陸上石油鉆機(jī)電磁渦流剎車應(yīng)用問(wèn)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(jī)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(diào)的硅整流裝置，為電磁渦流剎車提供勵(lì)磁電流。但硅整流裝置可靠性在鉆井隊(duì)電源質(zhì)量影響，容易出現(xiàn)過(guò)流、失流、風(fēng)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(fā)問(wèn)題，考慮設(shè)計(jì)研制一種綜合監(jiān)控裝置，該裝置能夠?qū)﹄姶艤u流剎車工作電流、電壓、溫度、風(fēng)壓（水壓）等重要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)的監(jiān)控和記錄，安裝在便于司鉆操作和觀察的位置，及時(shí)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(jié)構(gòu)原理

電磁渦流剎車又稱電磁渦流制動(dòng)器，利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行無(wú)磨損制動(dòng)，具有力矩大、無(wú)易損件、使用壽命長(zhǎng)、操作維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。它將鉆具下鉆時(shí)產(chǎn)生的巨大機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，又將電能轉(zhuǎn)換為熱能的非摩擦式能量轉(zhuǎn)換裝置，通過(guò)改變勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩，以控制鉆具下放速度。電磁渦流剎車在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的巨大熱量，通常采用水冷卻和風(fēng)冷卻方式進(jìn)行吸收與交換，因此電磁渦流剎車根據(jù)冷卻方式又分為水冷電磁剎車和風(fēng)冷電磁剎車，其主要構(gòu)成均由剎車主體、可控硅整流裝置及司鉆開關(guān)三部分組成。

（1）剎車主體主要由端蓋、轉(zhuǎn)子、機(jī)座、定子、勵(lì)磁線圈組成。其靜止部分稱為定子；其轉(zhuǎn)動(dòng)部分稱為轉(zhuǎn)子。在定子與轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(diào)直流電壓后給激磁線圈通電。通過(guò)調(diào)節(jié)激磁線圈直流電流，實(shí)現(xiàn)剎車制動(dòng)扭矩調(diào)節(jié)，從而改變鉆具下放速度。

（3）司鉆開關(guān)實(shí)質(zhì)是一臺(tái)可調(diào)差動(dòng)變壓器，由鐵芯、線圈、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等部分組成。將鐵芯位置的變化轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)電壓的變化，經(jīng)橋式整流作為給定信號(hào)電壓，控制可控硅導(dǎo)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(dòng)扭矩，達(dá)到調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速的目的。

2 應(yīng)用存在問(wèn)題

電磁渦流剎車在石油鉆機(jī)使用過(guò)程中，雖然具有剎車迅速、制動(dòng)力矩大的優(yōu)點(diǎn)，但仍然存在較多問(wèn)題及不足，主要表現(xiàn)在以下方面：

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

（2）監(jiān)測(cè)方面：目前現(xiàn)場(chǎng)常用2 只防爆白熾燈并聯(lián)在剎車本體線圈兩端，作為電磁渦流剎車勵(lì)磁電壓高低的簡(jiǎn)易觀察裝置。在日常工作中操作人員依靠燈泡亮度和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判定設(shè)備好壞。

①施工過(guò)程中設(shè)備震動(dòng)是正?，F(xiàn)象。白熾燈在震動(dòng)環(huán)境中容易損壞且指示精度不高，僅反映勵(lì)磁電壓高低，不能反映勵(lì)磁電流大小。②如果勵(lì)磁線圈內(nèi)部開路，剎車此時(shí)已經(jīng)失效但燈泡仍然正常發(fā)光，如果此時(shí)司鉆高速下放游車，待需要減速時(shí)才發(fā)現(xiàn)失效，由此產(chǎn)生的后果不堪設(shè)想。

（3）保護(hù)方面：常見的各型電磁渦流剎車都有一套電壓、電流可調(diào)的硅整流裝置，為電磁渦流剎車提供勵(lì)磁電流。硅整流裝置性能高低不一，在鉆井隊(duì)惡劣的電能質(zhì)量環(huán)境下，容易出現(xiàn)各種故障，如過(guò)流、失流、風(fēng)壓丟失、本體超溫等，部分控制裝置具有一些保護(hù)功能，但因故障率高，現(xiàn)場(chǎng)多已屏蔽和閑置，成了擺設(shè)。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、掉電等無(wú)有效監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生設(shè)備故障或失電，不能迅速直觀的發(fā)現(xiàn)將造成較大的事故，輕則電磁剎車自身?yè)p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(guó)內(nèi)陸上石油鉆機(jī)廣泛使用，但缺乏必要的監(jiān)控、保護(hù)設(shè)施，存在較大安全隱患。為改進(jìn)電磁渦流剎車無(wú)實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示的缺陷、消除因電磁渦流剎車系統(tǒng)失效帶來(lái)的安全隱患，有必要設(shè)計(jì)一種電磁渦流剎車綜合監(jiān)控保護(hù)裝置。

該裝置的設(shè)計(jì)理念是，設(shè)計(jì)一種電磁渦流剎車參數(shù)監(jiān)控裝置，實(shí)時(shí)顯示電磁剎車系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)、預(yù)警系統(tǒng)故障，從而消除因電磁剎車系統(tǒng)失效造成的安全隱患。該裝置主要由綜合監(jiān)控顯示器、備用電源與備用電源監(jiān)控切換裝置以及各項(xiàng)參數(shù)采集傳感器等部分組成。

