頂驅剎車系統故障分析

姜開勛

（中石油長城鉆探工程有限公司，北京 100101）

0 引言

頂部驅動鉆井裝置（簡稱“頂驅”）是取代轉盤鉆井的新型石油鉆井裝備，是近代鉆井裝備的三大新技術之一。頂驅能夠實現立柱鉆進，大大減少了起下鉆過程接鉆具的時間，降低了工人勞動強度，節約了20%～40%的鉆井時間，減少鉆井成本。頂驅可以在井架任意高度接上鉆具開泵循環，實現劃眼和倒劃眼，大大減少鉆井事故，提高鉆井作業安全。頂驅剎車系統是頂驅完成鉆井作業必不可少的一項功能。頂驅剎車一般為液壓盤式剎車，屬于靜態剎車，因此一般不要使用頂驅剎車來進行主軸減速。本文通過處理現場服務的頂驅剎車故障過程，分析介紹頂驅剎車原理，總結一些處理頂驅剎車故障的有效方法。

1 Canrig1050E-712頂驅剎車故障處理分析

1.1 故障現象及處理過程

現場頂驅為Canrig1050E-712頂驅，三開復合鉆進，定向過程中發現動力馬達帶動鉆具反轉，剎車抱緊力下降，當反扭矩大時，剎車失效。檢查發現打頂驅剎車時，剎車鉗有動作，排除電氣元件以及電磁閥的故障。用測壓表測量剎車鉗壓力，在打剎車旋鈕瞬間有6.895 MPa（1000 psi）壓力，但是壓力不能保持，瞬間歸零。懷疑有泄壓處，打開蓋板檢查剎車鉗，發現剎車鉗密封損壞，打剎車時漏油，使得剎車壓力不能保持。由于當時井深4081 m，二開套管鞋處位置1554 m，裸眼段較長，甲方要求需要起鉆至套管內進行修理。起鉆到套管鞋內，更換密封泄漏的剎車鉗，頂驅剎車功能恢復正常。

1.2 故障原因分析

Canrig1050E頂驅剎車執行機構如圖1所示，該型號頂驅有2套剎車執行機構。打剎車時，剎車執行機構左側進油，左側液缸伸出，使得右側液缸內的腔體受到壓縮，右側液缸腔體內的液壓油進入剎車鉗液缸內，使得剎車鉗抱住剎車盤。該剎車系統包括4對液壓剎車鉗，180°分布的兩對為一組，由一組執行機構串聯起來提供壓力。剎車關閉時，左側液缸回油腔進油，右側腔內連接的活塞收回，使得右腔供給液壓鉗的壓力降低為0。右側腔體以及液壓鉗內的液壓油由油杯內的液壓油提供，構成一個單獨的液壓執行系統。拆卸更換剎車鉗密封如圖2所示，拆卸下的液壓鉗密封泄漏，使得打剎車時剎車鉗的壓力不能保持，當反扭矩大時，剎車沒有足夠的抱緊力，剎車失去作用。重裝更換密封及剎車片后的剎車鉗，恢復正常。本次故障處理過程中，首先旋動剎車開關，檢查發現剎車鉗有動作，排除電氣元件以及電磁閥故障。用測壓表測量剎車系統壓力，進一步檢查判斷液壓回路，查找出液壓鉗密封泄漏，更換液壓鉗后，剎車功能正常[1]。

圖1 Canrig1050E 頂驅剎車執行機構

圖2 拆卸更換剎車鉗密封

2 其他種類頂驅剎車系統

2.1 Varco TDS 11SA頂驅盤剎系統

目前頂驅生產廠家繁多，市場占有率較高的是National Oilwell Varco（NOV）頂驅，其生產的Varco TDS-10SA和Varco TDS-11SA兩款產品使用廣泛，具有高可靠性和低維護費用等優越性。Varco TDS-10SA采用單變頻電機結構緊湊，適用于3000 m及以下井深，可用于小型修井機和輕便鉆機。Varco TDS-11SA型頂驅鉆井裝置由2臺交流變頻電機驅動，可以提供較大的輸出扭矩，適應于各種井深設計。在電機上有一個盤式剎車，控制鉆桿扭矩和在定向井鉆井中定方位，由一個電磁閥遙控操作盤式剎車。下面以NOV公司生產的Varco TDS-11SA頂驅為例，介紹該類頂驅的剎車系統及其常見故障處理。Varco TDS-11SA頂驅交流鉆井電機的剎車是彈簧復位，由減壓閥控制工作壓力為9.653 MPa（1400 psi），電磁閥控制剎車鉗閉合。Varco TDS-11SA頂驅剎車系統可能發生的故障問題，以及可能產生的原因及需采取的措施如下：

