蘇 磊

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司，黑龍江大慶163411）

防噴器是井控裝置的關(guān)鍵部分，用于在鉆井、修井、試油等作業(yè)中控制井口壓力，能夠有效防止井噴事故的發(fā)生，實現(xiàn)安全施工。但由于防噴器的品種、規(guī)格較多，整機(jī)重量不等，體積龐大，外形復(fù)雜，在維修或清洗時需要進(jìn)行0°～180°的人工翻轉(zhuǎn)，以便完成檢修項目，另外在長途運輸時，由于防噴器底部尺寸小，上部尺寸大，直立運輸不平穩(wěn)，為了方便運輸，也需要將防噴器翻轉(zhuǎn)90°，增大與車廂接觸面積，降低重心，保證行車安全。防噴器品種、規(guī)格較多，體積龐大，整機(jī)重量從1000～13000kg不等、長寬高及外形結(jié)構(gòu)有較大差別，由于沒有專用工具翻轉(zhuǎn)，為了檢修防噴器的底部，只有2種方法：①使用吊車吊起檢查。②在木方平臺翻倒防噴器。使用吊車將防噴器吊起檢查時，員工需要站在吊起重物的下面檢查，嚴(yán)重違反了安全規(guī)定，方法不可取。使用吊車與維修工人配合在廠房內(nèi)的木方平臺上進(jìn)行防噴器翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)到最后吊車無法控制防噴器，防噴器頂部會突然倒向地面，人員如果防護(hù)不及時，會造成人身傷害。另外，防噴器的棱角會夾扁鋼絲繩，吊起時鋼絲繩可能突然斷裂，存在較大的安全隱患。同時對防噴器連接密封部位損傷很大，費時、費力，安全及可靠性均不高并且影響維修質(zhì)量。針對這種情況，設(shè)計了防噴器自動翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)對防噴器進(jìn)行翻轉(zhuǎn)時，施工作業(yè)簡單，速度快，效率高，并且大大降低了安全風(fēng)險。

1 翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)的研制

1.1 翻轉(zhuǎn)工藝設(shè)計的研究

（1）翻轉(zhuǎn)角度應(yīng)滿足180°的要求，采用2次90°翻轉(zhuǎn)的方式，2次翻轉(zhuǎn)之間使用平板車運輸。

（2）根據(jù)大慶油田主流防噴器的外形與重量設(shè)計翻轉(zhuǎn)機(jī)身。該裝置的設(shè)計尺寸及承載能力應(yīng)滿足大慶油田現(xiàn)有主流防噴器的外形尺寸和重量要求。防噴器的外形尺寸及重量見表1。

同時要考慮以下4方面的因素：

①液壓缸的行程應(yīng)滿足翻轉(zhuǎn)的需要。

②防噴器四通的寬度不影響翻轉(zhuǎn)時的平穩(wěn)。

③應(yīng)減輕90°翻轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的沖擊。

④防噴器的外形與重量。

經(jīng)過研究確定外形尺寸為8976×1500×3430。承載能力為25t。機(jī)架主體為普通碳鋼Q235板材焊接成型，整體結(jié)構(gòu)采用閉框式設(shè)計，兩端設(shè)計了緩沖彈簧，減少沖擊力，經(jīng)計算完全滿足強(qiáng)度與剛度要求。為了實現(xiàn)180°的翻轉(zhuǎn)，采用二次組合翻轉(zhuǎn)的形式，2次翻轉(zhuǎn)之間使用移動平板車運載，液壓驅(qū)動。

1.2 翻轉(zhuǎn)裝置的研制

1.2.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)械部分的研制

（1）翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計。由左右兩側(cè)的雙油缸對防噴器進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，左右2個單作用油缸和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成活動的一體，巧妙地形成了一個雙作用油缸，在液壓控制上在2個油缸的進(jìn)油段加上了平衡閥，使得在翻轉(zhuǎn)過程非常平滑、穩(wěn)定。設(shè)計時油缸采用了三節(jié)油缸，特點是體積小形成長，由于在翻轉(zhuǎn)過程中，對左面的油缸的作用力是由大到小，對右面的油缸的作用力是由小到大，對于多極油缸具有上述的特點，有較高的經(jīng)濟(jì)性和實用性。

表1 常規(guī)防噴器外形尺寸

（2）液壓缸的研制。在活塞桿的強(qiáng)度計算時，以液壓缸的活塞桿端部和缸筒后端蓋均為耳環(huán)鉸接式安裝方式作為基本情況考慮。經(jīng)過計算，21MPa的系統(tǒng)油壓可以生成25t的推力，能夠滿足最重的2FZ35-70翻轉(zhuǎn)所需要的推力。移動小車液壓推動桿能夠生成10t的推力。由此可確定額定推力下的液缸內(nèi)徑。

液缸壁厚應(yīng)滿足強(qiáng)度的要求：

式中：D——缸筒內(nèi)徑;

