郭 亮

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司 陜西西安 710077

近年以來(lái)，以煤礦為主的各類(lèi)大直徑工程井的需求逐漸增多，該類(lèi)特殊井型可實(shí)現(xiàn)救援逃生、物料供給、纜線輸送、通風(fēng)排水、瓦斯強(qiáng)排等功能[1-2]，但在施工裝備及鉆井工藝上與常規(guī)油氣井不盡相同，普遍存在鉆進(jìn)速度慢、施工周期長(zhǎng)、廢井風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)[3-5]。由于其鉆頭過(guò)大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在施工過(guò)程中常發(fā)生鉆頭掉件、井口意外墜入金屬物等事故，如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)落物并開(kāi)展打撈作業(yè)，還會(huì)造成鉆頭損壞、二次落物、卡鉆等不良后果。然而，大直徑工程井業(yè)內(nèi)尚無(wú)專(zhuān)用、成熟的打撈產(chǎn)品，如遇金屬落物事故，井隊(duì)不得不使用石油鉆井行業(yè)內(nèi)的專(zhuān)用打撈設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)加工工具[6]，作業(yè)效果難盡人意。為此開(kāi)發(fā)的大直徑井專(zhuān)用電磁打撈器對(duì)鐵基金屬落物捕獲能力極強(qiáng)[7]，但國(guó)內(nèi)鮮有將大型用電設(shè)備下入深井施展無(wú)人作業(yè)的案例。鑒于此，為實(shí)現(xiàn)大直徑井電磁打撈器的安全升降、操作便捷，進(jìn)一步研制了專(zhuān)用升降裝備，與其共同構(gòu)建成一套完整的大直徑井電磁打撈系統(tǒng)，開(kāi)展了相關(guān)性能試驗(yàn)并設(shè)計(jì)了與之配套的打撈工藝。

1 電磁打撈器

電磁打撈器主要由電磁模塊、降阻導(dǎo)流模塊、可拆卸式滑輪模塊、防水接電模塊、提吊模塊構(gòu)成。ZMKEFS-520D 型電磁打撈器結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。該電磁打撈器工作電壓為 220 V，額定電流為 11.2 A，空載質(zhì)量為 360 kg。

圖1 ZMKEFS-520D 型電磁打撈器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of ZMKEFS-520D electromagnetic fishing device

電磁模塊是電磁打撈器的核心部件，其內(nèi)以 2.36 mm×5.00 mm SBELB 雙玻璃絲包扁鋁線作為電磁線圈密繞鐵芯，其特殊的扁平結(jié)構(gòu)有利于充分利用電磁模塊內(nèi)部空間，增加纏繞匝數(shù)，匝數(shù)越多，形成的磁場(chǎng)越強(qiáng)。纏繞總匝數(shù)為 1 930 圈，總長(zhǎng)度達(dá) 1 928 m，通電后螺線管內(nèi)將形成磁場(chǎng)，內(nèi)插鐵芯受磁場(chǎng)作用后磁化，共同在裝置下方產(chǎn)生復(fù)合強(qiáng)磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵質(zhì)金屬落物的磁吸捕獲。經(jīng)試驗(yàn)，ZMKEFS-520D型電磁打撈器可吸附鐵基金屬的最大質(zhì)量可達(dá) 624 kg，磁吸響應(yīng)的最大直接距離為 308 mm、間接距離為 850 mm，全面積被吸附鐵基金屬的最大抗拉脫離強(qiáng)度為 58.5 kN。

ZMKEFS-520D 型電磁打撈器雖性能良好，但在其潛入井底實(shí)施打撈作業(yè)時(shí)，地面輔助升降裝備需同時(shí)承擔(dān)對(duì)其輸送電力及負(fù)載。輔助升降裝備的性能，成為制約電磁打撈器性能發(fā)揮的關(guān)鍵因素。

2 專(zhuān)用升降裝備的研制

2.1 設(shè)計(jì)思路

為選取適宜的升降工藝作為研究方向，對(duì)以下潛在方案進(jìn)行了對(duì)比分析：①鉆桿連接，牢固、起下速度穩(wěn)定，但配合供電存在較大難度，供電線纜容易被鉆桿擠壓破壞，而額外開(kāi)發(fā)輸電鉆桿成本過(guò)高，不易實(shí)現(xiàn)；② 法蘭桿柱連接，可用于大直徑井內(nèi)排水泵下入，優(yōu)點(diǎn)為成本低，連接穩(wěn)定，缺點(diǎn)在于施工過(guò)程全部由人工操作，流程繁復(fù)，安全隱患較大，下放效率低，與打撈搶險(xiǎn)的緊迫性相悖；③雙線纜雙卷?yè)P(yáng)模式，電磁打撈器起下迅速，但電纜與鋼絲繩受力后的伸縮比例存在差異，2 臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)輸送速度精準(zhǔn)匹配難度較大，且雙纜交叉、纏繞風(fēng)險(xiǎn)高，電纜易被絞斷，安全性較差；④ 依靠單線纜配套卷?yè)P(yáng)機(jī)。該方案具備起下速度快、操作靈活便捷、安全、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但市場(chǎng)上現(xiàn)有的承荷探測(cè)電纜自身性能較弱，難以滿(mǎn)足電磁打撈器大載荷、強(qiáng)直流供電的需求。

