石油钻井绞车驻车盘刹系统的设计.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2023.08.003石油钻井绞车驻车盘刹系统的设计张伟12,张刚3,赵博1-2,郭乾坤12,侯静怡，戴嘉庆1,2（1.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西宝鸡7 2 10 0 2；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡7 2 10 0 2；3.西部钻探工程有限公司，新疆乌鲁木齐8 30 0 0 0）摘要：针对现有盘刹控制系统结构复杂，体积大、成本高，与能耗制动刹车冲突等问题，设计了石油钻井绞车驻车盘刹系统。驻车盘刹控制系统设在司钻房盘刹控制台上，通过I/O模块将现场数据接入到盘刹控制系统的PLC可编程控制器，参与逻辑控制。驻车盘刹控制系统按电控气或气控气方式实现。现场数据控制气液增压泵，气液增压泵通过供油管路为安全钳液缸供液，实现石油钻井绞车刹车与释放。驻车盘刹控制系统同时与钻机各防碰系统联动，完成防碰刹车功能，也可实现钻机使用中断气、断电状态下的紧急刹车保护。关键词：驻车盘刹控制系统；气液增压泵；盘刹控制台；现场数据中图分类号：TH137;TH138ZHANG Wel-,ZHANG Cang,ZHAO Bol,UO Qian-hunl,HOU Jing.y,DAI Jia-ing*-(1.CNPC National Oil&Gas Drilling Equipment Research Center Co.,Ltd.,Baoji 721002,China;2.Baoji Petroleum Machinery Co.,Ltd.,Baoji 721002,China;3.Xibu Drilling Engineering Co.,Ltd.,Wulumuqi 830000,China)Abstract:Aiming at the problems of complex structure,large volume,high cost and conflict with energy-consuming brake,the parking discbrake system of oil drlling draworks is designed.The parking disc brake control system is located on the disc brake control console of Drillersroom,and the field data are connected to the PLC programmable controller through I/O module,and participate in the logic control.Theparking disc brake control system is realized by electric control or pneumatic control.Field data control gas-liquid booster pump,gas-liquidbooster pump through the oil supply line for the safety clamp cylinder fluid supply,the realization of oil drilling draworks brake and release.Atthe same time,the parking disc brake control system is connected with the anti-collision system of the drilling rig to complete the anti-collisionbrake function and realize the emergency brake protection under the condition of gas interruption and power failure.Key words:parking disc brake control system;gas-liquid booster pump;disc brake console;field data0引言目前，交流变频电驱动绞车多采用液压盘式刹车与能耗制动刹车相结合的刹车系统。