杨 斌,李 敏,邬 柯,卢国良

(1.四川宏华石油设备有限公司产品研究所，四川 广汉 618300；2.成都纺织高等专科学校 机械工程学院，四川 成都 611731)

0 引言

当前，中国已由一个农业大国逐渐转变为工业大国，石油是工业动脉，国家已将汽车产业作为支柱产业之一，加上传统石油化工，以及与石油相关的生活日用品制造等行业，这些行业都是基于石油的应用。因此，石油在经济发展中的重要性是显而易见的。石油钻机作为开发石油、天然气的重要工具，在国内外一直具有一定的需求量。在国外钻机需求主要是中东、俄罗斯、南美和北美等地区，需求集中在5 000 m和7 000 m钻机；而在国内钻机需求主要集中在新疆、四川、陕西、重庆、贵州等地区，尤其是在近两年“十三五”期间国家加大了石油、天然气的开发力度之后，需求主要集中在7 000 m和8 000 m超深井钻机。石油行业作为一个国家经济生活中重要的组成部分，和其他行业一样，健康、安全、环保(HSE)一直是石油生产生活中一个不变的主题。而石油钻机使用过程中，同样要满足HSE的要求，各钻井公司也制定了专门的HSE文件，通常井队也配有专门的安全监督，保证整个钻井全过程合规安全地操作。

DROPS(Dropped Object Prevention Scheme)即落物防坠方案最早是针对海洋钻机，而目前已经成为在中东地区作业钻机设计最普遍的要求。提出DROPS是为考虑满足石油钻机HSE要求，防止石油钻机部件高空坠落，以最大限度地保护人员的操作安全。本文提出陆地石油钻机设计中引入DROPS的设计理念，保证钻机在使用过程中操作安全，减少钻井风险，降低钻井安全事故的发生。

1 DROPS概述

DROPS针对钻机落物防坠设计，并提出一整套的解决方案，目前已成为部分地区钻机设计的强制要求。在把DROPS引入陆地石油钻机设计时，首先要明确以下几个概念[1-2]：

1.1 DROPS中关键术语定义

落物(Dropped Object)：指任何存在跌落，存在造成人员受伤、死亡或设备损坏、环境破坏的物体。

落物防坠方案(Dropped Object Prevention Scheme)：考虑满足石油钻机HSE要求，防止石油钻机部件高空坠落，以最大限度地保护人员的操作安全方案。

一定高度(At height)：离地面6′(1.8 m)的高度。

一次防护(Primary securing)：在安装设备过程中采用正确的连接或防护方式，如螺母、螺栓、螺钉、卡座、支架、螺旋扣或焊接。

二次防护(Secondary Retention)：为安装在一定高度或一定区域内的设备存在发生坠落的潜在危险而设计的第二次防护功能，以保证一次防护失效时二次防护装置起作用。

1.2 DROPS系统规范要求

(1)不规范、禁止的行为包括：①没有合格证的提升设备；②用焊接圆钢/钢丝绳和紧固扎带来代替开口销或安全销；③用两件式卸扣来提升或悬挂设备；④受力螺栓采用双螺母的方式；⑤在一定高度上对手动工具不采取保护措施，包括加油枪、水壶、收音机、传感器、笔和电话等；⑥钢丝锁紧固定或绑在固定梁上；⑦没按规定载荷来吊装设备；⑧用脚手架作为永久性固定或安装设备，包括采用无认证的脚手架来吊装设备。

(2)推荐安全认可的行为包括：①供方和合作方共同执行DROPS的程序和要求；②按DROPS的要求对关键件进行设计；③发运到井场的所有材料和设备采用正确的包装；④所有的材料和部件要满足使用环境的要求；⑤在一定高度使用和安装的所有设备需采用合适的围栅，并且易于追溯并提供证书；⑥在一定高度使用和安装的所有设备需采用合适的保护措施，以避免或消除绊脚或碰撞事故的发生；⑦所有的安全固定装置要包括标记、制造商详细信息，并清晰地标记有最大载荷或工作极限载荷；⑧供应商和合作方应该协同工作。