綜上所述，基于大直徑井工況的特殊性及其自身裝置特點(diǎn)，借鑒承荷探測(cè)電纜的工作模式，最適合大直徑井電磁打撈器的升降方案是獨(dú)立開(kāi)發(fā)一款既可承重、又可直流輸電的特種專(zhuān)用線纜，同時(shí)需研制一套與專(zhuān)用線纜相適配的升降機(jī)，實(shí)現(xiàn)電纜收納與輸送的安全。

2.2 專(zhuān)用線纜的研制

大直徑井工況復(fù)雜，任何線纜都會(huì)與井壁產(chǎn)生接觸、摩擦，且鉆井液殘留物為堿性，會(huì)對(duì)普通線纜的橡膠等物質(zhì)產(chǎn)生腐蝕。因此，專(zhuān)用線纜在實(shí)現(xiàn)電磁打撈器載荷、供電主要功能的同時(shí)，還需要具備防水、耐壓、耐磨、抗腐蝕等性能。

為保護(hù)供電安全、穩(wěn)定，電纜導(dǎo)體按 2 組 4 芯設(shè)置在線纜內(nèi)部，每芯截面積為 3.5 mm2，滿(mǎn)足電磁打撈器直流電用電需求的同時(shí)，其截面結(jié)構(gòu)更加對(duì)稱(chēng)。專(zhuān)用線纜截面示意如圖 2 所示，電纜由絕緣護(hù)套包裹，間隙由 PE 線材及特殊膠質(zhì)填充，用于結(jié)構(gòu)支撐，通過(guò)涂覆涂敷聚氨酯，護(hù)套實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的防水、耐壓、耐磨功能，外層護(hù)套對(duì)內(nèi)部導(dǎo)體進(jìn)行約束以集中保護(hù)，纜芯外圍由直徑為 1.32 mm 的鋼絲正反雙層絞合，特殊的絞合方式使其具有抗自轉(zhuǎn)能力，避免扭斷，提升了安全性，使用 1 770 MPa 級(jí)熱鍍鋅處理可提升防銹、抗腐能力。

圖2 專(zhuān)用線纜橫截面示意Fig.2 Sectional sketch of special cable

由于電磁打撈器自身質(zhì)量極大，如脫離連接墜入井底，會(huì)造成廢井，風(fēng)險(xiǎn)極高。因此，專(zhuān)用線纜靠近井下的一端由鋼絲繩網(wǎng)套連接在電磁打撈器頂端的承重銷(xiāo)釘上，專(zhuān)用線纜末端剝離出的電纜纜芯接入電磁打撈器防水線盒，再由絕緣樹(shù)脂及防水膠密封，實(shí)現(xiàn)供電；剝離剩余的鋼絲繩股作為安全繩連接在電磁打撈器頂端的安全銷(xiāo)釘上；靠近地面的一端，專(zhuān)用線纜經(jīng)卷筒收容后接入提升機(jī)電控系統(tǒng)整流器，形成供電回路。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，研制的專(zhuān)用線纜在保持電力輸送的情況下，極限抗拉強(qiáng)度可達(dá) 136 kN。大直徑井電磁打撈器質(zhì)量為 360 kg，最大下深 520 m，專(zhuān)用線纜線密度為 0.81 kg/m，在最大工作深度下，專(zhuān)用線纜與電磁打撈器在井口卷?yè)P(yáng)吊臂繩頭的載荷合計(jì)為 8.39 kN。煤礦安全規(guī)程對(duì)人員升降專(zhuān)用單繩纏繞式升降裝置的安全系數(shù)要求為 9[8]，大直徑井電磁打撈器在未打撈落物時(shí)的安全系數(shù)可達(dá) 16.23，打撈滿(mǎn)載 14.50 kN 下的安全系數(shù)可達(dá) 9.38，均超過(guò)載人安全標(biāo)準(zhǔn)，可保障大直徑井電磁打撈器充分發(fā)揮性能。專(zhuān)用線纜主要性能參數(shù)如表 1 所列。

表1 專(zhuān)用線纜的主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of special cable

