石油钻机主刹车系统的发展.doc

大庆石油学院应用技术学院毕业设计大庆石油学院应用技术学院毕业设计钻机主刹车系统的发展摘 要本文主要论述了石油钻机主刹车系统的基本概况，对带式刹车、盘式刹车及多盘式计算机控刹车进行了深入的阐述，尤其是参考分析了目前国内外大多数钻机使用刹车的类型及优缺点，得出为人类的生存和发展，国家的繁荣富强，石油工人的生命财产安全考虑，今后钻机主刹车系统将向着更安全快速的自动化、智能化的方向发展。关键词：石油；钻机；主刹车 ABSTRACTThis article mainly deals with oil rigs in the primary braking system fast facts, on the band brake, disc brake and a number of computer-controlled brake disc are elaborated, especially reference analyzes at home and abroad most rigs using brake type and advantages and disadvantages, in line with for human survival and development, national prosperity, oil workers of life and property security, future drill master brake system will quickly toward a more secure, automated, intelligent direction.Keywords:petroleum;rig;main brake目 录第1章 前 言1第2章 带刹车2第3章 液压盘式刹车43.1 制动机构43.1.1 工作钳43.1.2 安全钳53.1.3 刹车盘63.1.4 钳夹73.2 液压站73.2.1 邮箱组件83.2.2 泵组83.2.3 控制块总成83.2.4 截止阀83.2.5 电控柜93.3 操作台9第4章 新一代钻机多盘式刹车104.1 结构特点104.1.1 多盘式刹车力矩大体积小104.1.2 刹车盘内有水冷内腔104.1.3 专门设计的气缸离合机构104.1.4 计算机系统控制实施刹车和松刹114.1.5 多种安全保护功能114.2 基本主要参数114.3 计算机控多盘刹车的优越性114.3.1 较大的刹车力矩114.3.2 多种使用功能114.3.3 较先进的经济技术指标124.3.4 更好地刹车性能124.3.5 共用钻机气源12第5章 展望13致 谢14参考文献15第1章 前 言随着技术的进步和能源市场的发展，石油勘探开发向海洋和沙漠纵深拓展，更加安全可靠的刹车系统也成为未来的发展方向，因此，中石油，中石化和中海油三大石油公司均提出了为应对新环境发展更加安全可靠的钻机刹车的需求。刹车系统是钻井机械的关键要害装置，其性能好坏直接关系到“人、油井和钻机”的生命，是保障钻井作业正常进行的关键。新类型钻机是为应对各种复杂条件研究设计的，因此，其刹车系统的可靠性、安全性尤为重要。钻机刹车系统是石油天然气勘探开发的超大型装备，是开发深层尤其资源勘探开发的关键技术装备，开发这项技术研究在提高我国石油装备的整体实力，开展深层油气资源勘探，参与国际市场竞争，填补国内空白等方面具有重要意义。第2章 带刹车第2章 带刹车带刹车机构主要由控制部分（刹把）、传动部分（刹带轴、刹把轴、曲拐、连杆）、制动部分（两根刹带、刹带块、刹带吊耳及机械换挡机构）、平衡梁和气刹车等组成。滚筒上面有两根刹带，两根刹带完全相同，一般为6mm厚的圆形钢带。