淺析水下炸礁船潛孔鉆機(jī)套管自動(dòng)拆卸技術(shù)

◎ 任春剛 廣西新港灣工程有限公司

1.引言

疏浚工程是指采用挖泥船、炸礁船、其他機(jī)具以及人工進(jìn)行水下挖掘，為水域拓寬和挖深而進(jìn)行的土石方工程，在規(guī)定的范圍和深度內(nèi)挖掘航道和港口水域的水底泥、沙、石等并加以處理的工程。疏浚工程是開發(fā)、改善和維護(hù)航道、港口水域的主要手段之一。

水下炸礁船的工作是在水下堅(jiān)硬的礁石上鉆孔，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高及超深需求后再往工作孔里面投放炸藥，通過引線引爆炸藥，對礁石進(jìn)行定向爆破，從而達(dá)到可挖掘性的碎石。但在鉆孔過程中，由于地質(zhì)地貌的不同以及巖土的層高差異，導(dǎo)致覆蓋層厚度不一，巖石高度不一，在設(shè)計(jì)底標(biāo)高不變的情況下，每排鉆孔深度也不同，在鉆孔作業(yè)中，每排下套管的長度就不同，導(dǎo)致在作業(yè)中就需要頻繁拆卸鉆機(jī)套管。拆卸套管是鉆機(jī)手操作中最煩瑣和最繁重的工作，目前在水下爆破施工行業(yè)拆卸套管都是借助扳手、管鉗、撬棍等一些人力工具來實(shí)現(xiàn)的，由于在鉆孔施工工程中套管隨著上部液壓缸的壓力及鉆桿逆向旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)力，因此套管接頭之間會(huì)卡得很緊密、停放久了以后，生銹時(shí)或更嚴(yán)重的時(shí)候還得烤火加熱。這種手工拆卸套管和鉆桿的操作，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，而且存在嚴(yán)重的安全隱患，傷人事件也常有發(fā)生，同時(shí)夾具不牢固時(shí)，套管還會(huì)脫落水中丟失。

2.船用潛孔鉆機(jī)發(fā)展

潛孔鉆機(jī)五十年代初由蘇聯(lián)引進(jìn)國內(nèi)，六十年代潛孔鉆機(jī)在我國進(jìn)一步發(fā)展，許多小露天礦采用潛孔鉆機(jī)，七十年代中期，我國中小礦使用潛孔鉆機(jī)進(jìn)行深孔爆破技術(shù)，并取得了一定的初效。同時(shí)代661工程指揮部開始將潛孔鉆機(jī)試用于水下施工[1]，八十年代河北宣化地區(qū)逐步形成自有設(shè)計(jì)生產(chǎn)企業(yè)，并在該地區(qū)逐步形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大至全國，1981年柳州航務(wù)工程處自行研制了自升式航道鉆機(jī)船[2]，1987年伴隨著南寧航道處“桂鉆6船”[3]的下水，拉開了內(nèi)河潛孔鉆機(jī)船的序幕，伴隨著祖國改革開放及國內(nèi)沿海港口經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一些大型航電樞紐建設(shè)、高等級航道的整治工作提上了發(fā)展日程，因此，船用潛孔鉆機(jī)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。

3.傳統(tǒng)船用潛孔鉆機(jī)組成[4]

（1）鉆架。鉆架是鉆孔構(gòu)件的支撐和導(dǎo)軌。鉆架的高度決定鉆機(jī)的一次鉆進(jìn)深度，鉆機(jī)是安裝在船舷外施工，所以要求重量盡可能輕。為了起吊鉆桿和套管，還設(shè)置了兩套輔助卷揚(yáng)機(jī)。

（2）回轉(zhuǎn)器。回轉(zhuǎn)器是使沖擊鉆頭旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，攪動(dòng)沖擊后的碎石，回轉(zhuǎn)器通常由兩種類型，一種由電動(dòng)機(jī)和齒輪減速機(jī)組成。另一種由單液壓馬達(dá)或雙液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)減速箱方式。

（3）卡盤。卡盤是水下鉆機(jī)的特有機(jī)構(gòu)，卡盤由油缸拖動(dòng)做上下運(yùn)動(dòng)，用于將套管壓入覆蓋層和套管的提起（覆蓋層內(nèi)）。

（4）套管。在鉆孔和裝藥過程起導(dǎo)向作用的，保證鉆孔成孔率。

（5）鉆桿。鉆桿既是沖擊器壓力空氣的通道，也是對沖擊器傳遞軸壓和扭矩的機(jī)件。鉆桿與套管之間的空間大小，關(guān)系到鉆孔內(nèi)排渣（碎巖石）的流速。鉆成的孔與鉆桿的間隙，太大時(shí)稍大的巖石會(huì)溜回孔底，造成重復(fù)破碎，太小時(shí)稍大的巖石排不出來。

（6）接頭。聯(lián)接沖擊器和加長鉆孔深度的聯(lián)接方式是接頭，接頭的型式和沖擊器的接頭一樣，是采用美國石油學(xué)協(xié)會(huì)API 23/8”錐形螺紋聯(lián)接。

