新型塔上无人作业提引器的研制与应用

秘俊峰，罗诗伟，邵盛元，马亮，金蕾，王栋

(1.陕西核昌机电装备有限公司，陕西咸阳 71200；2.核工业二〇三研究所，西安 710086)

0 引言

提引器是钻探设备中的一个重要机具，在起降钻具中担负着连接与脱开钻具的任务。如果实现塔上无人操作，可以减轻工人劳动强度，降低由此带来的发生塔上作业安全事故的风险[1]。因此，要求操作方便和安全可靠。

在工程地质钻探施工中，广泛使用的是一种简易提引器，它由提引器及箍环等主要零件组成，这种提引器构造简单，使用方便，但不能实现与钻具塔上自动脱离。在施工中，由于钢丝绳、钻杆及钻具由空中(或地面)提起后放到地面或钻孔内，挂上与分离都在地面完成。但在提起主动钻杆时，必须上塔后人工将提引器与主动钻杆头上的水龙头顶挂脱离,每钻进一个回次，就得提起一次主动钻杆，工人就得上一次钻塔，通常一个台班至少要上几十次钻塔。因此，开发一种能够塔上自动脱离的提引器，可以减轻劳动强度，并且能够避免如脚踏板脱焊、工人滑倒等原因造成的安全事故。为了适应钻探的发展形势，减少钻探工人的劳动强度，保障施工安全，陕西核昌机电装备有限公司与核工业二〇三研究所决定共同研制新型塔上无人提引器。

1 应用现状

1.1 传统摘挂式提引器

常规钻探施工是通过传统提引器与钻杆锁接手的挂、摘进行提下钻作业。使用传统摘挂式提引器时存在以下问题：①必须有工人站在钻塔二层台上进行提引器与钻杆锁接头的分离或挂钩作业，属于高空作业，存在人员从高空坠落的风险；②每次提下钻工人需要上下钻塔各一次，一个台班至少要上下钻塔十几次，存在工人劳动强度大、上下塔及摘挂工作时安全风险高等问题[2]。

1.2 普通爬杆提引器

爬杆式提引器包括爬杆提引器和蘑菇头，通过将蘑菇头装、卸到钻杆锁接手上，并将提引器与蘑菇头挂、摘进行提下钻作业。

现在普遍使用的爬杆提引器的蘑菇头一般采用螺纹连接[3]，使用时存在以下问题：①提钻时，拧卸扣费时费力；②下钻摘卸提引器时，常发生提引器闭锁装置的辊子卡死、不易打开现象[4]；③经常拧卸会造成蘑菇头螺纹磨损，存在安全隐患[5]；④拧卸蘑菇头过程中，要使用大扳手，劳动强度高、用时长、可靠性和稳定性差；⑤在下钻时用拧管机拧紧钻杆的过程中，极易将蘑菇头螺纹松开，造成安全事故[6-7]。

1.3 研制新型提引器需要解决的关键问题

(1)塔上无人作业。提下钻具作业时，不需要工人上塔作业，全部操作在孔口完成，实现真正的塔上无人作业[8]。

(2)安全可靠。提下钻具作业过程中，保证提引器不松动、无脱落、不卡死，蘑菇头与钻杆柱连接方便、快捷、牢靠，提引器与钻杆柱及蘑菇头连接简便、牢固，确保提引器工作安全可靠。

(3)省时省力。提引器与钻杆柱及蘑菇头连接应简便、快捷，蘑菇头与钻杆柱连接简便、快捷、牢靠[9]。

(4)使用寿命长。应保证设计强度，合理材料选型，选择正确的热处理和机加工工艺，提高提引器的使用寿命。

2 新型提引器的总体结构

半自动爬杆提引器是一种塔上无人爬杆提引器，在进行提下钻具工作时，不需要工人站在钻塔的二层台处进行摘挂提引器，全部操作在井口即可完成，没有高空作业[10]。当需要提钻具时，先在井口钻杆上安装蘑菇头，接着沿轴向拉动提引器锁套，向外把转轴从提引器吊架的缺口处扳开，此时提引器的吊架是一个U型的开口；然后推动吊架，使钻杆在缺口中，把转轴向内扳动，沿轴向拉动提引器锁套，使转轴进入吊架的缺口，锁套进入提引器吊架的沉孔中，松开锁套，由于弹簧力的作用，使锁套自锁在吊架沉孔中，此时吊架U型孔与套装在转轴上的辊子组成一个封闭式的圆环，此圆环比蘑菇头的外凸台要小，可挂住蘑菇头[11]。

新型塔上无人提引器为整体式，结构简单，由吊环、吊梁、吊臂、吊架、转轴、辊子、隔套、锁套、锁紧弹簧等部件组成，见图1。其中各部件均采用优质碳素结构钢，经过多种工艺处理，其力学性能显著增强，达到设计需求[12-13]。吊梁和吊架采用整体式架构，增强提引器结构稳定性，使其工作中更加安全可靠。

图1 新型塔上无人提引器简图

在实际工作中，吊架可以任意角度旋转，转动灵活，无卡顿现象，整体结构简单，便于加工，没有易损件。提引器在自重作用下极易自动脱离[14]，从而实现塔上无人操作的要求。

3 工业性试验

塔上无人提引器的工业性试验场地在咸阳市旬邑县转角村齐家湾中国铀业公司下属单位某项目部千米钻孔。经过试验证明，这种自动提引器不仅具备操作方便、结构简单、加工容易的特点，同时适用于不同角度的斜孔，提高了升降钻具的效率，减少操作人员，避免塔上高空作业及减轻劳动强度，保证了操作安全，试验现场见图2。

