石油钻机绞车刹车系统优缺点分析

王洪臣 田文超 扈国峰 陈晓栋 刘晓东 赵志华

摘 要：本文着重分析了带式刹车（刹把控制）、液压盘式刹车、气控刹车三种绞车主刹车控制形式及优缺点以及与之配合使用的水刹车、电磁涡流刹车、伊顿刹车三种辅助刹车控制形式的优缺点，旨在引导石油钻井现场钻机的操作者司钻对钻机主刹车和辅助刹车的认识，在使用过程中提供支持和帮助。

关键词：主刹车；辅助刹车；优缺点；分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.075

0 前言

石油钻井钻机绞车是钻机的重要组成部分，它的运行涉及到人身安全、设备安全、井下安全。钻井绞车的主刹车和辅助刹车的配套选型以及操作者了解其性能和结构尤为重要，钻机绞车的刹车按照功能分为主刹车和辅助刹车，钻机绞车的主刹车和辅助刹车相互配合使用缺一不可，工作中的钻机绞车主要担负着钻进、起下钻、下套管、试油和辅助工作任务，作用是与钻机控制系统一起控制绞车滚筒旋转运动，从而控制游动系统起升、下放、停止操作。主刹车和辅助刹车的安全性和可靠性关系着石油钻机的设备安全、操作者的人身安全和井下安全，若刹车系统安全性和可靠性差易出现出现故障，刹车失效，轻者会导致设备损坏，严重者会造成停钻、顿钻、溜钻、顶天车等事故，甚至造成机毁人亡的重大设备和人身安全事故。

1 石油钻机绞车主刹车形式及优缺点

主刹车是钻机游动系统起升、下放过程中通过控制绞车滚筒停止运动的一种机构，也是绞车驻车常用的一种形式。在游动系统起升、下放过程中用辅助刹车均匀控制其运动速度，用主刹车完成定点驻车制动。

1.1 带式刹车（刹把控制）

是一种杠杆式半包围刹车毂刹车装置，也就是通过刹把控制刹带包围贴合制动。是由刹把、传动杠杆、刹帶、摩擦块、滚筒刹车榖、平衡梁和调整螺栓等机构组成，是一种机械式传动刹车机构。游动系统起升时司钻抬起刹把，刹带离开滚筒刹车鼓，游动系统无摩擦阻力向上运动，游动系统需要停止刹车时，司钻操纵刹把向下按压，刹把通过传动杠杆使刹带紧密的贴合刹车毅，通过刹车鼓控制绞车滚筒轴的旋转，使游动系统停止运动，从而刹住绞车滚筒或驻车。带式刹车（刹把控制）司钻用力越大刹带贴合的绞车刹车毂越紧密，游动系统的刹车距离越短，越安全。如果司钻用力按压刹把的力越小，绞车刹带与滚筒刹车毂的贴合力越小，游动系统的刹车距离由于惯性刹车距离越长，越不安全，甚至有溜钻的风险。如果在起升过程中需要刹车减缓速度，同样有上顶天车的风险。如果驻车，停止游动系统运行还需要辅助重物帮助驻车或者司钻一直向下控制刹把。此种钻机的绞车刹车形式由于设计、机械加工和引进的限制，是当时各大油田石油钻井现场大量采用的典型刹车形式。这种刹车形式的优越性是：结构设计简单、容易加工制造、维护成本低廉、不需要精密的元器件，同时通过钻具的传到司钻操作刹把时能够感知井下钻头、钻柱在井下的工作情况。其缺点是：由于结构设计问题，司钻操作时长时间露天作业，劳动强度和体力消耗极大，作业环境存在风吹、雨淋、温度变化和高空坠物的风险，再者由于刹车毂与刹带贴合问题，刹车惯性距离大、可靠性差，在长时间使用的情况下，如果辅助刹车配合不良，刹带与刹车榖的接触产生热膨胀，导致刹车可靠性变差，产生较大的惯性距离，易导致溜钻、顿钻、顶天车等安全和设备事故发生。目前， 只应用在安阳ZJ20K、大庆30B7、大庆130-2、罗马F320，F400、兰石ZJ-45等钻机上，但使用量正逐年在减少，有逐步被淘汰的趋势。

