鉆機負載敏感系統發熱問題分析及應對方法

張新剛，張 強，王 翠，姜 震，楊海剛，劉 旬

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

降低能耗已經成為各行各業公認的降低生產成本的重要途徑，是工業生產必須重視的問題，石油鉆采行業對于降低能耗也越來越重視。負載敏感系統是一種通過感受系統壓力—流量需求，提供所需的流量和壓力的液壓系統，它通過變量泵及負載敏感回路的合理配置，能顯著降低液壓系統中的無用功耗[1]，進而降低生產成本。該技術在石油鉆機中的應用越來越廣泛。

在負載敏感系統的應用過程中，出現的典型問題之一是油液發熱。油液發熱危害很多，它會使液壓系統泄漏增大、容積效率下降，還會使控制元件的性能發生變化，油液變質及液壓系統中的橡膠密封、軟管等加速老化，并引起機械結構熱變形，進而造成機械精度下降，甚至造成機械卡死[2]。本文就典型石油鉆機負載敏感系統在應用中出現的發熱問題進行分析，找出原因并提出應對方法。

1 典型石油鉆機負載敏感液壓系統

石油鉆機配套的液壓設備具有以下特點：

（1）種類繁多：石油鉆機涉及液壓二層臺機械手、液壓緩沖機械手、鐵鉆工、液壓泥漿盒、液壓鉆臺機械手、液壓貓頭、液壓旋轉貓頭、液氣大鉗、液壓絞車、B OP 移運裝置、液壓平移裝置、液壓緩沖裝置、鉆機液壓起升裝置、液壓卡瓦等多種設備。

（2）壓力需求差異大：石油鉆機中的液壓貓頭、BOP 移運裝置等設備額定壓力為16 MPa，而鉆機液壓起升裝置、液壓平移裝置等設備額定壓力為21 MPa，一些廠家的鐵鉆工、液氣大鉗等設備額定壓力為18 MPa。

（3）流量需求差異大：石油鉆機液壓泥漿盒額定流量僅為20 L/min，液壓貓頭額定流量為120 L/min，而鐵鉆工額定流量則為160 L/min。

（4）設備控制閥中位機能不同：石油鉆機的BOP 移運裝置、液壓貓頭、液氣大鉗設備等延續以往設計，控制閥組采用中位卸荷機能（M 形），而鐵鉆工、液壓泥漿盒等設備控制閥組采用Y形或O 形機能，即中位時油泵不卸荷。

（5）液壓系統設計不同：石油鉆機的BOP 移運裝置、液氣大鉗、卡瓦等設備采用恒壓系統設計，而液壓鉆臺機械手、液壓二層臺機械手等設備采用負載敏感系統設計。

（6）石油鉆機配套設備多為間歇工作。

（7）石油鉆機存在多設備同時作業的情況。

負載敏感系統能夠感受系統壓力—流量需求，僅提供系統所需的流量和壓力，特別契合石油鉆機配套設備的用液特點。針對石油鉆機配套設備用液特點，設計了一種可切換為恒壓系統的負載敏感系統，具體原理如圖1 所示。

圖1 可切換為恒壓系統的負載敏感系統

該系統主要由帶有壓力切斷、負載感應、功率控制的軸向柱塞變量泵+負載敏感比例多路換向閥組成，并在泵出口P 與負載反饋口LS 之間設計了球閥1 及球閥2，用于直接從泵出口P取負載反饋信號至泵的負載反饋口LS，通過球閥1 及球閥2 的切換組合，實現恒壓系統與負載敏感系統的切換，并且可以實現不同壓力級別的恒壓系統切換，具體組合狀態見表1。

表1 液壓系統切換狀態

該系統工作時用液設備可接至負載敏感比例多路換向閥工作油口，也可直接從泵出口的預留油口取液。經過油田現場使用驗證，該系統能夠滿足鉆機配套液壓設備的用液需求，安全可靠，且具有節能降耗的優勢，越來越多的石油鉆機液壓系統采用了該方案。

2 油液發熱問題分析

2.1 未切換至相應系統狀態造成油液發熱

以某用戶使用BOP 移運裝置（額定壓力16 MPa，額定流量120 L/min，恒壓系統設計，控制多路閥中位為M 形機能）后未按要求切換系統狀態，造成系統油液發熱嚴重的故障為例。BOP移運裝置工作時從泵出口的預留供油口取液，使用前須切換至恒壓系統。使用完畢后，應及時斷開BOP 移運裝置管線，并將恒壓系統切換回負載敏感系統，方可使用通過負載敏感多路閥供液的設備。該用戶在使用BOP 移運裝置完畢后，僅斷開了BOP移運裝置管線，未將球閥1、2 關閉，便開始使用液氣大鉗（額定壓力16 MPa，額定流量120 L/min，中位為M 形機能）進行上扣作業，工作一段時間后系統油液發熱嚴重。