（1）剎車片不松開。故障原因及處理方法：方向閥阻塞。測試閥件，必要時更換。

（2）剎車片松開但仍拖動。故障原因及處理方法：①單向閥阻塞或管線被擠壓。根據情況更換單向閥或管線；②剎車機械故障。做機械檢查并修復。

（3）制動失效。故障原因及處理方法：①制動鉗上有液壓油。檢查液壓泄漏和修理；②油壓達不到9.653 MPa（1400 psi）或升壓不暢。減壓閥阻塞，需調整或更換；③單向閥阻塞。更換閥件。

（4）打開開關后剎車有制動延時現象。故障原因及處理方法：①液壓油清潔度不夠的，更換液壓油；②減壓閥有問題的，更換減壓閥。

（5）剎車盤制動不釋放。故障原因及處理方法：①液壓換向閥卡死。手動換向檢查電磁換向閥，若損壞，需更換；②盤剎復位機構失效。檢查剎車機構。

（6）手輪回零后指示燈時而亮時而不亮。故障原因及處理方法：①線路或者指示燈接觸不良；②手輪損壞，零位開關動作不正常。將頂驅空轉到40轉，剎車打到Auto位，然后手輪回零，觀察頂驅主軸能否及時制動剎住。打開司鉆控制箱，檢查接線情況。

（7）剎車制動不靈敏。故障原因：①剎車片磨損嚴重。解決辦法更換剎車片；②剎車油缸壓力偏低。解決辦法，調節剎車油路減壓閥，提高工作壓力。

2.2 Tesco電動頂驅剎車系統

Tesco公司生產的液壓驅動和電驅動頂驅也有較高的市場占有率，其150HMI型適用于修井機及小型車載3000 m以下鉆機。500HCI／ECI型、650HCI／ECI型等規格適用于配置3000～7000 m的深井鉆機。Tesco公司的500ECI型頂驅鉆井裝置，采用AC變頻驅動技術和美國公司生產的PA44型永磁同步電機。該電機轉子為鈦合金和銣鐵硼磁性材料制造，殼體為鋁合金材料制造，相比普通銅線圈和較大鑄鐵殼體的同規格電機，結構更加緊湊而堅固。電機總體質量輕，其外形尺寸與同規格其他電機相比減小了1/3，這也減輕了頂驅裝置的體積和總重量。質量輕則轉動慣量較小，不需要配備專門的制動器。電機體積較小，能節省出更多空間以滿足頂驅裝置其他元件的布置，有利于頂驅鉆井裝置的總體布局。Tesco電動頂驅定向鉆進時，采用背鉗夾緊在保護接頭上，起到防止頂驅反轉控制方位的作用。當頂驅背鉗完全閉合時，把背鉗開關恢復到中位位置，以防止輔助液壓系統過熱。當長時間定向鉆井時，把背鉗開關置于閉合，然后回到中位，1 h一次，使得背鉗閉合回路（液壓回路）保持最大壓力[3]。

3 總結

頂驅剎車裝置通常安裝在主動電機的非驅動端，通常采用液壓盤式剎車實現對電機軸的制動。國外的NOV公司頂驅，國內北石頂驅、天意頂驅、景宏頂驅，以及寶雞石油機械廠生產的電動頂驅大致采用同樣的液壓盤式剎車。處理頂驅剎車故障時，要按照先電路后液路，先簡單故障后復雜故障的排查思路，認真觀察故障現象。再根據故障現象詳細分析和排除，以最快速度找到故障點，進行解決。