液控式卡瓦互鎖裝置的研制與應用

(中石化勝利石油工程有限公司 井下作業公司，山東 東營 257000)①

在進行帶壓起、下油管作業時，需通過帶壓作業機頻繁打開和關閉固定承重卡瓦、移動承重卡瓦、固定防頂卡瓦和移動防頂卡瓦[1]。其中，固定承重卡瓦和移動承重卡瓦組在井下壓力不足以抵消油管自重力的情況下配套使用(重管柱狀態)，固定防頂卡瓦和移動防頂卡瓦組在井下壓力大于油管自重力時配套使用(輕管柱狀態)。

如果上述2組卡瓦沒有相互制約的控制機構，開關操作將會極大地受人為因素或其它因素影響，容易因誤操作等原因導致管柱落井或飛出井口的事故。因此，在實際操作中，需要配合卡瓦互鎖裝置使用。

卡瓦互鎖裝置是一種用于承重卡瓦組和防頂卡瓦組互鎖的裝置[2-4]，能夠實現在輕管柱狀態下移動防頂卡瓦和固定防頂卡瓦始終有1臺保持在關閉位置，在重管柱狀態下移動承重卡瓦和固定承重卡瓦始終有1臺保持在關閉位置，從而避免了承重卡瓦組或防頂卡瓦組同時打開而導致管柱飛出或落井事故。

目前，國內外都使用機械式、電磁閥式等卡瓦互鎖裝置。但是，機械式卡瓦互鎖裝置的操作手感差，卡頓現象嚴重，在特殊情況下需要同時打開卡瓦時，又需要拆掉限位裝置，操作不便。電磁閥式卡瓦互鎖裝置的感應探頭需鋪設電路，增加了用電的安全風險，對電磁設備防爆性能要求高[5]。另外，在惡劣環境下電子原件易損壞，維修周期和成本高。因此，需要研發一種適應惡劣操作環境、可靠性高，操作簡便的卡瓦互鎖裝置。

1 液控式卡瓦互鎖裝置液壓控制系統設計

研制的液控式卡瓦互鎖裝置可以作為功能加強組件被安裝在任何帶壓作業機的液壓系統回路中，成為帶壓作業機卡瓦液壓控制回路的一部分，使得卡瓦液壓控制閥與卡瓦液壓缸之間的油路被其控制。

液控式卡瓦互鎖裝置的液壓系統如圖1所示，由手柄四聯閥組、先導式單向閥組[6]、選擇閥、卡瓦調壓閥及卡瓦液壓缸組成。手柄四聯閥組與卡瓦液壓互鎖回路相連，操作手通過四聯閥組將手柄打開或關閉信息傳遞給卡瓦互鎖系統；先導式單向閥組由防頂先導式單向閥組和承重先導式單向閥組構成，每一閥組均包括4個液控單向閥和2個普通單向閥。這些單向閥組成卡瓦液壓互鎖回路，控制卡瓦組。防頂先導式單向閥組及承重先導式單向閥組均包括移動單向閥及固定單向閥；選擇閥的入口都與液壓系統主回路相連，而選擇閥的出口與單向閥組的先導壓力入口相連。當選擇閥處于正常模式，即關閉狀態下，系統壓力被阻斷而無法傳遞到單向閥組的先導壓力入口，所以該單項閥組里的固定和移動2個單向閥都處于正常工作狀態，即，沒有被強制打開。此時，卡瓦組處于相互自鎖狀態。當選擇閥打開，即處于旁通位置時，液壓系統壓力則可以傳遞到單向閥組的先導壓力入口，使得該閥組里的2個單向閥都被強制打開，這時卡瓦組中的2個防頂卡瓦的自鎖被解除，可以自由打開而不用受另一個卡瓦開/閉狀態的限制?？ㄍ哒{壓閥用于調節卡瓦的輸入壓力的大小?？ㄍ咭簤焊淄ㄟ^液壓回路提供驅動防頂卡瓦組及承重卡瓦組的卡瓦動作的液壓動力。每1個卡瓦液壓缸用于驅動1個卡瓦，卡瓦液缸上有2個開口，當液壓泵的液壓油經管路從卡瓦液壓缸一端流入，另一端流出，并經管路流回油箱時，對應的卡瓦關閉。反之，對應的卡瓦打開。

