液控式卡瓦互锁装置的研制与应用

(中石化胜利石油工程有限公司 井下作业公司，山东 东营 257000)①

在进行带压起、下油管作业时，需通过带压作业机频繁打开和关闭固定承重卡瓦、移动承重卡瓦、固定防顶卡瓦和移动防顶卡瓦[1]。其中，固定承重卡瓦和移动承重卡瓦组在井下压力不足以抵消油管自重力的情况下配套使用(重管柱状态)，固定防顶卡瓦和移动防顶卡瓦组在井下压力大于油管自重力时配套使用(轻管柱状态)。

如果上述2组卡瓦没有相互制约的控制机构，开关操作将会极大地受人为因素或其它因素影响，容易因误操作等原因导致管柱落井或飞出井口的事故。因此，在实际操作中，需要配合卡瓦互锁装置使用。

卡瓦互锁装置是一种用于承重卡瓦组和防顶卡瓦组互锁的装置[2-4]，能够实现在轻管柱状态下移动防顶卡瓦和固定防顶卡瓦始终有1台保持在关闭位置，在重管柱状态下移动承重卡瓦和固定承重卡瓦始终有1台保持在关闭位置，从而避免了承重卡瓦组或防顶卡瓦组同时打开而导致管柱飞出或落井事故。

目前，国内外都使用机械式、电磁阀式等卡瓦互锁装置。但是，机械式卡瓦互锁装置的操作手感差，卡顿现象严重，在特殊情况下需要同时打开卡瓦时，又需要拆掉限位装置，操作不便。电磁阀式卡瓦互锁装置的感应探头需铺设电路，增加了用电的安全风险，对电磁设备防爆性能要求高[5]。另外，在恶劣环境下电子原件易损坏，维修周期和成本高。因此，需要研发一种适应恶劣操作环境、可靠性高，操作简便的卡瓦互锁装置。

1 液控式卡瓦互锁装置液压控制系统设计

研制的液控式卡瓦互锁装置可以作为功能加强组件被安装在任何带压作业机的液压系统回路中，成为带压作业机卡瓦液压控制回路的一部分，使得卡瓦液压控制阀与卡瓦液压缸之间的油路被其控制。

液控式卡瓦互锁装置的液压系统如图1所示，由手柄四联阀组、先导式单向阀组[6]、选择阀、卡瓦调压阀及卡瓦液压缸组成。手柄四联阀组与卡瓦液压互锁回路相连，操作手通过四联阀组将手柄打开或关闭信息传递给卡瓦互锁系统；先导式单向阀组由防顶先导式单向阀组和承重先导式单向阀组构成，每一阀组均包括4个液控单向阀和2个普通单向阀。这些单向阀组成卡瓦液压互锁回路，控制卡瓦组。防顶先导式单向阀组及承重先导式单向阀组均包括移动单向阀及固定单向阀；选择阀的入口都与液压系统主回路相连，而选择阀的出口与单向阀组的先导压力入口相连。当选择阀处于正常模式，即关闭状态下，系统压力被阻断而无法传递到单向阀组的先导压力入口，所以该单项阀组里的固定和移动2个单向阀都处于正常工作状态，即，没有被强制打开。此时，卡瓦组处于相互自锁状态。当选择阀打开，即处于旁通位置时，液压系统压力则可以传递到单向阀组的先导压力入口，使得该阀组里的2个单向阀都被强制打开，这时卡瓦组中的2个防顶卡瓦的自锁被解除，可以自由打开而不用受另一个卡瓦开/闭状态的限制。卡瓦调压阀用于调节卡瓦的输入压力的大小。卡瓦液压缸通过液压回路提供驱动防顶卡瓦组及承重卡瓦组的卡瓦动作的液压动力。每1个卡瓦液压缸用于驱动1个卡瓦，卡瓦液缸上有2个开口，当液压泵的液压油经管路从卡瓦液压缸一端流入，另一端流出，并经管路流回油箱时，对应的卡瓦关闭。反之，对应的卡瓦打开。

手柄四联阀组、单向阀组、选择阀共同形成液压先导阀组，实现逻辑控制功能。液压先导阀组通过采集液压回路里的1个先导压力信号来打开或关闭1个单向阀，从而阻断或开放通向驱动卡瓦动作的液压缸的油路。如果油路阻断，则卡瓦就不能打开。油路开放时，卡瓦可以被打开。当成对卡瓦中的一个卡瓦处于打开位置时，先导压力信号控制单向阀阻断另一个卡瓦的油路，使其不能打开；而当这个卡瓦处于关闭位置时，先导压力信号将打开单向阀，从而开放另一个卡瓦的油路。液压先导阀组以上的控制逻辑，使得在轻管柱状态下移动防顶卡瓦和固定防顶卡瓦始终有1个保持在关闭位置；在重管柱状态下移动承重卡瓦和固定承重卡瓦始终有1个保持在关闭位置。

当带压作业施工进行到某些特定阶段时，需要将成对的卡瓦同时打开。因此在液压回路中设计如图2所示旁通阀[7-8]。在特殊工况时，可通过操作旁通阀使卡瓦互锁系统失效，此时成对卡瓦可同时开启。待施工进入正常状态时，操作旁通阀，恢复卡瓦互锁功能。

1—手柄四联阀组；2—先导式单向阀组；3—卡瓦液压缸；4—选择阀；5—调压阀。

图2 同时打开成对卡瓦的液压阀件控制原理

液控式卡瓦互锁装置的液压回路实现了管柱上升或下降的安全控制，同时考虑了成对卡瓦同时打开的特殊情况。通过手柄四联阀组和旁通阀即可实现所有的操作，操作简便，避免了人为误操作及由此造成的安全事故。

2 卡瓦液压互锁回路集成化结构设计

先导式单向阀组构成的卡瓦液压互锁回路是液控式卡瓦互锁装置的核心部件。为简化卡瓦互锁装置液路系统的结构，将所有先导式单向阀集中安装于同一阀块中，进行集成模块化设计[9-13]，从而极大地简便了液控式卡瓦互锁装置的安装和维修。

先导式单向阀组模块按照标准IRP15《带压作业行业推荐规范》要求进行设计[13-15]，最终成品如图3所示，能够实现最大流量120 L/min，最大压力21 MPa。

a 上面

b 下面

3 现场应用情况

将液控式卡瓦互锁装置按照图1进行连接，连接后互锁装置如图4所示。液控式卡瓦互锁装置进行现场调试，确保管线无泄露，卡瓦开关正常。经过8口井现场测试，设备安全可靠性达100%，适应各种恶劣的现场施工环境。

a 卡瓦互锁装置控制手柄

b 卡瓦互锁装置旁通管路

c 卡瓦互锁装置主液控管路

d 卡瓦互锁装置防顶管路

4 结论

1) 液控式卡瓦互锁装置能够实现在轻管柱状态下移动防顶卡瓦和固定防顶卡瓦始终有1台保持在关闭位置，在重管柱状态下移动承重卡瓦和固定承重卡瓦始终有1台保持在关闭位置，从而避免了承重卡瓦组或防顶卡瓦组同时打开导致的管柱飞出或落井事故。

2) 先导式单向阀组构成的卡瓦液压互锁回路配合手柄四联阀组、单向阀组和选择阀，能够对卡瓦进行逻辑控制，是液控式卡瓦互锁装置的核心模块；卡瓦互锁装置的液路系统中的旁通阀可使成对卡瓦同时开启，满足特殊情况下的要求。

3) 现场应用表明，新型液控式卡瓦互锁装置完全满足施工要求，具有安装及操作简便、对恶劣工作环境适应能力强的优点。