井架應(yīng)力監(jiān)測裝置防爆保溫箱研究

張慧杰，李 強(qiáng)，張軍鋒

（川慶鉆探工程有限公司國際工程公司，四川成都 610056）

0 引言

井架應(yīng)力檢測是傳統(tǒng)檢測中較為重要的一項(xiàng)，不僅有相關(guān)的國家檢測標(biāo)準(zhǔn)要求，也是確保井架正常作業(yè)、保障作業(yè)人員安全及現(xiàn)場設(shè)備可靠運(yùn)行不可或缺的環(huán)節(jié)。采用傳統(tǒng)方法檢測時(shí)，井架檢測時(shí)必須停止現(xiàn)場作業(yè)，會導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降、成本增加，而井架應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)是在傳統(tǒng)人工檢測的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，消除了人工需多次檢測、多次攀爬井架的危險(xiǎn)，通過遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控，為檢測人員提供了更加安全高效的檢測模式，真正實(shí)現(xiàn)了降本增效。

另外，油田鉆井作業(yè)極易產(chǎn)生可燃性、易爆伴生氣體，鉆井井場按照危險(xiǎn)環(huán)境區(qū)域劃分屬于1 區(qū)（井口位置）、2 區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域。所以鉆井井場范圍內(nèi)使用的電氣設(shè)備應(yīng)能防止產(chǎn)生火花、電弧或危險(xiǎn)溫度，在危險(xiǎn)環(huán)境區(qū)域只有安裝防爆電氣設(shè)備才能保證鉆井井場人身及設(shè)備安全。在鉆井作業(yè)現(xiàn)場應(yīng)按照危險(xiǎn)區(qū)域劃分配備相應(yīng)型號、相應(yīng)防爆等級的設(shè)備，設(shè)備防爆標(biāo)志不應(yīng)低于環(huán)境中危險(xiǎn)物的級別與組別。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)部分鉆井井場存在選型不合理或者選用非防爆電氣設(shè)備的現(xiàn)象。例如，在干燥房和坐崗房中存在許多非防爆產(chǎn)品，如多用插座、監(jiān)視儀、低壓控制箱、斷路器、燈具、風(fēng)扇等，在使用過程中，由于施工需要設(shè)備長期暴露在外部環(huán)境中，會遭受風(fēng)吹雨淋等惡劣環(huán)境的影響，極易產(chǎn)生腐蝕生銹及損壞而導(dǎo)致無法正常工作。一旦設(shè)備內(nèi)部端子連接處出現(xiàn)電弧、火花，就可能點(diǎn)燃可燃性氣體、引起爆炸。這種因不能安全使用防爆電氣設(shè)備而引起爆炸事故，在所有爆炸事故中占比很高。

本次以石油鉆機(jī)井架應(yīng)力在線檢測系統(tǒng)為研究基礎(chǔ)，需在防爆區(qū)域內(nèi)加裝川慶鉆探工程有限公司國際工程公司獨(dú)立研發(fā)的數(shù)據(jù)采集裝置監(jiān)測系統(tǒng)，因成本限制設(shè)備無法取得防爆資質(zhì)，因此采用高于防爆要求的防爆箱放置設(shè)備，并按照國家、石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接線路進(jìn)行通電。電器的型式試驗(yàn)是在正常環(huán)境條件下進(jìn)行的，根據(jù)GB/T 14048.1—2012《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》規(guī)定，正常使用條件有以下規(guī)定：

（1）周圍空氣溫度：最高溫度不得超過+40 ℃，且在24 h 一個(gè)周期的平均溫度不得超過+35 ℃；最低溫度不得低于-5 ℃。

（2）海拔：安裝地點(diǎn)的海拔不超過2000 m。對用于海拔高于2000 m 的電器，需要考慮到空氣冷卻作用和介電強(qiáng)度的下降。

1 問題原因

目前在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速，市場上應(yīng)力采集裝置非常成熟，種類繁多，價(jià)格不一。在線監(jiān)測模式多種多樣，主要分為兩大類，即集中式與分散式。其中，集中式的機(jī)箱較大，只能放置在司鉆房內(nèi)，且線纜較多，操作較為繁瑣；分散式可放置在井架的不同位置，每幾個(gè)為一個(gè)小分支，分散成幾個(gè)部分，最終統(tǒng)一收集到終端，線纜不繁瑣且體積較小，適合用于井架上端。

例3：科技節(jié)水火箭發(fā)射升空視頻，可以在視頻選項(xiàng)卡中打開“速度/時(shí)間流逝”選項(xiàng)，設(shè)置視頻的回放速度小于100，利用慢動作效果放慢播放速度，讓觀眾更加清晰的觀看到發(fā)射過程中，水火箭各部分的變化，詳細(xì)了解整個(gè)發(fā)射過程。

