平衡閥在石油鉆井設(shè)備中的應(yīng)用研究

◇中石油川慶鉆探國(guó)際工程公司 王加松 張慧杰

平衡閥被廣泛應(yīng)用于起重機(jī)械液壓系統(tǒng)中，在鉆井設(shè)備中也有較多應(yīng)用，有著非常重要的作用。但是通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備人員對(duì)平衡閥知之甚少，對(duì)平衡閥的日常檢查和故障判斷處理存在困難。本文通過(guò)對(duì)平衡閥常見(jiàn)類(lèi)型及其工作原理進(jìn)行分析，闡述了不同情況下平衡閥對(duì)負(fù)載的安全保護(hù)作用，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備人員對(duì)平衡閥的正確使用維護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)防控有一定的幫助。

1 引言

在液壓控制系統(tǒng)中，如果產(chǎn)生負(fù)載力的方向和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向相同，則負(fù)載力將助長(zhǎng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，而如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)的回油路中缺乏油壓，則運(yùn)動(dòng)部件會(huì)因自重產(chǎn)生自行下滑，甚至可能產(chǎn)生超速運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，所以為了避免運(yùn)動(dòng)部件的自行下滑和超速，就需在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的回油路設(shè)置平衡閥，來(lái)形成相應(yīng)的背壓以起到平衡負(fù)載力的目的。

2 平衡閥的常見(jiàn)類(lèi)型及其工作原理

平衡閥是為了維持執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓回路壓力，并保持和控制負(fù)載，以及在液壓油路中管路突然破裂或嚴(yán)重泄漏時(shí)，能夠防止負(fù)載發(fā)生失控的閥。

平衡閥主要用在起重液壓機(jī)械系統(tǒng)中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有液壓缸和液壓馬達(dá)。在石油鉆井設(shè)備中，常見(jiàn)的平衡閥類(lèi)型主要有單向順序閥、液控平衡閥、單向節(jié)流閥以及單向節(jié)流閥和液控單向閥串聯(lián)四種，下面通過(guò)四種平衡回路對(duì)這四種類(lèi)型平衡閥進(jìn)行分析。

（1）單向順序閥。如圖1（a）所示，單向順序閥1作為平衡閥，此順序閥的調(diào)定壓力需略大于運(yùn)動(dòng)部件由于自重在液缸下腔中形成的壓力。當(dāng)換向閥處在左位時(shí)，油缸有桿腔進(jìn)油，此時(shí)單向順序閥在活塞下腔建立的背壓正好平衡了自重，活塞平穩(wěn)下行，從而防止了超速；當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件自重在液缸下腔形成的壓力小于單向順序閥開(kāi)啟壓力，從而避免了運(yùn)動(dòng)部件由于自重所造成的自動(dòng)下滑，活塞保持靜止；當(dāng)換向閥處于右位時(shí)，無(wú)桿腔進(jìn)油，此時(shí)單向順序閥相當(dāng)于單向閥，通過(guò)此種回路，活塞上行。但當(dāng)順序閥壓力經(jīng)過(guò)調(diào)定后，它所產(chǎn)生的背壓為固定值，如果下行過(guò)程中，負(fù)載變小時(shí)，將產(chǎn)生過(guò)平衡現(xiàn)象，導(dǎo)致泵的供油壓力增加，故一般只應(yīng)用在負(fù)載恒定的工作場(chǎng)所。

圖1 平衡回路

（2）液控平衡閥。圖1（b）所示為使用液控平衡閥1組成的平衡回路。當(dāng)換向閥處在左位，液缸有桿腔進(jìn)油，此時(shí)平衡閥處的控制油壓力大于或等于閥的設(shè)定開(kāi)啟壓力，平衡閥主閥芯動(dòng)作，閥打開(kāi)，閥的開(kāi)口尺寸隨控制油壓力改變而發(fā)生變化，當(dāng)控制油壓力增加，開(kāi)口變大；控制油壓力減少，開(kāi)口減小，活塞桿平穩(wěn)下行；當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，控制油壓力消失，平衡閥關(guān)閉，活塞停止運(yùn)動(dòng)。當(dāng)換向閥處于右位，液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)油，此時(shí)平衡閥處的控制油壓力很低，平衡閥的主閥芯不動(dòng)作，平衡閥就相當(dāng)于單向閥，活塞桿上行；閥的開(kāi)口大小、控制油壓力和閥的進(jìn)、出油口壓差之間形成一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。這種回路可適用于所平衡的負(fù)載有顯著變化的場(chǎng)合，如液壓起重機(jī)、升降機(jī)等。

