自鎖式繃?yán)K快速拉緊器研究與應(yīng)用

張孝寧 高文斌 單忠利 張孝燕

（1.遼河油田金海采油廠；2.遼河油田分公司特種油開發(fā)公司）

1 區(qū)域概況

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)域?yàn)檫|河油田重要稠油生產(chǎn)區(qū)塊，開發(fā)目的層為東營(yíng)組二、三段以及沙河街組三段，油藏埋深為1 150～1 466m，孔隙度為24.0%～31.8%，滲透率為0.6～2.3 D，平均原油黏度為15 090mPa·s，平均密度為0.984 g/cm3，儲(chǔ)層發(fā)育較好，屬于中深層高孔、高滲特稠油油藏[1]。

在采油、集輸生產(chǎn)過(guò)程中，需要使用大型臥式加熱爐對(duì)采出液進(jìn)行加熱外輸，為保證加熱爐燃燒充分，對(duì)其安裝了高聳的煙囪。每臺(tái)加熱爐煙囪都安裝了拉緊繃?yán)K，保證煙囪不發(fā)生倒伏事故，確保加熱爐的安全穩(wěn)定性。

1.2 加熱爐煙囪繃?yán)K現(xiàn)狀

加熱爐煙囪繃?yán)K一般為3 根，平面夾角為120°，拉索與煙囪軸夾角不小于25°，拉繩應(yīng)使用鋼絲繩，鋼絲繩連接應(yīng)使用繩卡。當(dāng)鋼絲繩直徑d<18mm 時(shí)，鋼絲繩卡數(shù)量為3 個(gè)；當(dāng)直徑在18mm≤d＜26mm 時(shí)鋼絲繩卡數(shù)量4 個(gè)。鋼絲繩與地錨連接處應(yīng)露出地表，同一地錨不可連接兩個(gè)煙囪拉繩。

2 現(xiàn)場(chǎng)中存在的問(wèn)題及原因分析

2.1 存在的問(wèn)題

拉緊煙囪繃?yán)K的操作過(guò)程需要兩個(gè)人進(jìn)行，由于滑桿螺絲緊固距離相對(duì)較小，當(dāng)其旋緊到位后，只能對(duì)每條繃?yán)K重新進(jìn)行調(diào)整。整個(gè)操作過(guò)程需要松緊9個(gè)繩卡子18條螺絲，人工拉緊鋼絲繩，很難拉緊到位。如果繃?yán)K緊固不及時(shí)，在惡劣天氣下，煙囪受力不均，易造成煙囪從根部的損壞，甚至導(dǎo)致出現(xiàn)煙囪倒伏事故的發(fā)生，存在很大的安全隱患[2]，需要定期對(duì)加熱爐煙囪繃?yán)K進(jìn)行緊固。

在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于加熱爐長(zhǎng)期處于室外，滑桿螺絲和繩卡螺絲易發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，從而導(dǎo)致拆卸困難，增加了操作難度。根據(jù)加熱爐煙囪繃?yán)K現(xiàn)場(chǎng)緊固時(shí)間調(diào)查（表1）來(lái)看，緊固繃?yán)K的操作時(shí)間根據(jù)設(shè)備的不同，時(shí)間控制在20～40min內(nèi)，最長(zhǎng)用時(shí)達(dá)到42min/次以上，降低工作效率。

2.2 影響因素分析

通過(guò)對(duì)研究區(qū)域各站跟蹤調(diào)查，影響繃?yán)K松動(dòng)的原因有兩點(diǎn)：研究區(qū)域地質(zhì)條件差，易造成下地地矛的上移，會(huì)影響繃?yán)K松緊度；四季氣候溫度變化加大，加熱爐設(shè)備基礎(chǔ)下沉，造成繃?yán)K松動(dòng)。

表1 加熱爐煙囪繃?yán)K現(xiàn)場(chǎng)緊固時(shí)間調(diào)查

2.3 繃?yán)K拉緊分析

1）普通的繃?yán)K緊固組件的受力方式屬于上下拉伸受力，需要較大的人為外力拉拽，連接部件及固定部件較多，并受外界因素影響。

2）改裝原繃?yán)K緊固組件無(wú)固定緊固工具，緊固勞動(dòng)強(qiáng)度較大。

3 技術(shù)對(duì)策研究

3.1 改變繃?yán)K的工作方式

借鑒井下作業(yè)車的鋼絲繩滾輪裝置和手搖絞盤裝置，使用滾輪接觸均勻受力，將鋼絲繩纏繞在中間固定件上，采用繩卡子與中間旋轉(zhuǎn)軸緊固連接[3]。鋼絲繃?yán)K與中間轉(zhuǎn)動(dòng)固定件沒(méi)有硬性接觸，不能造成鋼絲繩的損壞。

