鉆機液壓站冷卻裝置的研制方法探討

黃圣學

（大慶鉆探工程公司物資裝備部，黑龍江 大慶 163000）

1 降低鉆機液壓站液壓系統工作溫度的理論分析

隨著鉆機自動化程度的進一步發展，鉆井隊設備中液壓系統的應用更加廣泛，各種設備同步使用液壓系統的情況變為常態，如鉆井起下鉆過程不可避免的同步使用盤剎系統、液壓大鉗、鉆具移送系統等，導致液壓系統溫度升高過快，最高溫度達到70℃以上。

液壓系統溫度過高，會導致液壓油氧化過快，壽命縮短，造成液壓系統的閥體和執行件的密封件塑化嚴重，使其失去彈性，動作失效。更嚴重時會使液壓缸等突然失壓，不同步，導致井架變形、開裂等機械事故。

受各種因素影響，目前鉆井隊使用的組合液壓站均未安裝液壓油冷卻裝置，這也可以說是設計缺陷。經過理論分析，如果安裝冷卻裝置，可使液壓系統溫度下降15℃以上，液壓油壽命延長3倍以上，液壓系統運行更加平穩，橡膠密封件、液壓閥件壽命將大幅延長。

因此，根據鉆機液壓站特點、環境因素、運行溫度、液壓油容量等因素，綜合考慮，研制鉆機組合液壓站冷卻裝置，對于降低設備故障率、開源節流、降本增效，具有重要意義。

2 鉆機組合液壓站冷卻裝置的研制應用

2.1 現場現狀調查

鉆機組合液壓站是為鉆機設計制造的專用液壓站，主要目的是為鉆機液壓機具泵、鉆機液壓剎車和起升井架液壓缸等液壓系統提供動力。其結構合理，性能可靠，是石油鉆機主要的配套設備之一。但是，受工作條件的影響，由于鉆機的施工區域處于露天環境，沒有任何的外部遮擋，液壓站內的油溫受室外溫度的影響較大。大慶地區冬夏季溫差超過了50℃，尤其是夏季的高溫天氣，室外溫度能夠達到35℃以上，對液壓油品的使用造成了極其不利的影響。液壓站在結構設計時，考慮了冬季低溫天氣的影響，設置了液壓油箱的加熱裝置，但沒有考慮到夏季室外溫度高的問題，沒有設置相應的冷卻裝置，目前施工現場在用的組合液壓站都存在夏季液壓油油溫過高的問題。液壓傳動中油液溫度一般應保持在30～50℃范圍內，最高不應超過60℃，否則將對液壓系統產生許多不良影響。

2.2 鉆機組合液壓站冷卻裝置的設計原理

工作原理：原鉆機液壓站的基本結構不發生改變，將原用于油量補給的加油泵位置設置為循環油泵。為了減少設備設施的添加和布置，選取汽車冷卻系統的結構作為基本結構，將需要被冷卻的液壓油作為循環介質，采用風冷的方式對介質進行冷卻。同時，重新布置的循環泵進油直接來源于油箱，回油在機具泵的主回油管路末端增加三通及單向閥，無需對油箱本體進行整改，各部件可以以散件的形式運抵施工現場，直接進行現場安裝。

（1）裝置設計時，設計了一個與液壓站外形尺寸相符的框架結構，冷卻裝置可以直接套裝在液壓站外部，在裝置直接安裝的同時，不需要對液壓站本體進行改造。

（2）通常的冷卻系統是通過冷卻介質來帶走需要冷卻部位的熱量，然后再對冷卻介質進行冷卻。組合液壓站冷卻裝置的冷卻對象是液壓油，為了簡化設備的結構，降低成本，將液壓油直接作為循環冷卻介質，通過風冷來實現介質的冷卻。

2.3 鉆機組合液壓站冷卻裝置的研制

2.3.1 循環系統油泵的選用

鉆機配套的組合液壓站內設置了CBF-25P齒輪泵是為液壓站補油的供油泵，排量為32L/min。目前，為了避免在油品儲存和加注過程中的油品污染問題，大慶油田所屬鉆井隊已經全面采用專業化隊伍進行油品的加注工作，基層隊在日常的生產過程中，已經不再存儲大量的潤滑油，因此液壓站內配備的供油泵處于閑置狀態，可以作為冷卻裝置的循環泵使用。見圖1。