（3）單向節(jié)流閥或單向調(diào)速閥。如圖1（c）所示，在液壓缸回油路上設(shè)置單向節(jié)流閥1，來(lái)充當(dāng)平衡閥以平衡負(fù)載。當(dāng)換向閥置于左位時(shí)，液缸有桿腔進(jìn)油，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥建立背壓平衡負(fù)載，活塞桿可以平穩(wěn)下行。當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，液缸進(jìn)、出口均處于截止?fàn)顟B(tài)，由單向節(jié)流閥產(chǎn)生的背壓平衡負(fù)載，活塞保持靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)換向閥處于右位時(shí)，液缸無(wú)桿腔進(jìn)油，此時(shí)平衡閥相當(dāng)于單向閥。單向節(jié)流閥主要適用作對(duì)速度穩(wěn)定性和鎖緊能力要求不高、且功率不大或功率雖大，卻工作不頻繁的定量泵回路中；若采用單向調(diào)速閥予以代替，則其回路受負(fù)載的影響明顯減小。適用于如貨輪艙口蓋的啟閉、叉式裝卸車(chē)的升降、電梯或升降平臺(tái)的升降等。

（4）單向節(jié)流閥（或調(diào)速閥）和液控單向閥串聯(lián)。如圖1（d）所示，單向節(jié)流閥1（或單向調(diào)速閥）和液控單向閥2串聯(lián)在液壓回路中，起著平衡閥的作用；當(dāng)換向閥置于左位，液壓缸有桿腔進(jìn)油，液控單向閥雙導(dǎo)通，單向節(jié)流閥（或單向調(diào)速閥）產(chǎn)生背壓，平衡負(fù)載；當(dāng)換向閥處于中位，此時(shí)液控單向閥單向?qū)?，使運(yùn)動(dòng)部件保持靜止；當(dāng)換向閥處在右位，液壓缸無(wú)桿腔進(jìn)油，此時(shí)平衡閥相當(dāng)于單向閥。單向節(jié)流閥適用于負(fù)載固定場(chǎng)合，而單向調(diào)速閥則適用于負(fù)載變化的場(chǎng)合。本平衡回路負(fù)載小，流量大時(shí)，效率較低，故常應(yīng)用于剪切機(jī)等回路。

3 平衡閥的安全保護(hù)作用

平衡閥在液壓管線(xiàn)破裂等異常情況下還能起到安全保護(hù)作用。當(dāng)液缸有桿腔進(jìn)油，活塞桿下行時(shí)，如果此時(shí)液缸有桿腔和控制閥塊間的液壓管線(xiàn)出現(xiàn)破裂，則液壓缸有桿腔內(nèi)高壓消失，針對(duì)第二種和第四種平衡閥，控制油壓力消失，平衡閥迅速轉(zhuǎn)換到單向閥的工作狀態(tài)，而第一種靠單向順序閥產(chǎn)生背壓，第三種靠單向節(jié)流閥或單向調(diào)速閥產(chǎn)生背壓，此時(shí)四種平衡閥相當(dāng)于截止閥，閥口關(guān)閉，切斷無(wú)桿腔油路，負(fù)載保持不動(dòng)作，起到安全保護(hù)作用；如果此時(shí)液壓缸無(wú)桿腔和控制閥塊間的液壓管線(xiàn)出現(xiàn)破裂，則不影響活塞桿的正常下行。

當(dāng)換向手柄處于零位，活塞桿靜止時(shí)，此時(shí)液缸進(jìn)、出口關(guān)閉，不管是有桿腔和控制閥塊間的液壓管線(xiàn)破裂，還是無(wú)桿腔和控制閥塊間的液壓管線(xiàn)破裂，負(fù)載都保持不動(dòng)。

當(dāng)液缸無(wú)桿腔進(jìn)油，活塞桿上行時(shí)，平衡閥相當(dāng)于單向閥，如果此時(shí)液壓缸有桿腔和控制閥塊間的液壓管線(xiàn)出現(xiàn)破裂，不影響活塞桿的正常上行；如果液壓缸無(wú)桿腔和控制閥塊間的液壓管線(xiàn)出現(xiàn)破裂，平衡閥立即從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到到截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)相當(dāng)于截止閥，將閥口關(guān)閉，截?cái)嗔藷o(wú)桿腔油路，負(fù)載則維持不動(dòng)，起到安全保護(hù)作用。

當(dāng)然，上訴安全保護(hù)作用是建立在平衡閥與執(zhí)行元件可靠連接的基礎(chǔ)上，根據(jù)GB/T 6067.1-2010《起重機(jī)安全規(guī)程》的液壓系統(tǒng)規(guī)范：平衡閥與執(zhí)行元件之間的連接必須為剛性連接，且距離也應(yīng)當(dāng)盡可能縮短，所以平衡閥一般都是直接固定在執(zhí)行元件上的。

