大直径井电磁打捞器升降装备研制及性能测试
时间：2022-12-06 18:20:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
郭 亮
中煤科工集团西安研究院有限公司 陕西西安 710077
近年以来，以煤矿为主的各类大直径工程井的需求逐渐增多，该类特殊井型可实现救援逃生、物料供给、缆线输送、通风排水、瓦斯强排等功能[1-2]，但在施工装备及钻井工艺上与常规油气井不尽相同，普遍存在钻进速度慢、施工周期长、废井风险高等特点[3-5]。由于其钻头过大且结构复杂，在施工过程中常发生钻头掉件、井口意外坠入金属物等事故，如未及时发现落物并开展打捞作业，还会造成钻头损坏、二次落物、卡钻等不良后果。然而，大直径工程井业内尚无专用、成熟的打捞产品，如遇金属落物事故，井队不得不使用石油钻井行业内的专用打捞设备或现场加工工具[6]，作业效果难尽人意。为此开发的大直径井专用电磁打捞器对铁基金属落物捕获能力极强[7]，但国内鲜有将大型用电设备下入深井施展无人作业的案例。鉴于此，为实现大直径井电磁打捞器的安全升降、操作便捷，进一步研制了专用升降装备，与其共同构建成一套完整的大直径井电磁打捞系统，开展了相关性能试验并设计了与之配套的打捞工艺。
电磁打捞器主要由电磁模块、降阻导流模块、可拆卸式滑轮模块、防水接电模块、提吊模块构成。ZMKEFS-520D 型电磁打捞器结构如图 1 所示。该电磁打捞器工作电压为 220 V，额定电流为 11.2 A，空载质量为 360 kg。
图1 ZMKEFS-520D 型电磁打捞器结构Fig.1 Structure of ZMKEFS-520D electromagnetic fishing device
电磁模块是电磁打捞器的核心部件，其内以 2.36 mm×5.00 mm SBELB 双玻璃丝包扁铝线作为电磁线圈密绕铁芯，其特殊的扁平结构有利于充分利用电磁模块内部空间，增加缠绕匝数，匝数越多，形成的磁场越强。缠绕总匝数为 1 930 圈，总长度达 1 928 m，通电后螺线管内将形成磁场，内插铁芯受磁场作用后磁化，共同在装置下方产生复合强磁场，从而实现对铁质金属落物的磁吸捕获。经试验，ZMKEFS-520D型电磁打捞器可吸附铁基金属的最大质量可达 624 kg，磁吸响应的最大直接距离为 308 mm、间接距离为 850 mm，全面积被吸附铁基金属的最大抗拉脱离强度为 58.5 kN。
ZMKEFS-520D 型电磁打捞器虽性能良好，但在其潜入井底实施打捞作业时，地面辅助升降装备需同时承担对其输送电力及负载。辅助升降装备的性能，成为制约电磁打捞器性能发挥的关键因素。
2.1 设计思路
为选取适宜的升降工艺作为研究方向，对以下潜在方案进行了对比分析：①钻杆连接，牢固、起下速度稳定，但配合供电存在较大难度，供电线缆容易被钻杆挤压破坏，而额外开发输电钻杆成本过高，不易实现；
② 法兰杆柱连接，可用于大直径井内排水泵下入，优点为成本低，连接稳定，缺点在于施工过程全部由人工操作，流程繁复，安全隐患较大，下放效率低，与打捞抢险的紧迫性相悖；
③双线缆双卷扬模式，电磁打捞器起下迅速，但电缆与钢丝绳受力后的伸缩比例存在差异，2 台卷扬机输送速度精准匹配难度较大，且双缆交叉、缠绕风险高，电缆易被绞断，安全性较差；
④ 依靠单线缆配套卷扬机。该方案具备起下速度快、操作灵活便捷、安全、成本低等优点，但市场上现有的承荷探测电缆自身性能较弱，难以满足电磁打捞器大载荷、强直流供电的需求。
综上所述，基于大直径井工况的特殊性及其自身装置特点，借鉴承荷探测电缆的工作模式，最适合大直径井电磁打捞器的升降方案是独立开发一款既可承重、又可直流输电的特种专用线缆，同时需研制一套与专用线缆相适配的升降机，实现电缆收纳与输送的安全。
2.2 专用线缆的研制
大直径井工况复杂，任何线缆都会与井壁产生接触、摩擦，且钻井液残留物为碱性，会对普通线缆的橡胶等物质产生腐蚀。因此，专用线缆在实现电磁打捞器载荷、供电主要功能的同时，还需要具备防水、耐压、耐磨、抗腐蚀等性能。
