錘擊由壬扳手結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

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(1.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)中心，陜西 寶雞 721002；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002； 3.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500)

錘擊由壬是一種常用的管道連接部件，因其具有安裝拆卸方便、維護(hù)簡單的特點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛用于石油鉆井、固井、壓裂酸化等作業(yè)設(shè)備中。在鉆井現(xiàn)場，立管管匯、泥漿系統(tǒng)、高壓管線、節(jié)流管匯等都有錘擊由壬的使用[1]。近年來，隨著致密油、頁巖氣等非常規(guī)油氣藏的規(guī)模開發(fā)，壓裂技術(shù)得到廣泛推廣，壓裂井口、壓裂頭與壓裂管匯的連接亦使用了大量的錘擊由壬。

在現(xiàn)場作業(yè)過程中，由壬接頭的安裝和拆卸作業(yè)基本依靠人工錘擊。首先通過人力將翼形螺母擰緊，再使用大錘對翼形螺母外緣的3個凸耳敲擊進(jìn)行緊固。這種作業(yè)方式的勞動強(qiáng)度大，且存在物體打擊等安全風(fēng)險，容易造成作業(yè)人員人身傷害[2]。長期對翼形螺母的錘擊還會使翼形螺母凸耳發(fā)生嚴(yán)重變形，如圖1所示。錘擊還會加劇翼形螺母產(chǎn)生裂紋。這些因素會大幅降低由壬接頭的使用壽命。Halliburton公司發(fā)明了一種無需切割管路即可更換的翼形螺母[3]，但是這并沒有從根本上解決螺母的使用壽命問題。

圖1 錘擊由壬凸耳變形情況

鑒于現(xiàn)場作業(yè)存在的問題，人們開始思考如何更安全、高效地完成由壬安裝、拆卸這項工作。于是，各種工作方式不同，能夠有效提升由壬安裝效率及安全性的由壬扳手應(yīng)運(yùn)而生。本文通過介紹國內(nèi)外由壬扳手的發(fā)展現(xiàn)狀，分析典型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工作原理，為國內(nèi)相關(guān)企業(yè)進(jìn)行由壬扳手的研制提供參考。

1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 美國Torq/Lite公司的HU TOOL液壓由壬扳手

美國Torq/Lite公司是世界著名的液壓工具制造商，其研制出的HU TOOL液壓由壬扳手[4-5]結(jié)構(gòu)如圖2所示，由標(biāo)準(zhǔn)的液壓扭矩扳手泵提供動力，適用的管路直徑為44.45～165.10 mm(1～6英寸)。

1—杠桿；2—支點(diǎn)銷軸；3—彈簧；4—連桿；5—鎖銷；6—顎鉗Ⅰ；7—銷軸；8—顎鉗Ⅱ；9—壓頭；10—扳手柄；11—液缸。

HU TOOL液壓由壬扳手配套有可更換的扳手頭，以適應(yīng)不同規(guī)格錘擊由壬的安裝和拆卸作業(yè)。液壓由壬扳手的使用方法為：

1) 打開鎖銷，使顎鉗Ⅰ張開。

2) 將扳手放到由壬接頭的管路上，壓頭抵住翼形螺母的一個凸耳，顎鉗Ⅱ與管路貼合，關(guān)閉顎鉗Ⅰ。

3) 將鎖銷扳回，顎鉗Ⅰ與顎鉗Ⅱ?qū)⒐苈房ㄈ?，彈簧提供一個初始張緊力。

4) 進(jìn)行操作，使液缸的活塞桿伸出，一方面，活塞桿的伸出使杠桿繞支點(diǎn)銷軸旋轉(zhuǎn)，隨著杠桿的旋轉(zhuǎn)，通過銷軸與杠桿下端相連的連桿給鎖銷提供一個拉力，從而使得顎鉗Ⅰ與顎鉗Ⅱ頂部的間隙減小，顎鉗Ⅰ與顎鉗Ⅱ?qū)⒐苈分饾u抱緊，防止發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。另一方面，活塞桿的伸出必然使得扳手柄相對液缸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，而扳手柄的前端輪廓及T形槽與顎鉗Ⅱ頂部外輪廓及T形軌道配合，從而限制扳手柄按照預(yù)先設(shè)計好的輪廓進(jìn)行滑動，連接在扳手柄上的壓頭跟隨扳手柄一起運(yùn)動，從而壓動凸耳并帶動翼形螺母轉(zhuǎn)動。

