DJB－5/50×35－R 型载人载物电动绞车的研制*

2022-04-13王亚鹏廖恒伟

石油机械 2022年4期

王亚鹏廖恒伟李勇

(1.中国石油川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司 2.宝鸡巨菱钻采设备有限责任公司)

0 引言

在当前油气钻井辅助提升作业中，主要使用气动绞车进行甩钻具等载物吊装作业[1－4]。在安装顶驱、水龙带、挂大绳及维修设备等高空作业中，常用气动载人绞车进行高空载人作业。其中载物作业用气动绞车的生产厂家众多，主要有泰安巨菱、烟台石油及英格索兰(美国) 等公司。近些年，随着国产绞车技术工艺不断成熟及显著的价格与服务优势，其占比达90%以上；载人用气动绞车生产厂家则相对较少，主要有泰安巨菱及英格索兰等，受安全性和品牌力等因素影响，国产绞车占比不足50%，且存在以下问题:①无论是载物气动绞车还是载人气动绞车，同级别产品往往进口绞车要比国产绞车贵70%左右，甚至更高；②单台绞车只具备载人或载物功能，利用率低，一般钻井平台需同时配备1 台载人气动绞车及2 台载物气动绞车，设备成本高，占用空间大；③气动绞车存在噪声大、能效低、提升力不足以及低温环境适应性差等缺点[5－12]，比如在川渝等地很多钻井队中，在往钻台面运送钻铤和套管等较大载荷钻井工具时，为避免气动绞车由于供气不连续或气压不足造成提升力不足，从安全角度考虑，往往使用吊车进行运输钻具作业；而在新疆、大庆和中亚等高寒地区，气动绞车易产生凝露和结冰故障，难以满足使用要求。

鉴于此，中国石油川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司联合宝鸡巨菱钻采设备有限责任公司及相关单位，于2019 年9 月首次在石油钻机辅助提升设备领域提出“载人载物”双用途电动绞车的理念，并成功研制了DJB－5/50×35－R 型载人载物电动绞车。

1 技术分析

1.1 结构

DJB－5/50×35－R 型载人载物电动绞车主要由绞车主体、电控系统和控制系统三部分组成。绞车主体包括防爆变频制动电机、绞车架、行星减速机、卷筒体、自动排绳器、压绳器、限位装置和带式刹车等，其中电机、减速机和卷筒采用同轴式布局，电机尾部防爆罩内设置电磁失电制动器(简称盘刹) 及编码器。电控系统由防爆电控箱体、温控系统、变频器、控制回路和制动电阻路等组成，非防爆电气元件封装在防爆电控箱内。控制系统由防爆(手柄) 操作盒和控制箱两套互锁且互为备份的系统组成。载人载物电动绞车结构示意图如图1 所示。

图1 载人载物电动绞车结构示意图Fig.1 Structure of the people/cargo-carrying electric winch

1.2 工作原理

载人载物电动绞车采用载物与载人两种工作模式。载物模式下，可用防爆操作盒手柄控制绞车以无级调速方式载物，此工作模式灵活高效；载人模式下，可用控制箱上的控制旋钮控制绞车平稳低速载人，此工作模式安全可靠。

通过操作盒手柄或控制旋钮，控制绞车电控系统(变频器) 给电机提供变频电源，对电机进行速度设定，电机驱动减速机带动卷筒体转动，卷筒体缠绕或松开钢丝绳，实现提升或下放人员(重物) 功能。

1.3 主要技术参数

载人时允许负载×速度(首层钢丝绳):5 kN×12 m/min (匀速，可设定)；

绞车额定功率:15 kW；

卷筒尺寸(直径×长度):ø370 mm×441 mm；

钢丝绳规格(直径×长度):ø20 mm×130 mm(阻旋转钢丝绳)；

电控系统参数:15 kW/380 V/50 Hz；

减速机传动比:99；

防爆变频制动电机参数:15 kW/380 V/0～100 Hz/ExdIIBT4/IP56/H；

教学组织在混合式教学中，教学不再仅局限于课堂教学这一环节，而是围绕课前、课中和课后三个阶段进行教学组织和设计[7]，包括课前自主学习、课堂教学活动、课后拓展性学习及计算机仿真实验研究活等环节。在这个过程中，教师要发挥引导的作用，促使学生能有效开展自主学习、探究合作学习，保证教学过程有序进行。

