一種油氣井用雷管加強(qiáng)帽高精度安全自動(dòng)化裝填生產(chǎn)線

劉鞏權(quán)，劉鈞亮

一種油氣井用雷管加強(qiáng)帽高精度安全自動(dòng)化裝填生產(chǎn)線

劉鞏權(quán)1，劉鈞亮2

（1.西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司，陜西 西安，710061；2.長(zhǎng)春匯維科技股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春，130012）

針對(duì)油氣井用雷管加強(qiáng)帽生產(chǎn)時(shí)存在的產(chǎn)品質(zhì)量可靠性差、生產(chǎn)線安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題，介紹了一種高精度安全自動(dòng)化裝填生產(chǎn)線，論述了生產(chǎn)線原理及主要組成結(jié)構(gòu)，從精度和安全兩方面，探討高精度安全自動(dòng)化裝填技術(shù)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：該生產(chǎn)線提高了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性及生產(chǎn)線本質(zhì)安全性。

雷管；加強(qiáng)帽；高精度；安全；自動(dòng)化；生產(chǎn)線

石油民爆器材用于油氣井勘探開(kāi)發(fā)完井作業(yè)流程，在油氣井開(kāi)采中起著關(guān)鍵作用。加強(qiáng)帽為油氣井用雷管始發(fā)元件，裝填羧甲基纖維素疊氮化鉛等敏感藥劑。與傳統(tǒng)民爆行業(yè)相比較，其生產(chǎn)工藝技術(shù)較為落后，采用人工稱裝藥劑，質(zhì)量穩(wěn)定性差；此外操作人員直接接觸起爆藥，存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。為改變油氣井用雷管加強(qiáng)帽生產(chǎn)工藝落后的情況，從藥劑稱量精度和壓藥壓力精度，以及防止靜電積累、設(shè)備誤動(dòng)作及殉爆等方面，進(jìn)行了高精度安全自動(dòng)化生產(chǎn)線研究。

1 自動(dòng)裝填生產(chǎn)線組成及原理

基于某型油氣井用雷管加強(qiáng)帽的生產(chǎn)工藝過(guò)程，研制自動(dòng)化裝填生產(chǎn)線。該型加強(qiáng)帽裝藥為羧甲基纖維素疊氮化鉛（XX±5）mg及造粒奧克托今（XX±10）mg。羧甲基纖維素疊氮化鉛感度高，流散性較差，密度批次差異較大；奧克托今雖經(jīng)過(guò)造粒，但粒度處于6~45目范圍內(nèi)，均一性差。以單純的定容計(jì)量方式裝藥，產(chǎn)品合格率低，難以滿足工藝要求。根據(jù)加強(qiáng)帽工藝要求，對(duì)其生產(chǎn)流程進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)的自動(dòng)化生產(chǎn)線如圖1所示。

圖1 加強(qiáng)帽自動(dòng)化生產(chǎn)線流程

系統(tǒng)采用單模生產(chǎn)模式，直線式布局，由間外操作單元、起爆藥稱裝單元、炸藥稱裝單元、壓藥單元、退模剔廢單元、擦模具打蠟單元、自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。生產(chǎn)前，人工將電極塞裝入加強(qiáng)帽殼中備用，將藥劑上藥至對(duì)應(yīng)稱裝單元。自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，人工將加強(qiáng)帽殼裝入模具中，模具通過(guò)輸送線自動(dòng)傳輸，各單元設(shè)備依次完成起爆藥稱裝、炸藥稱裝、壓藥、退模、剔廢、收盒及模具清擦打蠟。

各單元采用獨(dú)立裝甲防護(hù)，系統(tǒng)整體形成鋼板防護(hù)間，實(shí)現(xiàn)人機(jī)隔離。采用“SIEMENS S7-1500CPU + 觸摸屏”的控制方案，工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET作為總線連接方式，PLC控制器提供連續(xù)控制、順序控制和邏輯控制等控制方式，觸摸屏通過(guò)通訊電纜同PLC相連，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)線的過(guò)程自動(dòng)控制、工藝參數(shù)監(jiān)控、自動(dòng)在線檢測(cè)、自動(dòng)剔除廢品、自動(dòng)故障檢測(cè)、自動(dòng)報(bào)警停機(jī)、自動(dòng)安全聯(lián)鎖等功能的高安全、高質(zhì)量的自動(dòng)化、連續(xù)化生產(chǎn)。系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2 自動(dòng)化裝填生產(chǎn)線布局

2 生產(chǎn)線精度設(shè)計(jì)