5) 進(jìn)行操作，使活塞桿縮回，此時壓頭和凸耳保持相對靜止，而連桿通過杠桿的作用帶動鎖銷放松，進(jìn)而使顎鉗Ⅰ與顎鉗Ⅱ抱緊的管路松開，顎鉗Ⅱ沿扳手柄配合面滑動轉(zhuǎn)動一個角度，相當(dāng)于完成了棘輪扳手的回程，如此往復(fù)操作，從而完成翼形螺母的安裝和拆卸。

1.2 美國WEIRSPM公司的Safety Hammer氣動由壬錘

美國Weir SPM公司作為全球油田作業(yè)泵及流體控制設(shè)備的佼佼者，其生產(chǎn)的Safety Hammer氣動由壬錘[6]如圖3所示，采用壓縮空氣作為動力源，推薦壓縮空氣的最低壓力為0.62 MPa(90 psi)。

1—開關(guān)；2—鵝頸；3—空氣錘；4—適配器；5—凸耳卡口；6—錘頭；7—手柄。

Safety Hammer氣動由壬錘配套有不同型號的適配器，以適應(yīng)不同規(guī)格錘擊由壬的安裝和拆卸作業(yè)。使用方法為：

1) 將空氣錘和適配器組裝成一體，并用擋圈固定，接好壓縮空氣管線。

2) 將適配器上的凸耳卡口卡住翼形螺母其中一個凸耳，一手按住手柄，另一只手握住鵝頸部位。

3) 按下開關(guān)，錘頭在空氣錘的作用下不斷捶打翼形螺母的凸耳，從而完成由壬的安裝和拆卸作業(yè)。

空氣錘的規(guī)格是通過對比人工使用2.72 kg(6磅)大錘錘擊由壬測試結(jié)果進(jìn)行優(yōu)選的，保證氣動由壬錘可以滿足現(xiàn)場作業(yè)要求[2]。錘頭是Safety Hammer氣動由壬錘的易損件，錘頭損壞后需要及時進(jìn)行更換。

1.3 加拿大HUWE公司的HUWE由壬扳手

總部位于加拿大卡爾加里的HUWE公司在石油和天然氣鉆井、完井服務(wù)及定制設(shè)備的設(shè)計和制造方面積累了豐富的經(jīng)驗。該公司制造的HUWE扳手[7-8]已經(jīng)獲得了近20個國家的專利授權(quán)。HUWE系列由壬扳手的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—加長手柄；2—安全鏈；3—鎖銷；4—扳手頭；5—凸耳卡口；6—凸耳卡槽。

HUWE系列由壬扳手是1種手動由壬扳手，它的結(jié)構(gòu)非常簡單，主要包括1個扳手頭和1個加長手柄。扳手頭是鑄鋼整體式結(jié)構(gòu)，經(jīng)特殊熱處理而制成。使用方法為：

1) 將扳手頭的凸耳卡口完全卡住翼形螺母的1個凸耳，凸耳卡槽3面卡住另1個凸耳。

2) 將加長手柄裝入整體式扳手頭的柄部，插入鎖銷，防止加長手柄和扳手頭滑脫，即可進(jìn)行由壬的安裝和拆卸作業(yè)。

HUWE系列由壬扳手目前有12種整體式扳手頭，適應(yīng)的由壬尺寸為50.8～152.4 mm(2～6 英寸)，如表1所示。同時有609.6 mm(24 英寸)、914.4 mm(36英寸)、1 066.8 mm(42英寸)、1 168.4 mm(46英寸) 4種加長手柄供用戶選擇。目前，HUWE系列由壬扳手在國外某些公司已經(jīng)得到了規(guī)?；瘧?yīng)用。

表1 HUWE系列扳手頭適用由壬規(guī)格型號

1.4 美國Concentric公司的SSWS安全手動大鉗

美國Concentric Pipe and Tool Rentals作為一家能源服務(wù)公司，是常規(guī)井和水平井完井的主要租賃服務(wù)提供商。Concentric公司的SSWS[9](Superior Safety Wrench System)超級安全手動大鉗結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1—伸縮手柄；2—安全銷；3—錘座；4—鉗頭。