吊装锁具安全系数:≥5 (载物)，≥50 (载人)。

2 关键技术及创新设计

2.1 双用途绞车理念的引入与总体设计

首次在石油钻机辅助提升设备领域引入“载人载物”双用途电动绞车理念，通过电动绞车设置有线可移动式防爆(手柄) 操作盒和控制箱(旋钮) 两套控制系统，分别对应载物和载人两种工作模式，从功能和使用场景上实现载人载物双用途绞车设计理念。在控制箱上设置两种工作模式的转换旋钮。切换到载物模式，可用操作盒手柄控制绞车无级调速载物运行，冲击小、效率高；切换到载人模式，可用控制箱上的控制旋钮控制绞车低速载人运行，工作平稳、安全性高。两套控制系统互锁且互为备份，实现了既保证安全性又提高系统可靠性的预期目标。

对电控系统、电机、减速机和盘刹等关键部件选型时适当放大级别并加大安全系数；在钢丝绳、吊钩及起重链条等吊装锁具设计中引入双设计系数的理念，即载物时吊装锁具的安全系数≥5，载人时吊装锁具的安全系数≥50，确保满足载人载物双用途要求。

2.2 电动绞车的紧凑型整体设计

本电动绞车的电机、减速机和卷筒采用同轴式布置，结构简单，维护方便。为缩短绞车长度，行星减速机采用内藏式(藏于卷筒内部) 设计。此外，由于电机的功率质量比较气动马达小很多，同等功率级别下其质量大、尺寸长，如采用常规设计，则同轴式电动绞车的整体长度将比现有气动绞车长度增加约30%，即便如此也难以满足钻井平台对设备长度(较短) 的要求。对此，通过对电机型式进行多次选型和优化，最终确定“紧凑型设计”方案，即在比常规电机更大的机座上设计同功率级别的电机，去除散热风扇，缩短电机长度，适当加大直径，增加散热面积，从而达到了缩短电机长度的同时又提高其散热效率的目的。

电动绞车的紧凑型整体设计确保其长度与主流同级别气动绞车基本一致，能满足各型钻机钻台面的空间布置要求。

2.3 紧凑型电机的内置线设计

本电动绞车采用起重用防爆交流变频制动电机，其过载能力大、抗冲击强、安全系数高。在电机尾部的防爆罩内设置有盘刹及编码器。为缩短长度且要满足户外防潮防腐防爆要求，除采用2.2 节“紧凑型设计”外，盘刹和编码器电缆采用“内置线”设计，即盘刹和编码器的电缆依次从电机后端盖、电机壳体的内部通道直达电机接线盒，防爆罩上无需设置电缆出线孔，使得电机防潮、防水和防爆性能大幅提高。同时，在对电机盘刹进行调整间隙和清理污物等日常维护工作时，只需拆除防爆罩即可，不需要拆卸电缆，让日常检修维保工作变得简捷、便利、高效。紧凑型电机结构如图2 所示。

图2 紧凑型电机结构图Fig.2 Structure of the compact motor

紧凑型电机采用内置线设计，一方面，适当加大了电机直径，可安装比常规的更大级别的制动器，提高了刹车安全系数，保证刹车散热效果，增加了安全性；另一方面，为实现特殊工况应急下放人员(重物) 的功能，本绞车盘刹特别设计了具备紧急手动释放功能的制动器，紧急情况下配合带式刹车可将人员(重物) 安全落下。

2.4 电控系统的特异化设计

电气元件特别是核心器件变频器对环境温度、湿度较为敏感，故电控系统的防潮、散热和保温设计显得尤为关键，电控系统的运行环境直接影响着系统的可靠性和稳定性。为便于施工、搬家及现场维护，本电动绞车的电控系统采用独立封装式设计，自成单元，就近模块化安装于钻台区，如铺台和偏房等处。为满足石油钻井设备的防爆和防潮要求，本电控系统采用隔爆型设计，将所有非防爆元器件封装在防爆柜体内，防护等级达IP56。

电控系统防爆柜体设计为上、下柜体独立布局，上柜体布置变频器等功率单元元件，下柜体布置制动电阻单元，从而避免制动电阻工作时大量产热对变频器的不利影响。同时，为保持电控系统所需的适宜环境温度(－10～＋40 ℃) 和相对湿度(小于90%)，在上柜体内设置自动温控系统，即在上柜体外部设置散热片和散热风机，在上柜体内部设置加热器及温控仪，以此实现自动温控、定期除湿，这样可满足海洋、雨林、沙漠和极地等严苛环境下的使用要求。此外，根据钻井平台的不同配置，电控系统也可安装于钻机的空调恒温电控房内，此时无需单独增加防爆、温控和除湿等功能。电控系统控制原理如图3 所示。

