Stanisaw Bednarz*, Roman Urba**

DRGANIA MASZYN ROBOCZYCH URZDZE WIERTNICZYCHA BEZPIECZESTWO PRACY***

1. WSTP

Urzdzenia wiertnicze w zalenoci od wyposaenia i usytuowania w nich maszyni podzespow roboczych w czasie caodobowej pracy s obiektami emisji rnej wielkocidrga mechanicznych, stanowic (przy niektrych operacjach wiertniczych) zagroeniezdrowia pracownikw wiertni. Urzdzenia wiertnicze eksploatowane w kraju to ukady pra-cujce w wikszoci na zasadzie ruchu obrotowego; wystpuj w nich przepywy duychiloci energii.

Wycigi wiertnicze, silniki spalinowe, stoy wiertnicze, pompy puczkowe oraz agrega-ty prdotwrcze to mechanizmy, ktre w czasie pracy wytwarzaj okrelony rodzaj drgamechanicznych. Czsto przekraczaj one poziom dopuszczalnych wartoci obowizujcychw tym zakresie norm i przepisw prawnych, co naraa niekiedy pracownika obsugujcegourzdzenie na chorob zawodow. Powstajce w czasie pracy maszyn drgania zazwyczajwpywaj niekorzystnie nie tylko na poszczeglne elementy skadowe zespow maszyno-wych, ale take na cao konstrukcji urzdzenia wiertniczego. Drgania powodowane sgwnie prac zespow napdowych i pomocniczych na podbudowie i na platformieurzdzenia, prac stou wiertniczego, drganiami przewodu oraz prac napdu wyciguwiertniczego [5].

Problem drga maszyn wiertniczych ma zazwyczaj aspekt techniczny i zdrowotny.Aspekt techniczny zwizany jest z trwaoci i niezawodnoci poszczeglnych maszyn ro-boczych w przewidywanym okresie eksploatacji, za zdrowotny dotyczy zagroenia zdro-wia pracownikw obsugujcych poszczeglne maszyny urzdzenia wiertniczego oraz do-puszczalnych wielkoci wibracji na stanowiskach pracy.

87

WIERTNICTWO NAFTA GAZ TOM 23/1 2006

* Wydzia Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH, Krakw** Instytut Nafty i Gazu, Oddzia Krosno

*** Praca wykonana czciowo w ramach bada statutowych Wydziau Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGHnr 11.11.190.01

rdem drga mechanicznych s wic ruchome maszyny robocze urzdzenia wiert-niczego pracujce na zasadzie ruchu obrotowego lub te posuwisto-zwrotnego oddziaujcepoprzez podesty na cae ciao pracownika (tzw. drgania o oddziaywaniu oglnym) podczaswykonywania codziennej pracy obsugi wiertnicy. Stwierdzono bowiem, e biomechanicz-na reakcja pracownika na drgania zaley od trzech podstawowych kierunkw dziaajcegobodca wibracyjnego (x, y, z) i jest zrnicowana w zalenoci od czstotliwoci drga.Charakter tego zrnicowania zosta uwzgldniony w tzw. waonej czstotliwoci wartociprzypieszenia drga mechanicznych aw dla kadego kierunku, ktr stosuje si w pomiarachwibracji na stanowiskach pracy i w ocenie drga maszyn przy zaszeregowaniu ich do ok-relonych kategorii bezpieczestwa [1, 2].

Krajowe kryteria oceny drga maszyn w aspekcie zaszeregowania ich do okrelonychkategorii bezpieczestwa ujmuje take norma PN-90/N-01358: Drgania. Metody pomiarwi oceny drga maszyn pod wzgldem bezpieczestwa i higieny pracy [1] nawizujc do [2].Z uzyskanych informacji wynika, e kryteria dotyczce rnych klas i typw maszyn bdpodawane w odpowiednich czciach normy ISO 7919 w miar ich opracowywania.