SSWS超級安全手動大鉗的鉗頭頂端留有略大于適用管匯外徑的開口，鉗頭內(nèi)圈加工有多個凹槽，使用方法為：

1) 將鉗頭開口套入管路，然后將翼形螺母的3個凸耳卡在凹槽內(nèi)。

2) 人工操作手柄進(jìn)行翼形螺母的安裝和拆卸作業(yè)。

鉗頭與手柄連接部位安裝有方便拆卸、更換的錘座。大鉗手柄是可伸縮加長結(jié)構(gòu)，可以在設(shè)定位置通過安全銷鎖住。伸縮手柄的尾端加工有一個錘頭，當(dāng)需要進(jìn)行錘擊時，可將伸縮手柄直接從固定手柄中抽出，然后對錘座進(jìn)行錘擊。

SSWS的鉗頭部分是鋁制的，大幅降低了大鉗的整體質(zhì)量，方便現(xiàn)場作業(yè)人員隨身攜帶，尤其適合需要進(jìn)行上下攀爬作業(yè)的場合，可以有效降低人員勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)的安全性。此外，Concentric公司正在研發(fā)SSWS的氣動版本。

1.5 加拿大NELSEN TECHNOLOG IESINC公司的由壬扳手

加拿大NTI(NELSEN TECHNOLOG IESINCNELSEN)公司可以為客戶提供鉆機(jī)高壓管匯服務(wù)，其制造的由壬扳手[10]如圖6所示。

圖6 NTI公司的由壬扳手

NTI公司的由壬扳手在使用使用方法為：

1) 將扳手頭部通過預(yù)留開口從由壬一端的管路中套入，使扳手頭部均勻布置的凹槽卡住翼形螺母的3個凸耳。

2) 將手柄插入扳手頭部預(yù)留孔中，上好安全銷。

3) 人工進(jìn)行翼形螺母的安裝和拆卸作業(yè)。也可以將錘座直接插入扳手頭部預(yù)留孔中，上好安全銷后使用錘擊方式進(jìn)行由壬的安裝和拆卸作業(yè)，這種錘擊方式使得翼形螺母3個凸耳同時承載，有效地保護(hù)了翼形螺母，提高其使用壽命。

1.6 美國Mountain Valley Supply公司的由壬扳手

Mountain Valley Supply公司的由壬扳手[11]如圖7所示。在使用過程中靠2個側(cè)板之間焊接的卡板卡住翼形螺母的凸耳，通過人力操作完成由壬的的安裝和拆卸作業(yè)。此產(chǎn)品與其他手動由壬扳手不同的一點(diǎn)在于扳手的上端面開有1個和適配管路配合的弧形槽。此弧形槽具有輔助舉升管路的功能，當(dāng)現(xiàn)場進(jìn)行由壬連接時，為保證凹、凸接頭更好對準(zhǔn)，經(jīng)常需要調(diào)整管路，此時可將管路置入扳手弧形槽內(nèi)，然后靠杠桿作用將管路支起進(jìn)行調(diào)整，同時用另一把由壬扳手將翼形螺母上緊。

圖7 Mountain Valley Supply公司的由壬扳手

2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國的由壬扳手研制依然處于起步階段，現(xiàn)有產(chǎn)品主要是某些鉆探公司為解決現(xiàn)場問題而制造的一些簡易工具，并未對其產(chǎn)生足夠的重視。關(guān)于由壬扳手專利仍然較少。

1) 長城鉆探公司。針對壓裂作業(yè)過程中高壓管匯翼形螺母的安裝和拆卸作業(yè)，自制了由壬扳手[12]，如圖8所示。該扳手是在現(xiàn)場實(shí)踐中不斷總結(jié)、改進(jìn)的基礎(chǔ)上研制出來的?，F(xiàn)場使用案例證明了在高壓作業(yè)情況下能夠滿足使用要求，具有一定的推廣價值。

圖8 長城鉆探公司由壬扳手

2) 勝利油田分公司采油工藝研究院。針對錘擊由壬使用過程中存在的問題，研制了由壬鉗，分別在修井現(xiàn)場管線快速連接、水泥車高壓管線快速連接及注汽管線快速連接等展開了現(xiàn)場試驗。該由壬鉗可實(shí)現(xiàn)錘擊由壬的快速連接，能夠滿足現(xiàn)場使用的需要[13]。

3) 寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司。對國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了跟蹤和研究，目前已經(jīng)完成手動由壬扳手的制造，即將投入現(xiàn)場驗證使用效果。

