秘俊峰，羅詩偉，邵盛元，馬亮，金蕾，王棟

(1.陜西核昌機(jī)電裝備有限公司，陜西咸陽 71200；2.核工業(yè)二〇三研究所，西安 710086)

0 引言

提引器是鉆探設(shè)備中的一個(gè)重要機(jī)具，在起降鉆具中擔(dān)負(fù)著連接與脫開鉆具的任務(wù)。如果實(shí)現(xiàn)塔上無人操作，可以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，降低由此帶來的發(fā)生塔上作業(yè)安全事故的風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，要求操作方便和安全可靠。

在工程地質(zhì)鉆探施工中，廣泛使用的是一種簡(jiǎn)易提引器，它由提引器及箍環(huán)等主要零件組成，這種提引器構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便，但不能實(shí)現(xiàn)與鉆具塔上自動(dòng)脫離。在施工中，由于鋼絲繩、鉆桿及鉆具由空中(或地面)提起后放到地面或鉆孔內(nèi)，掛上與分離都在地面完成。但在提起主動(dòng)鉆桿時(shí)，必須上塔后人工將提引器與主動(dòng)鉆桿頭上的水龍頭頂掛脫離,每鉆進(jìn)一個(gè)回次，就得提起一次主動(dòng)鉆桿，工人就得上一次鉆塔，通常一個(gè)臺(tái)班至少要上幾十次鉆塔。因此，開發(fā)一種能夠塔上自動(dòng)脫離的提引器，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，并且能夠避免如腳踏板脫焊、工人滑倒等原因造成的安全事故。為了適應(yīng)鉆探的發(fā)展形勢(shì)，減少鉆探工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障施工安全，陜西核昌機(jī)電裝備有限公司與核工業(yè)二〇三研究所決定共同研制新型塔上無人提引器。

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)摘掛式提引器

常規(guī)鉆探施工是通過傳統(tǒng)提引器與鉆桿鎖接手的掛、摘進(jìn)行提下鉆作業(yè)。使用傳統(tǒng)摘掛式提引器時(shí)存在以下問題：①必須有工人站在鉆塔二層臺(tái)上進(jìn)行提引器與鉆桿鎖接頭的分離或掛鉤作業(yè)，屬于高空作業(yè)，存在人員從高空墜落的風(fēng)險(xiǎn)；②每次提下鉆工人需要上下鉆塔各一次，一個(gè)臺(tái)班至少要上下鉆塔十幾次，存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、上下塔及摘掛工作時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題[2]。

1.2 普通爬桿提引器

爬桿式提引器包括爬桿提引器和蘑菇頭，通過將蘑菇頭裝、卸到鉆桿鎖接手上，并將提引器與蘑菇頭掛、摘進(jìn)行提下鉆作業(yè)。

現(xiàn)在普遍使用的爬桿提引器的蘑菇頭一般采用螺紋連接[3]，使用時(shí)存在以下問題：①提鉆時(shí)，擰卸扣費(fèi)時(shí)費(fèi)力；②下鉆摘卸提引器時(shí)，常發(fā)生提引器閉鎖裝置的輥?zhàn)涌ㄋ?、不易打開現(xiàn)象[4]；③經(jīng)常擰卸會(huì)造成蘑菇頭螺紋磨損，存在安全隱患[5]；④擰卸蘑菇頭過程中，要使用大扳手，勞動(dòng)強(qiáng)度高、用時(shí)長、可靠性和穩(wěn)定性差；⑤在下鉆時(shí)用擰管機(jī)擰緊鉆桿的過程中，極易將蘑菇頭螺紋松開，造成安全事故[6-7]。

1.3 研制新型提引器需要解決的關(guān)鍵問題

(1)塔上無人作業(yè)。提下鉆具作業(yè)時(shí)，不需要工人上塔作業(yè)，全部操作在孔口完成，實(shí)現(xiàn)真正的塔上無人作業(yè)[8]。

(2)安全可靠。提下鉆具作業(yè)過程中，保證提引器不松動(dòng)、無脫落、不卡死，蘑菇頭與鉆桿柱連接方便、快捷、牢靠，提引器與鉆桿柱及蘑菇頭連接簡(jiǎn)便、牢固，確保提引器工作安全可靠。

(3)省時(shí)省力。提引器與鉆桿柱及蘑菇頭連接應(yīng)簡(jiǎn)便、快捷，蘑菇頭與鉆桿柱連接簡(jiǎn)便、快捷、牢靠[9]。

(4)使用壽命長。應(yīng)保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度，合理材料選型，選擇正確的熱處理和機(jī)加工工藝，提高提引器的使用壽命。

2 新型提引器的總體結(jié)構(gòu)

