石油鉆機絞車剎車系統優缺點分析

王洪臣 田文超 扈國峰 陳曉棟 劉曉東 趙志華

摘 要：本文著重分析了帶式剎車（剎把控制）、液壓盤式剎車、氣控剎車三種絞車主剎車控制形式及優缺點以及與之配合使用的水剎車、電磁渦流剎車、伊頓剎車三種輔助剎車控制形式的優缺點，旨在引導石油鉆井現場鉆機的操作者司鉆對鉆機主剎車和輔助剎車的認識，在使用過程中提供支持和幫助。

關鍵詞：主剎車；輔助剎車；優缺點；分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.075

0 前言

石油鉆井鉆機絞車是鉆機的重要組成部分，它的運行涉及到人身安全、設備安全、井下安全。鉆井絞車的主剎車和輔助剎車的配套選型以及操作者了解其性能和結構尤為重要，鉆機絞車的剎車按照功能分為主剎車和輔助剎車，鉆機絞車的主剎車和輔助剎車相互配合使用缺一不可，工作中的鉆機絞車主要擔負著鉆進、起下鉆、下套管、試油和輔助工作任務，作用是與鉆機控制系統一起控制絞車滾筒旋轉運動，從而控制游動系統起升、下放、停止操作。主剎車和輔助剎車的安全性和可靠性關系著石油鉆機的設備安全、操作者的人身安全和井下安全，若剎車系統安全性和可靠性差易出現出現故障，剎車失效，輕者會導致設備損壞，嚴重者會造成停鉆、頓鉆、溜鉆、頂天車等事故，甚至造成機毀人亡的重大設備和人身安全事故。

1 石油鉆機絞車主剎車形式及優缺點

主剎車是鉆機游動系統起升、下放過程中通過控制絞車滾筒停止運動的一種機構，也是絞車駐車常用的一種形式。在游動系統起升、下放過程中用輔助剎車均勻控制其運動速度，用主剎車完成定點駐車制動。

1.1 帶式剎車（剎把控制）

是一種杠桿式半包圍剎車轂剎車裝置，也就是通過剎把控制剎帶包圍貼合制動。是由剎把、傳動杠桿、剎帶、摩擦塊、滾筒剎車榖、平衡梁和調整螺栓等機構組成，是一種機械式傳動剎車機構。游動系統起升時司鉆抬起剎把，剎帶離開滾筒剎車鼓，游動系統無摩擦阻力向上運動，游動系統需要停止剎車時，司鉆操縱剎把向下按壓，剎把通過傳動杠桿使剎帶緊密的貼合剎車毅，通過剎車鼓控制絞車滾筒軸的旋轉，使游動系統停止運動，從而剎住絞車滾筒或駐車。帶式剎車（剎把控制）司鉆用力越大剎帶貼合的絞車剎車轂越緊密，游動系統的剎車距離越短，越安全。如果司鉆用力按壓剎把的力越小，絞車剎帶與滾筒剎車轂的貼合力越小，游動系統的剎車距離由于慣性剎車距離越長，越不安全，甚至有溜鉆的風險。如果在起升過程中需要剎車減緩速度，同樣有上頂天車的風險。如果駐車，停止游動系統運行還需要輔助重物幫助駐車或者司鉆一直向下控制剎把。此種鉆機的絞車剎車形式由于設計、機械加工和引進的限制，是當時各大油田石油鉆井現場大量采用的典型剎車形式。這種剎車形式的優越性是：結構設計簡單、容易加工制造、維護成本低廉、不需要精密的元器件，同時通過鉆具的傳到司鉆操作剎把時能夠感知井下鉆頭、鉆柱在井下的工作情況。其缺點是：由于結構設計問題，司鉆操作時長時間露天作業，勞動強度和體力消耗極大，作業環境存在風吹、雨淋、溫度變化和高空墜物的風險，再者由于剎車轂與剎帶貼合問題，剎車慣性距離大、可靠性差，在長時間使用的情況下，如果輔助剎車配合不良，剎帶與剎車榖的接觸產生熱膨脹，導致剎車可靠性變差，產生較大的慣性距離，易導致溜鉆、頓鉆、頂天車等安全和設備事故發生。目前， 只應用在安陽ZJ20K、大慶30B7、大慶130-2、羅馬F320，F400、蘭石ZJ-45等鉆機上，但使用量正逐年在減少，有逐步被淘汰的趨勢。

