钻屑螺旋输送机安全化改造方案设计

摘 要：钻屑螺旋输送机使用过程中频频出现木材、塑料、药品包装袋卷入输送机绞笼的现象，造成设备损毁、电机烧坏;近几年国内外钻井市场还出现了多起钻屑螺旋输送机致人伤亡事故。鉴于此，结合该设备在钻井施工现场实际情况，研究设计了一套钻屑螺旋输送机安全化改造的实施方案：通过对电气控制线路进行优化改造，并对绞笼加装盖板、装设限位开关、加置声光报警器、配备急停按钮等一系列措施，达到设备安全可靠运行的目的。经现场使用测试，改造后的钻屑螺旋输送机的经济和社会效益良好，具有一定的推广应用前景。

关键词：钻屑;螺旋输送机;安全改造;声光报警

中图分类号：TE924  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）13-0035-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.010

0    引言

在钻井行业传统的生产施工活动中，随着钻进过程的不断进行，钻屑源源不断地自井下被带出地面，经振动筛分离出来后，使用水流将钻屑经专用管道或水槽冲刷至大循环池。然而在极度缺水的中东沙漠地区，水资源的匮乏促使钻井公司只能采用钻屑螺旋输送机来进行钻屑的移运、输送;国内钻井市场随着环保标准要求的提高，也在不断推广使用泥浆不落地系统。钻屑螺旋输送机因节水、环保、使用方便等诸多优势得以不断推广普及，取得了良好的使用效果。在使用过程中，如何确保钻屑螺旋输送机的使用可靠性和延长装置的使用寿命是一个重要课题。此外，随着大面积的推广使用，钻屑螺旋输送机造成了多起人身伤亡事故，暴露出许多安全问题和隐患。

因此，需要根據近几年钻屑螺旋输送机的实际使用情况，结合钻井行业的作业环境，了解现场工人的作业内容和工作习惯，总结、分析各项因素，对装置进行必要的软、硬件升级改造，以确保设备的本质安全，避免设备损坏、人身伤害事故的发生。

1    现场存在问题分析及安全改造基本思路

对钻井现场钻屑螺旋输送机工作环境、实际使用过程中出现的设备故障和人员伤亡事故进行考察和分析发现，主要问题出现在以下几个方面：（1）钻井施工现场的木材、塑料、泥浆药品包装袋等杂物进入绞笼内，造成负荷增加、烧坏电机，同时因杂物难以取出，造成生产活动停滞;（2）装置较长时间停用、绞笼内钻屑未及时清理等原因，造成装置启动时电机堵转;（3）因钻井工艺、工况等原因，造成钻屑返出量增加，绞笼内钻屑过多，电机负荷超出额定承受能力;（4）现场作业人员在清洗、检维修设备或靠近设备时，衣物、身体部位、手工具绞入，由此引发人身伤害事故;（5）设备维修时人员配合不当，造成人身伤害事故;（6）设备的电源开关与设备有一定距离，发现紧急情况，处置时间上会有一定延迟，造成问题恶化;（7）设备因跳闸等原因而故障停机，缺乏停机报警功能，导致发现不及时，造成环境污染。

经过对上述因素的逐一分析，查阅相关材料，结合现场情况和输送机绞笼的结构特点，制订出以下安全改造思路：（1）钻屑螺旋输送机的绞笼顶部配备顶盖，起到隔离密封效果，以免现场杂物的进入以及人员衣物或手工具的绞入[1];（2）绞笼顶盖做成半活动式，方便清洁和检维修作业，同时设计开盖自动停机保护功能;（3）分别在绞笼处和循环罐面的显眼位置设置急停按钮，实现紧急情况下的设备快速停机;（4）在绞笼处配备声光报警装置，并实现电机启动前声光预警，然后电机延迟一段时间再启动;（5）通过合理设计电路和布线，实现故障停机报警功能。