1.2 液压盘式刹车

随着石油装备科技的发展，设备的自动化程度得到了很大的提升，为了改善司钻的工作环境和绞车刹车的可靠性、安全性，目前，大量的钻机配备了液压盘式刹车控制系统。液压盘式刹车系统是有专门的液压站、刹车盘、刹车摩擦块、控制元件组成，依靠液压站提供的液压能通过配备数个工作钳对刹车盘施加压力和数个安全钳靠碟簧释放压力，从而达到刹车和驻车以及绞车滚筒旋转的目的，从而带动游动系统下放、起升、停车。司钻通过操作控制调整液压手柄可控制工作钳上的刹车块与刹车盘的贴合度，增加和减小刹车块与刹车盘的摩擦力，控制刹车力矩的大小，实现远距离控制钻机绞车的刹车。优越性是：液压盘式刹车与钻机其它控制系统、参数仪表等集中在一起，形成模块化控制操作，配备司钻操作房，大大改善了司钻的工作环境，减轻了司钻的劳动强度，而且由于是数个刹车块与刹车盘贴合，增加了贴合面积，从而增加了刹车块与刹车盘的摩擦力度，使刹车力矩更大，刹车距离更小、刹车惯性也越小，可实现定点刹车，提高了刹车的可靠性和安全性，克服了带式刹车刹带与刹车毂的包角问题。其缺点是：需要配备使用专门的液压站和专用液压油，设备投资费用和维护费用高，并且增加了液压油漏油后污染环境的风险，同时安装和拆卸繁杂；司钻操作控制手柄时缺少感知钻头、钻具在井下的工作情况，还有就是液压盘式刹车对液压元件、液压油油质的质量和维护安装调试技术要求较高，如果由于液压失压或阀件不动作，会造成刹车故障或刹车失灵；由于液压盘式刹车的摩擦片与刹车盘间隙要求比较高，调整间隙参数要求比较精密，如果间隙调整不当或由于液压盘式刹车工作钳是弹簧支撑液压刹车块，弹簧长期使用会导致弹性失效。安全钳是碟簧结构，需要定期更换碟簧。如果刹车力矩受摩擦片间隙的影响或由于摩擦片间隙调整有误差会造成刹车力矩减小，造成刹车时间延迟，刹车距离增大；如在冬季液压油在低温下流动性差或者使用不符合设备性能要求的液压油也会造成刹车性能下降，总之，液压盘式刹车对工作条件、维护技术、元件性能要求都比较高，目前大多应用在兰石JC70D、JC60D、60L、ZJ70L钻机和宝石ZJ70/4500LDB、ZJ70LDB3、ZJ70/4500LDB9以及宏华ZJ70LC钻机和高原ZJ30LDB、ZJ40LDB钻机上，由于其优势较为突出，发展势头迅猛，目前有替代带式刹车的趋势。

1.3 气控刹车

气控刹车是一种与带式刹车、液压盘式刹车、防碰天车配合的一种刹车形式，是在游动系统超过设置的安全高度时，通过在井架上适当位置设置的安全绳限位绳，通过安全绳的脱落自动的实施带刹和液压盘式紧急刹车形式。它是利用气控系统通过控制气缸内压缩空气，给刹车榖施加制动力矩，从而达到绞车滚筒停止转动的目的。其优点是：在游车上升过程中，由于司钻疏忽或操作失误造成游动系统没有按照要求停止运动，游动系统超过设置的安全高度时顶开安全限位绳，实现刹车，它是操作人员在操作失误的情况下，对游动系统上升运动进行的安全防护，以防止顶天车事故的发生。缺点是在冬季使用时气控管线和气控元件需要采取保温措施，又由于安全限位绳是软连接，刹车惯性大，无法实现定点刹车。

2 石油钻机绞车辅助刹车形式及优缺点

辅助刹车的是在游动系统运动时通过吸收载荷释放的能量，控制载荷的运动速度，保持载荷以安全的速度均匀下放和上升以及减速下放和上升，主要有：水刹车、电磁涡流刹车、伊顿刹车三种，它们与主刹车配合使用。