1.2 液壓盤式剎車

隨著石油裝備科技的發展，設備的自動化程度得到了很大的提升，為了改善司鉆的工作環境和絞車剎車的可靠性、安全性，目前，大量的鉆機配備了液壓盤式剎車控制系統。液壓盤式剎車系統是有專門的液壓站、剎車盤、剎車摩擦塊、控制元件組成，依靠液壓站提供的液壓能通過配備數個工作鉗對剎車盤施加壓力和數個安全鉗靠碟簧釋放壓力，從而達到剎車和駐車以及絞車滾筒旋轉的目的，從而帶動游動系統下放、起升、停車。司鉆通過操作控制調整液壓手柄可控制工作鉗上的剎車塊與剎車盤的貼合度，增加和減小剎車塊與剎車盤的摩擦力，控制剎車力矩的大小，實現遠距離控制鉆機絞車的剎車。優越性是：液壓盤式剎車與鉆機其它控制系統、參數儀表等集中在一起，形成模塊化控制操作，配備司鉆操作房，大大改善了司鉆的工作環境，減輕了司鉆的勞動強度，而且由于是數個剎車塊與剎車盤貼合，增加了貼合面積，從而增加了剎車塊與剎車盤的摩擦力度，使剎車力矩更大，剎車距離更小、剎車慣性也越小，可實現定點剎車，提高了剎車的可靠性和安全性，克服了帶式剎車剎帶與剎車轂的包角問題。其缺點是：需要配備使用專門的液壓站和專用液壓油，設備投資費用和維護費用高，并且增加了液壓油漏油后污染環境的風險，同時安裝和拆卸繁雜；司鉆操作控制手柄時缺少感知鉆頭、鉆具在井下的工作情況，還有就是液壓盤式剎車對液壓元件、液壓油油質的質量和維護安裝調試技術要求較高，如果由于液壓失壓或閥件不動作，會造成剎車故障或剎車失靈；由于液壓盤式剎車的摩擦片與剎車盤間隙要求比較高，調整間隙參數要求比較精密，如果間隙調整不當或由于液壓盤式剎車工作鉗是彈簧支撐液壓剎車塊，彈簧長期使用會導致彈性失效。安全鉗是碟簧結構，需要定期更換碟簧。如果剎車力矩受摩擦片間隙的影響或由于摩擦片間隙調整有誤差會造成剎車力矩減小，造成剎車時間延遲，剎車距離增大；如在冬季液壓油在低溫下流動性差或者使用不符合設備性能要求的液壓油也會造成剎車性能下降，總之，液壓盤式剎車對工作條件、維護技術、元件性能要求都比較高，目前大多應用在蘭石JC70D、JC60D、60L、ZJ70L鉆機和寶石ZJ70/4500LDB、ZJ70LDB3、ZJ70/4500LDB9以及宏華ZJ70LC鉆機和高原ZJ30LDB、ZJ40LDB鉆機上，由于其優勢較為突出，發展勢頭迅猛，目前有替代帶式剎車的趨勢。

1.3 氣控剎車

氣控剎車是一種與帶式剎車、液壓盤式剎車、防碰天車配合的一種剎車形式，是在游動系統超過設置的安全高度時，通過在井架上適當位置設置的安全繩限位繩，通過安全繩的脫落自動的實施帶剎和液壓盤式緊急剎車形式。它是利用氣控系統通過控制氣缸內壓縮空氣，給剎車榖施加制動力矩，從而達到絞車滾筒停止轉動的目的。其優點是：在游車上升過程中，由于司鉆疏忽或操作失誤造成游動系統沒有按照要求停止運動，游動系統超過設置的安全高度時頂開安全限位繩，實現剎車，它是操作人員在操作失誤的情況下，對游動系統上升運動進行的安全防護，以防止頂天車事故的發生。缺點是在冬季使用時氣控管線和氣控元件需要采取保溫措施，又由于安全限位繩是軟連接，剎車慣性大，無法實現定點剎車。

2 石油鉆機絞車輔助剎車形式及優缺點

輔助剎車的是在游動系統運動時通過吸收載荷釋放的能量，控制載荷的運動速度，保持載荷以安全的速度均勻下放和上升以及減速下放和上升，主要有：水剎車、電磁渦流剎車、伊頓剎車三種，它們與主剎車配合使用。

