大直徑井電磁打撈器升降裝備研制及性能測試

郭 亮

中煤科工集團西安研究院有限公司 陜西西安 710077

近年以來，以煤礦為主的各類大直徑工程井的需求逐漸增多，該類特殊井型可實現(xiàn)救援逃生、物料供給、纜線輸送、通風排水、瓦斯強排等功能[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，普遍存在鉆進速度慢、施工周期長、廢井風險高等特點[3-5]。由于其鉆頭過大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在施工過程中常發(fā)生鉆頭掉件、井口意外墜入金屬物等事故，如未及時發(fā)現(xiàn)落物并開展打撈作業(yè)，還會造成鉆頭損壞、二次落物、卡鉆等不良后果。然而，大直徑工程井業(yè)內(nèi)尚無專用、成熟的打撈產(chǎn)品，如遇金屬落物事故，井隊不得不使用石油鉆井行業(yè)內(nèi)的專用打撈設(shè)備或現(xiàn)場加工工具[6]，作業(yè)效果難盡人意。為此開發(fā)的大直徑井專用電磁打撈器對鐵基金屬落物捕獲能力極強[7]，但國內(nèi)鮮有將大型用電設(shè)備下入深井施展無人作業(yè)的案例。鑒于此，為實現(xiàn)大直徑井電磁打撈器的安全升降、操作便捷，進一步研制了專用升降裝備，與其共同構(gòu)建成一套完整的大直徑井電磁打撈系統(tǒng)，開展了相關(guān)性能試驗并設(shè)計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，形成的磁場越強。纏繞總匝數(shù)為 1 930 圈，總長度達 1 928 m，通電后螺線管內(nèi)將形成磁場，內(nèi)插鐵芯受磁場作用后磁化，共同在裝置下方產(chǎn)生復(fù)合強磁場，從而實現(xiàn)對鐵質(zhì)金屬落物的磁吸捕獲。經(jīng)試驗，ZMKEFS-520D型電磁打撈器可吸附鐵基金屬的最大質(zhì)量可達 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，但在其潛入井底實施打撈作業(yè)時，地面輔助升降裝備需同時承擔對其輸送電力及負載。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 專用升降裝備的研制

2.1 設(shè)計思路

為選取適宜的升降工藝作為研究方向，對以下潛在方案進行了對比分析：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，而額外開發(fā)輸電鉆桿成本過高，不易實現(xiàn)；② 法蘭桿柱連接，可用于大直徑井內(nèi)排水泵下入，優(yōu)點為成本低，連接穩(wěn)定，缺點在于施工過程全部由人工操作，流程繁復(fù)，安全隱患較大，下放效率低，與打撈搶險的緊迫性相悖；③雙線纜雙卷揚模式，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 臺卷揚機輸送速度精準匹配難度較大，且雙纜交叉、纏繞風險高，電纜易被絞斷，安全性較差；④ 依靠單線纜配套卷揚機。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，但市場上現(xiàn)有的承荷探測電纜自身性能較弱，難以滿足電磁打撈器大載荷、強直流供電的需求。

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

2.2 專用線纜的研制

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

為保護供電安全、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，滿足電磁打撈器直流電用電需求的同時，其截面結(jié)構(gòu)更加對稱。專用線纜截面示意如圖 2 所示，電纜由絕緣護套包裹，間隙由 PE 線材及特殊膠質(zhì)填充，用于結(jié)構(gòu)支撐，通過涂覆涂敷聚氨酯，護套實現(xiàn)高強度的防水、耐壓、耐磨功能，外層護套對內(nèi)部導(dǎo)體進行約束以集中保護，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 級熱鍍鋅處理可提升防銹、抗腐能力。

圖2 專用線纜橫截面示意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，會造成廢井，風險極高。因此，專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釘上，專用線纜末端剝離出的電纜纜芯接入電磁打撈器防水線盒，再由絕緣樹脂及防水膠密封，實現(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釘上；靠近地面的一端，專用線纜經(jīng)卷筒收容后接入提升機電控系統(tǒng)整流器，形成供電回路。

經(jīng)試驗驗證，研制的專用線纜在保持電力輸送的情況下，極限抗拉強度可達 136 kN。大直徑井電磁打撈器質(zhì)量為 360 kg，最大下深 520 m，專用線纜線密度為 0.81 kg/m，在最大工作深度下，專用線纜與電磁打撈器在井口卷揚吊臂繩頭的載荷合計為 8.39 kN。煤礦安全規(guī)程對人員升降專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的安全系數(shù)可達 16.23，打撈滿載 14.50 kN 下的安全系數(shù)可達 9.38，均超過載人安全標準，可保障大直徑井電磁打撈器充分發(fā)揮性能。專用線纜主要性能參數(shù)如表 1 所列。