這是由于液氣大鉗是從負載敏感多路閥工作油口取液，其供液聯的中位機能為Y 形。停止使用液氣大鉗時，該供液聯復中位會導致P 口封堵，此時相當于負載無限大，而球閥1、2 同時打開將導致泵出口P 直接傳遞負載反饋信號至泵的負載反饋口LS，負載決定壓力，泵出口壓力會持續上升，直至達到球閥2 處溢流閥設定壓力16 MPa 為止，整個液氣大鉗停止使用期間，液壓系統一直以16 MPa 的高壓待機，雖然泵因為P 口封堵對外沒有流量輸出，但為了維持自身運轉（自身潤滑、維持壓力、保持斜盤角度等），仍有一定流量的輸出，即液壓系統有一定的輸出功率。在這個過程中，系統沒有對外做功，根據能量守恒原理，液壓系統的輸出功率必然以熱量形式由油液帶走，導致油液溫度升高。

再者，液氣大鉗1 個作業周期未完，兩個動作間隙供液多路閥仍保持供液，液氣大鉗自身控制閥歸中位，其供油P 與回油T將接通，此時相當于流量需求無限大，但供油聯因流量補償器存在，其最大流量為160 L/min[3]，所以系統實際以160 L/min 運行，這些油液流經管路、多路閥及液氣大鉗閥時會形成壓損，在球閥1、2 同時打開導致泵出口P 直接傳遞負載反饋信號至泵的負載反饋口LS 情況下及未超電機功率（55 kW）之前，泵的流量輸出趨勢一直（系統單泵額定排量約為200 L/min）大于系統實際流量160 L/min，導致泵壓持續憋至16 MPa（球閥2 處溢流閥設定壓力為16 MPa），兩個動作間隙液壓系統也未對外做功，液壓系統的輸出功率42.67 kW 必然以熱量形式由油液帶走，所以也會造成油液溫度。中位停止時間越長，其發熱量越大。

如果冠動脈出現穿孔的現象，則會引起病人的大量出血，為了能夠有效的減少病人的自己身體里的血液浪費以及輸入的血液，對患者的心臟負擔進行減負，相關的醫護人員需要在無菌的環境下把抽個出來的心包積血再次的從患者的動脈輸入體內，每一次輸入的血量為100～150 mL，其每一次間隔的時間藥以患者在手速過程中血壓的具體情況以及心率的快慢來進行判斷，在回輸完成之后要用生理鹽水對使用過的心包和引流管進行沖洗。手術結束后如果在X射線下心影逐漸的縮小，同時在心臟B超中看出心包的積液減少，在此種情況下就可以停止抽吸及回輸心包積血。

2.2 用液設備常供液造成油液發熱

以液壓卡瓦使用為例，一些用戶擔心卡瓦夾持鉆桿時夾持油缸失壓造成夾持力不足導致鉆柱落井，要求對卡瓦常供液保壓。在這種情況下，其他設備動作時系統油液發熱比較嚴重。

液壓卡瓦從負載敏感多路閥取液，卡瓦夾持鉆柱后會因鉆柱阻礙無法行走，相當于負載無限大。從圖1 可知，卡瓦持續供液會造成液壓泵負載反饋口LS 與作動油缸的負載壓力信號始終保持連通，即液壓泵始終感受到無限大負載壓力，液壓泵會持續升壓，直至達到液壓卡瓦供液閥的二次壓力設定值（16 MPa）并保持。當其他設備，如液壓貓頭（也從負載敏感多路閥取液）動作時，初始負載比較小（假設為5 MPa），流量需求大（額定流量120 L/min），此時系統壓力由在用負載中壓力最大值的決定，為16 MPa，則液壓貓頭供液閥的流量補償器、閥芯上的壓損為11 MPa，此壓損將以液壓油發熱的形式消耗在流量補償器及閥芯上。這種情況下，貓頭低負載持續時間越長，液壓系統油液發熱越嚴重。

