石油钻机盘式刹车液压系统浅析

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第9期
1-液压站；2-操作台；3-液压盘式刹车
图1 液压盘式刹车及其液压站
石油钻机盘式刹车液压系统浅析
张向龙1，肖生珺2，武哲1，邓文杰1，张海万1
（1.兰州兰石重工有限公司， 甘肃 兰州 730314）（2.兰州兰石国际工程公司， 甘肃 兰州 730314）
[摘 要] 液压盘式刹车广泛运用于石油钻机中，液压站是专门为石油钻机设计配套的液压辅助设备，主要为石油钻机液压盘式刹车的工作提供动力源。

本文结合盘式刹车工况，分析了几种较常用的盘刹液压系统，钻机设计应选择更合理、更安全可靠的液压系统。

[关键词] 液压盘式刹车；石油钻机；液压站；分析比较
作者简介：张向龙（1983—），男，甘肃靖远人，本科学历，工学学士，工程师。

研究方向：石油钻机总体设计、锻压操作机设计。

1 液压盘式刹车及液压站简介
本世纪初，随着液压技术逐步运用于多种工程技术领域，石油钻采行业装备技术水平随之更新换代，液压盘式刹车技术开始广泛运用于石油钻机绞车的制动中。

它有着制动可靠、制动力矩大、反应灵敏、能量损耗小等优点。

经过多年的优化改
进，现已成为石油钻机中至关重要的设备。

1.1 液压盘式刹车
液压盘式刹车为钻机的制动装置，它由刹车钳、钳架、刹车盘组成，刹车钳分为常开式工作钳和常闭式安全钳两种型式。

可实现实际工况中工作制动、紧急制动、驻车制动、过卷制动等几种制动方式。

1.2 盘式刹车所配液压站
此装置为盘式刹车提供动力源，通常分为动力单元、控制单元、辅助单元。

动力单元通常选用恒压变量柱塞泵及三相异步交流防爆电机，恒压变量柱塞泵具有压力平稳、噪音低、输出功率大、系统发热低等优点，能满足盘刹液压系统的工作要求。

控制单元中通常采用电磁阀控制刹车钳，为保证系统安全正常工作，在动力单元后配系统安
全阀。

系统配备加油组件，加油组件由一台手摇泵、过滤器组成，油箱加油时，通过加油泵组完成，以保证油液的清洁度。

辅助元件：为保证系统正常工作需要设置油温液位计、进油滤清器、回油滤清器、空气过滤器、电加热器等辅助元件。

2 液压系统方案对比分析
2.1 有工作钳和安全钳的液压盘式刹车
在以往的液压盘式刹车系统中，大部分采用带有工作钳和安全钳的结构型式。

液压系统原理如图2所示，图中P 为进油管路，T 为回油管路，E 为接过卷气信号，Q 为气源信号。

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石油和化工设备
2019年第22卷
1-安全钳；2-两位四通电磁换向阀；3-三通直动式减压阀；
4-两位三通气动换向阀；5-两位四通电磁换向阀
图3 带有两位三通气控阀的控制单元方案
1-安全钳；2-单向节流阀；3-驻车制动阀；4-气控换向阀；5-紧急制动阀；6-电磁换向阀；7-液控换向阀；8-比例减压阀；9-继动阀；10-液控换向阀；11-单向节流阀；12-左路工作钳；13-右路工作钳
图2 带有工作钳和安全钳的盘刹液压原理图
此种型式中工作钳（序号12、13）常用于钻采作业中工作制动，制动力取决于液压力，通过比例减压阀（序号8）、继动阀（序号9）、液控换向阀（序号10），控制工作钳的启闭，完成工作钳的制动与释放。

安全钳（序号1）是在遇到紧急情况或驻车制动时使用，在紧急情况下，按下紧急制动按钮，紧急制动阀（序号5）换向，切断气源，气控换向阀（序号4）弹簧复位，实现安全钳制动，同时，工作钳和安全钳共同制动，实现在安全制动。

在需要停钻驻车时，拉动驻车手柄，驻车制动阀（序号3）换向，使安全阀工作，实现驻车制动。

基于对以上液压系统的分析以及经过现场实践的检验，此种类型的液压盘式刹车系统刹车力矩大，制动效果稳定、刹车力可调性好、刹车控制准确、操作轻便省力，减轻了司钻工的劳动强度。

整个系统维修方便，性能稳定，安全可靠。

但当系统解除紧急制动时，必须先将比例减压阀（序号8）拉至工作钳工作位置，再拔出紧急制动阀（序号5）的制动按钮，才能解除紧急制动，否则，将出现钻具自由下降，造成财产损坏、人身伤害。

对司钻的技术要求较高。

2.2 全部设置安全钳的液压盘式刹车
在万米级以上的海洋钻机中以及有特殊要求的陆地钻机中，为了提高安全性及可靠性，液压盘式刹车可全部采用安全钳。

此类型的动力单元与
常用的一致，选用恒压柱塞泵
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1-安全钳；2-两位四通电磁换向阀；3-三通球阀；4-截止阀；5-三通直动式减压阀
图4 带有三通球阀的控制单元方案
张向龙等 石油钻机盘式刹车液压系统浅析
及三相异步交流防爆电机。