O aktualnoci i wanoci problematyki oceny drga maszyn roboczych w aspekciebezpieczestwa pracy oraz diagnostyki technicznej bdcej narzdziem eksploatacji urz-dze wiadczy szeroki zakres prac naukowo-badawczych i wdroeniowych. Znormalizo-wane metody pomiarw drga oraz oceny drga pod ktem ich oddziaywania na obsug,otoczenie, na maszyny oraz dla celw diagnostyki urzdze s przedmiotem wielu standardwUnii Europejskiej. Wskutek drga powstaj niepodane zjawiska w ukadach mechanicz-nych maszyn, drgania maj rwnie szkodliwy wpyw na organizm czowieka i wywoujhaas zagraajcy zdrowiu obsugi i uciliwy dla otoczenia. W artykule przedstawiono pod-stawy do zaszeregowania maszyn wiertniczych do okrelonych kategorii bezpieczestwa.

2. DRGANIA MECHANICZNE URZDZE WIERTNICZYCH

Urzdzenie wiertnicze, jako obiekt rodowiska, skada si z dwch podsystemw po-czonych ze sob wizami. Jeden podsystem to napd, wycig wiertniczy, pompy, st wiert-niczy, narzdzia wiercce, natomiast drugi to rama urzdzenia, podbudowa i pomosty robo-cze, podesty, budynki. W wizach wystpuj wymuszenia siowe (zmienne obcienia hakawiertniczego) i kinematyczne (pompy tokowe, sita wibracyjne), ktrych wpyw na drganiazaley od czstotliwoci i podatnoci ukadu na wymuszenia. Siy wymuszajce zatem tote, ktre pochodz od rda drga i dziaaj na podsystem w ukadzie urzdzenia wiertni-czego. Drgania maszyn przemieszczaj si poprzez fundamenty i konstrukcje do ssiednichobiektw i urzdze z ukadu stou obrotowego i wielokrka ruchomego na podog i po-dest w maszcie wiertniczym oraz pomost pomocnika wieowego [6]. Do drga kinematycz-nie wymuszonych nale drgania powstajce podczas pracy pomp puczkowych i sit wibra-cyjnych. W konstrukcjach maszyn i urzdze wystpuj take drgania samowzbudne.Energia potrzebna do takich drga jest dostarczana z samej maszyny podczas ruchu obroto-wego i postpowego jej elementw. Zasadniczo powstawanie rde drga jest spowodo-wane w wikszoci przyczynami konstrukcyjnymi, technologicznymi i eksploatacyjnymi.Do tych pierwszych naley zamierzone przez konstruktora wprowadzenie m.in. mechaniz-

88

mw korbowo-wodzikowych w pompach tokowych, sprarkach, klinw w stole wiertni-czym, ukadu gryzw w narzdziach wierccych. Przykadem rde drga wynikajcychz przyczyn technologicznych s wszelkiego rodzaju niedokadnoci wykonawcze i monta-owe, niewyrwnowaenie elementw pozostajcych w ruchu obrotowym, luzy wystpu-jce w parach kinematycznych. Do przyczyn eksploatacyjnych zalicza si zuycie czci,niedostateczn regulacj np. siatek w sitach wibracyjnych itp. rdem drga jest wic na-pd dostarczajcy energi i proces technologiczny realizowany przez dan maszyn. Pod-czas ruchu obrotowego niewyrwnowaonych statycznie i dynamicznie elementw maszynjak te z powodu maej sztywnoci waw oraz ruchu posuwisto-zwrotnego mechanizmwwiertniczych powstaj siy odrodkowe bezwadnoci B.

W przypadku niewyrwnowaonej masy sia ta okrelana jest wzorem

B = m 2 r,

gdzie:m niewyrwnowaona masa umieszczona mimoosiowo [kg],

prdko ktowa obracajcego si elementu [s1],r odlego rodka cikoci niewyrwnowaonej masy od osi obrotu [m].

Sia ta dziaa wprawdzie w paszczynie prostopadej do osi obrotu, ale z powodu r-nej sztywnoci konstrukcji w wielu kierunkach drgania maj amplitudy o rnych warto-ciach. W przypadku wystpowania minimalnej sztywnoci na danym kierunku drgania wy-kazuj na nim swoj maksymaln warto z czstoci rwn prdkoci obrotowej nie-wyrwnowaonej masy. Jedn z przyczyn drga w urzdzeniach wiertniczych jest wyst-powanie niewsposiowoci waw maszyn napdzajcych i napdzanych w postaci prze-mieszczenia rwnolegego promieniowego, niewsposiowoci ktowej, przemieszczeniarwnolegego z niewsposiowoci ktow w tej samej paszczynie i tym samym kie-runku oraz przemieszczenia rwnolegego z niewsposiowoci ktow w tej samej pas-zczynie lecz w przeciwnym kierunku [5]. Do najgorzej tolerowanych przez organizmludzki drga nale drgania o maej czstotliwoci 120 Hz. Drgania te ulegaj wzmocnie-niu w miar przekazywania ich w gr ciaa.