（7）沖擊器。潛孔沖擊器工作原理是，壓縮空氣通過鉆桿驅(qū)動(dòng)潛孔沖擊器高頻沖擊來破碎巖石，同時(shí)又以壓縮空氣排渣并清洗孔底的鉆孔方法。通過不斷改變進(jìn)排氣方向，實(shí)現(xiàn)活塞在氣缸內(nèi)的不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而不斷反復(fù)沖擊鉆頭。

（8）液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)采用集中供油的方法，帶有自動(dòng)卸荷的功能，減少了故障的發(fā)生和降低了能源消耗。液壓系統(tǒng)要求在8—12MPa下使用。

（9）氣動(dòng)推進(jìn)部分。鉆機(jī)的推進(jìn)加壓是用氣缸來保證的，氣缸和電氣控制協(xié)同工作來保證推進(jìn)的連續(xù)性。在鉆機(jī)的鉆進(jìn)中，調(diào)整高壓減壓閥的輸出壓力來保證軸壓的大小。

（10）電氣系統(tǒng)控制。主回路是讓電器設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作的電路系統(tǒng)?？刂苹芈肥强刂浦骰芈穭?dòng)作的方法的電路系統(tǒng)。如：鉆機(jī)的小操作箱內(nèi)的線路，一般情況下，控制系統(tǒng)的電壓為24 V的安全電壓。

（11）電源電壓。鉆機(jī)船機(jī)電設(shè)備的電源電壓有2種（DCAC)，5個(gè)電壓等級：

1)AC380V 線路對各類機(jī)械設(shè)備供電。

2)AC220V線路主要對照明系統(tǒng)供電。

3)AC24V施工設(shè)備的控制和操作電源。

4)DC24V內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)和船舶應(yīng)急照明。

5)DC12V部分通訊設(shè)備和一些儀器。

4.存在的問題

在設(shè)計(jì)底標(biāo)高不變的情況下，每排鉆孔深度也不同，在鉆孔作業(yè)中，每排下套管的長度就不同，導(dǎo)致在作業(yè)中就需要頻繁拆卸鉆機(jī)套管。由于鉆桿鉆進(jìn)時(shí)是順時(shí)針正鉆，套管螺紋方向向左可以避免松脫掉落下海，但套管隨著上部液壓缸的壓力及鉆桿逆向旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)力，因此套管接頭之間會(huì)卡得很緊密，利用管鉗、撬棍等一些人力工具手工拆卸套管的操作，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，而且存在嚴(yán)重的安全隱患，傷人事件也常有發(fā)生，因此迫切需要設(shè)計(jì)一套符合施工條件的自動(dòng)拆卸裝置。

5.施工條件限制及技術(shù)要求

設(shè)計(jì)的自動(dòng)化裝置必須滿足以下條件：

（1）施工船舶有多臺(tái)鉆機(jī)，機(jī)架之間距離約在2.5m左右，拋開機(jī)架本身寬度1.4m，實(shí)際兩臺(tái)機(jī)架之間距離僅在1.1m左右，設(shè)備安裝空間受限。

（2）操作的機(jī)手一般在鉆機(jī)左側(cè)操作控制機(jī)器，改進(jìn)裝置只能占用鉆架前部及右側(cè)位置。

（3）被拆卸套管屬于管狀物，必須滿足旋轉(zhuǎn)拆卸要求。

（4）拆卸裝置不能過大，且不能影響操作人員使用。

（5）拆卸裝置扭力滿足最大拆卸需求。

（6）拆卸裝置自動(dòng)化程度要高，避免出現(xiàn)雞肋。

（7）操作方便，安全高效。

6.解決方案

設(shè)計(jì)思路及方案1：利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用套管接頭方式。

設(shè)計(jì)思路及方案2：利用外置液壓驅(qū)動(dòng)扳手進(jìn)行拆卸。

設(shè)計(jì)思路及方案3：設(shè)計(jì)上下液壓回轉(zhuǎn)鉗替代原有卡盤功能及位置。

經(jīng)過多次設(shè)計(jì)及討論、加工、試驗(yàn)，最終方案1、方案2因不能同時(shí)滿足上述基礎(chǔ)條件限制而被迫終止，并對方案3進(jìn)行細(xì)化和試驗(yàn)，最終形成炸礁船潛孔鉆機(jī)拆卸套管裝置。其組成構(gòu)件包括卡盤座1、滑座2、液壓動(dòng)力鉗3、滑軌4以及滑架5（詳見圖1）。組成構(gòu)件的結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系為：滑座、液壓動(dòng)力鉗分別用螺栓固定在卡盤座的背面和正面，滑座上的尼龍襯板與滑架上的滑軌相接觸，滑軌固定焊接在滑架上?；壥切筒姆焦?，本裝置是通過滑座上的尼龍襯板沿著滑軌滑動(dòng)，滑軌與滑架固定焊接?？ūP座是由升降耳板焊接在卡盤座底板上組成，滑座由滑座底板、滑座肘板、滑座腹板、滑座面板和尼龍襯板組成，所述滑座底板與卡盤座底板用螺栓固定連接，滑座底板和滑座面板通過滑座肘板焊接固定，滑座腹板都與滑座底板、滑座肘板、滑座面板焊接固定，尼龍襯板與滑座腹板固定連接。