1.3 DROPS任务计划和风险评估

DROPS任务计划和风险评估按照但不局限于以下几个方面：

(1)对井场设备提前检查和使用后复检，主要了解散件的使用年限，分析存在的隐患。

(2)在运输和吊装前进行载荷检查和评估，包括证书、设备和散件。

(3)工作条件设备检查，及操作人员资历评估，同时考虑人员行为因素。

(4)理解落实每件任务，确认操作设备的件数和相关危险及协同人员的安排，操作人员要了解可能会发生物体坠落的情况。

(5)对潜在坠物风险进行识别和评估，找到正确的控制和处理措施，总体上对坠物风险进行识别和评估。

(6)识别落物传递的潜在通道。

(7)对服务合作方和/或临时设备进行有效控制。

1.4 DROPS计算

DROPS计算提供了对潜在落物产生后果的一个通用的标准程序，包括：

(1)为了确定潜在的危险等级，在进行任务策划和风险评估时采取的手段。

(2)为了确定实际落物发生的潜在危险，所采用的报告程序。

(3)在设计和制造过程中，在一定高度上考虑物体的位置、固定件和防护措施。

采用DROPS计算的因素包括：

(1)对于重量较轻的物体(例如<0.1 kg)，物体发生跌落、破坏可能性的关键影响因素。

(2)计算假设物体没有尖角(例如玻璃尖角、金属锐边)，为钝型物体。

(3)在计算过程中，假设操作人员穿戴了标准的PPE安全防护设备(例如安全帽、劳保鞋和护目镜)。

(4)不降低单个物体的高度，即跌落到地面的距离。

(5)参考DROPS计算或相似的计算工具，给出的计算结果为事故发生的概率，而不是一个精确的预判结果。

2 DROPS在石油钻机设计中的应用

目前，DROPS在石油钻机设计中，主要是从考虑安全防护方式着手开展的。虽然设计时考虑了设备的工作极限载荷WLL(Working Limit Load)，同时考虑了设备采用螺栓螺母作为紧固件，以及采用卡箍、支架或螺旋扣等作为一次防护措施，但是基于DROPS要求，必须还要考虑二次防护措施。二次防护也是DROPS要求中的核心内容。

2.1 螺栓连接二次防护设计

选用正确的螺栓连接方式，设计时考虑强度计算、材料选择、预紧力选择和环境因素。

(1)按照DROPS的要求，双螺母的防松方式是不建议采用的，需采用开槽螺母加开口销的防松方式。

(2)受拉连接二次防护必须是可靠的，如图1所示。

图1 受拉连接二次防护措施

(3)设计需采用可靠的螺栓连接二次防护，如图2所示。

图2 其他螺栓连接二次防护

(4)对于配套头部开孔螺栓连接，例如管卡螺栓、轴端盖板螺栓等，需采用带锁紧铁丝的二次防护，如图3所示。在采用锁紧铁丝时需注意：一根锁紧铁丝最多使用在3个螺栓连接位置；螺栓距离不能超过150 mm；在腐蚀环境下使用不锈钢铁丝。

图3 锁紧铁丝正确的缠绕方式

2.2 销轴连接二次防护设计

按照DROPS要求，对于销轴连接的防松设计，以下4种二次防护是不能使用的，如图4所示。

图4 销轴连接不能使用的二次防护

针对石油钻机销轴连接可以采用如图5所示的二次防护措施。

图5 销轴连接采用的二次防护

2.3 悬重滑轮二次防护设计

悬重滑轮包括天车井架上面的提升绞车滑轮、载人绞车滑轮、吊钳滑轮和拖拽装置滑轮等，均需采用二次防护保护措施。通常采用卸扣+安全钢丝绳的二次防护措施。

2.4 电气设备二次防护设计

电气设备二次防护主要是采用安全钢丝绳和安全防护网两种措施。针对钻机灯具、投光灯、避雷针、井架上分线盒等采用增加安全绳的防护措施；而针对井架上摄像头、天车航空灯、扬声器等则需采用安全网的防护措施，如图6所示。

图6 扬声器的二次防护

2.5 绳夹的选择和使用

在石油钻机设计中，绳卡广泛使用于无压制钢丝绳或单头压制钢丝绳的场合，例如手动大钳吊绳、钻杆动力钳吊绳等。

按照DROPS要求推荐用铁夹式绳夹(如图7(a)所示)，不推荐使用常规的U型螺栓绳夹(如图7(b)所示)。另外，绳夹的使用必须满足API RP 9B的使用要求[3]，如图8所示。

图7 绳夹的正确选择

图8 绳夹的正确使用

2.6 吊装工具的选择和使用

卸扣和钢丝绳、链条和其他索具组合用于吊装和悬挂设备。对于卸扣选择主要注意以下两点：

(1)推荐采用四件式的卸扣。

(2)卸扣避免斜向受力。

石油钻机索具钢丝绳的选用主要考虑：强度、抗疲劳能力和抗磨损能力三个方面。在恶劣和腐蚀环境中，考虑采用镀锌钢丝绳；在每次使用之前，对所用钢丝绳进行目视检查，对于钢丝绳达到标准(参考API RP 9B)要求需更换时应及时进行更换；钢丝绳绳头要有清晰的WLL标记。

合格的吊带作为吊装工具也是允许使用的。

2.7 其他构件二次防护设计

针对其他构件，例如二层台猴台、二层台指梁、死绳扶绳器、手动大钳配重块等，可根据用户要求增加安全钢丝绳来作为二次防护措施。而对于管道接头包括水龙带接头、高压减震胶管接头、气路胶管接头、液路胶管接头等，通常采用的是安全钢丝绳的二次防护措施。

3 结论

随着石油工业的快速发展，健康、安全、环保已深入到整个石油工业中。DROPS针对石油钻机落物防坠设计提出了很好的解决方案，并且已被业界认可，尤其是成为了在中东地区作业钻机设计的基本要求。所以作为石油钻机的设计者，我们必须深刻理解和认识到落物防坠的重要性和必要性，在石油钻机设计中引入DROPS的概念，使之成为石油钻机设计中的一个标配，只有这样设计出来的钻机才能在高端市场更具竞争力。