3. KRYTERIA OCENY OKRELAJCE ZASZEREGOWANIE MASZYNDO KATEGORII BEZPIECZESTWA

Ze wzgldu na sposb oddziaywania drga mechanicznych na organizm ludzki ma-szyny dziel si na trzy grupy:

1) maszyny technologiczne stacjonarne oraz maszyny energetyczne, w ktrych podstawo-wy rodzaj zagroenia to drgania o oddziaywaniu oglnym; w wiertnictwie w wik-szoci przypadkw maszyny robocze mona zaliczy do tej grupy;

2) maszyny technologiczne rczne drgania o oddziaywaniu miejscowym;3) maszyny transportowo-robocze drgania o oddziaywaniu oglnym i miejscowym.

89

Ze wzgldu na zagroenie pracownika rozrnia si cztery kategorie maszyn [1]:

1) bezpieczne,2) uciliwe,3) szkodliwe dla zdrowia,4) niebezpieczne dla zdrowia.

Ocenie poddaje si oddzielnie wszystkie skadowe (x, y, z) drga w kadym z punktwpomiarowych, w pasmach 1/3-oktawowych i czstotliwociach rodkowych od 0,8 Hz do80 Hz, przez porwnanie wynikw pomiarw z wartociami [1] i przypisanie kadej skado-wej drga do odpowiedniej kategorii. Kategoria badanej maszyny jest rwna kategorii naj-wyszej spord ustalonych dla skadowych drga w poszczeglnych punktach pomiaro-wych. Wyniki pomiarw drga na stanowiskach pracy powinny by zaopatrzone w danepotrzebne do identyfikacji i oceny zagroenia pracownika drganiami oraz do oceny ryzykazawodowego [4]. W dokumentacji z bada powinny znajdowa si zapisy umoliwiajceidentyfikacj rda drga, stanowiska operatora, metod pomiaru i oceny, miejsca pomiaru,sto- sowanego sprztu pomiarowego, daty pomiaru i osb wykonujcych pomiary.

4. POMIARY DRGA MECHANICZNYCH MASZYNW RODOWISKU OBSUGI URZDZENIA WIERTNICZEGO

Pomiary przypieszenia drga mechanicznych przeprowadzono precyzyjnym mierni-kiem pierwszej klasy typu SVAN 912E oraz przetwornikiem typu PD-10, podczaswycigania i zapuszczania przewodu wiertniczego do otworu o gbokoci 546 m, a takew czasie wiercenia koronk diamentow typu PDC 216 mm na wiertni Z 84 urzdzeniemwiertniczym typu IRI-750 [3].

W czasie pomiarw pracoway: silnik napdowy wycigu wiertniczego, silnik nap-dowy pompy puczkowej, sito wibracyjne oraz agregat prdotwrczy. Miejsca pomiaru dr-ga oraz ich liczb uzaleniono od rodzaju badanej maszyny wykonujc pomiar pr-zypieszenia drga mechanicznych o oddziaywaniu oglnym we wszystkich punktachzamocowania badanej maszyny (rys. 1).

Do bada wybrano gwnie te maszyny robocze, ktrych posadowienie nie byo zwi-zane z konstrukcj urzdzenia wiertniczego w celu wyeliminowania oddziaywa drga innychmaszyn wiertnicy w czasie jej caodobowej pracy. Pomiary wykonano w pasmach czsto-tliwoci zakresu aparatu, tj. od 1,680 Hz, stosujc przetwornik o czuoci 20,7 pC/MS2.