现有的液压盘式刹车1包括独立液压站、工作钳、安全钳、刹车盘和盘刹控制台等，液压站配一备一用双泵组，带控制阀块等多种配套附件，系统结构复杂，能耗大及占用空间大，制造成本高且不便于后期维护。随着交流变频技术日趋成熟，在钻井作业过程中，能耗制动系统使用越来越收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 3基金项目：国家高技术船舶科研项目（CBG2N21-4-2）作者简介：张伟（198 7-），男，陕西岐山人，工程师，学士，主要从事石油钻采装备开发设计工作。文献标志码：ADesign of Parking Disc Brake System for Oil Drilling Draworks文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 3)0 8-0 0 15-0 5的液压盘式刹车。1技术分析1.1总体方案石油钻井绞车驻车盘刹系统结构2 如图1所示，包括绞车和刹车盘，刹车盘通过钳架设有安全钳3,绞15频繁，在减速制动过程中液压盘刹工作钳和能耗制动同时参与，由于能耗制动过程是由程序控制,此时工作钳制动手柄操作不当，不能与能耗制动刹车过程的曲线贴合保持一致，很容易引起钻井绞车驱动电机加大扭矩输出，与作为负载端的工作钳刹车形成“对抗”，导致乱绳甚至憋停钻机动力系统，对钻井系统安全造成不利影响。现设计一套驻车盘刹系统，用以替代传统液压气动与密封/2 0 2 3年第8 期车的一侧设有气液增压泵，气液增压泵一端进气口连通有供气系统,另一端的进油口连接有油杯,气液增压泵内的油腔通过供油管路与安全钳的进油口连通，利用压缩空气驱动气液增压泵，将液压油增压后推人安全钳刹车液缸；气液增压泵内的气腔上设有快速排气阀，气液增压泵的进气控制通过司钻房盘刹控制台进行操控，从而控制安全钳刹车或释放。2(a)主视图2关键技术2.1气液增压泵气液增压泵结构5 如图2 所示，包括泵主体、油杯和油位计等。气液增压泵的一端设有进气口，供气系统与进气口连通，为气液增压泵供气；气液增压泵另一端设有进油口，进油口和油杯连通，为气液增压泵供油。油位计用来观察气液增压泵的油位。由于安全钳动作所需油量在7 0 0 mL左右,因此将液压油杯与气液增压泵集成设计为一体，无需额外液压站提供液压源，且气液增压泵体积小可直接安装在绞车底座上，减少了成本和钻台面空间占用。气液增压泵采用增压液压缸原理，通过改变活塞两端截面面积之比，即可将输出3压力提高数倍；比如10 倍压缩比的气液增压泵，当进气压力为0.8 MPa时,输出口油压为8 MPa。气液增压2泵进气口安装有调压阀，通过调整进气压力来调整输出口油压，满足钻井绞车所需的盘刹刹车力矩要求。328(b)侧视图1.绞车2.安全钳3.钳架4.刹车盘5.气液增压泵6.供油管路7.司钻房盘刹控制台8.PLC可编程控制器图1石油钻井绞车驻车盘刹系统结构示意图供气系统包括通过管道连通的储气罐，储气罐底部安装电子排污阀4，电子排污阀通过内置程序控制，可灵活设定排污持续时间及排污间隔时间，便于油田的定时巡检及记录。储气罐的另一端连接有过滤减压器，过滤减压器与自动切断装置连接，自动切断装置与气液增压泵的进气口连通，为气液增压泵提供动力。1.2技术原理该方案的工作原理是：气液增压泵内的油腔通过供油管路与安全钳的进油口连通，在钻井作业过程中，气路控制系统向气液增压泵的气腔供气，气液增压泵输出高压油给安全钳，以打开安全钳弹簧，安全钳张开，绞车正常作业；当在司钻房盘刹控制台按下驻车刹车或者紧急刹车按钮时，气液增压泵进气口管路上设有自动切断装置,在控制系统下被切断而断气，气液增压泵内气腔的压缩气体通过快速排气阀迅速排空，气腔压力回零，安全钳液压油迅速回至气液增压泵的油杯中,油压也回零,安全钳弹簧复位刹车。驻车盘刹系统响应迅速，保障钻井作业安全。166一1.泵主体2.油杯3.油位计4.压力表5.压力传感器6.出油口7.快速排气阀8.进气口图2 气液增压泵结构示意图气液增压泵的泵主体内分别设有气腔和油腔，气液增压泵的进气口与气腔连通，气液增压泵的进气控制通过司钻盘刹控制台操控。气腔上设有快速排气阀，此外，供气系统与气液增压泵相连通的管道上还安装有2 个快速排气阀，有利于气腔和供气系统的压缩气体尽快排空释放。气液增压泵的进油口与油腔连通，油腔上设有压力表和压力传感器，不仅方便维修检查，压力传感器采集信号引人到司钻房盘刹控制台，可远程查看制动压力，供司钻作业时判定安全钳刹车状态。