陸上石油鉆機電磁渦流剎車應用問題及解決方案

魏華英

（川慶鉆探試修公司，四川 成都610000）

電磁渦流剎車是陸上石油鉆機普遍配置的絞車輔助剎車裝置。常見的各型電磁渦流剎車都有一套電壓、電流可調的硅整流裝置，為電磁渦流剎車提供勵磁電流。但硅整流裝置可靠性在鉆井隊電源質量影響，容易出現過流、失流、風壓丟失、本體超溫等各種故障，造成電磁渦流剎車不能正常工作，從而引起溜鉆、頓鉆事故，甚至危及人身安全。為解決電磁渦流剎車故障頻發問題，考慮設計研制一種綜合監控裝置，該裝置能夠對電磁渦流剎車工作電流、電壓、溫度、風壓（水壓）等重要運行參數進行實時、連續的監控和記錄，安裝在便于司鉆操作和觀察的位置，及時了解掌握電磁渦流剎車工作情況，防患于未然。

1 電磁渦流剎車結構原理

電磁渦流剎車又稱電磁渦流制動器，利用電磁感應原理進行無磨損制動，具有力矩大、無易損件、使用壽命長、操作維護簡單的特點。它將鉆具下鉆時產生的巨大機械能轉換成電能，又將電能轉換為熱能的非摩擦式能量轉換裝置，通過改變勵磁電流來調節制動力矩，以控制鉆具下放速度。電磁渦流剎車在制動時產生的巨大熱量，通常采用水冷卻和風冷卻方式進行吸收與交換，因此電磁渦流剎車根據冷卻方式又分為水冷電磁剎車和風冷電磁剎車，其主要構成均由剎車主體、可控硅整流裝置及司鉆開關三部分組成。

（1）剎車主體主要由端蓋、轉子、機座、定子、勵磁線圈組成。其靜止部分稱為定子；其轉動部分稱為轉子。在定子與轉子之間有一定的氣隙，稱為工作氣隙。電磁渦流剎車的剎車主體采用外電樞結構型式。見下圖。

（2）可控硅整流裝置由整流變壓器和半控橋式可控硅整流電路組成。用以將交流電壓變成可調直流電壓后給激磁線圈通電。通過調節激磁線圈直流電流，實現剎車制動扭矩調節，從而改變鉆具下放速度。

（3）司鉆開關實質是一臺可調差動變壓器，由鐵芯、線圈、調節機構等部分組成。將鐵芯位置的變化轉換成交流信號電壓的變化，經橋式整流作為給定信號電壓，控制可控硅導通角以改變直流電壓，從而改變激磁線圈直流電流，改變制動扭矩，達到調節滾筒轉速的目的。

2 應用存在問題

電磁渦流剎車在石油鉆機使用過程中，雖然具有剎車迅速、制動力矩大的優點，但仍然存在較多問題及不足，主要表現在以下方面：

（1）可靠性方面：①可控硅損壞，導致司鉆操作手柄不輸出直流電壓或輸出的直流電壓達不到額定工作電壓（電流），電磁渦流剎車不能產生足夠大的制動力矩。②可控硅接入電源，司鉆手柄未操作就已有輸出，導致電磁渦流剎車一直處于制動狀態。

（2）監測方面：目前現場常用2 只防爆白熾燈并聯在剎車本體線圈兩端，作為電磁渦流剎車勵磁電壓高低的簡易觀察裝置。在日常工作中操作人員依靠燈泡亮度和個人經驗判定設備好壞。

①施工過程中設備震動是正常現象。白熾燈在震動環境中容易損壞且指示精度不高，僅反映勵磁電壓高低，不能反映勵磁電流大小。②如果勵磁線圈內部開路，剎車此時已經失效但燈泡仍然正常發光，如果此時司鉆高速下放游車，待需要減速時才發現失效，由此產生的后果不堪設想。

（3）保護方面：常見的各型電磁渦流剎車都有一套電壓、電流可調的硅整流裝置，為電磁渦流剎車提供勵磁電流。硅整流裝置性能高低不一，在鉆井隊惡劣的電能質量環境下，容易出現各種故障，如過流、失流、風壓丟失、本體超溫等，部分控制裝置具有一些保護功能，但因故障率高，現場多已屏蔽和閑置，成了擺設。設備運行狀態、掉電等無有效監測，一旦發生設備故障或失電，不能迅速直觀的發現將造成較大的事故，輕則電磁剎車自身損壞，重則造成溜鉆、頓鉆事故，甚至危及人身安全。