圖1 炸礁船潛孔鉆機(jī)拆卸套管裝置的主視圖

液壓動(dòng)力鉗由旋轉(zhuǎn)主鉗、夾緊背鉗、前導(dǎo)桿總成、后導(dǎo)桿總成、液壓馬達(dá)和尾把總成組成，所述液壓馬達(dá)通過連接座與旋轉(zhuǎn)主鉗固定連接，尾把總成與夾緊背鉗、后導(dǎo)桿總成固定連接，旋轉(zhuǎn)主鉗和夾緊背鉗分別與前導(dǎo)桿總成、后導(dǎo)桿總成固定連接，旋轉(zhuǎn)主鉗和夾緊背鉗之間的距離通過前導(dǎo)桿總成和后導(dǎo)桿總成來調(diào)節(jié)。

7.工作原理

由本船自帶的液壓動(dòng)力設(shè)備給液壓動(dòng)力鉗3的液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，由液壓馬達(dá)的動(dòng)力輸入軸總成的齒輪帶動(dòng)雙聯(lián)齒輪總成的雙聯(lián)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，雙聯(lián)齒輪總成的雙聯(lián)齒輪帶動(dòng)掛擋機(jī)構(gòu)總成的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，掛擋機(jī)構(gòu)總成的齒輪帶動(dòng)介輪總成的介輪轉(zhuǎn)動(dòng)，介輪總成的介輪帶動(dòng)開口齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)掛擋機(jī)構(gòu)總成實(shí)現(xiàn)兩級或一級減速后，產(chǎn)生高低兩種轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)主鉗的開口齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)套管旋轉(zhuǎn)。開口齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其中旋轉(zhuǎn)主鉗的腭板架在制動(dòng)盤的制動(dòng)作用下先不轉(zhuǎn)動(dòng)，使開口齒輪與腭板架之間有個(gè)相對運(yùn)動(dòng)，這樣腭板的兩個(gè)滾輪就會(huì)在坡板上爬坡，并迫使腭板上的牙坐向套管中心移動(dòng)，直至牙塊咬緊套管或鉆桿，然后與開口齒輪一起帶動(dòng)套管轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓馬達(dá)可以正傳或反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)套管和鉆桿的上緊或卸下。

旋轉(zhuǎn)主鉗夾緊套管后由液壓馬達(dá)帶動(dòng)套管正傳或反轉(zhuǎn)，起到上扣、卸扣套管的作用。夾緊背鉗夾緊下面的套管，是靠動(dòng)力油缸推動(dòng)齒條柱作直線換向運(yùn)動(dòng)，齒條柱塞帶動(dòng)雙齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鄂板架旋轉(zhuǎn)爬坡，達(dá)到夾緊或松開套管或鉆桿的目的。

液壓動(dòng)力鉗3（詳見圖2）中的前導(dǎo)桿總成3－3、后導(dǎo)桿總成3－4不僅連接旋轉(zhuǎn)主鉗3－1和夾緊背鉗3－2，還可起到調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)主鉗3－1和夾緊背鉗3－2間距的作用。

圖2 液壓動(dòng)力鉗主視圖

8.結(jié)論及成果

水下炸礁船施工作業(yè)拆卸套管裝置，替換原有的卡盤設(shè)計(jì)，本機(jī)構(gòu)不僅能拆卸套管，在不同工作直徑下對拆卸鉆桿同樣有效。

針對詳細(xì)設(shè)計(jì)已經(jīng)加工出了首套水下炸礁船施工作業(yè)拆卸套管裝置進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)地試驗(yàn)，經(jīng)過多次部分小工藝修改及參數(shù)調(diào)整，使用情況良好，將原本二十分鐘左右的拆卸作業(yè)時(shí)間，縮減到十幾秒，全程自動(dòng)化操作，無需再用其他工具及人工輔助，大大提高了施工作業(yè)效率，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度及提高了操作的安全性，達(dá)到了當(dāng)初設(shè)計(jì)目的與要求，改變了傳統(tǒng)炸礁船水下潛孔鉆機(jī)的組成，解決了痛點(diǎn)，提高了疏浚行業(yè)內(nèi)水下炸礁船潛孔鉆機(jī)的自動(dòng)化水平，并獲取了《用于水下炸礁船施工作業(yè)拆卸套管和鉆桿的裝置》的實(shí)用新型專利證書，水下炸礁船施工作業(yè)拆卸套管裝置應(yīng)用前景非常大，也是今后水下潛孔鉆機(jī)自動(dòng)化發(fā)展的一種趨勢。