钢带的两端分别铆接或端吊耳，钢带的内壁衬有用石棉改性树脂材料压制而成的刹车块，刹车块用沉头铜螺钉固定在钢带上。一般沉头钢螺钉沉入深度为16mm，因此，当刹车块磨损16mm时，必须更换。传统的石油钻机刹车块都采用石棉纤维增强，其中的石棉纤维含量45%70%。自国际肿瘤医学会确认石棉属影响人体健康和致癌物质以来，一些工业发达国家相继制定法规，限制使用石棉制品。石油钻机的绞车刹车结构是一种单向带式刹车装置，刹把可转动杠杆通过曲拐拉动刹车带，使刹带围抱刹车毂。石油钻机在提升或下放钻具时，绞车刹车毂和刹车块摩擦的热载荷持续时间长，滑动速度快，所以刹车块的高温摩擦磨损机理是研制石油钻机刹车块的重要理论基础。在高温下，刹车块表面一些有机物质发生分解、气化、碳化或从表面脱落形成磨屑，经过对磨屑的差热分析，低温下磨屑中有机成分含量较高，高温下脱落的磨屑中有机成分含量很低，表明磨屑已发生热分解。由此可知，高温下刹车块磨损剧烈的原因主要是表面有机物质分解引起的，其磨损量与绝对温度呈指数函数上升。因此，提高有机基体的热分解温度，延缓其热分解速率是改善石油钻机刹车块高温磨损的有效措施。刹车产生热量，使树脂、橡胶等有机物质分解而生成气体或焦化，石棉纤维失去结晶水和脆化，这些物质有一部分残留于摩擦界面之间，使刹车块摩擦系数下降，制动力下降。通常都是由司钻手动控制刹车手柄(刹把)，通过绞车上的刹车系统实现钻压的控制和钻具的送进，传统的刹车方式（带刹车），通常钻具重量那个从几十吨到几百吨不等，这样司钻的劳动强度很大，稍有不慎就会出现滑钻、钝钻等事故。因此，我们提出几点预防措施：（1）刹把的调节：在钻井过程中随着刹车块磨损量的增加，刹车把终刹位置逐渐降低，当刹把终刹位置与钻台面夹角小于30度时，操作不便，因此，必须对刹带进行调节。调节时，先用平衡梁上的专用扳手松开锁紧螺母，调节拉杆的长度，知道刹紧刹车鼓时，刹把与钻台面的夹角为45度为止，然后拧紧锁紧螺母。（2）更换刹把：更换刹带时，先卸下刹带拉簧、托轮和刹带吊耳，然后将刹带向内移到滚筒上，再往下将其取出。决不能用猫头绳硬将其拉出，以免造成刹带失圆。若刹带失圆或新刹带不满足圆度要求时，应对刹带进行整圆。刹车整圆方法是：以刹带半圆为半径在钻台上画圆，将卸下的刹带与该圆比较，用大锤对刹带不圆处敲击整圆，直到刹带与所画半圆一致为止。调节或更换刹带后，都应调节刹带上方的拉簧，以及后面和下面的托轮位置。（3）更换刹车块：当刹车块磨损量达到其厚度的一半时，就要更换刹车块。更换时，最好单位交叉更换，以免由于新刹车块贴合度差而刹不住车。（4）润滑刹车机构：刹车机构上除平衡梁上支座上的润滑点外，其余所有润滑点均集中在平衡梁下面左、有两块润滑孔板上，用锂基润滑脂对各润滑点每天注油1次。刹车机构的各销轴铰接处及平衡梁两端的球面支座处应经常浇30号机械油润滑。近些年，我国已研制出无石棉刹车块，并且开发出滚筒的水冷技术。无石棉刹车块的变温摩擦系数稳定，硬度较低，贴合性良好，制动过程中无噪音，无火花，粉尘少，成功地解决了石棉粉尘对环境污染的问题。由于使用寿命比石棉刹车块提高1倍以上，在钻深井过程中不需要更换刹车块，提高了钻井效率，降低了钻井成本。滚筒的水冷系统是新形势下，为应对各种复杂条件，更好的开发油气资源，改进的新型钻机使用的复合刹车使用的一项新技术，该刹车将带式刹车和盘式刹车同时应用，两者都使用水冷系统，将刹带摩擦产生的热量及时带走，缓解刹带过多的热量气化程度，使刹车系统更加安全可靠。12第3章 液压盘式刹车第3章 液压盘式刹车随着液压技术的不断发展，采用液压制动的盘式刹车正在逐步取代带刹车。盘式刹车系统具有刹车力矩小，操作方便、省力等优点。从完成钻井作业角度讲，带式刹车由于受制动原理与结构的限制，制动能力和总体性能难以全面满足钻井工艺的要求。