气液增压泵内的油腔通过供油管路与安全钳的进油口连通，在钻井作业过程中，气液增压泵进气口保持正常通气，输出高压油给安全钳，安全钳张开；当在司钻房盘刹控制台Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023按下驻车刹车或者紧急刹车按钮时，气液增压泵进气系统联动，完成防碰刹车功能，也可实现钻机使用中断口管路的自动切断装置切断而断气,泵内气腔的压缩气、断电状态下的紧急刹车保护。气体通过快速排气阀迅速排空，油腔油压回零，安全钳3.1电控气控制方案刹车。驻车刹车用于绞车停止运转后刹车，紧急刹车驻车盘刹控制系统按电控气进行设计，如图4所用于紧急状况下急停刹车。示，控制系统包括工作气路和控制气路，其中工作气路2.2驻车盘刹控制系统流程如下：钻机气源经过储气罐、过滤减压器、二位三气液增压泵的一侧连接设置在司钻房的盘刹控制通气控阀B、二位三通气控阀C、快速排气阀向气液增台。司钻房盘刹控制台设有驻车盘刹控制系统，驻车压泵主体供气，过滤减压阀后设有气源信号采集压力盘刹控制系统包括PLC可编程控制器,PLC可编程控传感器，压力传感器将气源压力信号发送到PLC,以实制器通过I/O模块与驻车盘刹系统的现场数据连接,驻现低气压时的刹车保护；控制气路主要包括刹车控制车盘刹控制系统可按电控气或气控气方式进行设计。（常通）电磁阀、刹车控制（常断）电磁阀，并集成了数驻车盘刹系统的现场数据包括设有带有信号采集和传显防碰、过圈防碰、井架防碰控制，其中刹车控制（常输功能的自动切断装置、气液增压泵、压力传感器等。通）电磁阀控制二位三通气控阀B,刹车控制（常断）电驻车盘刹控制系统设有能耗制动刹车、驻车刹车磁阀同时集成数显防碰功能，并和过圈防碰、井架防碰和紧急刹车，且在司钻房盘刹控制台上对应设有控制均可单独控制二位三通气控阀C；在正常作业时，刹车按钮或控制手柄。紧急刹车联动设有防碰刹车、断电控制（常通）电磁阀和刹车控制（常断）电磁阀均为通刹车和断气刹车的钻机安全保护系统，此外，驻车盘刹电状态，刹车控制（常通）电磁阀接通，刹车控制（常控制系统还引人井架防碰、过圈防碰，数显防碰等实现断)电磁阀断开,另外,井架防碰阀、过圈防碰阀均处于钻机多重防碰系统6 ，保证钻井作业安全。断开状态,此时，二位三通气控阀B的控制气有气，二驻车盘刹系统的操作流程如图3所示，包括能耗位三通气控阀C的控制气断气，气液增压泵主体供气制动工作刹车时、系统驻车时和系统紧急刹车时，分别回路导通，泵油腔输出高压液压油至安全钳，使安全钳与对应的驻车盘刹控制系统联动，紧急刹车时仅限于打开；当出现过圈防碰或井架防碰后，过圈防碰阀或井极端紧急状况下使用。架防碰阀导通，防碰气可断开二位三通气控阀B的控制气和接通二位三通气控阀C的控制气，使二位三通能耗制动工作刹车时系统驻车时绞车给速手柄释放绞车给速手柄释放绞车给速手柄释放拍下盘刹急停按钮能耗制动系能耗制动系统刹车统刹车绞车是否否绞车是否否减速为0？是能耗制动系统悬停图3驻车盘刹系统的操作流程图3#控制方案设计驻车盘刹系统的控制系统7 可按电控气和气控气两种方式实现，无论采用何种方式均可与钻机各防碰系统紧急刹车时能耗制动系统刹车盘刹安全钳刹车减速为0？绞车停机是能耗制动系统悬停立拍下驻车按钮系统驻车(即安全钳刹车）停绞车电机气控阀B和三通气控阀C均断开，使得气液增压泵主体供气回路断开，气液增压泵主体气腔断气，气腔内余气经快速排气阀排出，安全钳失压闭合，实现防碰刹车。当出现数显防碰或系统断电后，刹车控制（常通）电磁阀和刹车控制（常断）电磁阀均为断电状态，刹车控制（常通）电磁阀断开，刹车控制（常断）电磁阀接通，从而断开二位三通气控阀B的控制气和接通二位三通气控阀C的控制气，使二位三通气控阀B和三通气控阀C均断开，使得气液增压泵主体供气回路断开，气液增压泵主体气腔断气，气腔内余气经快速排气阀排出，安全钳失压闭合，实现数显防碰刹车和断电刹车。3.2气控气控制方案驻车盘刹控制系统按气控气进行设计，如图5所示，控制系统包括工作气路和控制气路,其中工作气路流程如下：钻机气源经过储气罐、过滤减压器、二位三通气控阀D、快速排气阀向气液增压泵主体供气，二位三通气控阀D后设有信号采集压力表和传感器，压力表直接显示刹车气压，压力传感器将刹车气信号发送到PLC,以实现和绞车电机的互锁；控制气路包括紧急17液压气动与密封/2 0 2 3年第8 期司钻房PLC控制刹车控制刹车控制过圈防碰（常通）鸭(常通)电磁阀电磁阀电磁阀防碰信号二位三通气控阀A司钻房驻车压力信号梭阀梭阀二位三通二位三通气控阀B气控阀C安全钳过圈防碰阀过滤减压阀球阀井架防碰阀快速排气阀A安全钳安全阀压力表储气罐H区图一-气源球阀必球阀单向阀自动排污阀气液增压泵压力表压力传感器图4驻车盘刹系统电控气控制原理图刹车控制和驻车控制，并集成了数显防碰、过圈防碰、井架防碰控制，主要用以控制二位三通气控阀D的通断，其工作流程如下：控制气路从工作气路过滤减压阀后采集气源，向紧急刹车按钮、驻车开关、数显防碰阀、井架防碰阀、过圈防碰阀供气，紧急刹车按钮、驻车开关、数显防碰阀、井架防碰阀、过圈防碰阀均能单独控制工作气路上的二位三通气控阀D。