Charakterystyki techniczne maszyn byy nastpujce:

Sito wibracyjne (linearne) ALS SWACO o wymiarach 3,124 m 1,60 m 1,346 mi o masie 1587 kg: wysoko przelewu 0,813 m, sita: 48" 48" numer 10 do 200 mesh, silniki (2) w wykonaniu przeciwwybuchowym o mocy 1,86 kW i prdkoci obroto-

wej 30 s1 60 Hz i dodatkowo: 25 s1 1,86 kW, zasilanie: 420 V, 50 Hz 3-fazowe, prdko wibracji: 30 s1 60 Hz, 25 s1 50 Hz, sia wibracji (przecienia) zmienna przez odpowiednie ustawienie przeciwwag na

silnikach wibratora.

90

Pompa puczkowa trzycylindrowa IRI/IDECO 500 o cinienia toczenia podczas po-miaru 5 MPa.

Silnik napdowy pompy CATERPILLAR o mocy 361 kW i prdkoci obrotowej14,3 s1.

Agregat prdotwrczy: generator typ SR 4 o mocy 292 KVA z silnikiem napdowymCATERPILLAR, typ SEEDRDER o mocy 244 kW.

91

Rys. 1. Schemat rozmieszczenia punktw pomiarowych drga maszyn roboczych urzdzenia wiert-niczego typu IRI-750: Sw sito wibracyjne, S silnik, Pp pompa puczkowa, G agregat prdo-

twrczy, 1, 2, 3, 4 numery punktw pomiarowych

Z przeprowadzonych pomiarw wynika, e wartoci skuteczne przypieszenia drgao oddziaywaniu oglnym w przypadku sita wibracyjnego, silnika napdzajcego pomppuczkow oraz agregatu prdotwrczego (tab. 1), w wymaganych pasmach czstotliwociprzekraczaj wartoci drga dla kategorii pierwszej maszyn. Zalicza si je do kategorii dru-giej tzw. maszyn uciliwych. Wartoci drga we wszystkich punktach posadowieniapompy puczkowej nie przewyszaj wielkoci drga dla kategorii pierwszej maszyn co po-zwala zaliczy j do pierwszej kategorii tzw. maszyny bezpiecznej.

Tabela 1Wyniki pomiarw drga mechanicznych agregatu prdotwrczego typu SEEDRDER urzdzenia

wiertniczego IRI 750

Czstotliwocirodkowe pasm1/3-oktawowych

[Hz]

Wartoci skuteczne przyspieszenia drga o oddziaywaniu oglnymdla kierunkw z, x, y [m/s2]