而盘式刹车由于其自身技术的特点，根据工艺需要配置制动系统以提高其总体性能的可能性要大得多。因此，盘式刹车制动系统的性能就成为体现对盘式刹车技术认识深度与设计水平的重要方面。液压盘式刹车，可分为常开型杠杆钳液压加压式、常闭式杠杆钳弹簧加压式、常开型固定钳加压式、常闭型固定弹簧加压式等四种。常见两种如图3-1。图3-1 常见的开式钳和闭式钳液压盘式刹车由刹车盘、开式刹车钳（安全钳）、闭式刹车钳（工作钳）、钳架、液动力源、控制系统等组成。以电控液压盘式刹车为例，电控液压盘式刹车装置由制动执行机构、液压站和操纵台三部分组成。3.1 制动机构制动执行机构主要包括工作钳、安全钳、刹车盘和钳架四部分，其结构及布置如图3-2所示。 3.1.1 工作钳工作钳主要由常开式单作用油缸、复位弹簧、杠杆及刹车块组成，其结构及工作原理参见图3-3。其工作原理是：当给常开式单作用油缸输入压力油P时，产生理论推力F，大小为F=PA，其中A为活塞面积。推力F推动油缸活塞杆（14）伸出；同时也图3-2 制动执行机构1、滚筒 2、刹车盘 3、工作钳 4、钳架 5、安全钳 6、过渡板作用到缸体后端盖（11），推动油缸缸体（9）向后移动。当刹车块（1）接触刹车盘时，通过杠杆（4）将推力F传递到刹车块端，从而作用于刹车盘，产生正压力N。在正压力N的作用下产生摩擦力，即制动力，因为制动力与油压P为正比例变化关系，当油压P达到一定值时，刹车盘处于全制动状态；随着油压P值变小，制动力也随之降低，当油压P=0时，在复位拉簧（10）的作用下，杠杆回到原始位置，使刹车块脱离刹车盘，工作钳处于完全松刹状态。图3-3 工作钳1.刹车块 2.钳体 3.销轴 4.杠杆 5.支杆 6.半圆挡圈 7.销轴8.油缸端盖 9.缸体 10.拉簧 11.后端盖 12.销轴 13.调节螺母 14.活塞3.1.2 安全钳安全钳主要由常闭式内置碟簧组的单作用油缸、杠杆机构及刹车块组成，其结构及工作原理参见图3-4。图3-4 安全钳1.刹车块 2.钳体 3.销轴 4. 杠杆 5.支杆 6.半圆挡圈 7.销轴 8.活塞 9.油缸端盖 10.油缸 11.锁紧螺母 12.调节螺母 13.销轴安全钳的工作原理与工作钳相反。当常闭式单作用油缸内油压P=0时，内置的碟簧通过两个杠杆将力传递给刹车块而作用于刹车盘上，产生正压力N，实现刹车；而当油缸内油压P0，即有油压时，油压力克服碟簧力压缩碟簧，通过杠杆实现松刹。刹车钳是制动的执行元件，其性能直接影响整个系统的工作。与直推对置式钳相比，浮式杠杆钳制动同步性好，间隙自动补偿容易，且结构简单。因此，在钳型的选择上，首先应考虑选用浮式杠杆钳。开式钳的制动力随油压的上升而增加，更符合带式刹车的操作习惯，油压调节特性更适合送钻和起下管柱等常规作业的要求，因此，应选择开式钳作为完成常规作业制动的执行机构，以保证制动性能。而意外情况下的紧急制动则主要应由闭式钳承担。这是因为泄压制动快速，制动力来自碟簧的机械力，在无电力的条件下仍可制动。因此，钻机盘式刹车的刹车钳应该由开式和闭式两种钳型组成。3.1.3 刹车盘刹车盘是刹车系统的核心部件之一，与刹车块组成刹车副。一般每台产品配备两个刹车盘，安装在绞车滚筒两端。有些中小型钻机绞车一台只配备一个刹车盘，安装在绞车滚筒的一端。按结构形式分为：水冷式、风冷式和实心刹车盘三种。水冷式刹车盘内部设有水冷通道，在刹车盘内径处设有进、出水口；外径处设有放水口，用来放尽通道内的水，以防止寒冷气候时刹车盘冻裂；正常工作时，放水口用螺塞封住。刹车系统工作时，给刹车盘通冷却循环水，以平衡刹车副摩擦产生的热量。风冷式刹车盘内部有自然通风道，靠自然通风道和表面散热。