車載鉆機(jī)靜載性能檢測(cè)方法

黨 林

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

煤層氣屬于非常規(guī)天然氣的一種，其熱值與天然氣相當(dāng)，因此，煤層氣是一種熱值高、污染少、安全性好的潔凈能源，是上好的民用、商用、發(fā)電燃料和化工原料[1-3]。車載鉆機(jī)具有鉆進(jìn)速度快、操作簡(jiǎn)單、輔助作業(yè)方便、適用于多種鉆進(jìn)工藝、拆裝及運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)[4-8]，廣泛應(yīng)用于煤層氣勘探和抽采、礦山應(yīng)急救援以及工程施工中[9]，是目前煤層氣鉆孔和救援鉆孔施工的主流施工裝備[10]。

車載鉆機(jī)主要是靠上裝鉆機(jī)部分實(shí)現(xiàn)大扭矩回轉(zhuǎn)和強(qiáng)力起拔來完成作業(yè)任務(wù)的。這2 個(gè)功能參數(shù)是車載鉆機(jī)最為主要的技術(shù)指標(biāo)。目前，國內(nèi)的車載鉆機(jī)生產(chǎn)企業(yè)和專用汽車檢測(cè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)這2 個(gè)參數(shù)的確定最常用的方法是通過公式計(jì)算得到1 個(gè)設(shè)計(jì)理論值，或是通過工程施工，憑經(jīng)驗(yàn)間接的獲得1 個(gè)參數(shù)范圍，不能夠準(zhǔn)確檢測(cè)車載鉆機(jī)的這2個(gè)主要參數(shù)，嚴(yán)重制約了車載鉆機(jī)上裝性能的檢測(cè)檢驗(yàn)和最大參數(shù)值的標(biāo)定工作，存在最大參數(shù)標(biāo)定不合理、誤區(qū)多等缺點(diǎn)，使得車載鉆機(jī)的可靠性受到極大限制。為此，提出了一種車載鉆機(jī)上裝靜載性能檢測(cè)方法，檢測(cè)方法能夠直觀、準(zhǔn)確、快速對(duì)車載鉆機(jī)上裝的靜態(tài)扭矩和靜態(tài)提升力進(jìn)行檢測(cè)，并在實(shí)際工作中得到成功應(yīng)用。

1 檢測(cè)平臺(tái)搭建

車載鉆機(jī)靜載性能檢測(cè)時(shí)，由于檢測(cè)的扭矩和提升力都比較大，檢測(cè)平臺(tái)需要施加很大的反作用力以達(dá)到檢測(cè)的目的，檢測(cè)平臺(tái)建設(shè)的難點(diǎn)就在于施力裝置。檢測(cè)平臺(tái)采用深度約為18～25 m、直徑約為700～900 mm 的鋼筋混凝土灌注樁，中間預(yù)埋φ127 mm 鉆桿作為傳力構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)，樁身采用C30混凝土澆筑。在中間預(yù)埋鉆桿的上端（露出混凝土澆筑樁一端）連接鉆桿接頭，使其法蘭端朝上。車載鉆機(jī)靜載性能檢測(cè)平臺(tái)建設(shè)示意圖如1。

圖1 車載鉆機(jī)靜載性能檢測(cè)平臺(tái)建設(shè)示意圖Fig.1 Construction diagram of static load performance testing platform of truck-mounted drilling rig

車載鉆機(jī)靜載性能檢測(cè)平臺(tái)主要檢測(cè)車載鉆機(jī)靜態(tài)扭矩和提升力2 個(gè)主要參數(shù)，鑒于車載鉆機(jī)的特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)建設(shè)的車載鉆機(jī)靜載性能檢測(cè)平臺(tái)在施工和建設(shè)時(shí)保證其抗扭能力和抗拉能力分別達(dá)到30 000 N·m 和1 000 kN 以上，并考慮到安全系數(shù)及以后的能力擴(kuò)充，檢測(cè)平臺(tái)留有更大的富余空間。為此所配備的靜態(tài)扭矩傳感器和提升力傳感器設(shè)計(jì)測(cè)試能力分別為50 000 N·m 和1 200 kN，靜態(tài)扭矩傳感器如圖2，靜態(tài)提升力傳感器圖3。