为保护供电安全、稳定，电缆导体按 2 组 4 芯设置在线缆内部，每芯截面积为 3.5 mm2，满足电磁打捞器直流电用电需求的同时，其截面结构更加对称。专用线缆截面示意如图 2 所示，电缆由绝缘护套包裹，间隙由 PE 线材及特殊胶质填充，用于结构支撑，通过涂覆涂敷聚氨酯，护套实现高强度的防水、耐压、耐磨功能，外层护套对内部导体进行约束以集中保护，缆芯外围由直径为 1.32 mm 的钢丝正反双层绞合，特殊的绞合方式使其具有抗自转能力，避免扭断，提升了安全性，使用 1 770 MPa 级热镀锌处理可提升防锈、抗腐能力。
图2 专用线缆横截面示意Fig.2 Sectional sketch of special cable
由于电磁打捞器自身质量极大，如脱离连接坠入井底，会造成废井，风险极高。因此，专用线缆靠近井下的一端由钢丝绳网套连接在电磁打捞器顶端的承重销钉上，专用线缆末端剥离出的电缆缆芯接入电磁打捞器防水线盒，再由绝缘树脂及防水胶密封，实现供电；
剥离剩余的钢丝绳股作为安全绳连接在电磁打捞器顶端的安全销钉上；
靠近地面的一端，专用线缆经卷筒收容后接入提升机电控系统整流器，形成供电回路。
经试验验证，研制的专用线缆在保持电力输送的情况下，极限抗拉强度可达 136 kN。大直径井电磁打捞器质量为 360 kg，最大下深 520 m，专用线缆线密度为 0.81 kg/m，在最大工作深度下，专用线缆与电磁打捞器在井口卷扬吊臂绳头的载荷合计为 8.39 kN。煤矿安全规程对人员升降专用单绳缠绕式升降装置的安全系数要求为 9[8]，大直径井电磁打捞器在未打捞落物时的安全系数可达 16.23，打捞满载 14.50 kN 下的安全系数可达 9.38，均超过载人安全标准，可保障大直径井电磁打捞器充分发挥性能。专用线缆主要性能参数如表 1 所列。
表1 专用线缆的主要性能参数Tab.1 Main performance parameters of special cable
2.3 专用升降平台的研制
电磁打捞器属于事故处理应急装备，这一特殊性要求专用升降平台必须具备以下特点：较强的野外环境适应能力；
体积紧凑，不过多占用井场空间；
与各类地形贴合牢靠；
提吊灵活稳定，不倾覆失稳，卷扬对线缆的控制安全可靠，不发生缠绕、跳绳、乱绳等异常情况；
结构精简，易于维修。
因此，研制的专用升降平台采用了全电控系统，主要由提升子系统和车架子系统 2 部分组成。提升子系统安装在车架子系统上方，用于控制专用线缆的上提与下放；
车架子系统使用专用升降平台，具备野外全地形自主移动能力，便于现场布置，摆脱了对吊车等运载设备的依赖。
专用升降平台外接 380 V、50 Hz 交流电源，装机容量为 35 kW，由总控柜及内置的变压器、变频器对电磁打捞器、提升子系统、车架子系统整体的电力、操作系统进行分配与整合。总控柜集成了主操作面板及实时载荷、行程、提吊速度、运行时间等参数的数显功能。升降平台质量为 12 t，最大起升高度为2.4 m，结构如图 3 所示。
图3 专用升降平台结构Fig.3 Structure of special lifting platform
2.3.1 提升子系统
提升子系统主要包括卷筒、排绳器、起重电动机、减速机、制动器。外接电源通过总控柜接入提升机 22 kW 变频器，带动起重变频电动机，实现对卷筒的转动。卷筒直径为 500 mm、挡板间宽度为 760 mm、表面设计有螺旋式绳槽，有利于前 1～ 2 层线缆的有序排布。容绳量为 520 m，满绕线缆后共排布 7层、每层 42 匝。卷筒与排绳器通过链条连接，卷筒转动可以带动排绳器在丝杠上往复移动，专用线缆穿过车架子系统前端吊臂上的定滑轮后，经由排绳器引导后有序缠绕在卷筒上，避免了跳绳、乱绳等异常情况的出现。提升子系统整合了速度传感器、行程传感器和计时器，可通过电控柜上的屏显元件对打捞作业上提下放行程、实时速度和开机时间进行精确显示。提升子系统结构如图 4 所示。