Pmax——最高允許壓力；

[σ]——缸筒材料的許用應(yīng)力

σs——缸筒材料的屈服強(qiáng)度；n——安全系數(shù)，通常取3.5～5。

經(jīng)過計算：額定工作壓力21MPa下根據(jù)計算選擇液壓缸殼體的厚度。

第一級：缸徑：210mm，桿徑：280mm，行程509mm；

第二級：缸徑：125mm，桿徑：150mm，行程515mm；

第三級：缸徑：80mm，桿徑：100mm，行程526mm。

（3）翻轉(zhuǎn)軸承的強(qiáng)度分析：

按當(dāng)量彎矩計算軸強(qiáng)度：

實心軸計算公式：

式中：σ-1——彎曲應(yīng)力，MPa；

d——軸計算截面上的直徑，mm；

M——軸計算截面上的合成彎矩，N·mm；

T——軸計算截面上的轉(zhuǎn)矩，N·mm；

α——系數(shù)。

材料選取45#鋼調(diào)制處理，單根軸承載能力設(shè)定為50t。45#鋼調(diào)制力學(xué)性能如表2所示。

經(jīng)計算單件軸承直徑d=60mm。

表2 45#鋼調(diào)制力學(xué)性能

1.2.2 液壓控制部分的研制

（1）液壓部分的設(shè)計：裝置在翻轉(zhuǎn)過程中，隨著防噴器的翻轉(zhuǎn)，重心點會隨之變動，故系統(tǒng)中增加平衡閥，確保兩側(cè)油缸在翻轉(zhuǎn)過程中的動態(tài)平衡，達(dá)到整個翻轉(zhuǎn)過程安全、平穩(wěn)；在翻轉(zhuǎn)的初期，油缸的作用力最大，隨著行程的增加，油缸的力逐漸變小，翻轉(zhuǎn)到45°時力最小，當(dāng)超過45°時，右面的油缸開始受力，由于安裝了平衡閥，防止了當(dāng)右面油缸受力后會快速下降，右面油缸的下降速度是根據(jù)左油缸的油壓來決定，整個翻轉(zhuǎn)過程是一種動態(tài)中的平衡，無論是上升還是下降的速度，都是根據(jù)液壓泵給油的多少，來決定防噴器的翻轉(zhuǎn)速度。對于大噸位設(shè)備的翻轉(zhuǎn)起到了一個比較安全可靠的工作基礎(chǔ)。本裝置液壓泵站是采用齒輪泵組作為動力源，通過操作手柄的開合角度來調(diào)節(jié)比例調(diào)壓閥控制流量,達(dá)到調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度。

相應(yīng)計算簡化式：

式中：V——柱塞泵每轉(zhuǎn)的排量；

A——有效面積；

H——行程。

式中：Q——流量；

n——轉(zhuǎn)速。

式中：M——平均扭矩；

Δp——有效壓力。

式中：phydr——液壓功率。

式中：pdrive——驅(qū)動功率。

式中：pout——液壓馬達(dá)輸出功率。

（2）PLC流程安全設(shè)計：位移完成后，必須將位移油缸縮回，否則將對二次翻轉(zhuǎn)造成影響；當(dāng)防噴器完全位移至2#翻轉(zhuǎn)臺，且位移油缸全部縮回后，方可進(jìn)入下部操作，PLC流程如圖1所示。

（3）液壓部分組成：液壓站主要由電控箱、保護(hù)框架、電機(jī)、壓力表、電磁閥、溢流閥、油箱、輸出端口組成。

2 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

（1）雙向同步液壓缸的研究。由左右兩側(cè)的雙油缸對防噴器進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，左右2個單作用油缸和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成活動的一體，巧妙的形成了一個雙作用油缸。

圖1 PLC流程圖

（2）PLC安全程序設(shè)計，杜絕人為誤操作的發(fā)生。

2.2 創(chuàng)新

（1）首次研究出0°～180°翻轉(zhuǎn)的防噴器專用翻轉(zhuǎn)設(shè)備。

（2）雙向同步液壓缸確保翻轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)安全、減小翻轉(zhuǎn)沖擊力，同時具備調(diào)速功能，操作人性化。

（3）自動水平移動系統(tǒng)同時具備液壓驅(qū)動、PLC安全程序保護(hù)功能，并設(shè)計有運載平板車防脫落功能，確保運載車90°直立時，不從導(dǎo)軌上掉落。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

已在井控裝備管理中心使用一年，維修翻轉(zhuǎn)防噴器300臺次，每臺防噴器在維修過程中要經(jīng)歷2次180°的翻轉(zhuǎn)過程,運行平穩(wěn)，安全可靠。

4 結(jié)束語

翻轉(zhuǎn)裝置的應(yīng)用，一方面能及時排除防噴器檢修過程中存在的安全隱患，降低惡性事故的發(fā)生，確保防噴器生產(chǎn)的安全運行，取得重大的社會效益；另一方面，該項目的研發(fā)思路處于國內(nèi)同行業(yè)的領(lǐng)先水平，市場前景大，為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。