实心刹车盘靠表面散热，主要用于修井机和小型钻机。3.1.4 钳夹钳架是执行机构的基座，工作钳及安全钳均安装在该基座上。对于双盘式结构，需配备两个钳架，安装在绞车的底座上，位于滚筒两侧的前方。对于单盘式结构，只需配备一套钳架，安装在绞车底座上，位于滚筒的一侧。送钻和起下管柱作业要求制动系统在较小制动力的范围内实现制动力的快速响应和微小调节。出现紧急情况时，又要求制动系统能提供足够大的制动力。这两种功能与性能，很难由一种单一的系统来实现。因此可由并行的、功能不同的几套子系统组成的组合式系统来完成。子系统既各司其职，又协同工作，形成功能与性能的互补。这种子系统的互补特性，对钻机刹车机构十分重要。钻机盘式刹车制动系统必须配置的子系统有工作制动子系统、紧急制动子系统和驻车制动子系统。工作制动子系统承担常规作业的制动任务，需具有良好的工艺特性；紧急制动子系统则担任紧急情况下的制动，足够的制动力矩和快速制动是其性能的主要特点；驻车制动子系统在正常情况下提供短时或长时制动。迄今为止，国内钻机盘式刹车有两种制动系统。一种是仅设置闭式钳，全部制动任务均由其承担，这种系统的不足之处是工艺性和可靠性较差；另一种是同时设置开式钳与闭式钳，送钻和起下管柱等工艺操作由开式钳承担，紧急情况下的制动则由闭式钳承担。显然，这种系统提高了紧急制动的可靠性，也改善了系统的工艺性，但在系统设置上仍存在某些缺陷，从而导致制动性能的不足。3.2 液压站作业安全可靠是钻井工程的首要问题。因此，制动能力储备系数是石油钻机盘式刹车设计必须考虑的问题。带式刹车由于制动能力有限，无法根据工艺需要配置制动力的储备量。盘式刹车则具有这样的优越条件。根据国外钻机盘式刹车及其它重型机械盘式刹车的配置经验，对石油钻机特别是对深井钻机来说，盘式刹车工作制动子系统的制动能力储备系数应大于等于2，而紧急制动子系统的制动能力储备系数应大于等于3，驻车制动子系统制动能力储备系数则可依据驻车需要达到2或3。为了尽量减少故障停机时间，提高钻井时效，还需设置相应的备用系统，即对影响钻机工作的司钻阀和油泵等关键元器件按照冗余技术的要求进行配置。液压站包括：油箱组件、泵组、控制块总成、加油组件、电控箱和操纵阀组等。3.2.1 油箱组件邮箱组件包括油箱、吸油阀、放油阀、液位液温计、冷却器等元件，其中：吸油阀门的功能为维修油泵时，关闭该阀，使油箱与油泵吸油口断开，防止液压油外泄。正常工作时，处于开启状态。放油阀门是为了更换液压油而设。正常工作时，处于关闭状态。液位液温计供观察油箱液面高低及油箱油温。冷却器为列管式水冷冷却器，用来平衡整个系统的发热。可根据系统的工作温度确定是否投入使用。需冷却时，将旁路截止阀关闭，冷却水接通；不需冷却，则将旁路截止阀开启，冷却水关闭。3.2.2 泵组泵组为液压系统的心脏。系统配备两台同样的柱塞泵，分别由防爆电机驱动，一台工作，另一台备用，工作时可交替。3.2.3 控制块总成主要由：油路块、蓄能块、截止阀、单向阀、安全阀和高压滤油器件组成。蓄能器可降低液压回路的压力脉动，并在无法正常工作时提供一定的贮存能量，保证工作钳在10min内正常制动46次。3.2.4 截止阀是用来释放蓄能器油压的，在正常工作时截止阀一定要关严。否则，系统压力将建立不起来。单向阀的作用是把两台泵的出游扣隔开，使其形成三个相互独立而又相互联系的油路，保持蓄能器的油液不回流。安全阀是一个溢流阀，起安全保护作用。高压滤油器过滤系统高压油，保证油液的清洁。3.2.5 电控柜液压站的电控柜主要用来控制电机和加热器的起、停，电控柜采用隔爆处理。3.3 操作台操作台包括手动比例电位计（又称电子刹把），驻车制动转化开关，紧急制动按钮和电控箱。电控箱包括空气开关、电源、放大器等电气控制元件。