半自動(dòng)爬桿提引器是一種塔上無人爬桿提引器，在進(jìn)行提下鉆具工作時(shí)，不需要工人站在鉆塔的二層臺(tái)處進(jìn)行摘掛提引器，全部操作在井口即可完成，沒有高空作業(yè)[10]。當(dāng)需要提鉆具時(shí)，先在井口鉆桿上安裝蘑菇頭，接著沿軸向拉動(dòng)提引器鎖套，向外把轉(zhuǎn)軸從提引器吊架的缺口處扳開，此時(shí)提引器的吊架是一個(gè)U型的開口；然后推動(dòng)吊架，使鉆桿在缺口中，把轉(zhuǎn)軸向內(nèi)扳動(dòng)，沿軸向拉動(dòng)提引器鎖套，使轉(zhuǎn)軸進(jìn)入吊架的缺口，鎖套進(jìn)入提引器吊架的沉孔中，松開鎖套，由于彈簧力的作用，使鎖套自鎖在吊架沉孔中，此時(shí)吊架U型孔與套裝在轉(zhuǎn)軸上的輥?zhàn)咏M成一個(gè)封閉式的圓環(huán)，此圓環(huán)比蘑菇頭的外凸臺(tái)要小，可掛住蘑菇頭[11]。

新型塔上無人提引器為整體式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由吊環(huán)、吊梁、吊臂、吊架、轉(zhuǎn)軸、輥?zhàn)?、隔套、鎖套、鎖緊彈簧等部件組成，見圖1。其中各部件均采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)過多種工藝處理，其力學(xué)性能顯著增強(qiáng)，達(dá)到設(shè)計(jì)需求[12-13]。吊梁和吊架采用整體式架構(gòu)，增強(qiáng)提引器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使其工作中更加安全可靠。

圖1 新型塔上無人提引器簡(jiǎn)圖

在實(shí)際工作中，吊架可以任意角度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，無卡頓現(xiàn)象，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工，沒有易損件。提引器在自重作用下極易自動(dòng)脫離[14]，從而實(shí)現(xiàn)塔上無人操作的要求。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

塔上無人提引器的工業(yè)性試驗(yàn)場(chǎng)地在咸陽市旬邑縣轉(zhuǎn)角村齊家灣中國鈾業(yè)公司下屬單位某項(xiàng)目部千米鉆孔。經(jīng)過試驗(yàn)證明，這種自動(dòng)提引器不僅具備操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易的特點(diǎn)，同時(shí)適用于不同角度的斜孔，提高了升降鉆具的效率，減少操作人員，避免塔上高空作業(yè)及減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了操作安全，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖2。

圖2 新型塔上無人提引器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 鉆探設(shè)備及人員配置

試驗(yàn)鉆探設(shè)備包括：XY-5巖心鉆機(jī)，18A36T型鉆塔，NBB260/7泥漿泵、直徑60 mm鉆桿，傳統(tǒng)摘掛式提引器，新型爬桿提引器[15]。進(jìn)行試驗(yàn)的鉆機(jī)作業(yè)人員：機(jī)長1人，班長3人，工人3人。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

3.2.1 鉆探工作量

爬桿提引器共進(jìn)行了6個(gè)鉆孔，約計(jì)3800 m鉆探工作量現(xiàn)場(chǎng)提下鉆試驗(yàn)工作。同時(shí)，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之前，在所試驗(yàn)鉆機(jī)上進(jìn)行了3個(gè)鉆孔，約計(jì)2070 m摘掛式提引器提下鉆時(shí)間統(tǒng)計(jì)，未統(tǒng)計(jì)普通爬桿提引器的提下鉆工序時(shí)間。

3.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照制定的操作規(guī)定對(duì)爬桿提引器進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，主要進(jìn)行了提引器應(yīng)用性能(合理性、可行性、安全性、可靠性)及時(shí)效性對(duì)比試驗(yàn)[16]。

通過6個(gè)鉆孔的應(yīng)用試驗(yàn)，在使用過程中無人員上塔作業(yè)，提下鉆作業(yè)流暢，提引器閉鎖裝置輥?zhàn)涌ㄋ垃F(xiàn)象0次，提引器和蘑菇頭脫不開造成的人員上塔作業(yè)0次，未發(fā)生蘑菇頭與鉆桿脫離事故，提引器、蘑菇頭未發(fā)生損壞、變形。

先后對(duì)6個(gè)鉆孔從各工序作業(yè)時(shí)間上進(jìn)行了分類對(duì)比統(tǒng)計(jì)，相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。其中，提鉆工序包括安裝蘑菇頭、掛提引器、抽墊叉、提立根、墊墊叉、卸鉆桿、移鉆桿立根、下放提引器到孔口，下鉆工序包括掛提引器到立根上、拉提引器并提起立根、擰鉆桿絲扣、抽墊叉、下放立根、墊墊叉、卸蘑菇頭[17]。