另外，雖然負載敏感泵可自動調節流量，但是泵維持自身運轉仍有一定的流量輸出，即液壓泵仍有一定的輸出功率[4]。常供液保壓時設備未對外做功，液壓泵的輸出功率須全部以熱量形式耗散，如果長時間持續這種狀態，其發熱量也不容忽視。

上述兩個案例均會造成液壓泵持續憋壓，相當于整個系統在以恒壓系統運行，導致系統喪失了負載敏感系統工作時隨負載變化相應變化，停止工作時以較低待機壓力工作的節能優勢。

2.3 負載壓力相差大的兩個設備同時動作造成油液發熱

如果兩個負載壓力相差很大的設備同時動作，也會造成系統油液發熱。比如負載敏感多路閥第一聯對應設備以21 MPa工作，第二聯對應設備以此時以10 MPa 工作，此時液壓系統的系統壓力由負載中壓力最大的決定，為21 MPa，則第二聯的流量補償器及閥芯上的壓力損失為11 MPa，此壓力損失將以液壓油發熱的形式消耗在補償器的閥口上[5]。這種情況下，第二聯閥上設備流量越大，動作持續時間越長，液壓系統油液發熱越嚴重。

2.4 安全閥設置不合理或損壞造成油液發熱

從圖1 可知，為了保證液壓系統安全，在液壓泵出口及多路閥進油口均設置了安全閥。為了滿足多設備同時工作工況，液壓泵的最大工作壓力須按用液設備中額定壓力最大值再加上管路、過濾器、接頭及閥件等的壓損設定，安全閥的壓力一般按比液壓泵最高工作壓力高8%～10%設定[6]。以用液設備中額定壓力最大值為21 MPa 為例，考慮沿程損失，液壓泵最高壓力一般設定為23 MPa 左右，安全閥一般設置為25 MPa 左右，負載敏感多路閥進油口處安全閥壓力也設定為25 MPa。

試驗某型號液壓泥漿泵時，油液溫度升高很快，后排查為多路閥安全閥密封損壞。這個典型案例中，系統壓力小于安全閥設定壓力時，安全閥本應關閉，但安全閥密封破損后相當安全閥處存在一個“固定節流孔”，泥漿泵加載過程中，初始負載小，系統壓力也就小，所以該“固定節流孔”的孔前與孔后壓差小，通過安全閥漏失的油液流量也就小。由W=ΔP×Q 可知，因安全閥處漏失造成的油液發熱量比較小。隨著泥漿泵的負載增大，系統壓力也越來越大，該“固定節流孔”的孔前與孔后壓差不斷增大，通過安全閥漏失的油液流量也就越來越大，即ΔP 與Q 同時增大，因此安全閥漏失造成的系統油液發熱量會越來越大。

2.5 管路節流嚴重造成油液發熱

管路過長、管徑選型小、管路彎曲多；接頭選型小、變徑接頭多；管路上快拔設置多等情況，均會造成油液節流發熱，應盡量避免。

3 應對方法

首先須明確，由于存在管路的沿程損失、閥件及管件的壓損等無法避免的因素，液壓系統設計上無法完全消除系統油液發熱問題。但針對上述油液發熱的原因，可從以下方面改善液壓系統油液發熱情況：

（1）做好操作者培訓，并設置必要的操作指示銘牌，指導操作者嚴格按要求使用操作。

（2）避免常通液方式實現須保壓設備的保壓，可通過設置蓄能器保壓或者小型恒壓變量泵單獨供液。

（3）安全閥設置壓力一般須保證大于系統最大壓力的8%～10%，并定期檢查安全閥完好性。

（4）優化工作流程，盡量避免負載壓力相差大的兩個設備同時動作；減少中位M 形機能設備動作間隔時間。

（5）設計中避免管路過長、管徑過小、管路彎曲過多，避免接頭型號與流量不匹配、接頭變徑多，優化設計，減少管路上的快拔數量。

（6）設計必要的強制冷卻方式。目前常見的強制冷卻方式有風冷、水冷和油冷三種方式[2]，三者中風冷系統的實現較為簡單，推薦優先選用。在條件允許情況下，盡可能設計自動溫控裝置，以保證液壓系統在合理的溫度范圍內工作。

4 結束語

通過對典型石油鉆機負載敏感液壓系統油液發熱的原因進行分析，找出油液發熱原因主要為未切換至相應系統狀態、常供液、負載壓力相差大的設備同時動作、安全閥設置不合理或損壞及管路節流嚴重，并針對上述原因提出了解決辦法。