圖2 靜態(tài)扭矩傳感器Fig.2 Static torque sensor

除傳感器和檢測(cè)平臺(tái)外，在檢測(cè)時(shí)還需要相應(yīng)的工裝來輔助完成檢測(cè)檢驗(yàn)任務(wù)。鉆桿接頭如圖4；檢測(cè)過程中使用的檢測(cè)用鉆桿和檢測(cè)平臺(tái)建設(shè)時(shí)預(yù)埋的鉆桿都采用這種法蘭接頭，連接尺寸與扭矩傳感器、提升力傳感器、提升力檢測(cè)用工裝一致，以便能與其連接。

圖3 靜態(tài)提升力傳感器Fig.3 Static lift force sensor

圖4 鉆桿接頭Fig.4 Drill pipe joint

檢測(cè)提升力時(shí)，為避免檢測(cè)鉆桿和預(yù)埋鉆桿及傳感器不對(duì)中導(dǎo)致的誤差及對(duì)傳感器的損傷，采用1 對(duì)提升力檢測(cè)用工裝，分別連接在檢測(cè)鉆桿下端和提升力傳感器上端，中間用鋼絲繩連接。提升力檢測(cè)工裝如圖5。

圖5 提升力檢測(cè)工裝Fig.5 Lifting force detection tooling

2 車載鉆機(jī)靜載性能檢測(cè)方法及過程

通過該檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司生產(chǎn)的ZMK5530TZJ60 和ZMK5530TZJ100型車載鉆機(jī)進(jìn)行了靜態(tài)扭矩和靜態(tài)提升力的試驗(yàn)和檢測(cè)檢驗(yàn)。

1）檢測(cè)前準(zhǔn)備工作。在檢測(cè)過程中，檢測(cè)平臺(tái)的基礎(chǔ)及預(yù)埋鉆桿固定不動(dòng)，將車載鉆機(jī)停靠在檢測(cè)平臺(tái)合適的位置，立車后，將檢測(cè)用鉆桿連接到車載鉆機(jī)動(dòng)力頭處，檢測(cè)用鉆桿的下端連接如圖4的鉆桿接頭，使其法蘭端朝下，使檢測(cè)用鉆桿與檢測(cè)平臺(tái)預(yù)埋鉆桿盡可能同軸，以減少檢測(cè)時(shí)的數(shù)據(jù)誤差，提高檢測(cè)時(shí)的精度和安全性。

2）靜態(tài)扭矩檢測(cè)方法。將圖2 的扭矩傳感器上端與檢測(cè)用鉆桿下端的法蘭進(jìn)行連接，在檢測(cè)平臺(tái)預(yù)埋鉆桿的上端法蘭處安裝萬向聯(lián)軸器（萬向聯(lián)軸器兩端法蘭的連接尺寸和圖2 的扭矩傳感器以及圖4 的鉆桿接頭相同），將車載鉆機(jī)動(dòng)力頭向下行走，使扭矩傳感器的另一端和萬向聯(lián)軸器的一端連接。所有采用螺栓連接處都使用高強(qiáng)度螺栓。螺紋連接處，在連接之前都必須涂抹絲扣油。扭矩傳感器和工裝連接完成后，將扭矩傳感器儀表與傳感器進(jìn)行連接，通電后即可開始檢測(cè)車載鉆機(jī)的靜態(tài)扭矩。車載鉆機(jī)靜態(tài)扭矩檢測(cè)時(shí)的狀態(tài)如圖6。傳感器通電后，車載鉆機(jī)停止給進(jìn)，動(dòng)力頭在低速檔的狀態(tài)下，調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)調(diào)速控制手柄，由低到高逐漸加載，測(cè)量車載鉆機(jī)動(dòng)力頭輸出的扭矩值，該值即為車載鉆機(jī)的靜態(tài)扭矩。

