鉆機(jī)負(fù)載敏感系統(tǒng)發(fā)熱問題分析及應(yīng)對方法

張新剛，張 強(qiáng)，王 翠，姜 震，楊海剛，劉 旬

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西寶雞 721002）

0 引言

降低能耗已經(jīng)成為各行各業(yè)公認(rèn)的降低生產(chǎn)成本的重要途徑，是工業(yè)生產(chǎn)必須重視的問題，石油鉆采行業(yè)對于降低能耗也越來越重視。負(fù)載敏感系統(tǒng)是一種通過感受系統(tǒng)壓力—流量需求，提供所需的流量和壓力的液壓系統(tǒng)，它通過變量泵及負(fù)載敏感回路的合理配置，能顯著降低液壓系統(tǒng)中的無用功耗[1]，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。該技術(shù)在石油鉆機(jī)中的應(yīng)用越來越廣泛。

在負(fù)載敏感系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，出現(xiàn)的典型問題之一是油液發(fā)熱。油液發(fā)熱危害很多，它會使液壓系統(tǒng)泄漏增大、容積效率下降，還會使控制元件的性能發(fā)生變化，油液變質(zhì)及液壓系統(tǒng)中的橡膠密封、軟管等加速老化，并引起機(jī)械結(jié)構(gòu)熱變形，進(jìn)而造成機(jī)械精度下降，甚至造成機(jī)械卡死[2]。本文就典型石油鉆機(jī)負(fù)載敏感系統(tǒng)在應(yīng)用中出現(xiàn)的發(fā)熱問題進(jìn)行分析，找出原因并提出應(yīng)對方法。

1 典型石油鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)

石油鉆機(jī)配套的液壓設(shè)備具有以下特點：

（1）種類繁多：石油鉆機(jī)涉及液壓二層臺機(jī)械手、液壓緩沖機(jī)械手、鐵鉆工、液壓泥漿盒、液壓鉆臺機(jī)械手、液壓貓頭、液壓旋轉(zhuǎn)貓頭、液氣大鉗、液壓絞車、B OP 移運裝置、液壓平移裝置、液壓緩沖裝置、鉆機(jī)液壓起升裝置、液壓卡瓦等多種設(shè)備。

（2）壓力需求差異大：石油鉆機(jī)中的液壓貓頭、BOP 移運裝置等設(shè)備額定壓力為16 MPa，而鉆機(jī)液壓起升裝置、液壓平移裝置等設(shè)備額定壓力為21 MPa，一些廠家的鐵鉆工、液氣大鉗等設(shè)備額定壓力為18 MPa。

（3）流量需求差異大：石油鉆機(jī)液壓泥漿盒額定流量僅為20 L/min，液壓貓頭額定流量為120 L/min，而鐵鉆工額定流量則為160 L/min。

（4）設(shè)備控制閥中位機(jī)能不同：石油鉆機(jī)的BOP 移運裝置、液壓貓頭、液氣大鉗設(shè)備等延續(xù)以往設(shè)計，控制閥組采用中位卸荷機(jī)能（M 形），而鐵鉆工、液壓泥漿盒等設(shè)備控制閥組采用Y形或O 形機(jī)能，即中位時油泵不卸荷。

（5）液壓系統(tǒng)設(shè)計不同：石油鉆機(jī)的BOP 移運裝置、液氣大鉗、卡瓦等設(shè)備采用恒壓系統(tǒng)設(shè)計，而液壓鉆臺機(jī)械手、液壓二層臺機(jī)械手等設(shè)備采用負(fù)載敏感系統(tǒng)設(shè)計。

（6）石油鉆機(jī)配套設(shè)備多為間歇工作。

（7）石油鉆機(jī)存在多設(shè)備同時作業(yè)的情況。

負(fù)載敏感系統(tǒng)能夠感受系統(tǒng)壓力—流量需求，僅提供系統(tǒng)所需的流量和壓力，特別契合石油鉆機(jī)配套設(shè)備的用液特點。針對石油鉆機(jī)配套設(shè)備用液特點，設(shè)計了一種可切換為恒壓系統(tǒng)的負(fù)載敏感系統(tǒng)，具體原理如圖1 所示。