4) 其他。周軼青等人了提出一種錘擊由壬動力拆卸和安裝工具[14]。郭俊平等人提出了一種石油鉆井用由壬扳手[15]。但是，均未見有產(chǎn)品投入現(xiàn)場應(yīng)用。

3 技術(shù)現(xiàn)狀分析

國外已經(jīng)研發(fā)出多款由壬扳手，且均獲得知識產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品均已經(jīng)投入現(xiàn)場應(yīng)用，并在不斷完善產(chǎn)品系列。通過對國外由壬扳手進(jìn)行分析研究可以看出，國外產(chǎn)品針對由壬扳手的材料、設(shè)計、制造等過程都進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)研究，測試和使用效果同樣有數(shù)據(jù)作為支撐。

1) HU TOOL液壓由壬扳手結(jié)構(gòu)較其它產(chǎn)品復(fù)雜，設(shè)計過程中首先進(jìn)行運(yùn)動規(guī)律研究，然后進(jìn)行機(jī)構(gòu)選型，還要結(jié)合運(yùn)動學(xué)優(yōu)選參數(shù)，最后通過動力學(xué)分析進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后方可投產(chǎn)樣機(jī)。HU TOOL液壓由壬扳手體現(xiàn)了Torq/Lite公司在此類工具制造領(lǐng)域的技術(shù)積累。

2) HUWE系列由壬扳手雖然外觀結(jié)構(gòu)簡單，但在細(xì)節(jié)方面，整體式由壬扳手在凸耳固定部分和連桿部分的過渡形狀，甚至是連桿的角度、凸耳卡口的角度都具有一個最優(yōu)值。整體式扳手頭的制造通過鑄造成型加熱處理工藝保證了由壬扳手具有足夠的強(qiáng)度和使用壽命。

3) SSWS由壬扳手的鉗頭使用了鋁材，具有更輕便的特點(diǎn)。伸縮手柄可以安裝各種不同規(guī)格的鉗頭，在作業(yè)完成后可以將由壬鉗拆卸，然后裝入標(biāo)準(zhǔn)便攜手提箱內(nèi)，如圖9所示。

國外產(chǎn)品的諸多細(xì)節(jié)表明國外公司對由壬扳手的重視提高到了專業(yè)工具的高度。

圖9 SSWS由壬扳手的便攜箱

目前，我國由壬扳手設(shè)計和制造水平跟國外存在著較大差距。首先，我國的由壬扳手結(jié)構(gòu)基本都是手動類型，結(jié)構(gòu)簡單。在設(shè)計階段雖然也有不斷改進(jìn)的過程，但是少有深入的分析研究。在制造方面，由壬扳手的生產(chǎn)方式依然停留在現(xiàn)場臨時制造階段，與材料、生產(chǎn)及熱處理工藝等方面結(jié)合較少。這些因素制約了我國由壬扳手的發(fā)展及推廣。

我國正處于從制造業(yè)大國往制造業(yè)強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期。國內(nèi)的石油裝備制造廠商、能源服務(wù)商、專業(yè)工具制造廠商可以結(jié)合自身優(yōu)勢，針對不同的現(xiàn)場作業(yè)條件，綜合人員、材料、工藝等生產(chǎn)要素，推出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，并盡早實(shí)現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，有效提高現(xiàn)場作業(yè)效率及作業(yè)過程的安全性。

4 結(jié)論

1) 國外由壬扳手的研制已趨于成熟，形式各異的產(chǎn)品紛紛應(yīng)用于作業(yè)現(xiàn)場。國內(nèi)對于由壬扳手研究較少，產(chǎn)品樣式單一，暫無系列化應(yīng)用案例。

2) 目前作業(yè)現(xiàn)場在用的由壬扳手主要有液動、氣動、手動3種類型。在人員勞動強(qiáng)度方面，液動及氣動工具相比手動工具更具優(yōu)勢，但是作業(yè)時需配置動力源和管線，易受作業(yè)現(xiàn)場條件制約。

3) 隨著現(xiàn)場錘擊由壬安裝和拆卸作業(yè)對安全性及效率要求不斷提高，自動化及輕量化是錘擊由壬扳手的主要發(fā)展趨勢。未來將會有更多操作便捷、適應(yīng)性強(qiáng)、性能穩(wěn)定的由壬扳手投入現(xiàn)場應(yīng)用。