4 平衡閥在石油鉆井設(shè)備中的應(yīng)用

平衡閥在鉆井設(shè)備中有較為廣泛的應(yīng)用，比如VARCO頂驅(qū)、防噴器移動(dòng)裝置以及修井機(jī)井架起升裝置等均配置了形式不一的平衡閥。

其中VARCO頂驅(qū)的吊環(huán)傾斜油缸采用單向順序閥來(lái)平衡負(fù)載；修井機(jī)井架起升及伸縮油缸選用單向節(jié)流閥式的平衡閥；防噴器移動(dòng)裝置的升降油缸則是液控平衡閥。

4.1 平衡閥在 VARCO頂驅(qū)中的應(yīng)用

VARCO頂驅(qū)吊環(huán)傾斜油缸的進(jìn)油口和出油口都配置了平衡閥，平衡閥處于進(jìn)油口時(shí)充當(dāng)單向閥，處于回油口時(shí)充當(dāng)順序閥，使回油口產(chǎn)生背壓，所以吊環(huán)在傾斜和收回時(shí)，即油缸伸出和縮回時(shí)，都能做到動(dòng)作平緩，減低了起、下鉆和接單根等作業(yè)的操作難度，當(dāng)管線(xiàn)意外破裂，平衡閥會(huì)起到保護(hù)作用，不影響吊環(huán)的正常縮放和停止，避免事故發(fā)生。

圖2 平衡閥在VARCO頂驅(qū)的應(yīng)用

圖3 平衡閥在防噴器移動(dòng)裝置的應(yīng)用

圖4 平衡閥在XJ650修井機(jī)井架起升和伸縮油缸中的應(yīng)用

4.2 平衡閥在防噴器移動(dòng)裝置中的應(yīng)用

防噴器移動(dòng)裝置的兩只升降油缸的無(wú)桿腔配置了液控平衡閥，在井口作業(yè)時(shí)，不同的井段，防噴器移動(dòng)裝置提升負(fù)載也是不同的，負(fù)載變大，進(jìn)油路油壓減低，平衡閥控制力變低，則閥的節(jié)流口變??；負(fù)載變小，進(jìn)油路油壓變高，控制力升高，則閥的節(jié)流口變大；這種平衡閥正好適應(yīng)于負(fù)載變化的場(chǎng)合。在遇到液壓管線(xiàn)破裂等突發(fā)情況，平衡閥也會(huì)起到安全保護(hù)作用，避免對(duì)設(shè)備和井口作業(yè)人員造成傷害。

4.3 平衡閥在修井機(jī)井架起升和伸縮裝置中的應(yīng)用

修井機(jī)井架起升和伸縮油缸的回路中設(shè)置了單向節(jié)流閥作為平衡閥，平衡了井架負(fù)載，可以很好的控制井架下放速度，保證了井架平穩(wěn)回落到修井車(chē)上。同樣，當(dāng)遇到管線(xiàn)破裂等異常情況，平衡閥會(huì)起到安全保護(hù)作用。

5 平衡閥常見(jiàn)故障

（1）無(wú)法保持負(fù)載。油缸下沉，無(wú)法保持負(fù)載，造成原因可能是平衡閥內(nèi)泄，也有可能是油缸內(nèi)泄。判斷方法，第一步是確保在安全的情況下，將油缸伸出，確保有負(fù)載；接下來(lái)就是停泵，拆除平衡閥上所有的管線(xiàn)；然后觀察各個(gè)油口，是否有液壓油冒出來(lái)，如果有的話(huà)，說(shuō)明是平衡閥內(nèi)泄，如果沒(méi)有，則說(shuō)明油缸內(nèi)泄。

（2）油缸沒(méi)有動(dòng)作。平衡閥內(nèi)閥芯是比較精密的，它對(duì)液壓油的油品質(zhì)量要求比較高，如果液壓油比較臟，使得平衡閥內(nèi)閥芯卡滯造成回油不暢，可能使得油缸沒(méi)有動(dòng)作，如果是平衡閥故障導(dǎo)致油缸沒(méi)有動(dòng)作，會(huì)造成油缸某一個(gè)動(dòng)作沒(méi)有，比如某一節(jié)臂的伸出或收回沒(méi)有動(dòng)作，我們可以判斷為是平衡閥卡滯導(dǎo)致的問(wèn)題，這個(gè)時(shí)候需要更換平衡閥。

6 結(jié)束語(yǔ)

平衡閥不但具有平衡和保持負(fù)載的功能，同時(shí)在管路損壞或制動(dòng)失靈等異常情況下，還可保證執(zhí)行元件安全停止（鎖止）并避免其超速，具有十分關(guān)鍵的安全保障功能。所以，在日常使用中，對(duì)平衡閥的檢查和維護(hù)一定要引起足夠的重視。