表1 爬桿提引器提下鉆工序時(shí)間統(tǒng)計(jì)

進(jìn)行摘掛式提引器提下鉆時(shí)間檢測(cè)的3個(gè)鉆孔的測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。其中，提鉆工序包括掛提引器、抽墊叉、提立根、墊墊叉、卸鉆桿絲扣、移鉆桿立根、摘提引器(在鉆塔二層工作平臺(tái)上人工進(jìn)行)、下放提引器到孔口，下鉆工序包括拉起提引器、掛提引器到立根上(在鉆塔二層工作平臺(tái)上人工進(jìn)行)、提起立根、擰鉆桿絲扣、抽墊叉、下放立根、墊墊叉。

表2 摘掛式提引器提下鉆工序時(shí)間統(tǒng)計(jì)

從表1和表2可以看出，使用新型爬桿提引器與傳統(tǒng)摘掛式提引器每根鉆桿立根提下鉆用時(shí)差不多，相差時(shí)間1 s。

3.2.3 應(yīng)用對(duì)比

(1)時(shí)效性對(duì)比。雖然未進(jìn)行普通爬桿式提引器提下鉆工序用時(shí)統(tǒng)計(jì)，但由于普通爬桿式提引器蘑菇頭和鉆桿用螺紋連接，需要人工擰卸，有時(shí)還需要使用扳手，而蘑菇頭擰卸的過程和新研制的蘑菇頭安裝、拆卸差不多，因此提下鉆用時(shí)普通爬桿式提引器肯定大大高于新研制的爬桿式提引器[18]。

(2)安全性對(duì)比。普通爬桿式提引器的蘑菇頭與鉆桿是螺紋連接，由于磨損等原因易發(fā)生脫落造成跑鉆事故，新研制爬桿式提引器采用的抽插式結(jié)構(gòu)杜絕了蘑菇頭與鉆桿柱的非正常脫落，保證了提下鉆作業(yè)工序的安全。

(3)作業(yè)形式。整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)過程中，鉆機(jī)實(shí)行3班2人3倒作業(yè)，每班只配備2人，即1班長、1工人；進(jìn)行提下鉆作業(yè)時(shí)，班長操作鉆機(jī)，工人在孔口進(jìn)行蘑菇頭擰卸、提引器摘掛即可完成提下鉆作業(yè)。

3.3 效果評(píng)價(jià)

(1)實(shí)現(xiàn)了塔上無人提下鉆作業(yè)。試驗(yàn)鉆孔6個(gè)，進(jìn)行提下鉆工序作業(yè)，只有鉆機(jī)操作人員和孔口人員2人完成，提引器與鉆桿接手的摘掛是通過提引器和蘑菇頭機(jī)構(gòu)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)過程中塔上無人作業(yè)，極大地減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也消除了安全隱患，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2)安全可靠。新型提引器采用抽插式蘑菇頭，在提下鉆作業(yè)過程中，能防止蘑菇頭與鉆桿鎖接手脫開，并且安裝、摘卸方便，使用安全可靠。

(3)降低鉆探成本。使用新型爬桿提引器，減少了塔上作業(yè)人員1人，從而降低鉆探成本。

(4)使用壽命。由于試驗(yàn)的鉆探工作量有限，所研制爬桿提引器的使用壽命還不能做準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，但從進(jìn)行了6個(gè)鉆孔計(jì)3800 m鉆探工作量試驗(yàn)結(jié)果看，提引器和蘑菇頭均無裂損和大的磨損，未發(fā)生變形，其強(qiáng)度和使用壽命應(yīng)該能達(dá)到預(yù)期值[19-20]；最終評(píng)價(jià)需要在后續(xù)工作中根據(jù)鉆探工作量及使用情況進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)價(jià)。

(5)在使用的過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①上鉆時(shí)，鎖接頭一定要擰緊，在施工較深孔時(shí)，要用自由鉗擰緊，擰緊或卸開接手時(shí)，提引器應(yīng)拉緊鉆桿；②鉆具未停穩(wěn)時(shí)，嚴(yán)禁摘掛提引器，以防發(fā)生跑鉆或其他事故；③提拉或下放鉆具時(shí)，鎖套必須進(jìn)入卡槽鎖緊滾輪。

4 結(jié)語

新型塔上無人提引器具有設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易、沒有易損件等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)塔上無人提下鉆作業(yè)，使用安全、可靠，能滿足鈾礦地質(zhì)勘探鉆探生產(chǎn)工藝和安全、綠色勘查的要求，能提高鉆探生產(chǎn)效率。經(jīng)生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了該提引器能夠滿足塔上無人操作的要求。下一步我們將根據(jù)試驗(yàn)反饋的相關(guān)信息，繼續(xù)不斷完善，優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，最終形成一個(gè)成熟的系列配套鉆具產(chǎn)品。