基于油田作業(yè)要求的防爆背景，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)應(yīng)力采集裝置產(chǎn)品并沒有對防爆要求進(jìn)一步升級，只是提升了防護(hù)等級，這不能滿足對于油田作業(yè)的防爆要求，同時(shí)考慮到鉆井作業(yè)環(huán)境惡劣，有些作業(yè)現(xiàn)場處于高寒地區(qū)，設(shè)備可能無法正常運(yùn)行。

實(shí)際上設(shè)備的使用環(huán)境惡劣，如新疆項(xiàng)目的現(xiàn)場氣溫最低可以達(dá)到-30 ℃，可能帶來的影響有：①供電模塊不工作，裝置斷電；②輸出信號受到影響，漂移過大；③信號發(fā)射端、接收端受阻，傳輸速度變慢（圖1）。

圖1 現(xiàn)場溫度

另外，作業(yè)現(xiàn)場已經(jīng)開始施工，不僅無法專門停鉆進(jìn)行檢測，而且對防爆要求極高。如果臨時(shí)開發(fā)、定制數(shù)據(jù)采集裝置，可能面臨的問題有：①周期時(shí)間過長，項(xiàng)目無法按時(shí)完成；②成本過高，不能達(dá)到降本增效的目的。

基于上述考慮，決定對現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行小規(guī)模的獨(dú)立研究設(shè)計(jì)，能及時(shí)滿足項(xiàng)目需求且完成技術(shù)方面的自我突破。

2 解決方案與測試

根據(jù)調(diào)研，數(shù)據(jù)采集裝置選擇分散式更符合現(xiàn)場條件，線纜安裝不繁瑣，滿足成本控制要求。

（1）對于防爆的問題，可以在數(shù)據(jù)采集裝置外部加裝根據(jù)其尺寸進(jìn)行定制的防爆箱。防爆類型有本安、增安、隔爆等，本安、增安類型雖體積重量較輕，但不滿足現(xiàn)場防爆要求，對于可實(shí)現(xiàn)防爆要求的隔爆型可以選用鋁合金材料使得重量降低。

（2）對于低溫的問題，可以在多種方案下進(jìn)行試驗(yàn)，選擇用于石油運(yùn)輸管道保溫的電伴熱帶進(jìn)行纏繞。電伴熱帶就伴熱類型可分為恒功率電伴熱帶和自控式電伴熱帶兩類。依據(jù)環(huán)境的低溫，無需考慮對電伴熱的溫控，故選擇恒功率電伴熱帶，根據(jù)現(xiàn)場外部環(huán)境、防爆箱的材料，需要的內(nèi)部溫度，通過熱功率交換公式、熱傳導(dǎo)公式等，計(jì)算得出需要電伴熱帶整體功率為60 W，無需控溫，并且電伴熱帶本身也需具有防爆等級要求，對電伴熱帶尾端要做保護(hù)。

本文提供了如下針對該裝置的輔助應(yīng)對措施：①數(shù)據(jù)采集裝置的傳輸線纜，必須符合耐低溫要求；②防爆箱開口必須滿足線纜防爆需要，且有縫隙處涂有防爆膠泥；③需專業(yè)電工對防爆箱內(nèi)部進(jìn)行布線設(shè)計(jì)，滿足現(xiàn)場使用需要。

考慮到四季交替，電伴熱帶采取了開斷控制措施，高于0 ℃時(shí)建議關(guān)閉電伴熱帶，低于0 ℃的則必須打開電伴熱帶開關(guān)（圖2）。

圖2 黑色電伴熱帶繞防爆箱子四周

為確保在現(xiàn)場可靠實(shí)用，對保溫裝置進(jìn)行模擬現(xiàn)場環(huán)境實(shí)驗(yàn)，檢測防爆箱內(nèi)部的溫度，測試數(shù)據(jù)采集裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。本次測試時(shí)間為2021 年底。

2.1 使用兩種方法測試防爆盒的溫度

（1）室外放置。因測試地點(diǎn)在成都，室外溫度在7 ℃，放置時(shí)間分別為2 h、4 h，通過讀取放置在箱內(nèi)的溫度計(jì)獲取箱內(nèi)溫度，分別為15 ℃和17 ℃。這說明，常溫下增加電伴熱帶能增加溫度為10 ℃。

（2）低溫箱放置。在防爆箱內(nèi)放置熱電偶實(shí)時(shí)測量箱內(nèi)溫度，熱電偶懸空，在防爆箱中央，即儀器位置。將防爆箱放置在低溫箱二層，加熱電伴熱帶（長度為1.2 m 電伴熱帶放置在防爆盒下方，長度為3.0 m的放置在防爆箱上方），溫度設(shè)置為-30 ℃（圖3）。4 h 后，有1.2 m 電伴熱帶的箱內(nèi)溫度為13～15 ℃。