图2 新型塔上无人提引器现场试验

3.1 钻探设备及人员配置

试验钻探设备包括：XY-5岩心钻机，18A36T型钻塔，NBB260/7泥浆泵、直径60 mm钻杆，传统摘挂式提引器，新型爬杆提引器[15]。进行试验的钻机作业人员：机长1人，班长3人，工人3人。

3.2 现场试验情况

3.2.1 钻探工作量

爬杆提引器共进行了6个钻孔，约计3800 m钻探工作量现场提下钻试验工作。同时，在进行现场试验之前，在所试验钻机上进行了3个钻孔，约计2070 m摘挂式提引器提下钻时间统计，未统计普通爬杆提引器的提下钻工序时间。

3.2.2 试验数据

按照制定的操作规定对爬杆提引器进行了现场应用试验，主要进行了提引器应用性能(合理性、可行性、安全性、可靠性)及时效性对比试验[16]。

通过6个钻孔的应用试验，在使用过程中无人员上塔作业，提下钻作业流畅，提引器闭锁装置辊子卡死现象0次，提引器和蘑菇头脱不开造成的人员上塔作业0次，未发生蘑菇头与钻杆脱离事故，提引器、蘑菇头未发生损坏、变形。

先后对6个钻孔从各工序作业时间上进行了分类对比统计，相关统计数据见表1。其中，提钻工序包括安装蘑菇头、挂提引器、抽垫叉、提立根、垫垫叉、卸钻杆、移钻杆立根、下放提引器到孔口，下钻工序包括挂提引器到立根上、拉提引器并提起立根、拧钻杆丝扣、抽垫叉、下放立根、垫垫叉、卸蘑菇头[17]。

表1 爬杆提引器提下钻工序时间统计

进行摘挂式提引器提下钻时间检测的3个钻孔的测量数据见表2。其中，提钻工序包括挂提引器、抽垫叉、提立根、垫垫叉、卸钻杆丝扣、移钻杆立根、摘提引器(在钻塔二层工作平台上人工进行)、下放提引器到孔口，下钻工序包括拉起提引器、挂提引器到立根上(在钻塔二层工作平台上人工进行)、提起立根、拧钻杆丝扣、抽垫叉、下放立根、垫垫叉。

表2 摘挂式提引器提下钻工序时间统计

从表1和表2可以看出，使用新型爬杆提引器与传统摘挂式提引器每根钻杆立根提下钻用时差不多，相差时间1 s。

3.2.3 应用对比

(1)时效性对比。虽然未进行普通爬杆式提引器提下钻工序用时统计，但由于普通爬杆式提引器蘑菇头和钻杆用螺纹连接，需要人工拧卸，有时还需要使用扳手，而蘑菇头拧卸的过程和新研制的蘑菇头安装、拆卸差不多，因此提下钻用时普通爬杆式提引器肯定大大高于新研制的爬杆式提引器[18]。

(2)安全性对比。普通爬杆式提引器的蘑菇头与钻杆是螺纹连接，由于磨损等原因易发生脱落造成跑钻事故，新研制爬杆式提引器采用的抽插式结构杜绝了蘑菇头与钻杆柱的非正常脱落，保证了提下钻作业工序的安全。

(3)作业形式。整个现场实验过程中，钻机实行3班2人3倒作业，每班只配备2人，即1班长、1工人；进行提下钻作业时，班长操作钻机，工人在孔口进行蘑菇头拧卸、提引器摘挂即可完成提下钻作业。

3.3 效果评价

(1)实现了塔上无人提下钻作业。试验钻孔6个，进行提下钻工序作业，只有钻机操作人员和孔口人员2人完成，提引器与钻杆接手的摘挂是通过提引器和蘑菇头机构自动实现，整个过程中塔上无人作业，极大地减轻了劳动强度，同时也消除了安全隐患，降低了安全风险。

(2)安全可靠。新型提引器采用抽插式蘑菇头，在提下钻作业过程中，能防止蘑菇头与钻杆锁接手脱开，并且安装、摘卸方便，使用安全可靠。

(3)降低钻探成本。使用新型爬杆提引器，减少了塔上作业人员1人，从而降低钻探成本。

(4)使用寿命。由于试验的钻探工作量有限，所研制爬杆提引器的使用寿命还不能做准确评价，但从进行了6个钻孔计3800 m钻探工作量试验结果看，提引器和蘑菇头均无裂损和大的磨损，未发生变形，其强度和使用寿命应该能达到预期值[19-20]；最终评价需要在后续工作中根据钻探工作量及使用情况进行进一步评价。

(5)在使用的过程中，应注意以下几点：①上钻时，锁接头一定要拧紧，在施工较深孔时，要用自由钳拧紧，拧紧或卸开接手时，提引器应拉紧钻杆；②钻具未停稳时，严禁摘挂提引器，以防发生跑钻或其他事故；③提拉或下放钻具时，锁套必须进入卡槽锁紧滚轮。

4 结语

新型塔上无人提引器具有设计合理、结构简单、加工容易、没有易损件等特点，可实现塔上无人提下钻作业，使用安全、可靠，能满足铀矿地质勘探钻探生产工艺和安全、绿色勘查的要求，能提高钻探生产效率。经生产和现场试验，进一步验证了该提引器能够满足塔上无人操作的要求。下一步我们将根据试验反馈的相关信息，继续不断完善，优化改进设计方案，最终形成一个成熟的系列配套钻具产品。