2.1 水剎車

在石油鉆機上曾經廣泛使用水剎車作為輔助剎車，它主要由旋轉主軸（可離合器與滾筒軸相連）及同定于其上的轉子，固定在外殼內并對稱于轉子兩側的定子以及水箱組成，利用水箱水位的高低不同施加給轉子不同的水力力矩，只能控制絞車下放時的運動速度，又由于其在低速運轉時制動扭矩很低，不能滿足深井鉆機的需要，現已被全部淘汰。

2.2 電磁渦流剎車

電磁渦流剎車采用的是電磁感應原理進行無磨損力矩制動。司鉆操作通過調節控制器手柄角度，控制定子與轉子的勵磁電流，從而改變轉子制動轉矩，控制游動系統起升、下放運動速度。采用較為簡單的閉環調節系統實現無極調速，控制力矩比較穩定可靠。由于電磁剎車系統模塊單一，能夠實現整體安裝與拆卸，它通過聯軸器與絞車滾筒軸配合聯接，聯接簡單方便，現場人員就可完成整體安裝和校正工作。電磁渦流剎車由于采用的是電磁感應原理進行無磨損力矩制動，工作過程產生熱量，需要對定子進行降溫冷卻，它有兩種降溫模式，一是水冷式二是風冷式。水冷式的電磁渦流剎車由于現場需要配備水存儲輔助設施和循環系統，占用鉆機較大的空間，對鉆機布局影響較大，加之冬季水的儲存的處理較為困難， 這些不利因素影響了它的推廣和使用。風冷式電磁渦流剎車由于使用的是電機驅動風冷降溫，直接配備在設備上，加之電機風冷的穩定性良好，使用壽命長，結構簡單，無易損件等優勢，國內外鉆機已廣泛推廣使用。

2.3 伊頓剎車

伊頓剎車由壓縮空氣驅動。司鉆操作氣控閥，讓壓縮空氣進人到法蘭氣缸， 推動活塞對壓緊盤施加壓力， 帶動壓緊盤運動， 迫使壓緊盤對靜止的彈簧套產生壓力， 彈簧開始壓縮。當壓緊盤移動時，也帶動端板組件靠在制動板上。當端板組件向制動板移動時， 動摩擦盤組件也靠最初施加的空氣壓力而移動， 對與絞車滾筒軸同軸的閘盤施加壓力， 達到控制滾筒軸旋轉速度的目的。主要由動摩擦盤組件、中間盤組件、壓緊盤組件制動和快速散熱的鉆采工況。伊頓剎車將氣動水冷式制動方式與空氣冷卻式彈簧閘制動方式進行了有機融合， 構成一種結構緊湊的新型絞車制動方式。伊頓剎車的優勢是：制動力矩大，體積小，重量輕，大量應用在50型和60型國外引進的鉆機上。其缺點是：一是由于它需要封閉的防護罩，護罩對日常的檢查和維護保養造成困難。二是需要進行降溫冷卻，需要配備輔助的存儲水罐和循環系統。三是氣缸側支撐軸承在更換摩擦機構時需要拆卸，工作繁雜，技術要求還比較高，整體占用較大鉆機空間。四是伊頓剎車是氣控盤式剎車，氣控元件比較精密，它的制造質量和性能要求非常高。五是現場的氣源由于過濾和分離設施問題，壓縮氣體存在較多水分和油污，會腐蝕元器件的密封，對各元器件性能和壽命產生不利影響，長時間會發生剎車滯后現象，部分剎車盤工作不靈活，不同步，極大地降低了剎車力，同時造成個別剎車盤受力過大，加速磨損等問題。由于其以上缺點無法改進，現已被淘汰。

3 結束語

根據石油鉆機的主剎車及輔助剎車形式及優缺點分析可以看出， 雖然石油鉆機絞車主剎車與輔助剎車各有其功能和自身特點，但是，從安全性、可操作性、適用范圍、維護調試等方面盤式剎車與電磁剎車是最佳組合，具有安全可靠、可操作性強、適用范圍廣、維護調試方便等特點，在國內外鉆機已廣泛應用。但不足是液壓盤式剎車未解決司鉆操作時的手感問題，對井下鉆頭、鉆具在井下的工作情況難以做出判斷，需要配合其它儀器儀表參數對井下情況做出判斷。

參考文獻：

[1]姜鳴等.石油鉆機絞車的制動方式研究[J].石油機械，2005，3（增刊）：189.

[2]李冬玲等.輔助剎車在鉆機上應用現狀及配套[J].機械工程師，2006（08）：132.

作者簡介：王洪臣（1963-），山東東營人，本科，高級技師，從事QHSE管理工作。