2.1 定性分析

加強(qiáng)帽作為油氣井用雷管中的始發(fā)元件，其質(zhì)量可靠性直接影響雷管質(zhì)量，因此自動(dòng)裝填生產(chǎn)線設(shè)計(jì)過(guò)程中必須保證加強(qiáng)帽生產(chǎn)過(guò)程的精度高可靠性。

故障模式與影響分析法（FMEA）及故障樹(shù)分析法（FTA）是廣泛用于可靠性和安全性的評(píng)價(jià)方法，但傳統(tǒng)的方法是根據(jù)事件發(fā)生的概率來(lái)定性分析事件重要性，這需要精確地概率量化大量基本事件，但許多基本事件存在不確定因素，因此在實(shí)際工程中很難做到，甚至是不可能做到的[1]，存在很大的局限性。自動(dòng)裝填生產(chǎn)線研究過(guò)程中，受試驗(yàn)條件及經(jīng)費(fèi)原因，無(wú)法測(cè)出每個(gè)基本事件發(fā)生概率。因此本文采用袁光杰等提出的一種用于自動(dòng)生產(chǎn)線可靠性研究的動(dòng)態(tài)故障分析法[2]。根據(jù)頂事件確定原則，選取“加強(qiáng)帽質(zhì)量可靠性差”作為頂事件，以加強(qiáng)帽主要生產(chǎn)工序作為次頂事件，對(duì)相應(yīng)原因分析，確定“起爆藥稱量精度差”、“炸藥計(jì)量精度差”、“壓藥壓力精度差”等基本事件危機(jī)程度較高，需要在系統(tǒng)研究過(guò)程中優(yōu)先考慮，以降低事件發(fā)生概率。

2.2 生產(chǎn)線精度設(shè)計(jì)

2.2.1 起爆藥稱量精度設(shè)計(jì)

“裝藥”工序是火工品生產(chǎn)的關(guān)鍵工藝之一。裝藥量一致性、裝藥精度、裝藥速度等工藝參數(shù)都直接影響火工品的質(zhì)量[3]。為保證裝藥速度，生產(chǎn)中通常采用定容式裝藥，而在傳統(tǒng)的定容式裝藥中，裝藥量的準(zhǔn)確性除了與定容器具精度有關(guān)外，還與藥劑流散性有關(guān)。在人工裝藥過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)藥劑流散性差導(dǎo)致藥量不均的情況，可根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，但在自動(dòng)裝藥過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)化程序很難進(jìn)行調(diào)整，最終會(huì)影響產(chǎn)品的合格率[4]。羧甲基纖維素疊氮化鉛感度較高，流散性較差，批次密度差異大，采用傳統(tǒng)的定容式裝藥難以滿足高精度要求。因此，筆者采用“定容+線性振動(dòng)+稱量”[5-6]式設(shè)計(jì)，設(shè)備由防爆電子稱、定容裝置、線性振動(dòng)裝置、稱量裝置等組成。使用1套精度為±5mg的“定容”式裝置稱取95%藥量，2套精度為±3mg并行的“線性振動(dòng)”式裝置稱取5%藥量，使用2臺(tái)高精度電子稱在線復(fù)稱藥量，實(shí)現(xiàn)起爆藥的高精度（±3mg）稱量，精度主要由“線性振動(dòng)”式裝置保證。針對(duì)2套并行線性振動(dòng)式裝置，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制并行動(dòng)作，互不干涉，提高生產(chǎn)節(jié)拍。筆者采用線性振動(dòng)式裝置作為試驗(yàn)裝置，在相同條件下，稱量羧甲基纖維素疊氮化鉛150份，根據(jù)記錄的稱藥量，進(jìn)行數(shù)理分析，線性振動(dòng)次數(shù)與稱量藥量間呈線性關(guān)系，且精度處于±2~3mg，較原生產(chǎn)工藝要求的±5mg，精度提高。如圖3所示。

圖3 線性振動(dòng)次數(shù)與稱量藥量關(guān)系

2.2.2 炸藥計(jì)量精度設(shè)計(jì)

為保證炸藥稱裝效率，采用“定容式”計(jì)量裝藥設(shè)計(jì)。此方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、稱量速度較高，適用于顆粒大小均勻、自流性好、視比重相對(duì)穩(wěn)定的物料計(jì)量[7]。而油氣井用雷管加強(qiáng)帽裝藥中，造粒奧克托今炸藥顆粒大小均一性差，處于6~45目范圍內(nèi)，單純使用定容式計(jì)量裝藥無(wú)法滿足±10mg精度要求。