液压原理中控制单元区分不同方案，以下对不同液压原理方案进行对比分析。

2.2.1 控制单元中一个两位四通电磁阀（序号1）控制两个刹车钳，并且增设有缓慢释放的三通直动式减压阀（序号3）。

在三通直动式减压阀的前端加两位三通气控阀（序号4），当有过卷气信号时，切断工作气，安全钳刹车。

原理如图3所示。

P 为进油管路，T 为回油管路，E 为接过卷气信号，Q 为气源。

此控制单元方案，原理清晰，连接简单，成本较低。

但接入两位三通气动换向阀后，降低了装置的自动化水平，根据盘式刹车在实际中的使用情况，有时发生气控阀卡死现象。

2.2.2控制单元中在两位四通电磁换向阀（序号2）增加对应的三通球阀（序号3），三通直动式减压阀（序号5）前增加截止阀（序号4）。

三通球阀和截止阀配合使用。

实现盘式刹车在不同工况下的功能。

在电机停机状况下，实现依靠蓄能器装置，盘式刹车缓慢释放功能。

在取证实验工况下，满足实验硬件连接。

不用单独增加或减少实验元件。

在调试磨盘的工况下，可通过启闭三通球阀满足要求。

液压原理如图4所示。

P 为进油管路，T 为回油
管路。

此控制单元方案，满足各种工况下的需求，且连接简单方便，节省人力物力。

引入盘刹缓慢释放的蓄能器装置，使操作更加安全节能。

2.2.3
控制单元中泵后不设置减压阀方案。

通常配
1-安全钳；2-两位四通电磁换向阀；3-三通球阀；4-截止阀；5-蓄能器装置；
6-三通直动式减压阀
图5 不设置系统减压阀的控制单元方案
置中设计减压阀是使执行机构部分压力稳定，而不配置减压阀是使用恒压变量柱塞泵为前提，也就是液压泵设定压力可满足刹车油缸刹车压力需求。

液压原理如图5所示。

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石油和化工设备2019年第22卷
式中，n 为地脚螺栓数量，取4；C 2 为腐蚀裕量，取3mm ；
[σ]bt 为地脚螺栓的许用应力，取147 MPa 。

实际选取地脚螺栓规格为M30，满足所需最小面积，地脚螺栓校核合格。

3 结论
底部整体刚性环支座与NB/T 47065.5中标准刚性环支座存在一定差别，无法按标准直接选取。

针对类似特殊结构支座本文分别对支座的顶环、筋板、底环和地脚螺栓提出了强度计算方法，并对提纯塔底部整体刚性环支座进行了强度校核。

结果表明，所设计的支座满足强度要求。

为便于计算并提高计算的准确性，对每种强度计算方法，笔者编写了计算用表，供后续类似支座计算时参考。

◆参考文献
[1] NB/T 47065.5-2018，容器支座 第5部分：刚性环支座[S].[2] HG/T 20582-2011，钢制化工容器强度计算规定[S].[3] NB/T 47041-2014，塔式容器[S].
收稿日期：2019-06-17；修回日期：2019-07-17
◆参考文献
[1] 梁严. 天然气脱硫技术研究与展望[J].当代化工，2017，46(8)：1687-1689.
[2] 何玲. 高含硫天然气脱硫脱碳技术研究进展[J].化学工程师，2018，32(4)：62-66+61.
[3] 董光辉，宋丽娜，王丽娜. 天然气液化装置能耗分析与设计节能措施[J].煤气与热力，2017，37(12)：16-21.
[4] 李尹建，陈玉梅，曹云，等. 工业锅炉蒸汽带水问题的研
收稿日期：2019-05-13；收稿日期：2019-07-22
（上接13页）
此，蒸汽系统的设计、运行合格与否，是评价整个工业生产过程的重要因素之一。

究[J].天然气与石油，2014，32(1)：29-32+8-9.
[5] 张宏香，罗军浩. 超级克劳斯工艺与超优克劳斯工艺技术对比[J].石化技术，2018，25(3)：204-205.
[6] 马建民，刘文君. 硫磺回收装置的流程模拟及操作优化研究[J].石化技术，2017，24(5)：39-40.
[7] 杨仁杰，陈小榆，蒋洪，等. MDEA 脱硫脱碳选择性研究[J].天然气化工—C1化学与化工，2018，43(4)：62-68.
[8] 王雪惠，师文龙，张杰. 动力集中式与动力分布式供热系统的经济性评价[J].煤气与热力，2018，38(11)：14-18.（上接23页）
此方案可简化液压系统，但蓄能器无更多压力空间，若要满足电机停机情况下多次启闭刹车钳，需增大蓄能器容积，从而加大蓄能器体积，使安装空间增大。

3 结语
在石油钻机作业中，液压盘式刹车承载着绞车滚筒、游车、大钩以及钻杆的制动功能，是钻机中的重要部件，一旦发生故障，可能会造成较为严重的后果，所以在液压盘式刹车的方案确定中，要根据实际工况和钻机的规格以及使用的
◆参考文献
[1 ] SY/T 6727-2014，石油钻机液压盘式刹车[S].[2] SY/T5532-2016，石油钻机用绞车[S]
[3] 闻邦春，鄂中凯. 机械设计手册（第4卷）[M].北京：机械工业出版社，2010.
[4] 张利平. 液压传动系统设计与使用[M].北京：化学工业出版社，2005.
收稿日期：2019-05-16；修回日期：2019-07-14
场合，综合考虑确定，以得出经济合理、安全可靠、满足实际工况的液压盘式刹车系统方案。