液控式卡瓦互鎖裝置的研制與應(yīng)用

(中石化勝利石油工程有限公司 井下作業(yè)公司，山東 東營 257000)①

在進(jìn)行帶壓起、下油管作業(yè)時(shí)，需通過帶壓作業(yè)機(jī)頻繁打開和關(guān)閉固定承重卡瓦、移動(dòng)承重卡瓦、固定防頂卡瓦和移動(dòng)防頂卡瓦[1]。其中，固定承重卡瓦和移動(dòng)承重卡瓦組在井下壓力不足以抵消油管自重力的情況下配套使用(重管柱狀態(tài))，固定防頂卡瓦和移動(dòng)防頂卡瓦組在井下壓力大于油管自重力時(shí)配套使用(輕管柱狀態(tài))。

如果上述2組卡瓦沒有相互制約的控制機(jī)構(gòu)，開關(guān)操作將會(huì)極大地受人為因素或其它因素影響，容易因誤操作等原因?qū)е鹿苤渚蝻w出井口的事故。因此，在實(shí)際操作中，需要配合卡瓦互鎖裝置使用。

卡瓦互鎖裝置是一種用于承重卡瓦組和防頂卡瓦組互鎖的裝置[2-4]，能夠?qū)崿F(xiàn)在輕管柱狀態(tài)下移動(dòng)防頂卡瓦和固定防頂卡瓦始終有1臺(tái)保持在關(guān)閉位置，在重管柱狀態(tài)下移動(dòng)承重卡瓦和固定承重卡瓦始終有1臺(tái)保持在關(guān)閉位置，從而避免了承重卡瓦組或防頂卡瓦組同時(shí)打開而導(dǎo)致管柱飛出或落井事故。

目前，國內(nèi)外都使用機(jī)械式、電磁閥式等卡瓦互鎖裝置。但是，機(jī)械式卡瓦互鎖裝置的操作手感差，卡頓現(xiàn)象嚴(yán)重，在特殊情況下需要同時(shí)打開卡瓦時(shí)，又需要拆掉限位裝置，操作不便。電磁閥式卡瓦互鎖裝置的感應(yīng)探頭需鋪設(shè)電路，增加了用電的安全風(fēng)險(xiǎn)，對電磁設(shè)備防爆性能要求高[5]。另外，在惡劣環(huán)境下電子原件易損壞，維修周期和成本高。因此，需要研發(fā)一種適應(yīng)惡劣操作環(huán)境、可靠性高，操作簡便的卡瓦互鎖裝置。

1 液控式卡瓦互鎖裝置液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研制的液控式卡瓦互鎖裝置可以作為功能加強(qiáng)組件被安裝在任何帶壓作業(yè)機(jī)的液壓系統(tǒng)回路中，成為帶壓作業(yè)機(jī)卡瓦液壓控制回路的一部分，使得卡瓦液壓控制閥與卡瓦液壓缸之間的油路被其控制。

液控式卡瓦互鎖裝置的液壓系統(tǒng)如圖1所示，由手柄四聯(lián)閥組、先導(dǎo)式單向閥組[6]、選擇閥、卡瓦調(diào)壓閥及卡瓦液壓缸組成。手柄四聯(lián)閥組與卡瓦液壓互鎖回路相連，操作手通過四聯(lián)閥組將手柄打開或關(guān)閉信息傳遞給卡瓦互鎖系統(tǒng)；先導(dǎo)式單向閥組由防頂先導(dǎo)式單向閥組和承重先導(dǎo)式單向閥組構(gòu)成，每一閥組均包括4個(gè)液控單向閥和2個(gè)普通單向閥。這些單向閥組成卡瓦液壓互鎖回路，控制卡瓦組。防頂先導(dǎo)式單向閥組及承重先導(dǎo)式單向閥組均包括移動(dòng)單向閥及固定單向閥；選擇閥的入口都與液壓系統(tǒng)主回路相連，而選擇閥的出口與單向閥組的先導(dǎo)壓力入口相連。當(dāng)選擇閥處于正常模式，即關(guān)閉狀態(tài)下，系統(tǒng)壓力被阻斷而無法傳遞到單向閥組的先導(dǎo)壓力入口，所以該單項(xiàng)閥組里的固定和移動(dòng)2個(gè)單向閥都處于正常工作狀態(tài)，即，沒有被強(qiáng)制打開。此時(shí)，卡瓦組處于相互自鎖狀態(tài)。當(dāng)選擇閥打開，即處于旁通位置時(shí)，液壓系統(tǒng)壓力則可以傳遞到單向閥組的先導(dǎo)壓力入口，使得該閥組里的2個(gè)單向閥都被強(qiáng)制打開，這時(shí)卡瓦組中的2個(gè)防頂卡瓦的自鎖被解除，可以自由打開而不用受另一個(gè)卡瓦開/閉狀態(tài)的限制?？ㄍ哒{(diào)壓閥用于調(diào)節(jié)卡瓦的輸入壓力的大小?？ㄍ咭簤焊淄ㄟ^液壓回路提供驅(qū)動(dòng)防頂卡瓦組及承重卡瓦組的卡瓦動(dòng)作的液壓動(dòng)力。每1個(gè)卡瓦液壓缸用于驅(qū)動(dòng)1個(gè)卡瓦，卡瓦液缸上有2個(gè)開口，當(dāng)液壓泵的液壓油經(jīng)管路從卡瓦液壓缸一端流入，另一端流出，并經(jīng)管路流回油箱時(shí)，對應(yīng)的卡瓦關(guān)閉。反之，對應(yīng)的卡瓦打開。