图3 电控系统控制原理图Fig.3 Schematic diagram of the electronic control system

2.5 电控系统的安全保护设计

与气动绞车和液压绞车相比，电动绞车无高压伤害风险，但存在触电风险。绞车主体的电机由变频器电力驱动，非运转状态变频器不输出电能，此时无触电风险，而当绞车运转时则存在触电风险。因此，本电动绞车采用TN－S 系统以及等电位接地，电力拖动系统具备完整的过电流、过电压、欠电压和接地保护回路，电气故障发生时，电气回路能自动分断电源，实现断电保护功能。同时，对操作者频繁接触的操作(手柄) 盒和控制箱两处控制单元采用24 V DC 安全电压设计，最大程度地降低触电风险，保护人员及设备安全。

2.6 自动排绳与压绳的一体化设计

自动排绳器安装在绞车架上方，其动力来自卷筒轴头，通过计算合适的传动比，可满足钢丝绳在卷筒体上每缠绕一圈，自动排绳器主体转动一个钢丝绳当量直径的距离。与此同时，在绞车卷筒体的出绳侧安装压绳器，在弹簧张紧力的作用下压绳器始终紧压钢丝绳，如此可消除钢丝绳在空载放绳工况下的“松绳”及缠绳工况下的“骑绳”现象。排绳器与压绳器的一体化运用，取得了良好的排绳效果。

3 安全保护功能

3.1 多重刹车功能

采用能耗制动＋盘式刹车＋带式刹车三重刹车方式，确保绞车满足钻井辅助提升作业中频繁启动、停止和刹车的使用要求。能耗制动和盘式刹车两种刹车方式能跟随操作手柄/旋钮的动作实现自动切换，即绞车电机使能时能耗制动切入，绞车电机开始工作时盘式刹车退出，反之亦然，始终保持绞车驻车制动、断电刹车和故障刹车，足以满足所有工况的使用要求；带式刹车通常应对紧急释放等特殊情况，确保应急情况下人员与设备安全。

3.2 零伺服保护功能

选用国内著名品牌的起重专用变频器，其闭环矢量控制技术具备零伺服保护功能。当出现盘式刹车故障时，系统会自动检测盘式刹车状态，并控制电机输出扭矩实现自动悬停。同时，系统会不断发出声光警示，提醒操作人员实施应急处理和排除故障，由此进一步提高了绞车运行的安全性。

3.3 双重急停功能

在绞车(手柄) 操作盒及防爆控制箱上均设置了紧急停止按钮，紧急状况可实现系统快速急停和盘式刹车抱闸。双重急停设计，避免了单一急停开关故障时无法应急响应的情况，提高了系统的可靠性和安全性。

3.4 限位保护及限位释放功能

在绞车卷筒输出轴头上设置上、下限位装置，当绞车(吊钩) 运行范围超过设定的行程范围时，会自动触发限位开关，绞车则立即停止运行并投入刹车，确保安全。限位装置动作后，必须长按限位释放复位按钮方可重回设定行程，然后绞车才会继续正常运转。限位保护及限位释放功能既保证了设备运行安全，又满足了操作的便捷性。

3.5 应急释放功能

绞车盘式刹车具备手动紧急释放功能，如遇长时间断电等特殊状况，可配合使用带式刹车以手动模式调整盘式刹车力矩，将人员或重物安全而平稳地缓慢下放。

3.6 过载保护及松绳警示功能

在安全负载范围内，通过设置变频器的过载保护系数，可按需设定绞车的最大提升阈值，当绞车提吊负载超过设定上限时，绞车系统自动停止运行并报故障警示。通过设置变频器的松绳保护系数，当绞车负载低于设定下限时，系统发出警报提示。

3.7 电气保护功能

本绞车使用起重专用变频器，具备断电保护、过压保护、失压保护、失速保护和过流保护等安全保护功能。

4 试验及现场应用

4.1 产品试验

DJB－5/50×35－R 型载人载物电动绞车研制成功后，为确保其各项性能指标达到设计要求，对其进行了严格的工厂试验。试验内容主要包括:绞车基本性能试验、空运转试验、负载性能试验、刹车性能试验、噪声性能试验、安全释放功能试验、静止刹车力矩性能试验以及过载保护、松绳保护、限位保护、零伺服保护等安全保护功能试验。

试验结果表明，该载人载物电动绞车各项参数指标均达到设计要求，其性能出色、工作可靠、安全性强、适用性广。与同级别气动(载人) 绞车相比，其在提升能力、提升速度、能耗比、噪声以及安全性能等方面均有较大的优势。载人载物电动绞车与气动绞车性能参数对比见表1。

根据表1 中数据，对载人载物电动绞车性能评价如下。