2.3 專(zhuān)用升降平臺(tái)的研制

電磁打撈器屬于事故處理應(yīng)急裝備，這一特殊性要求專(zhuān)用升降平臺(tái)必須具備以下特點(diǎn)：較強(qiáng)的野外環(huán)境適應(yīng)能力；體積緊湊，不過(guò)多占用井場(chǎng)空間；與各類(lèi)地形貼合牢靠；提吊靈活穩(wěn)定，不傾覆失穩(wěn)，卷?yè)P(yáng)對(duì)線纜的控制安全可靠，不發(fā)生纏繞、跳繩、亂繩等異常情況；結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，易于維修。

因此，研制的專(zhuān)用升降平臺(tái)采用了全電控系統(tǒng)，主要由提升子系統(tǒng)和車(chē)架子系統(tǒng) 2 部分組成。提升子系統(tǒng)安裝在車(chē)架子系統(tǒng)上方，用于控制專(zhuān)用線纜的上提與下放；車(chē)架子系統(tǒng)使用專(zhuān)用升降平臺(tái)，具備野外全地形自主移動(dòng)能力，便于現(xiàn)場(chǎng)布置，擺脫了對(duì)吊車(chē)等運(yùn)載設(shè)備的依賴(lài)。

專(zhuān)用升降平臺(tái)外接 380 V、50 Hz 交流電源，裝機(jī)容量為 35 kW，由總控柜及內(nèi)置的變壓器、變頻器對(duì)電磁打撈器、提升子系統(tǒng)、車(chē)架子系統(tǒng)整體的電力、操作系統(tǒng)進(jìn)行分配與整合?？偪毓窦闪酥鞑僮髅姘寮皩?shí)時(shí)載荷、行程、提吊速度、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)的數(shù)顯功能。升降平臺(tái)質(zhì)量為 12 t，最大起升高度為2.4 m，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 專(zhuān)用升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of special lifting platform

2.3.1 提升子系統(tǒng)

提升子系統(tǒng)主要包括卷筒、排繩器、起重電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、制動(dòng)器。外接電源通過(guò)總控柜接入提升機(jī) 22 kW 變頻器，帶動(dòng)起重變頻電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)。卷筒直徑為 500 mm、擋板間寬度為 760 mm、表面設(shè)計(jì)有螺旋式繩槽，有利于前 1～ 2 層線纜的有序排布。容繩量為 520 m，滿(mǎn)繞線纜后共排布 7層、每層 42 匝。卷筒與排繩器通過(guò)鏈條連接，卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)排繩器在絲杠上往復(fù)移動(dòng)，專(zhuān)用線纜穿過(guò)車(chē)架子系統(tǒng)前端吊臂上的定滑輪后，經(jīng)由排繩器引導(dǎo)后有序纏繞在卷筒上，避免了跳繩、亂繩等異常情況的出現(xiàn)。提升子系統(tǒng)整合了速度傳感器、行程傳感器和計(jì)時(shí)器，可通過(guò)電控柜上的屏顯元件對(duì)打撈作業(yè)上提下放行程、實(shí)時(shí)速度和開(kāi)機(jī)時(shí)間進(jìn)行精確顯示。提升子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

圖4 提升子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of lifting subsystem

提升子系統(tǒng)最大提升力為 50 kN，升降速度為18～ 54 m/min。在傳統(tǒng)打撈方式中，鉆機(jī)起下鉆單次按 2 根計(jì)，含人工上卸扣時(shí)間，平均速度約為 4～5 m/min。而專(zhuān)用升降平臺(tái)的最高安全起下速度為 54 m/min。以井深 500 m 為例，電磁打撈器下至井底僅需9.26 min，極大縮短了打撈作業(yè)時(shí)間，對(duì)于搶救工期、節(jié)約成本具有重要意義。

2.3.2 車(chē)架子系統(tǒng)

車(chē)架子系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)：

(1) 車(chē)架 主要起承載作用，其上設(shè)置有吊耳，可用于整車(chē)吊裝及錨固連接點(diǎn)；

(2) 車(chē)輪組 由車(chē)輪箱、輪胎、小車(chē)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)組成；