2.1 水刹车

在石油钻机上曾经广泛使用水刹车作为辅助刹车，它主要由旋转主轴（可离合器与滚筒轴相连）及同定于其上的转子，固定在外壳内并对称于转子两侧的定子以及水箱组成，利用水箱水位的高低不同施加给转子不同的水力力矩，只能控制绞车下放时的运动速度，又由于其在低速运转时制动扭矩很低，不能满足深井钻机的需要，现已被全部淘汰。

2.2 电磁涡流刹车

电磁涡流刹车采用的是电磁感应原理进行无磨损力矩制动。司钻操作通过调节控制器手柄角度，控制定子与转子的励磁电流，从而改变转子制动转矩，控制游动系统起升、下放运动速度。采用较为简单的闭环调节系统实现无极调速，控制力矩比较稳定可靠。由于电磁刹车系统模块单一，能够实现整体安装与拆卸，它通过联轴器与绞车滚筒轴配合联接，联接简单方便，现场人员就可完成整体安装和校正工作。电磁涡流刹车由于采用的是电磁感应原理进行无磨损力矩制动，工作过程产生热量，需要对定子进行降温冷却，它有两种降温模式，一是水冷式二是风冷式。水冷式的电磁涡流刹车由于现场需要配备水存储辅助设施和循环系统，占用钻机较大的空间，对钻机布局影响较大，加之冬季水的储存的处理较为困难， 这些不利因素影响了它的推广和使用。风冷式电磁涡流刹车由于使用的是电机驱动风冷降温，直接配备在设备上，加之电机风冷的稳定性良好，使用寿命长，结构简单，无易损件等优势，国内外钻机已广泛推广使用。

2.3 伊顿刹车

伊顿刹车由压缩空气驱动。司钻操作气控阀，让压缩空气进人到法兰气缸， 推动活塞对压紧盘施加压力， 带动压紧盘运动， 迫使压紧盘对静止的弹簧套产生压力， 弹簧开始压缩。当压紧盘移动时，也带动端板组件靠在制动板上。当端板组件向制动板移动时， 动摩擦盘组件也靠最初施加的空气压力而移动， 对与绞车滚筒轴同轴的闸盘施加压力， 达到控制滚筒轴旋转速度的目的。主要由动摩擦盘组件、中间盘组件、压紧盘组件制动和快速散热的钻采工况。伊顿刹车将气动水冷式制动方式与空气冷却式弹簧闸制动方式进行了有机融合， 构成一种结构紧凑的新型绞车制动方式。伊顿刹车的优势是：制动力矩大，体积小，重量轻，大量应用在50型和60型国外引进的钻机上。其缺点是：一是由于它需要封闭的防护罩，护罩对日常的检查和维护保养造成困难。二是需要進行降温冷却，需要配备辅助的存储水罐和循环系统。三是气缸侧支撑轴承在更换摩擦机构时需要拆卸，工作繁杂，技术要求还比较高，整体占用较大钻机空间。四是伊顿刹车是气控盘式刹车，气控元件比较精密，它的制造质量和性能要求非常高。五是现场的气源由于过滤和分离设施问题，压缩气体存在较多水分和油污，会腐蚀元器件的密封，对各元器件性能和寿命产生不利影响，长时间会发生刹车滞后现象，部分刹车盘工作不灵活，不同步，极大地降低了刹车力，同时造成个别刹车盘受力过大，加速磨损等问题。由于其以上缺点无法改进，现已被淘汰。

3 结束语

根据石油钻机的主刹车及辅助刹车形式及优缺点分析可以看出， 虽然石油钻机绞车主刹车与辅助刹车各有其功能和自身特点，但是，从安全性、可操作性、适用范围、维护调试等方面盘式刹车与电磁刹车是最佳组合，具有安全可靠、可操作性强、适用范围广、维护调试方便等特点，在国内外钻机已广泛应用。但不足是液压盘式刹车未解决司钻操作时的手感问题，对井下钻头、钻具在井下的工作情况难以做出判断，需要配合其它仪器仪表参数对井下情况做出判断。

参考文献：

[1]姜鸣等.石油钻机绞车的制动方式研究[J].石油机械，2005，3（增刊）：189.

[2]李冬玲等.辅助刹车在钻机上应用现状及配套[J].机械工程师，2006（08）：132.

作者简介：王洪臣（1963-），山东东营人，本科，高级技师，从事QHSE管理工作。