尽管液压盘式刹车比带式刹车已经有很大的进步，但他仍然有着自己的缺点：（1）现用的工作钳刹车间隙调节有两种方式：一种是采用工作钳液缸的回位瘫痪两端的调节螺杆进行人工调节，这种方式在使用过程中经常发生落调，结果造成刹车行程过长，导致刹车滞后，造成顿钻和溜钻现象；另一种是用组合液缸，通过注脂进行调节，由于脂的不可压缩，不仅需要人工将脂注入调节液缸中，而且在更换刹车块时需要将注入的脂放出，增加了人工的劳动强度和维护难度，同时由于使用过程中调节液缸中压力升高，还存在一定的危险性。（2）在盘式刹车使用中，刹车块偏磨非常严重，其形成原因主要由以下两个方面：一方面，刹车块的摩擦对偶件刹车盘，沿刹车盘半径方向与刹车块接触点的线速度不同。由于在比压相同时，磨损量接触点的相对线速度，因此造成靠近刹车盘边沿处刹车块磨损严重，形成刹车块的偏磨。另一方面，松刹后，浮动的刹车块容易发生倾斜，使刹车块摩擦面不能与刹车盘面平行脱开，较重的大直径侧，即刹车盘外沿处向内倾斜，出现不能完全脱开的现象，更加重了刹车块的偏磨。第4章 新一代钻机多盘式刹车第4章 新一代钻机多盘式刹车20世纪90年代以来，国外子液压盘式刹车技术的级基础上，采用先进的新型结构和计算控制技术，研究开发和应用了具有更理想的刹车性能和更多使用功能的新一代石油钻机绞车计算机多盘刹车。这是继带刹车、液控盘式刹车滞后的第三代新型刹车，其多盘式结构的刹车力矩大，体积小；刹车盘内有水冷内腔，可确保刹车性能和刹车的使用寿命；刹车和松刹计算机控制系统监控，可实现平衡刹车过程；有防备供水中断、供气不足等安全保护功能，以及紧急事故刹车和防碰天车限位功能。美国和挪威等国批量应用的实践表明，这种新一代刹车代表了目前世界石油钻机绞车的最高级技术水平，是现代石油钻机绞车的发展方向，具有广泛的发展前景。现以挪威Aker Maritime公司和美国Continenta-Emsco公司的为例、分析介绍这种多盘刹车的结构特点、基本参数和优越性。4.1 结构特点计算机控多盘刹车与液控刹车的结构和控制完全不同，采用全新结构设计，通过齿式联轴节与转盘侧滚筒轴端相连接，安装在取代电磁涡流刹车的位置，是一个独立部件，具有一系列的结构特点。4.1.1 多盘式刹车力矩大体积小采用多个刹车盘同时刹车具有充足的刹车力矩储备裕量，刹车安全可靠。多盘式结构还可以缩小刹车的外形尺寸和减轻质量。4.1.2 刹车盘内有水冷内腔为了确保良好的刹车性能和使用寿命，脂刹车盘内设有水冷内腔，循环水通过内腔后，可吸收热量并带走刹车外面，经过散热降温冷却后，在进入内腔，形成水冷循环系统。为此，备有专用的水箱、管线。4.1.3 专门设计的气缸离合机构在刹车盘的360度范围内的刹车壳体外面每隔90度位置固定着一个气缸，4个气缸同时进气或排气，以及挂合或脱离多个刹车盘。4.1.4 计算机系统控制实施刹车和松刹在计算机的监控线，可以实现平衡的刹车过程。需要刹车时，司钻通过发出刹车指令，计算机接到指令后，即时按规定的程序控制气动系统和4个汽缸实施刹车。反之，则可很快松刹。4.1.5 多种安全保护功能为了确保刹车的绝对安全可靠，多盘刹车还具有防备水中断、供气不足等安全保护功能，以及紧急事故刹车和防碰天车限位功能，以确保起下钻作业的安全可靠。此外，为了保证刹车的更加安全可靠，美国Continental-Emsco公司还为已经装备了计算机控多盘刹车的ElectrohoistV型电驱动绞车配置了作为备用刹车的SS型液控盘式刹车，其刹车盘直径2438mm，是目前世界上最大规格的刹车盘。4.2 基本主要参数挪威AkerMaritime公司计算机控多盘刹车的最大刹车力矩260KNm，钻柱质量453.6t，绞车滚筒直径762mm，钢丝绳直径38.1mm，滚筒上第3层缠绳力矩167KNm，最大下方钻具滚筒转速420rmin，滚筒第3层缠绳最大下放钻具速度为2.0ms。