圖6 車載鉆機(jī)靜載檢測(cè)示意圖Fig.6 Diagram of static load detection of truck-mounted drilling rig

3）靜態(tài)提升力檢測(cè)方法。扭矩檢測(cè)完后，將扭矩傳感器、萬向聯(lián)軸器依次從檢測(cè)平臺(tái)和檢測(cè)用鉆桿上拆除，使車載鉆機(jī)和檢測(cè)平臺(tái)恢復(fù)到上文“檢測(cè)前準(zhǔn)備”的狀態(tài)。將圖3 的提升力傳感器的下端連接到預(yù)埋鉆桿的法蘭盤上，提升力傳感器的上端連接1 個(gè)圖5 的提升力檢測(cè)用工裝，檢測(cè)用鉆桿下端的法蘭連接另1 個(gè)圖5 的提升力檢測(cè)用工裝，將車載鉆機(jī)動(dòng)力頭向下行走，使得2 個(gè)提升力檢測(cè)用工裝距離在1 m 左右，然后將鋼絲繩穿過2 個(gè)提升力檢測(cè)用工裝的圓環(huán)，用繩扣鎖緊。所有采用螺栓連接處都使用高強(qiáng)度螺栓。提升力傳感器和提升力檢測(cè)用工裝連接完成后，將提升力傳感器儀表與傳感器進(jìn)行連接，通電后即可開始檢測(cè)車載鉆機(jī)的靜態(tài)提升力。傳感器通電后，車載鉆機(jī)在停止回轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，調(diào)節(jié)提升調(diào)速控制手柄，由低到高逐漸加載，在系統(tǒng)壓力達(dá)到額定壓力時(shí)測(cè)得的提升力數(shù)值為車載鉆機(jī)的靜態(tài)提升力。2 個(gè)主要技術(shù)參數(shù)檢測(cè)完成后，拆除傳感器及工裝，將車載鉆機(jī)桅桿收回，并將車載鉆機(jī)移出檢測(cè)區(qū)域，使檢測(cè)平臺(tái)恢復(fù)到如圖1的狀態(tài)，做好保養(yǎng)和防護(hù)。

4）靜載性能檢測(cè)及結(jié)果。對(duì)ZMK5530TZJ60 型和ZMK5530TZJ100 型車載鉆機(jī)按照上述方法進(jìn)行了靜態(tài)扭矩和靜態(tài)提升力的檢測(cè)。ZMK5530TZJ60型車載鉆機(jī)靜態(tài)扭矩在額定壓力26 MPa 時(shí)的檢測(cè)值為12 135 N·m；靜態(tài)提升力在額定壓力35 MPa時(shí)的檢測(cè)值為612 kN。ZMK5530TZJ100 型車載鉆機(jī)靜態(tài)扭矩在額定壓力26 MPa 時(shí)的檢測(cè)值為30 758 N·m；靜態(tài)提升力在額定壓力35 MPa 時(shí)的檢測(cè)值為1 089 kN。

3 結(jié) 語

介紹了車載鉆機(jī)靜載性能檢測(cè)方法，檢測(cè)方法既提高了車載鉆機(jī)的試驗(yàn)和檢測(cè)能力，又對(duì)車載鉆機(jī)最大參數(shù)的標(biāo)定提供了準(zhǔn)確依據(jù)，避免了采用傳統(tǒng)方法導(dǎo)致的最大參數(shù)標(biāo)定不合理、誤區(qū)多等缺點(diǎn)。使用該檢測(cè)方法，在車載鉆機(jī)試驗(yàn)和檢測(cè)檢驗(yàn)階段進(jìn)行了成功應(yīng)用，效果直觀、準(zhǔn)確、快速，達(dá)到了預(yù)期目的。