3.2 新的力學(xué)結(jié)構(gòu)，改變拉緊方式

借鑒重型滑桿套筒扳手的杠桿加力原理，改變?cè)瓉?lái)沒(méi)有固定工具的拉緊方式[4]。選中間軸一端，設(shè)計(jì)加力裝置，該裝置為圓柱形構(gòu)件，對(duì)稱均布四個(gè)圓孔，放入杠桿加力，圓柱形構(gòu)件后端設(shè)計(jì)成圓柱孔與中間軸采油焊接連接。

綜上所述，通過(guò)對(duì)繃?yán)K工作方式的改變及采用新的力學(xué)結(jié)構(gòu)改變拉緊方式，得出一種新型的繃?yán)K快速拉緊裝置（圖1）。

圖1 新型繃?yán)K快速拉緊裝置示意圖

4 自鎖式繃?yán)K快速拉緊器的研制

4.1 主體部位構(gòu)成確定

主體部位由旋轉(zhuǎn)滾輪纏繞式和旋轉(zhuǎn)杠桿加力式結(jié)合構(gòu)成，采用側(cè)板和底板設(shè)計(jì)成“U”字型支架，底板為普通鋼板，側(cè)板上部設(shè)有與各部配件配合的孔槽。在兩端側(cè)板的中心孔處穿入一根中心管，中心管一端穿入繃?yán)K鋼絲繩，用來(lái)固定和轉(zhuǎn)動(dòng)加緊繃?yán)K；另一端是旋轉(zhuǎn)架與中心管焊接，在旋轉(zhuǎn)架四周均布四個(gè)適宜的圓孔，使用與旋轉(zhuǎn)架圓孔配套的轉(zhuǎn)軸加力桿來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)架，帶動(dòng)中心管360°轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到旋轉(zhuǎn)加緊煙囪繃?yán)K的目的。采用絞盤式滾輪旋轉(zhuǎn)纏繞鋼絲繃?yán)K，穩(wěn)定性好，工藝簡(jiǎn)單；采用杠桿加力，轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置及中心管，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.2 優(yōu)選固定裝置連接方式

在原有地錨的基礎(chǔ)上，采用地錨和鋼板進(jìn)行固定，添加轉(zhuǎn)換接頭裝置。由底座固定連接方式示意圖可見（圖2），將底座固定連接方式分成了2 個(gè)部分，一個(gè)是主體部分與底座轉(zhuǎn)換接頭的連接方式，采用螺紋式連接；另一個(gè)是底座轉(zhuǎn)換接頭與下地地錨連接固定方式，采用套管式連接。中間轉(zhuǎn)換接頭上部為螺紋連接，下部為略大于地錨管外徑的套管連接，并進(jìn)行加固焊接，在其螺紋連接處加設(shè)一背帽鎖緊裝置，確保裝置整體的穩(wěn)固性[5]。

圖2 底座固定連接方式示意圖

主體與轉(zhuǎn)換接頭之間采用的是螺紋連接，需要在主體部位的下端連接一個(gè)帶有螺紋絲扣的油管接頭[6]。截取日常生產(chǎn)中報(bào)廢的N80 油管完好部分進(jìn)行加工，油管一端重新進(jìn)行螺紋加工，該部件上部無(wú)螺紋端與主體部位焊接，下部螺紋端與下部轉(zhuǎn)換接頭連接，降低裝置成本費(fèi)用。

4.3 裝置限位方式的選擇

自鎖式繃?yán)K快速緊固器的主體受力旋轉(zhuǎn)部位為一個(gè)纏繞拉緊繃?yán)K作用的中心管，中心管本身并不具備鎖死功能，只能受外力旋轉(zhuǎn)拉緊，當(dāng)煙囪繃?yán)K加緊到一定程度，存在反作用力，帶動(dòng)中心管反轉(zhuǎn)，造成繃?yán)K回到松弛狀態(tài)。中心管轉(zhuǎn)到適宜位置時(shí)，需要鎖定限位裝置對(duì)其固定，確保中心管不再轉(zhuǎn)動(dòng)，確保煙囪繃?yán)K始終處于拉緊狀態(tài)。