4.3 计算机控多盘刹车的优越性4.3.1 较大的刹车力矩由于计算机控多盘刹车的刹车力矩储备裕量较大，在钻井、起下钻和下套管作业中，刹车更加安全可靠，由此减少事故和停工时间，加快钻井速度。4.3.2 多种使用功能多盘刹车具有良好的刹车特性，可以取代现有的带刹车和液控盘式刹车。在下钻过程中，因能吸收大量的动能，使吊卡安全可靠地停在转盘上，故可取消电磁涡流刹车。利用一套专门设计的闭环自动送钻控制系统，可以实现自动优化送钻作业，不必另外配备自动送钻装置。4.3.3 较先进的经济技术指标由于结构简单，外形尺寸小，质量较轻，所以计算机控多盘刹车的各种技术经济指标均比液控盘式刹车先进。4.3.4 更好地刹车性能计算机按预先编排好的刹车过程刹车，可实现平稳可靠的刹车过程，提高刹车质量和效果，防止突然刹车造成的过大载荷和摩擦元件的过早磨损，提高绞车装备和多盘刹车的使用寿命。此外，按照与编的程序刹车，还消除了由于不同司钻不同的操作技术水平带来的不同的刹车过程的影响。也就是说任何技术水平的司钻，均可实现平稳可靠的刹车过程。计算机控制系统在刹车过程中，还给司钻以较灵敏的手感，可使司钻感到需要多大的施加力，这是多盘刹车的又一重要性能。4.3.5 共用钻机气源计算机控制气动系统和气缸，可直接使用钻机自身的气源。与液控盘式刹车相比，可以省去一套动力源及其控制设备。不仅使用方便，而且还减少动力源品种，有利于降低绞车成本减少装备费用和运转、维护保养费用。第5章 展 望 随着社会的不断发展，科学技术的不断进，油气开发技术将更加的成熟、先进，未来石油钻机主刹车将在现有的基础上，向更加安全可靠、更加环保、更加自动化智能化的方向前进，为钻井工人的生命财产安全提供更加安全可靠的保证，为祖国的全面建设小康社会提供更加强劲的动力，为人类社会的进步做出应有的贡献。致 谢通过这次毕业设计我学会了很多东西，明白了石油行业是不断发展和进步的，石油工程技术专业是一门广泛性和综合性的学科，涉及到钻井、采油、油气运输等许多学科。本文从拟定题目到定稿，历时数周。在本论文完成之际，首先要向我的导师徐鑫老师致以诚挚的谢意。另外，衷心感谢我的同窗们，在我毕业论文写作中，与他们的探讨交流使我受益颇多；同时，他们也给了我很多无私的帮助和支持，我在此深表谢意。参考文献1 石油工业出版社.钻井机械.2006：3541.2 中国石油勘探开发研究院机械研究所.PetroChina Exploration Development Research Institute Mechanical Research Dept.电控液压盘式刹车818.3 赵怀文，陈志喜.钻井机械.北京：石油工业出版社，1995:9095.4 陈义芳，顾文华，孙载坚等译.聚合物复合材料.(英)Sheldon R P.Composite Polymeric Materials.北京：轻工业出版社，1989：523.5 王致禄，陈道义.聚合物胶粘剂.上海：上海科学技术出版社，1988:174179.6 李佐邦，张留成，吴培熙等译.塑料用填料及增强剂手册.(美)Katz HS,Milewski J V.Handbook of Fillers and Reinforcements for Plastics.北京：化学工业出版社，1985:176180.7 成都科技大学.塑料成型工艺学.北京：轻工业出版社，1992:818.8 张连山，石油化工机器总厂.石油百科.2009.9 马青芳，郭慧娟.钻机绞车水冷式刹车盘温度场数值模拟.石油机械.2007年.第10期.10 郭慧娟，马青芳，肖建秋.超深井钻机刹车盘热疲劳寿命预测.石油机械.2008年.第4期.