圖1 冷卻裝置供液泵

2.3.2 液壓油循環流程設計研究

冷卻裝置在工作時，構成了一個液壓循環回路。進油管連接在液壓站原來設置的加油泵上，液壓油從液壓站原來設置的放油閘門經泵加壓后，供給冷卻器。冷卻器出油口排出的液壓油通過在液壓系統回油管路上設置三通，使液壓油再次進入油箱。冷卻裝置安裝使用后，為了不影響液壓站供液泵的工作，設計冷卻裝置的循環系統時，在回油管路上設置了單向閥，防止它對液氣大鉗液壓系統回油管路造成影響。見圖2。

圖2 冷卻系統液壓油流程原理圖

圖3 液壓站冷卻裝置現場安裝示意圖

2.3.3 冷卻系統散熱器芯的結構選擇

散熱器芯是散熱器的核心部分，起主要的散熱作用。散熱器芯由散熱管、散熱片（或散熱帶）、上下主片等組成。散熱器芯在很大程度上增大了散熱面積，因此能保證將必須的熱量從機體散發到周圍的大氣中去。同時，散熱器芯是用極薄的導熱性能好的金屬及其合金制造的，能使散熱器芯以最小的質量和尺寸達到最高的散熱效果。

對于散熱器芯，應該有盡可能大的散熱面積，散熱器芯中的散熱片就是為了增大散熱面積，常用的散熱器芯有管片式和管帶式兩種。與管片式散熱器相比，管帶式散熱器在散熱性能上要優于管片式散熱器，但是其結構剛度遠不如管片式散熱器強度高。由于冷卻裝置的使用環境是處于野外的自然環境中，風沙等顆粒的侵襲情況非常多。液壓站在日常使用時，搬移和重復安裝的頻率較高，因此我們選擇管片式結構的散熱器芯。

2.3.4 冷卻管路接入方式設計

如果對液壓油箱進行改動，需要進行切割、焊接等作業。進行切割和焊接作業前，需要將液壓油全部放出，并進行細致的清潔工作。液壓油的高滲透性，對焊接質量影響很大。同時，現場作業環境惡劣，這種焊接作業也不適于在現場進行。因此，冷卻管路接入時，我們在機具泵的回油管路上增加了三通，通過三通將冷卻系統的回油接入油箱。在三通的冷卻管路和機具泵回油管路上分別設置單向閥，防止兩套系統的相互影響。

2.3.5 冷卻系統框架結構的設計

鉆井生產的連續性較強，液壓站返廠進行冷卻裝置的安裝存在極大的不便，在冷卻裝置固定結構設計時，不對液壓站本身進行任何改動，因此采取套裝的方式將裝置固定在液壓站上。設計的框架結構內部尺寸與液壓站外形尺寸相符，框架能夠直接套裝在液壓站外部。

2.4 鉆機組合液壓站冷卻裝置的現場應用

鉆機組合液壓站冷卻裝置現場試驗情況如下。

（1）冷卻裝置固定在一個專用的框架上，框架可以直接套裝在液壓站外部。在實際安裝時，裝置以散件的形式運送到施工現場，在現場進行框架的組裝后，將框架套裝在液壓站油箱外部。冷卻裝置的主體冷卻部分在框架安裝完成后，直接安裝在框架上。

（2）在機具泵回油管路上設置三通，將機具泵回油和冷卻裝置回油匯集到一條回油管路上進入油箱。機具泵回油和冷卻裝置回油分別設置單向閥，防止油液回流，兩條油路不能夠相互影響。

目前在鉆井二公司進行安裝試驗，現場安裝使用后，在4個月的時間分別對各種工況液壓站外部溫度進行測量，測量的最高溫度為45℃，最低溫度為38℃，低于液壓油正常使用的合理溫度。

3 結語

鉆機組合液壓站冷卻裝置的研制與應用，有效降低了鉆機液壓站內的油溫，從根本上解決了油溫過高的問題，從而延長了液壓油的更換周期，降低了密封原件的更換頻率，有效抑制了密封處的泄漏。油品更換頻率降低，節能降耗，也降低了油品的二次污染機率。