2    安全改造方案的具体技术实施

2.1    硬件设施的改造和配备

（1）在钻屑螺旋输送机的绞笼槽体顶部加装由钢质隔栅做成的盖板，盖板宽度尺寸与绞笼槽体大致相同，盖板可根据绞笼的长度平均分割成0.8～1.0 cm相等长度的小块。加装隔栅盖板的目的是防止杂物进入绞笼，同时也可以通过隔栅看清楚绞笼内部的工作情况。

（2）每块盖板的相同一侧通过合页与绞笼的槽体连接，以方便打开盖板进行检维修。盖板的另一侧，也就是可活动的一侧的上面同一方向焊接长10 cm、宽5 cm、厚0.5 cm的铁板。该铁板焊接时，保持铁板的右边一半焊接固定于右侧隔栅盖板上，左边一半伸出，覆盖在左侧隔栅盖板上。焊接此铁板的目的是，实现各个盖板的联锁，要想打开任何一个盖板，都必须打开最右侧的盖板才可以，以便于在最右侧盖板设置锁定装置，实现落锁功能，同时方便设计电气控制线路时，实现开盖停机保护功能。

（3）在绞笼盖板最右侧下方，安装一个限位开关，调整好限位开关的安装位置，确保打开和关闭盖板可以触发限位开关的触头状态发生改变，以识别盖板的开、关状态。

（4）在绞笼右侧显眼位置焊接一个高度1.5 m左右的立柱，立柱顶部安装一个声光报警装置。该装置应确保声音分贝数满足现场需要，发光颜色最好为橙色，以满足现场多水雾环境需要。

（5）在绞笼右侧配备一个小配电盒，配电盒上配有一个紧急停止按钮，以便就近及时关停钻屑螺旋输送机。同时，该配电盒的配备也便于限位开关和声光报警装置的布线。

（6）在循环罐面的合适位置配置一个小配电盒，配电盒上配有一个紧急停止按钮，以便罐面上的工作人员可以就近及时关停钻屑螺旋输送机，实现远程控制装置的停止，起到紧急救援的作用。

2.2    钻屑螺旋输送机安全化改造后的控制流程及电气控制线路设计

（1）钻屑螺旋输送机安全化改造后的控制流程如图1所示。

当现场工作人员合上电源后，声光报警器即时发出声光报警信号，提示在现场作业环境内的相关人员钻屑螺旋输送机已经开始启动，请立即停止相关作业，提高警惕、不要靠近。当现场设置的两处急停按钮均已释放，绞笼盖板已盖好且限位开关已动作，此时按下启动按钮，时间继电器得电，开始按照预先设置的时间进行倒计时（建议10 s）。当倒计时结束后，时间继电器触点动作，声光报警器关闭，同时电机开始运转，绞笼内钻屑被正常输送，整套装置正常持续运转。

当现场出现紧急情况需要紧急停机，设备运转过程中盖板被违章打开，电机负荷过大超出额定能力，现场工况需要设备正常停机、停止按钮按下等几种情况时，电机可以实现立即停机，同时声光报警装置发出声光信号。声光信号的发出可以让现场人员及时掌握钻屑螺旋输送机的工作状态，结合实际情况执行人员紧急救援、违章作业制止与纠正、设备故障造成非正常停机的发现与应对等相关状态下的处置措施。

（2）钻屑螺旋输送机安全化改造后的电气控制原理图如图2所示。该线路由主电路和控制电路两部分组成，其中主电路由电源开关QF、熔断器FU1、交流接触器的3个主触点、热继电器FR、主电机和声光报警器组成，控制电路部分由熔断器FU2、启停按钮开关、时间继电器开关、急停按钮、限位开关和接触器KM线圈组成。