Pkt pomiarowy 1 Pkt pomiarowy 2 Pkt pomiarowy 3 Pkt pomiarowy 4

z x y z x y z x y z x y

1,6 0,04 0,20 0,11 0,05 0,12 0,13 0,07 0,07 0,06 0,04 0,20 0,17

2,0 0,05 0,17 0,19 0,06 0,12 0,17 0,06 0,07 0,07 0,04 0,17 0,19

2,5 0,08 0,11 0,15 0,08 0,10 0,16 0,14 0,10 0,12 0,05 0,11 0,15

3,15 0,07 0,07 0,12 0,08 0,07 0,11 0,12 0,09 0,08 0,08 0,06 0,12

4,0 0,08 0,08 0,11 0,08 0,07 0,12 0,11 0,09 0,08 0,07 0,08 0,10

5,0 0,11 0,09 0,07 0,13 0,07 0,10 0,12 0,10 0,09 0,11 0,09 0,07

6,3 0,12 0,10 0,08 0,12 0,08 0,09 0,13 0,15 0,10 0,12 0,10 0,09

8,0 0,13 0,10 0,09 0,11 0,10 0,11 0,16 0,12 0,11 0,10 0,10 0,09

10,0 0,13 0,11 0,11 0,15 0,11 0,13 0,18 0,17 0,13 0,13 0,11 0,98

12,5 0,36 0,22 0,21 0,58 0,16 0,25 0,37 0,21 0,18 0,36 0,23 1,56

16,0 0,18 0,14 0,13 0,19 0,15 0,17 0,22 0,20 0,18 0,19 0,16 0,87

20,0 0,19 0,16 0,14 0,20 0,16 0,19 0,23 0,21 0,18 1,04 0,16 0,14

25,0 1,02 0,21 0,33 0,24 0,22 0,33 0,65 0,34 0,22 1,20 0,35 0,33

31,5 0,29 0,20 0,18 0,29 0,20 0,26 0,31 0,29 0,25 0,30 0,20 0,28

40,0 0,48 0,22 0,21 0,72 0,25 0,42 0,53 0,45 0,36 0,50 0,22 0,21

50,0 0,49 0,26 0,32 1,12 0,27 0,34 0,79 0,38 0,38 0,55 0,28 0,35

63,0 1,95 0,42 0,47 1,15 0,36 0,58 0,78 0,76 0,73 2,80 0,98 0,48

80,0 4,68 0,47 0,73 1,88 0,56 0,78 2,26 1,19 0,66 4,20 3,58 1,82

Wartoci krytyczne zaznaczone s przez podkrelenie.

92

Opracowany w INiG na podstawie przeprowadzonych bada, program komputerowyTESTWIB 1.0 pozwala kwalifikowa badane maszyny wiertnicze pod wzgldem wytwa-rzanych drga do odpowiedniej okrelonej norm kategorii bezpieczestwa: jako maszynbezpieczn, uciliw, szkodliw lub niebezpieczn dla zdrowia pracownikw obsugiwiertnicy. Program umoliwia take zbieranie i przechowywanie w bazie danych wynikwpomiarw wibracji badanych maszyn i urzdze. Dziaa on pod kontrol systemu operacyj-nego MS Windows 9x, XP, 2000 i w peni korzysta z moliwoci tego systemu (rys. 2).

5. PODSUMOWANIE

Z wykonanych bada maszyn urzdzenia wiertniczego wynika, e w czasie pracy wiert-nicy istnieje zagroenie zdrowia pracownikw obsugi oddziaywaniem drga mechanicz-nych spowodowanych prac agregatw prdotwrczych, sit wibracyjnych oraz silnikw na-pdowych, kwalifikowanych do drugiej kategorii czyli tzw. maszyn uciliwych.

Pracodawca jest zobowizany do przeprowadzania oceny ryzyka zawodowego, jak rw-nie do dokumentowania dziaa odnoszcych si do tej oceny oraz do realizacji politykibezpieczestwa i ochrony zdrowia zaogi. Wynika z tego konieczno gromadzenia okrelo-

93

Rys. 2. Okno edycji punktw pomiarowych przyspieszenia drga (kategoria maszyny)

nych dokumentw zwizanych z przeprowadzonymi pomiarami drga na stanowiskachpracy, zapisw dotyczcych oceny stanu zagroenia drganiami mechanicznymi w przedsi-biorstwie, materiaw szkoleniowych, programw poprawy warunkw pracy oraz dokumen-tacji okresowych bada lekarskich czonkw zaogi.

Opracowany program komputerowy stwarza moliwo zaszeregowania podzespowroboczych urzdzenia wiertniczego ze wzgldu na rodzaj zagroenia do poszczeglnychkategorii oraz tworzenia bazy danych maszyn roboczych urzdzenia wiertniczego.

LITERATURA

[1] PN-90/N-01357: Drgania. Metody pomiarw i oceny drga maszyn pod wzgldembezpieczestwa i higieny pracy

[2] PN-EN 12096: Drgania mechaniczne. Deklarowanie i weryfikowanie wartoci emisjidrga. Maj 2002

[3] Urba R.: Ocena stopnia drga maszyn roboczych urzdzenia wiertniczego w aspek-cie zaszeregowania ich do okrelonych kategorii bezpieczestwa. Krosno, Dokumen-tacja INiG, 2005

[4] Harazin B.: Ocena i interpretacja wynikw pomiaru drga mechanicznych na sta-nowiskach pracy. Bezpieczestwo Pracy, 1, 1996

[5] Bednarz S., Urba R.: Drgania mechaniczne w rodowisku obsugi urzdze wiert-niczych grnictwa naftowego. Rocznik AGH Wiertnictwo Nafta Gaz, t. 20/1, 2003

[6] Urba R.: Badania drga mechanicznych w rodowisku obsugi eksploatowanychurzdze wiertniczych grnictwa naftowego. Krosno, Dokumentacja INiG, 2002

94