限位固定裝置是該裝置的核心部分，針對(duì)主體部位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)方式，最終確定棘輪鎖定方式。借鑒抽油機(jī)輔助剎車裝置的原理，在中間旋轉(zhuǎn)加力軸的兩端設(shè)計(jì)棘輪裝置，并設(shè)有限位棘爪裝置，限制并鎖定棘輪，其優(yōu)點(diǎn)是雙棘輪棘爪鎖定牢固穩(wěn)定，操作快捷簡(jiǎn)單[7]。

借鑒現(xiàn)有的游梁式抽油機(jī)輔助式剎車的棘輪棘爪鎖定結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)該裝置的鎖定自鎖裝置，由棘輪棘爪限位裝置設(shè)計(jì)圖（圖3）可見，在旋轉(zhuǎn)的中心管兩端各設(shè)有一個(gè)棘輪，隨旋轉(zhuǎn)的中心管同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。在棘輪的上端設(shè)置自重鎖死棘爪，采用螺釘固定，實(shí)現(xiàn)將棘輪鎖死在任意位置，在連鎖作用下，限制中心管旋轉(zhuǎn)，達(dá)到裝置限位鎖定功能。

圖3 棘輪棘爪限位裝置設(shè)計(jì)圖

5 對(duì)策實(shí)施及實(shí)施效果

5.1 篩選裝置各部位材料

針對(duì)該裝置的特殊性，通過(guò)對(duì)每一個(gè)部位的材質(zhì)進(jìn)行分析，根據(jù)不同的形狀及受力特點(diǎn)進(jìn)行了各部位材料的篩選。

在材料篩選的過(guò)程中，采用了日常石油開采生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常用的幾種鋼材材質(zhì)，分別為Q235#鋼、45#鋼和N80 鋼油管等，針對(duì)不同材質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)[8-10]以及經(jīng)濟(jì)性制定了各部位材料篩選方案（表2）。

表2 各部位材料篩選方案

5.2 完整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組合

在主體部位架構(gòu)、中心管、旋轉(zhuǎn)架、油管接頭、背帽鎖緊裝置、固定裝置轉(zhuǎn)換接頭、鎖定棘輪棘爪限位裝置等配件制作完成后，將“U”字型的支架作為支撐架，中心管穿入中心孔，并在中心管的一端與旋轉(zhuǎn)架焊接。把棘輪安裝在中心管兩端，隨同中心管轉(zhuǎn)動(dòng)，并在“U”字型支架兩端，棘輪的上端，裝上棘爪限位裝置。在裝置下端的固定裝置與“U”字型底板進(jìn)行焊接，將各分解的各零部件連接成為一個(gè)整體，完成自鎖式繃?yán)K快速拉緊器整體構(gòu)造（圖4）。

圖4 自鎖式繃?yán)K快速拉緊器整體實(shí)物圖

5.3 實(shí)施效果

1）自鎖式繃?yán)K快速拉緊器整體制作完成后，在研究區(qū)域H11、H12 站進(jìn)行了安裝試驗(yàn)，緊固繃?yán)K的時(shí)間分別由42min 下降至3min、由36min 下降至3.5min，大大的縮短了煙囪繃?yán)K的緊固時(shí)間。研究區(qū)域共計(jì)安裝了10 臺(tái)次，緊固繃?yán)K的操作時(shí)間大幅的縮短，平均操作時(shí)間達(dá)到3min。

2）自鎖裝置的主體部分采用報(bào)廢的N80 油管制作，每臺(tái)大約節(jié)約材料費(fèi)用500 元，本次實(shí)驗(yàn)研制及推廣使用50臺(tái)，共節(jié)約費(fèi)用2.5萬(wàn)元。

6 結(jié)論

1）自鎖式繃?yán)K快速拉緊器的研制與安裝，大幅度縮短了員工緊固加熱爐煙囪繃?yán)K的操作時(shí)間，降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2）自鎖式繃?yán)K快速拉緊器的研制與安裝，提高了加熱爐煙囪在生產(chǎn)運(yùn)行中的安全穩(wěn)定性，確保了設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

3）該裝置立足現(xiàn)場(chǎng)需求，主體采用廢料制作，投入少，利用高，可以在采油生產(chǎn)單位推廣使用。