圖3 溫度傳感器及測試環(huán)境

2.2 數(shù)據(jù)采集裝置測試

將數(shù)采儀器放置于防爆盒內(nèi)，為驗(yàn)證加裝電伴熱帶的必要性，分別采用不加電伴熱、加1.2 m 電伴熱帶和1.5 m 電伴熱帶3 種情況進(jìn)行對比，采集時(shí)間0.5 h（因時(shí)間原因未作加載試驗(yàn)）。由于不加伴熱帶無法讀取數(shù)據(jù)，通道全部過載，而1.2 m 與1.5 m 伴熱帶均可讀取數(shù)據(jù)。為了更好地進(jìn)行保溫，可以使用1.5 m的伴熱帶。

2.3 根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)

（1）將應(yīng)變片貼在厚度為5～7 mm 的鐵板上，利用重物對鐵板進(jìn)行加載，測試多個(gè)數(shù)采儀器、多個(gè)通道是否對采集速度有影響（表1）。

表1 運(yùn)行通道測試結(jié)果

（2）影響無線傳輸?shù)脑蛴芯嚯x、各種干擾、溫度等，根據(jù)原因設(shè)計(jì)測試，使用四芯屏蔽線連接數(shù)據(jù)采集儀器、改變與數(shù)據(jù)采集儀器的距離、測試采集速率與信號強(qiáng)弱。測試在常溫下進(jìn)行，結(jié)果見表2。

表2 影響無線傳輸原因的測試結(jié)果

（3）為對比溫度對儀器的影響，在低溫環(huán)境下進(jìn)行了有線及無線兩種工況測試：有線即采用用四芯屏蔽線連接數(shù)據(jù)采集儀器，所有線纜、儀器都放入低溫箱中；無線測試條件下，無線模塊、所有線纜、儀器都放入低溫箱中（圖4、表3）。

表3 低溫實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

圖4 低溫箱設(shè)備

（4）長時(shí)間穩(wěn)定性。將儀器放入低溫箱，24 h 后對采集數(shù)據(jù)與采集速率進(jìn)行考察（圖5）。測試結(jié)論是，24 h 過后，整體采集數(shù)據(jù)平穩(wěn)，采集速率無變化。

圖5 采集數(shù)據(jù)

（5）為進(jìn)一步確認(rèn)防爆箱內(nèi)溫度保護(hù)與儀器周圍溫度，單獨(dú)將防爆箱放入低溫箱，另外在箱內(nèi)放置熱電偶在儀器中部與下方，同時(shí)精確校正儀器在現(xiàn)場的使用溫度，并根據(jù)對低溫箱的使用研究，將防爆箱放置在低溫箱下方，撤出隔板，使得低溫箱的溫度更接近于-30 ℃。測試結(jié)論是，放置2 h 后防爆箱中心溫度15 ℃，防爆箱儀器下方溫度-10 ℃，放置6 h 以后溫度與2 h 后的變化相差不大。測試過程中如果將防爆箱倒置，中心溫度為29 ℃。

以上實(shí)驗(yàn)證明，儀器低溫可用，并得到以下3 個(gè)結(jié)論。

（1）在常溫與低溫環(huán)境下，軟硬件采集正常，線纜傳輸正常，有線傳輸速率5 Hz、無線采集速率0.5 Hz，無線傳輸距離在50～60 m，傾角傳感器采集正常，報(bào)警功能正常。通過對采集儀器標(biāo)定，采集數(shù)值屬于正常偏差范圍內(nèi)。

（2）在常溫與低溫環(huán)境下，應(yīng)力應(yīng)變采集，在有加載與無加載時(shí)數(shù)據(jù)有變化、反應(yīng)迅速。

（3）設(shè)備在無電伴熱情況下可找到信號、可采集信號，為確保使用效果建議使用電伴熱帶加熱。

（4）硬件端線纜多次檢查，同時(shí)接上屏蔽線，所有采集儀器需接地。

為確保使用效果，建議使用低溫網(wǎng)線。

3 總結(jié)

在石油鉆井現(xiàn)場使用防爆箱，可使原先不防爆的應(yīng)力采集裝置在防爆區(qū)域內(nèi)安全使用，并且在惡劣環(huán)境下，對內(nèi)部高精尖設(shè)備部件進(jìn)行保護(hù)，確保系統(tǒng)能正常運(yùn)行。同時(shí)，通過對電伴熱帶的調(diào)研及測試，選擇了恒功率電伴熱帶，保持對防爆箱內(nèi)部溫度的持續(xù)性，提高整體穩(wěn)定性。

在整個(gè)系統(tǒng)層面，通過對軟件端不斷優(yōu)化，使系統(tǒng)整體簡潔、反應(yīng)迅速，而數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集功能，可實(shí)現(xiàn)借助表格、歷史數(shù)據(jù)等手段觀察井架參數(shù)變化的目的，最終，現(xiàn)場設(shè)備管理人員可遠(yuǎn)程在線對井架實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行分析、判斷。總之，井架應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)的成功應(yīng)用，為石油鉆井現(xiàn)場自動化推廣提供了新思路、新方向。