手柄四聯閥組、單向閥組、選擇閥共同形成液壓先導閥組，實現邏輯控制功能。液壓先導閥組通過采集液壓回路里的1個先導壓力信號來打開或關閉1個單向閥，從而阻斷或開放通向驅動卡瓦動作的液壓缸的油路。如果油路阻斷，則卡瓦就不能打開。油路開放時，卡瓦可以被打開。當成對卡瓦中的一個卡瓦處于打開位置時，先導壓力信號控制單向閥阻斷另一個卡瓦的油路，使其不能打開；而當這個卡瓦處于關閉位置時，先導壓力信號將打開單向閥，從而開放另一個卡瓦的油路。液壓先導閥組以上的控制邏輯，使得在輕管柱狀態下移動防頂卡瓦和固定防頂卡瓦始終有1個保持在關閉位置；在重管柱狀態下移動承重卡瓦和固定承重卡瓦始終有1個保持在關閉位置。

當帶壓作業施工進行到某些特定階段時，需要將成對的卡瓦同時打開。因此在液壓回路中設計如圖2所示旁通閥[7-8]。在特殊工況時，可通過操作旁通閥使卡瓦互鎖系統失效，此時成對卡瓦可同時開啟。待施工進入正常狀態時，操作旁通閥，恢復卡瓦互鎖功能。

1—手柄四聯閥組；2—先導式單向閥組；3—卡瓦液壓缸；4—選擇閥；5—調壓閥。

圖2 同時打開成對卡瓦的液壓閥件控制原理

液控式卡瓦互鎖裝置的液壓回路實現了管柱上升或下降的安全控制，同時考慮了成對卡瓦同時打開的特殊情況。通過手柄四聯閥組和旁通閥即可實現所有的操作，操作簡便，避免了人為誤操作及由此造成的安全事故。

2 卡瓦液壓互鎖回路集成化結構設計

先導式單向閥組構成的卡瓦液壓互鎖回路是液控式卡瓦互鎖裝置的核心部件。為簡化卡瓦互鎖裝置液路系統的結構，將所有先導式單向閥集中安裝于同一閥塊中，進行集成模塊化設計[9-13]，從而極大地簡便了液控式卡瓦互鎖裝置的安裝和維修。

先導式單向閥組模塊按照標準IRP15《帶壓作業行業推薦規范》要求進行設計[13-15]，最終成品如圖3所示，能夠實現最大流量120 L/min，最大壓力21 MPa。

a 上面

b 下面

3 現場應用情況

將液控式卡瓦互鎖裝置按照圖1進行連接，連接后互鎖裝置如圖4所示。液控式卡瓦互鎖裝置進行現場調試，確保管線無泄露，卡瓦開關正常。經過8口井現場測試，設備安全可靠性達100%，適應各種惡劣的現場施工環境。

a 卡瓦互鎖裝置控制手柄

b 卡瓦互鎖裝置旁通管路

c 卡瓦互鎖裝置主液控管路

d 卡瓦互鎖裝置防頂管路

4 結論

1) 液控式卡瓦互鎖裝置能夠實現在輕管柱狀態下移動防頂卡瓦和固定防頂卡瓦始終有1臺保持在關閉位置，在重管柱狀態下移動承重卡瓦和固定承重卡瓦始終有1臺保持在關閉位置，從而避免了承重卡瓦組或防頂卡瓦組同時打開導致的管柱飛出或落井事故。

2) 先導式單向閥組構成的卡瓦液壓互鎖回路配合手柄四聯閥組、單向閥組和選擇閥，能夠對卡瓦進行邏輯控制，是液控式卡瓦互鎖裝置的核心模塊；卡瓦互鎖裝置的液路系統中的旁通閥可使成對卡瓦同時開啟，滿足特殊情況下的要求。

3) 現場應用表明，新型液控式卡瓦互鎖裝置完全滿足施工要求，具有安裝及操作簡便、對惡劣工作環境適應能力強的優點。