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

2.3 專用升降平臺的研制

電磁打撈器屬于事故處理應(yīng)急裝備，這一特殊性要求專用升降平臺必須具備以下特點：較強的野外環(huán)境適應(yīng)能力；體積緊湊，不過多占用井場空間；與各類地形貼合牢靠；提吊靈活穩(wěn)定，不傾覆失穩(wěn)，卷揚對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，易于維修。

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

專用升降平臺外接 380 V、50 Hz 交流電源，裝機容量為 35 kW，由總控柜及內(nèi)置的變壓器、變頻器對電磁打撈器、提升子系統(tǒng)、車架子系統(tǒng)整體的電力、操作系統(tǒng)進行分配與整合?？偪毓窦闪酥鞑僮髅姘寮皩崟r載荷、行程、提吊速度、運行時間等參數(shù)的數(shù)顯功能。升降平臺質(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 專用升降平臺結(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、起重電動機、減速機、制動器。外接電源通過總控柜接入提升機 22 kW 變頻器，帶動起重變頻電動機，實現(xiàn)對卷筒的轉(zhuǎn)動。卷筒直徑為 500 mm、擋板間寬度為 760 mm、表面設(shè)計有螺旋式繩槽，有利于前 1～ 2 層線纜的有序排布。容繩量為 520 m，滿繞線纜后共排布 7層、每層 42 匝。卷筒與排繩器通過鏈條連接，卷筒轉(zhuǎn)動可以帶動排繩器在絲杠上往復(fù)移動，專用線纜穿過車架子系統(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、行程傳感器和計時器，可通過電控柜上的屏顯元件對打撈作業(yè)上提下放行程、實時速度和開機時間進行精確顯示。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，鉆機起下鉆單次按 2 根計，含人工上卸扣時間，平均速度約為 4～5 m/min。而專用升降平臺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)時間，對于搶救工期、節(jié)約成本具有重要意義。

2.3.2 車架子系統(tǒng)

車架子系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)：

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

(2) 車輪組 由車輪箱、輪胎、小車驅(qū)動電動機、減速機組成；

(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、副操作面板、腳踏板等組成。

將車架子系統(tǒng)的移動方式設(shè)計為四驅(qū)驅(qū)動，外接電源通過總控柜接入車架的 7.5 kW 變頻器，帶動車架底部 4 個輪箱中的 4 臺 1.5 kW 動力電動機，可實現(xiàn)車架前進、倒退、加減速、剎車。實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，最高移動速度為 20 m/min。車架底部前端的 2 個輪箱具備同步轉(zhuǎn)向功能，駕駛座正前方設(shè)計有方向盤，當方向盤轉(zhuǎn)動時，帶動起下部的轉(zhuǎn)向機，轉(zhuǎn)向機聯(lián)動撥叉桿，實現(xiàn)升降平臺移動中轉(zhuǎn)向。駕駛位下方右腳位置設(shè)計有腳踏板，用于施加前進或倒退動力。

繩頭定滑輪為可拆卸結(jié)構(gòu)，如鉆井井架不便撤出場地，可將定滑輪拆除，使專用線纜從滑輪下方穿過后，重新裝回定滑輪，專用線纜被引導(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，便于運輸。

在操作設(shè)計上，駕駛座右前側(cè)設(shè)計有副操作面板，與總控柜主操作面板功能一致，二者皆可用于操控整個升降平臺。駕駛位的各類操作功能全面、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 性能測試

研制的專用線纜與升降平臺相互配合，輔助電磁打撈器完成打撈作業(yè)，3 項裝備共同構(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)性能測試Fig.5 Performance test of electromagnetic fishing system

2022 年 3 月在中煤科工集團西安研究院廠區(qū)對該系統(tǒng)進行了工程試車及打撈模擬試驗。

工程試車方面，重點測試了專用升降平臺提升子系統(tǒng)的長距離提吊穩(wěn)定性與排繩可靠性。在專用線纜繩頭施加重為 10.30 kN 的載荷，選取長度為 124 m的廠區(qū)道路，開展長距離牽引拖拽試驗。拖拽過程中產(chǎn)生的滑動摩擦力，與實際打撈作業(yè)上提過程中電磁打撈器與井壁接觸產(chǎn)生的摩擦力相似。拖拽試驗耗時 3.29 min，儀表顯示載荷高達 12.95～13.44 kN，接近滿載，最高時速為 53.1 m/min，最低時速為 17.9 m/min，平均速度為 37.6 m/min，被拖拽重物移動平穩(wěn)，排繩系統(tǒng)運轉(zhuǎn)平順，卷筒收繩有序。通過對車架子系統(tǒng)進行動態(tài)測試，車體行走、轉(zhuǎn)向功能滿足設(shè)計要求。試驗過程中各項功能運行良好，傳感器數(shù)顯功能正常。

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

4 結(jié)語

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