(3) 起升承重吊臂 由承重梁、支承座、定滑輪及載荷傳感器滑輪軸等組成；

(4) 駕駛座 由方向盤(pán)、副操作面板、腳踏板等組成。

將車(chē)架子系統(tǒng)的移動(dòng)方式設(shè)計(jì)為四驅(qū)驅(qū)動(dòng)，外接電源通過(guò)總控柜接入車(chē)架的 7.5 kW 變頻器，帶動(dòng)車(chē)架底部 4 個(gè)輪箱中的 4 臺(tái) 1.5 kW 動(dòng)力電動(dòng)機(jī)，可實(shí)現(xiàn)車(chē)架前進(jìn)、倒退、加減速、剎車(chē)。實(shí)心橡膠越野輪胎可適應(yīng)沙地、泥地、山地、雪地等野外環(huán)境，最高移動(dòng)速度為 20 m/min。車(chē)架底部前端的 2 個(gè)輪箱具備同步轉(zhuǎn)向功能，駕駛座正前方設(shè)計(jì)有方向盤(pán)，當(dāng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)起下部的轉(zhuǎn)向機(jī)，轉(zhuǎn)向機(jī)聯(lián)動(dòng)撥叉桿，實(shí)現(xiàn)升降平臺(tái)移動(dòng)中轉(zhuǎn)向。駕駛位下方右腳位置設(shè)計(jì)有腳踏板，用于施加前進(jìn)或倒退動(dòng)力。

繩頭定滑輪為可拆卸結(jié)構(gòu)，如鉆井井架不便撤出場(chǎng)地，可將定滑輪拆除，使專(zhuān)用線纜從滑輪下方穿過(guò)后，重新裝回定滑輪，專(zhuān)用線纜被引導(dǎo)至上方，由井架大鉤上設(shè)置的定滑輪再次引導(dǎo)至井口。起升承重吊臂為可拆卸式，便于運(yùn)輸。

在操作設(shè)計(jì)上，駕駛座右前側(cè)設(shè)計(jì)有副操作面板，與總控柜主操作面板功能一致，二者皆可用于操控整個(gè)升降平臺(tái)。駕駛位的各類(lèi)操作功能全面、便捷，僅由 1 人即可完成打撈作業(yè)全部操作，降低了工作配合難度。

3 性能測(cè)試

研制的專(zhuān)用線纜與升降平臺(tái)相互配合，輔助電磁打撈器完成打撈作業(yè)，3 項(xiàng)裝備共同構(gòu)建了完整的電磁打撈系統(tǒng)，如圖 5 所示。

圖5 電磁打撈系統(tǒng)性能測(cè)試Fig.5 Performance test of electromagnetic fishing system

2022 年 3 月在中煤科工集團(tuán)西安研究院廠區(qū)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了工程試車(chē)及打撈模擬試驗(yàn)。

工程試車(chē)方面，重點(diǎn)測(cè)試了專(zhuān)用升降平臺(tái)提升子系統(tǒng)的長(zhǎng)距離提吊穩(wěn)定性與排繩可靠性。在專(zhuān)用線纜繩頭施加重為 10.30 kN 的載荷，選取長(zhǎng)度為 124 m的廠區(qū)道路，開(kāi)展長(zhǎng)距離牽引拖拽試驗(yàn)。拖拽過(guò)程中產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力，與實(shí)際打撈作業(yè)上提過(guò)程中電磁打撈器與井壁接觸產(chǎn)生的摩擦力相似。拖拽試驗(yàn)耗時(shí) 3.29 min，儀表顯示載荷高達(dá) 12.95～13.44 kN，接近滿(mǎn)載，最高時(shí)速為 53.1 m/min，最低時(shí)速為 17.9 m/min，平均速度為 37.6 m/min，被拖拽重物移動(dòng)平穩(wěn)，排繩系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平順，卷筒收繩有序。通過(guò)對(duì)車(chē)架子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，車(chē)體行走、轉(zhuǎn)向功能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)過(guò)程中各項(xiàng)功能運(yùn)行良好，傳感器數(shù)顯功能正常。

打撈模擬試驗(yàn)方面，制作了長(zhǎng)度為 4 m、內(nèi)徑為850 mm 的有機(jī)玻璃透明容器作為人工井底，蓄滿(mǎn)水后，在人工井底放置 17 支、共計(jì) 96 kg 不同規(guī)格金屬物體。電磁打撈系統(tǒng)按既定打撈工藝開(kāi)展打撈模擬試驗(yàn) 5 次，其中 4 次將井底落物一次性打撈成功，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)構(gòu)建大直徑井電磁打撈系統(tǒng)，填補(bǔ)了煤礦大直徑井缺乏專(zhuān)用打撈產(chǎn)品的空白。研制的專(zhuān)用線纜既可承重亦可供電，安全系數(shù)高于煤礦安全規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)；研制的專(zhuān)用升降平臺(tái)具備全地形自主移動(dòng)能力，野外適應(yīng)能力強(qiáng)，整合了大直徑井電磁打撈系統(tǒng)的各項(xiàng)功能與操作，其提升子系統(tǒng)排繩安全、穩(wěn)定，升降迅速，對(duì)于搶救工期具有重要意義。大直徑井電磁打撈系統(tǒng)具有良好的推廣價(jià)值及市場(chǎng)前景。