手柄四聯(lián)閥組、單向閥組、選擇閥共同形成液壓先導(dǎo)閥組，實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能。液壓先導(dǎo)閥組通過采集液壓回路里的1個(gè)先導(dǎo)壓力信號來打開或關(guān)閉1個(gè)單向閥，從而阻斷或開放通向驅(qū)動(dòng)卡瓦動(dòng)作的液壓缸的油路。如果油路阻斷，則卡瓦就不能打開。油路開放時(shí)，卡瓦可以被打開。當(dāng)成對卡瓦中的一個(gè)卡瓦處于打開位置時(shí)，先導(dǎo)壓力信號控制單向閥阻斷另一個(gè)卡瓦的油路，使其不能打開；而當(dāng)這個(gè)卡瓦處于關(guān)閉位置時(shí)，先導(dǎo)壓力信號將打開單向閥，從而開放另一個(gè)卡瓦的油路。液壓先導(dǎo)閥組以上的控制邏輯，使得在輕管柱狀態(tài)下移動(dòng)防頂卡瓦和固定防頂卡瓦始終有1個(gè)保持在關(guān)閉位置；在重管柱狀態(tài)下移動(dòng)承重卡瓦和固定承重卡瓦始終有1個(gè)保持在關(guān)閉位置。

當(dāng)帶壓作業(yè)施工進(jìn)行到某些特定階段時(shí)，需要將成對的卡瓦同時(shí)打開。因此在液壓回路中設(shè)計(jì)如圖2所示旁通閥[7-8]。在特殊工況時(shí)，可通過操作旁通閥使卡瓦互鎖系統(tǒng)失效，此時(shí)成對卡瓦可同時(shí)開啟。待施工進(jìn)入正常狀態(tài)時(shí)，操作旁通閥，恢復(fù)卡瓦互鎖功能。

1—手柄四聯(lián)閥組；2—先導(dǎo)式單向閥組；3—卡瓦液壓缸；4—選擇閥；5—調(diào)壓閥。

圖2 同時(shí)打開成對卡瓦的液壓閥件控制原理

液控式卡瓦互鎖裝置的液壓回路實(shí)現(xiàn)了管柱上升或下降的安全控制，同時(shí)考慮了成對卡瓦同時(shí)打開的特殊情況。通過手柄四聯(lián)閥組和旁通閥即可實(shí)現(xiàn)所有的操作，操作簡便，避免了人為誤操作及由此造成的安全事故。

2 卡瓦液壓互鎖回路集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

先導(dǎo)式單向閥組構(gòu)成的卡瓦液壓互鎖回路是液控式卡瓦互鎖裝置的核心部件。為簡化卡瓦互鎖裝置液路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將所有先導(dǎo)式單向閥集中安裝于同一閥塊中，進(jìn)行集成模塊化設(shè)計(jì)[9-13]，從而極大地簡便了液控式卡瓦互鎖裝置的安裝和維修。

先導(dǎo)式單向閥組模塊按照標(biāo)準(zhǔn)IRP15《帶壓作業(yè)行業(yè)推薦規(guī)范》要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[13-15]，最終成品如圖3所示，能夠?qū)崿F(xiàn)最大流量120 L/min，最大壓力21 MPa。

a 上面

b 下面

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

將液控式卡瓦互鎖裝置按照圖1進(jìn)行連接，連接后互鎖裝置如圖4所示。液控式卡瓦互鎖裝置進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，確保管線無泄露，卡瓦開關(guān)正常。經(jīng)過8口井現(xiàn)場測試，設(shè)備安全可靠性達(dá)100%，適應(yīng)各種惡劣的現(xiàn)場施工環(huán)境。

a 卡瓦互鎖裝置控制手柄

b 卡瓦互鎖裝置旁通管路

c 卡瓦互鎖裝置主液控管路

d 卡瓦互鎖裝置防頂管路

4 結(jié)論

1) 液控式卡瓦互鎖裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在輕管柱狀態(tài)下移動(dòng)防頂卡瓦和固定防頂卡瓦始終有1臺(tái)保持在關(guān)閉位置，在重管柱狀態(tài)下移動(dòng)承重卡瓦和固定承重卡瓦始終有1臺(tái)保持在關(guān)閉位置，從而避免了承重卡瓦組或防頂卡瓦組同時(shí)打開導(dǎo)致的管柱飛出或落井事故。

2) 先導(dǎo)式單向閥組構(gòu)成的卡瓦液壓互鎖回路配合手柄四聯(lián)閥組、單向閥組和選擇閥，能夠?qū)ㄍ哌M(jìn)行邏輯控制，是液控式卡瓦互鎖裝置的核心模塊；卡瓦互鎖裝置的液路系統(tǒng)中的旁通閥可使成對卡瓦同時(shí)開啟，滿足特殊情況下的要求。

3) 現(xiàn)場應(yīng)用表明，新型液控式卡瓦互鎖裝置完全滿足施工要求，具有安裝及操作簡便、對惡劣工作環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。