（1）綜合監(jiān)控顯示器。綜合監(jiān)控顯示器主要是統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)電磁剎車關(guān)鍵參數(shù)和常用參數(shù)，并針對(duì)這些參數(shù)一一設(shè)置信號(hào)傳感器，再將采集到的數(shù)據(jù)直觀顯示，便于操作人員及時(shí)掌握電磁剎車系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀況。參數(shù)主要包括電磁剎車運(yùn)行電流、電壓、溫度三項(xiàng)電磁剎車主要參數(shù)，以及風(fēng)機(jī)電源指示、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓低報(bào)警、風(fēng)機(jī)相序等運(yùn)行指示（該狀態(tài)指示用于風(fēng)冷式電磁剎車），水溫、冷卻泵運(yùn)行指示（該狀態(tài)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(tài)，電磁剎車超溫報(bào)警，電磁剎車掉電報(bào)警（應(yīng)急啟動(dòng)狀態(tài)），備用電源充電狀態(tài)等電磁剎車相關(guān)輔助參數(shù)。

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(shù)指標(biāo)，原有設(shè)備只在電磁剎車柜上有相應(yīng)儀表，操作時(shí)無(wú)法獲悉電磁剎車電流電壓狀態(tài)；設(shè)計(jì)的綜合監(jiān)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(hào)，并加入信號(hào)隔離器防止外界干擾，收集真實(shí)準(zhǔn)確的電流電壓信號(hào)。②報(bào)警輔助功能。除了電流電壓，其他運(yùn)行參數(shù)與電磁剎車正常運(yùn)行息息相關(guān)，如電磁剎車溫度，當(dāng)電磁剎車在超高溫下運(yùn)行可能損壞電磁剎車勵(lì)磁線圈；風(fēng)冷式電磁剎車風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和水冷式電磁剎車水溫，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)可能造成電磁剎車不能得到良好降溫而損壞或保護(hù)停機(jī)。當(dāng)某運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警輔助功能立即投入，對(duì)應(yīng)指示燈將亮起并發(fā)出報(bào)警，提示操作人員應(yīng)該立即停止繼續(xù)作業(yè)，同時(shí)指導(dǎo)檢修人員有針對(duì)性地檢查故障位置，減少停工檢修時(shí)間。

綜合參數(shù)監(jiān)控裝置將這些參數(shù)全都設(shè)置了傳感器監(jiān)控其狀態(tài)，再通過(guò)顯示器讓操作人員掌握這些參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)值和運(yùn)行狀態(tài)。

（2）掉電保護(hù)功能。通過(guò)電源監(jiān)控切換器，實(shí)現(xiàn)在電磁剎車突然掉電的情況下發(fā)出報(bào)警，警示操作人員，同時(shí)立即自動(dòng)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(shí)間內(nèi)做出相應(yīng)應(yīng)急操作，減少溜、頓鉆事故的發(fā)生。

電源監(jiān)控切換裝置由兩個(gè)互鎖交流接觸器、一個(gè)中間繼電器及司鉆手柄動(dòng)作監(jiān)控裝置組成。兩個(gè)接觸器中，一個(gè)為正常工況下剎車主電源輸出接觸器，另一個(gè)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(jí)電容、蓄電池、超級(jí)電容與蓄電池混合使用等三種。超級(jí)電容又名電化學(xué)電容、雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，是一種介于傳統(tǒng)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(chǔ)存電能。超級(jí)電容具有充電速度快，循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，過(guò)程損失小等特點(diǎn)，并且生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存以及拆解過(guò)程均沒(méi)有污染，是理想的綠色環(huán)保電源。但超級(jí)電容所需空間相對(duì)較大，而現(xiàn)場(chǎng)電磁剎車控制柜多數(shù)放置于配電房，預(yù)留空間不統(tǒng)一，所以為了適合現(xiàn)場(chǎng)不同環(huán)境產(chǎn)生蓄電池供電、蓄電池與超級(jí)電容混合供電的方案，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)需求定制備用電源。

電磁渦流剎車綜合監(jiān)控保護(hù)裝置能夠直觀反應(yīng)電磁剎車各項(xiàng)參數(shù)工作狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，綜合監(jiān)控裝置對(duì)應(yīng)的指示燈將發(fā)光并報(bào)警，提示操作人員立即停止作業(yè)；同時(shí)檢查故障更有針對(duì)性，可有效減少停工檢修時(shí)間。設(shè)計(jì)的備用電源能夠在電磁剎車出現(xiàn)掉電的情況下，通過(guò)電源監(jiān)控切換裝置發(fā)出報(bào)警警示操作人員，同時(shí)自動(dòng)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(shí)間內(nèi)做出應(yīng)急操作，減少溜、頓鉆事故發(fā)生。

4 結(jié)論與建議

電磁渦流剎車綜合監(jiān)控保護(hù)裝置能夠彌補(bǔ)原電磁渦流剎車存在的設(shè)備本質(zhì)缺陷；將人防改為技防，降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。建議在陸上石油鉆機(jī)配置的電磁渦流剎車上試制、安裝，試制成功后再推廣應(yīng)用。