在正常作业时，驻车开关和紧急刹车按钮未执行动作，数显防碰阀、井架防碰阀、过圈防碰阀均处于断开状态，此时紧急刹车按钮、驻车开关、二位三通气控阀E均处于接通状态，控制二位三通气控阀D处于接通状态，气液增压泵主体供气回路导通，泵油腔输出高压液压油至安全钳，使安全钳打开；当拍下紧急刹车按钮或操作驻车开关后，均能直接切断二位三通气控阀D的控制气，使二位三通气控阀D断开,从而切断气液增压泵主体供气回路，气液增压泵主体气腔内余气经快速排气阀排出，安全钳失压闭合，实现手动刹车；当出现数显防碰、过圈防碰或井架防碰后,相对应的防碰阀均可以接通，从而使18二位三通气控阀E断开,进而使二位三通气控阀D断开，从而切断气液增压泵主体供气回路，气液增压泵主体气腔内余气经快速排气阀排出，安全钳失压闭合，实现防碰刹车。此外，数显防碰、过圈防碰、井架防碰综合后的防碰气设有信号采集传感器，压力传感器将刹车气信号发送到PLC，以实现和绞车电机的互锁；数显防碰电磁阀采用常通方式，可实现当系统断电后，输出数显防碰气，以实现断电刹车。4应用情况2019年，驻车盘刹系统在宝石机械某ZJ15DB钻机绞车上首次成功应用，经过多年现场使用,驻车盘刹系统整体工作性能良好，验证了设计方案的合理性和可靠性。相同原理的刹车结构在转盘驱动装置钳盘式刹车和移运钻机轮式车桥刹车上得到扩展应用。为满足海洋平台空间要求,驻车盘刹系统将在海洋钻井绞车上应用，现已完成绞车刹车力矩、控制系统和管路保温方案设计。Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023司钻房PLC控制紧急刹开关信号车按钮数字压释放阀防碰力计信号驻车刹车H过圈防碰二位三通I气控阀E快速排梭阀井架数显防碰防阀电磁阀H梭阀5结论石油钻井绞车驻车盘刹系统，采用无液压站式驻车盘刹系统，仅保留了安全钳作为驻车刹车，去掉了工作钳、盘刹液压站等配套，简化了盘刹系统结构，降低了盘刹成本,此外，去掉了工作钳，通过盘刹控制系统解决了盘刹制动存在憋停动力系统风险；驻车盘刹控制系统同时引人紧急刹车及井架防碰、过圈防碰，数显防碰等实现钻机多重防碰系统，保证钻井作业的安全，提高了盘刹制动的可靠性和安全性。参考文献1何明泽，高光达，马俊江，等直驱绞车液压盘刹系统优化气阀C二位三通气控阀D过滤减压阀球阀快速排气阀B安全钳过圈防碰阀A滚筒安全钳！图5驻车盘刹系统气控气控制原理图设计与应用J.液压气动与密封,2 0 2 1,41（4）：48-50.2 侯文辉，黄治湖，张伟，等.一种石油钻井绞车驻车盘刹系统:CN108821152 BP.2020-8-25.3段武，许永雷，于浩，等.全安全钳液压盘式刹车液压系统设计J.液压气动与密封,2 0 2 0,40（4）：6 7-6 8.4赵博，张文英，王福贵，等.一种防爆电子定时自动排污装置:CN 112178264 B P.2022-08-09.5董飞，何国强，张志恒，等.气动增压泵的设计J.机械科学与技术,2 0 0 8,(1):2 3-2 7.6魏培静，于兴军，常永鹏，等.电驱动石油钻机的安全控制技术研究J.石油矿场机械,2 0 17,46（5）：6 1-6 6.7蒋合艳，陆俊康，武卫卫，等.电驱动钻机气控系统的优化设计J.液压气动与密封，2 0 19,39（11）：35-39.压力表安全阀球阀图一-气源储气罐球阀单向阀气液自动排污阀增压泵压力表压力传感器司钻房驻车压力信号引用本文：张伟张刚，赵博，等.石油钻井绞车驻车盘刹系统的设计J.液压气动与密封,2 0 2 3,43（8）：15-19.ZHANG Wei,ZHANG Gang,ZHAO Bo,et al.Design of Parking Disc Brake System for Oil Drilling Draworks J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2023,43(8):15-19.19