图4 提升子系统结构Fig.4 Structure of lifting subsystem
提升子系统最大提升力为 50 kN，升降速度为18～ 54 m/min。在传统打捞方式中，钻机起下钻单次按 2 根计，含人工上卸扣时间，平均速度约为 4～5 m/min。而专用升降平台的最高安全起下速度为 54 m/min。以井深 500 m 为例，电磁打捞器下至井底仅需9.26 min，极大缩短了打捞作业时间，对于抢救工期、节约成本具有重要意义。
2.3.2 车架子系统
车架子系统主要结构：
(1) 车架 主要起承载作用，其上设置有吊耳，可用于整车吊装及锚固连接点；
(2) 车轮组 由车轮箱、轮胎、小车驱动电动机、减速机组成；
(3) 起升承重吊臂 由承重梁、支承座、定滑轮及载荷传感器滑轮轴等组成；
(4) 驾驶座 由方向盘、副操作面板、脚踏板等组成。
将车架子系统的移动方式设计为四驱驱动，外接电源通过总控柜接入车架的 7.5 kW 变频器，带动车架底部 4 个轮箱中的 4 台 1.5 kW 动力电动机，可实现车架前进、倒退、加减速、刹车。实心橡胶越野轮胎可适应沙地、泥地、山地、雪地等野外环境，最高移动速度为 20 m/min。车架底部前端的 2 个轮箱具备同步转向功能，驾驶座正前方设计有方向盘，当方向盘转动时，带动起下部的转向机，转向机联动拨叉杆，实现升降平台移动中转向。驾驶位下方右脚位置设计有脚踏板，用于施加前进或倒退动力。
绳头定滑轮为可拆卸结构，如钻井井架不便撤出场地，可将定滑轮拆除，使专用线缆从滑轮下方穿过后，重新装回定滑轮，专用线缆被引导至上方，由井架大钩上设置的定滑轮再次引导至井口。起升承重吊臂为可拆卸式，便于运输。
在操作设计上，驾驶座右前侧设计有副操作面板，与总控柜主操作面板功能一致，二者皆可用于操控整个升降平台。驾驶位的各类操作功能全面、便捷，仅由 1 人即可完成打捞作业全部操作，降低了工作配合难度。
研制的专用线缆与升降平台相互配合，辅助电磁打捞器完成打捞作业，3 项装备共同构建了完整的电磁打捞系统，如图 5 所示。
图5 电磁打捞系统性能测试Fig.5 Performance test of electromagnetic fishing system
2022 年 3 月在中煤科工集团西安研究院厂区对该系统进行了工程试车及打捞模拟试验。
工程试车方面，重点测试了专用升降平台提升子系统的长距离提吊稳定性与排绳可靠性。在专用线缆绳头施加重为 10.30 kN 的载荷，选取长度为 124 m的厂区道路，开展长距离牵引拖拽试验。拖拽过程中产生的滑动摩擦力，与实际打捞作业上提过程中电磁打捞器与井壁接触产生的摩擦力相似。拖拽试验耗时 3.29 min，仪表显示载荷高达 12.95～13.44 kN，接近满载，最高时速为 53.1 m/min，最低时速为 17.9 m/min，平均速度为 37.6 m/min，被拖拽重物移动平稳，排绳系统运转平顺，卷筒收绳有序。通过对车架子系统进行动态测试，车体行走、转向功能满足设计要求。试验过程中各项功能运行良好，传感器数显功能正常。
打捞模拟试验方面，制作了长度为 4 m、内径为850 mm 的有机玻璃透明容器作为人工井底，蓄满水后，在人工井底放置 17 支、共计 96 kg 不同规格金属物体。电磁打捞系统按既定打捞工艺开展打捞模拟试验 5 次，其中 4 次将井底落物一次性打捞成功，各项技术指标均满足设计要求。
通过构建大直径井电磁打捞系统，填补了煤矿大直径井缺乏专用打捞产品的空白。研制的专用线缆既可承重亦可供电，安全系数高于煤矿安全规程标准；
研制的专用升降平台具备全地形自主移动能力，野外适应能力强，整合了大直径井电磁打捞系统的各项功能与操作，其提升子系统排绳安全、稳定，升降迅速，对于抢救工期具有重要意义。大直径井电磁打捞系统具有良好的推广价值及市场前景。