装置的启动过程：如图2所示，三相断路器QF为整套装置的总电源，当合上断路器QF接通电源后，由于声光报警器用交流接触器的常闭触点接通，报警器在合上总电源后会立即发出声光警示信号，提醒现场人员注意，钻屑螺旋输送机已经启动，主电机即将开始运转;但此时由于接触器未动作，接触器KM的3个主触点处于断开状态，电源无法给电动机供电，此时电动机实际不会运转。当现场两个紧急停止按钮处于释放状态，绞笼盖板已盖好，限位开关触电闭合时，按下启动按钮启动装置，B、C两相电压依次通過热继电器常闭触点、两个急停按钮、盖板限位开关以及熔断器FU2、停止按钮常闭触点加载到时间继电器的两端。由于启动按钮处并联了时间继电器KT的常开触点，形成运行自锁回路，此时即使松开启动按钮，时间继电器KT仍然有电压加载，并开始按照预先设置好的时间进行倒计时（建议10 s），当倒计时过程结束，时间继电器的延迟闭合触点就会闭合。此时B、C两相电压加载到交流接触器KM线圈的两端，有电流通过KM线圈，线圈产生的磁场吸引触头动作并保持吸合状态。交流接触器常闭触点断开，声光报警器回路断开，停止发出声光报警信号;同时接触器的3个主触点闭合，三相交流电A、B、C通过FU1、KM主触点和热继电器触点给电动机供电，电动机开始运转。由于控制回路的自锁功能，KM主触点持续闭合，电动机会保持持续运转状态。

装置的停止过程：如图2所示，当现场因工况需要进行停机时，按下停止按钮开关，控制回路被切断，B、C两相的电压无法加载到接触器线圈上，线圈不再产生吸力，无法吸合触头，3个主触点断开，电动机停止运转;同时，由于接触器常闭触点重新闭合，声光报警器回路重新导通，将发出声光警示信号。同理，当两个急停按钮的任何一个在紧急情况下被人为按下或者绞笼盖板被人为违章打开、限位开关动作时，与人为操作主动停机原理相同，一旦接触器触头松开，均可实现电动机停机、声光报警器发出报警信号。现场工作人员在确认现场无异常情况后，断开主断路器QF，整个输送机控制系统进入正常关机状态。

该电路还同时实现以下保护功能：一是电动机过流、过载保护功能。由于主电路中配备了熔断器和热继电器，根据电动机额定功率合理设置保护参数后，可以实现对电动机的过流、过载保护，实现电动机的自动停机。二是欠电压保护。当电源的相间电压偏低时（一般在低于额定电压的85%时），接触器线圈吸合力下降。当吸合力小于弹簧弹力时，接触器触头松开，主、辅触点均会动作，实现电动机停机。三是失压保护。当电源电压突然消失时，设备被动停止;同时保证控制电路能够在电压消失瞬间切断电动机的供电途径。当电源恢复重新供电时，由于控制电路各触点恢复初始状态，线路不会自动为电动机供电，因此电动机也就不会自行启动运转，实现失压保护功能[2]。以上三种保护功能，除了可保证电动机停机，也可以同时实现声光报警功能，警示现场工作人员在第一时间结合设备的运行状态进行分析处理，做出妥善的处置。

3    现场使用效果及展望

在科威特钻井施工现场，按照此方案进行安全化改造后，经过一段时间的实际应用测试，钻屑螺旋输送机再也没有造成一例人身伤害事故，安全性能得到大幅提升，获得了甲方KOC公司监督的高度肯定和赞赏。使用过程中，未出现杂物卷入现象，设备的可靠性得以提高，使用寿命大大延长。启动时声光预警、电机延时启动、故障停机声光报警功能的设计，让设备的本质安全化水平得到较大提升，有效避免了非正常停机导致的环境污染事件。该方案具有良好的经济效益、安全环保效益，拥有广阔的推广应用前景。

[参考文献]

[1] 董怀荣，李琴，郭振，等.钻屑用螺旋输送机设计[J].西部探矿工程，2014，26（5）：23-26.

[2] 蔡杏山.电气工程师学习手册[M].北京：化学工业出版社，2020.

收稿日期：2022-04-18

作者简介：张鹏涛（1986—），男，山东枣庄人，工程师，研究方向：石油钻井机械及电气自动化。