有采用螺栓连接处都使用高强度螺栓。提升力传感器和提升力检测用工装连接完成后，将提升力传感器仪表与传感器进行连接，通电后即可开始检测车载钻机的静态提升力。传感器通电后，车载钻机在停止回转的状态下，调节提升调速控制手柄，由低到高逐渐加载，在系统压力达到额定压力时测得的提升力数值为车载钻机的静态提升力。2 个主要技术参数检测完成后，拆除传感器及工装，将车载钻机桅杆收回，并将车载钻机移出检测区域，使检测平台恢复到如图1的状态，做好保养和防护。

4）静载性能检测及结果。对ZMK5530TZJ60 型和ZMK5530TZJ100 型车载钻机按照上述方法进行了静态扭矩和静态提升力的检测。ZMK5530TZJ60型车载钻机静态扭矩在额定压力26 MPa 时的检测值为12 135 N·m；静态提升力在额定压力35 MPa时的检测值为612 kN。ZMK5530TZJ100 型车载钻机静态扭矩在额定压力26 MPa 时的检测值为30 758 N·m；静态提升力在额定压力35 MPa 时的检测值为1 089 kN。