經(jīng)查閱資料，炸藥細(xì)化后穩(wěn)定性提高，有利于提高雷管的安全性和可靠性[8]。筆者將造粒奧克托今進(jìn)行篩分，取30目篩下物。使用篩分后炸藥壓制雷管進(jìn)行鉛板試驗(yàn)，并與原試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，無(wú)明顯差異。筆者使用所設(shè)計(jì)定量勺與篩分后造粒奧克托今進(jìn)行計(jì)量試驗(yàn)，計(jì)量藥劑40份，記錄藥量，精度可達(dá)±4mg，較原工藝±10mg，精度提高，如圖4所示。

圖4 炸藥計(jì)量試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行數(shù)理分析，得到正態(tài)分布曲線如圖5所示。

圖5 正態(tài)分布曲線

根據(jù)計(jì)量藥量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，藥量算數(shù)平均值為65.7mg，標(biāo)準(zhǔn)差為1.8，則處于精度±5mg范圍內(nèi)概率為0.991 6。即從概率統(tǒng)計(jì)上分析，筆者設(shè)計(jì)的炸藥稱裝單元可保證99%以上的合格率。

2.2.3 壓藥壓力精度設(shè)計(jì)

火工品壓藥過(guò)程中的壓力精度、加壓速度和保壓時(shí)間等參數(shù)都對(duì)火工品的質(zhì)量有著重要影響。目前，我國(guó)火工品廠普遍采用手扳杠桿壓力機(jī)、氣動(dòng)壓力機(jī)或秤式杠桿壓機(jī)進(jìn)行小噸位的火工品壓制，這些壓藥方式普遍存在壓力精度及穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，最終導(dǎo)致生產(chǎn)出來(lái)的火工品良品率低，且安全隱患多[3]。筆者設(shè)計(jì)采用伺服壓機(jī)系統(tǒng)，壓力精度小于0.3%，穩(wěn)定性好，調(diào)整壓力方便，保壓時(shí)間可調(diào)。同時(shí)采用壓力傳感器檢測(cè)壓藥壓力，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)不合格品時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄信息并在剔廢過(guò)程中完成剔廢，保證壓藥壓力精度。

3 生產(chǎn)線安全性設(shè)計(jì)

3.1 定性分析

采用袁光杰等提出的動(dòng)態(tài)故障分析法[2]，根據(jù)頂事件確定原則，選取“自動(dòng)生產(chǎn)線意外爆炸”作為頂事件，以子單元意外爆炸作為次頂事件，對(duì)相應(yīng)原因分析，確定基本事件“靜電積累”、“設(shè)備誤動(dòng)作”、“殉爆”等危機(jī)程度較高，需要在系統(tǒng)研究過(guò)程中優(yōu)先考慮，以降低事件發(fā)生概率。

3.2 生產(chǎn)線安全性設(shè)計(jì)

3.2.1 防止“靜電積累”設(shè)計(jì)

加強(qiáng)帽生產(chǎn)過(guò)程中，如因藥劑摩擦、人員動(dòng)作等產(chǎn)生的靜電未及時(shí)導(dǎo)走，易造成靜電積累引發(fā)爆炸事故。因此需在生產(chǎn)線設(shè)計(jì)過(guò)程中采取消除靜電危害措施，常用措施為抑制和泄放。筆者采用適當(dāng)減少設(shè)備與加強(qiáng)帽接觸、降低模具運(yùn)動(dòng)速度、控制濕度等措施減少靜電的產(chǎn)生；采用防/導(dǎo)靜電材料制作直接接觸藥劑的零部件；通過(guò)將各單元金屬部分建立等電位連接，及將設(shè)備接地建立靜電泄流通道等措施，及時(shí)將產(chǎn)生的靜電導(dǎo)走。通過(guò)多種措施，降低靜電放電危險(xiǎn)。

3.2.2 防止“設(shè)備誤動(dòng)作”設(shè)計(jì)