3 解決方案

目前電磁渦流剎車在國內陸上石油鉆機廣泛使用，但缺乏必要的監控、保護設施，存在較大安全隱患。為改進電磁渦流剎車無實時狀態顯示的缺陷、消除因電磁渦流剎車系統失效帶來的安全隱患，有必要設計一種電磁渦流剎車綜合監控保護裝置。

該裝置的設計理念是，設計一種電磁渦流剎車參數監控裝置，實時顯示電磁剎車系統相關參數、預警系統故障，從而消除因電磁剎車系統失效造成的安全隱患。該裝置主要由綜合監控顯示器、備用電源與備用電源監控切換裝置以及各項參數采集傳感器等部分組成。

（1）綜合監控顯示器。綜合監控顯示器主要是統計現場電磁剎車關鍵參數和常用參數，并針對這些參數一一設置信號傳感器，再將采集到的數據直觀顯示，便于操作人員及時掌握電磁剎車系統實時狀況。參數主要包括電磁剎車運行電流、電壓、溫度三項電磁剎車主要參數，以及風機電源指示、風機風壓低報警、風機相序等運行指示（該狀態指示用于風冷式電磁剎車），水溫、冷卻泵運行指示（該狀態指示用于水冷式電磁剎車），齒套離合（離合器的脫開、掛合）狀態，電磁剎車超溫報警，電磁剎車掉電報警（應急啟動狀態），備用電源充電狀態等電磁剎車相關輔助參數。

①電磁剎車電流電壓。電流電壓顯示作為電磁剎車重要參數指標，原有設備只在電磁剎車柜上有相應儀表，操作時無法獲悉電磁剎車電流電壓狀態；設計的綜合監控裝置中采用高精度變送器從電磁剎車主線上采集電流電壓信號，并加入信號隔離器防止外界干擾，收集真實準確的電流電壓信號。②報警輔助功能。除了電流電壓，其他運行參數與電磁剎車正常運行息息相關，如電磁剎車溫度，當電磁剎車在超高溫下運行可能損壞電磁剎車勵磁線圈；風冷式電磁剎車風機風壓和水冷式電磁剎車水溫，當出現故障時可能造成電磁剎車不能得到良好降溫而損壞或保護停機。當某運行參數出現故障時，報警輔助功能立即投入，對應指示燈將亮起并發出報警，提示操作人員應該立即停止繼續作業，同時指導檢修人員有針對性地檢查故障位置，減少停工檢修時間。

綜合參數監控裝置將這些參數全都設置了傳感器監控其狀態，再通過顯示器讓操作人員掌握這些參數實時數值和運行狀態。

（2）掉電保護功能。通過電源監控切換器，實現在電磁剎車突然掉電的情況下發出報警，警示操作人員，同時立即自動切換到備用電源，維持電磁剎車正常工作，以便操作人員在短時間內做出相應應急操作，減少溜、頓鉆事故的發生。

電源監控切換裝置由兩個互鎖交流接觸器、一個中間繼電器及司鉆手柄動作監控裝置組成。兩個接觸器中，一個為正常工況下剎車主電源輸出接觸器，另一個為備用電源的輸出接觸器。

（3）備用電源。備用電源可選方案有：超級電容、蓄電池、超級電容與蓄電池混合使用等三種。超級電容又名電化學電容、雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，它不同于傳統的化學電源，是一種介于傳統電容器與電池之間、具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原電容電荷儲存電能。超級電容具有充電速度快，循環使用壽命長，能量轉換效率高，過程損失小等特點，并且生產、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環保電源。但超級電容所需空間相對較大，而現場電磁剎車控制柜多數放置于配電房，預留空間不統一，所以為了適合現場不同環境產生蓄電池供電、蓄電池與超級電容混合供電的方案，實際現場可根據需求定制備用電源。

電磁渦流剎車綜合監控保護裝置能夠直觀反應電磁剎車各項參數工作狀態。當出現故障時，綜合監控裝置對應的指示燈將發光并報警，提示操作人員立即停止作業；同時檢查故障更有針對性，可有效減少停工檢修時間。設計的備用電源能夠在電磁剎車出現掉電的情況下，通過電源監控切換裝置發出報警警示操作人員，同時自動切換到備用電源，維持電磁剎車正常工作，使操作人員在極短時間內做出應急操作，減少溜、頓鉆事故發生。

4 結論與建議

電磁渦流剎車綜合監控保護裝置能夠彌補原電磁渦流剎車存在的設備本質缺陷；將人防改為技防，降低現場作業安全風險。建議在陸上石油鉆機配置的電磁渦流剎車上試制、安裝，試制成功后再推廣應用。