油氣井用雷管加強(qiáng)帽裝填有羧甲基纖維素疊氮化鉛，該藥劑感度高，受到摩擦、震動(dòng)、撞擊時(shí)可發(fā)生爆炸。如生產(chǎn)線使用過(guò)程中某單元設(shè)備出現(xiàn)誤動(dòng)作，易引起爆炸。筆者在生產(chǎn)線設(shè)計(jì)過(guò)程中，采取充分措施保證系統(tǒng)安全：對(duì)易產(chǎn)生撞擊的運(yùn)動(dòng)部位，在運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)設(shè)置緩沖；對(duì)易產(chǎn)生摩擦的運(yùn)動(dòng)部位采用專用摩擦副外加防護(hù)；對(duì)機(jī)械手及關(guān)鍵夾緊部位采取雙重檢測(cè)，保證動(dòng)作的可靠；在每個(gè)氣動(dòng)回路中均配置限流器，對(duì)各氣缸的運(yùn)行速度進(jìn)行控制；通過(guò)在裝藥過(guò)程中盡量避免藥劑與其它零部件碰撞和摩擦，防止發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)。同時(shí)，由于該生產(chǎn)線為流水生產(chǎn)模式，當(dāng)其中1個(gè)單元發(fā)生誤動(dòng)作及故障時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)必須及時(shí)通知所有單元停止動(dòng)作[9]。在自動(dòng)控制系統(tǒng)編程時(shí)充分考慮上下單元之間，防爆窗、防爆門與設(shè)備之間等的程序設(shè)計(jì)；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多種傳感器實(shí)時(shí)將生產(chǎn)線和產(chǎn)品的信息采集到自動(dòng)控制系統(tǒng)中，發(fā)生異常時(shí)及時(shí)有效地自動(dòng)報(bào)警停機(jī)、顯示故障點(diǎn)。

3.2.3 防止“殉爆”設(shè)計(jì)

在自動(dòng)化生產(chǎn)雷管過(guò)程中，如出現(xiàn)殉爆，易造成整條生產(chǎn)線上的雷管發(fā)生爆炸，擴(kuò)大事故損失。因此，筆者在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用“抗”、“放”相結(jié)合的措施，防止殉爆發(fā)生[10]。“抗”即對(duì)爆炸區(qū)域采取加強(qiáng)措施，防止爆炸造成主體結(jié)構(gòu)喪失承載能力與整體穩(wěn)定性。自動(dòng)生產(chǎn)線各單元采用厚度為20mm的鋼板獨(dú)立裝甲防護(hù)，抗爆能力設(shè)計(jì)充分冗余，防止各單元殉爆；生產(chǎn)線整體采用厚度為16mm鋼板，形成防護(hù)間，頂層鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)及PVC板，提升整體防殉爆能力?！胺拧奔从幸庾R(shí)地設(shè)計(jì)一些薄弱環(huán)節(jié)形成泄壓面，將爆炸瞬間產(chǎn)生的大量能量釋放，減少主體結(jié)構(gòu)爆炸載荷。在各單元裝甲防護(hù)頂部采用泄爆筒泄爆，泄爆口朝向室外泄爆屏院。

4 結(jié)語(yǔ)

研究表明，該油氣井用雷管加強(qiáng)帽自動(dòng)化裝填生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)加強(qiáng)帽的高精度安全自動(dòng)化裝填，提高自動(dòng)化水平。通過(guò)藥劑高精度稱裝、壓制、實(shí)時(shí)質(zhì)量檢測(cè)等，提高加強(qiáng)帽質(zhì)量穩(wěn)定性。除間外操作單元，其他單元均設(shè)計(jì)有獨(dú)立裝甲防護(hù)，有效防止工序間殉爆；生產(chǎn)線整體形成防護(hù)間，實(shí)現(xiàn)人機(jī)隔離；減少人員與起爆藥等藥劑接觸，危險(xiǎn)作業(yè)人員由原人工生產(chǎn)線的9人減少至3人，提高生產(chǎn)線本質(zhì)安全性。其中，羧甲基纖維素疊氮化鉛的自動(dòng)化稱量技術(shù)提供了一種新的敏感藥劑高精度稱量自動(dòng)化方案。該生產(chǎn)線對(duì)改善石油民爆行業(yè)火工品生產(chǎn)現(xiàn)狀，具有借鑒和推廣價(jià)值。

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An Automatical Filling Production Line for Reinforcing Cap of Detonator Used in Oil and Gas Wells

LIU Gong-quan1，LIU Jun-liang2

（1. Xi'an Wuhua Juneng Blasting Equipment Co. Ltd.,Xi'an,710061；2.Changchun Huiwei Science and Technology Co. Ltd.,Changchun,130012）

Aiming at the problem of high safety risk in artificial weighing and charging of pyrotechnic composition, such as CMC-Pb(N3)2and RDX in production of reinforcing cap of detonator used in oil and gas wells, an automatical filling production line, which can be used for the reinforcing caps of fire detonators and electric detonators for oil and gas wells, was developed. The principle and the main components of the production line were discussed from accuracy and safety aspects. The research results shows that production line can improve the quality stability of products and safety of the production line.

Detonator；Reinforcing cap；High-precision；Safety；Automatical；Production Line

1003-1480（2018）06-0054-04

TJ450.5

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.06.014

2018-08-05

劉鞏權(quán)（1971 -），男，高級(jí)工程師，主要從事油氣井爆破器材生產(chǎn)工藝技術(shù)管理及智能制造研究。