圖1 可切換為恒壓系統(tǒng)的負(fù)載敏感系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由帶有壓力切斷、負(fù)載感應(yīng)、功率控制的軸向柱塞變量泵+負(fù)載敏感比例多路換向閥組成，并在泵出口P 與負(fù)載反饋口LS 之間設(shè)計了球閥1 及球閥2，用于直接從泵出口P取負(fù)載反饋信號至泵的負(fù)載反饋口LS，通過球閥1 及球閥2 的切換組合，實現(xiàn)恒壓系統(tǒng)與負(fù)載敏感系統(tǒng)的切換，并且可以實現(xiàn)不同壓力級別的恒壓系統(tǒng)切換，具體組合狀態(tài)見表1。

表1 液壓系統(tǒng)切換狀態(tài)

該系統(tǒng)工作時用液設(shè)備可接至負(fù)載敏感比例多路換向閥工作油口，也可直接從泵出口的預(yù)留油口取液。經(jīng)過油田現(xiàn)場使用驗證，該系統(tǒng)能夠滿足鉆機(jī)配套液壓設(shè)備的用液需求，安全可靠，且具有節(jié)能降耗的優(yōu)勢，越來越多的石油鉆機(jī)液壓系統(tǒng)采用了該方案。

2 油液發(fā)熱問題分析

2.1 未切換至相應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)造成油液發(fā)熱

以某用戶使用BOP 移運裝置（額定壓力16 MPa，額定流量120 L/min，恒壓系統(tǒng)設(shè)計，控制多路閥中位為M 形機(jī)能）后未按要求切換系統(tǒng)狀態(tài)，造成系統(tǒng)油液發(fā)熱嚴(yán)重的故障為例。BOP移運裝置工作時從泵出口的預(yù)留供油口取液，使用前須切換至恒壓系統(tǒng)。使用完畢后，應(yīng)及時斷開BOP 移運裝置管線，并將恒壓系統(tǒng)切換回負(fù)載敏感系統(tǒng)，方可使用通過負(fù)載敏感多路閥供液的設(shè)備。該用戶在使用BOP 移運裝置完畢后，僅斷開了BOP移運裝置管線，未將球閥1、2 關(guān)閉，便開始使用液氣大鉗（額定壓力16 MPa，額定流量120 L/min，中位為M 形機(jī)能）進(jìn)行上扣作業(yè)，工作一段時間后系統(tǒng)油液發(fā)熱嚴(yán)重。

這是由于液氣大鉗是從負(fù)載敏感多路閥工作油口取液，其供液聯(lián)的中位機(jī)能為Y 形。停止使用液氣大鉗時，該供液聯(lián)復(fù)中位會導(dǎo)致P 口封堵，此時相當(dāng)于負(fù)載無限大，而球閥1、2 同時打開將導(dǎo)致泵出口P 直接傳遞負(fù)載反饋信號至泵的負(fù)載反饋口LS，負(fù)載決定壓力，泵出口壓力會持續(xù)上升，直至達(dá)到球閥2 處溢流閥設(shè)定壓力16 MPa 為止，整個液氣大鉗停止使用期間，液壓系統(tǒng)一直以16 MPa 的高壓待機(jī)，雖然泵因為P 口封堵對外沒有流量輸出，但為了維持自身運轉(zhuǎn)（自身潤滑、維持壓力、保持斜盤角度等），仍有一定流量的輸出，即液壓系統(tǒng)有一定的輸出功率。在這個過程中，系統(tǒng)沒有對外做功，根據(jù)能量守恒原理，液壓系統(tǒng)的輸出功率必然以熱量形式由油液帶走，導(dǎo)致油液溫度升高。

再者，液氣大鉗1 個作業(yè)周期未完，兩個動作間隙供液多路閥仍保持供液，液氣大鉗自身控制閥歸中位，其供油P 與回油T將接通，此時相當(dāng)于流量需求無限大，但供油聯(lián)因流量補(bǔ)償器存在，其最大流量為160 L/min[3]，所以系統(tǒng)實際以160 L/min 運行，這些油液流經(jīng)管路、多路閥及液氣大鉗閥時會形成壓損，在球閥1、2 同時打開導(dǎo)致泵出口P 直接傳遞負(fù)載反饋信號至泵的負(fù)載反饋口LS 情況下及未超電機(jī)功率（55 kW）之前，泵的流量輸出趨勢一直（系統(tǒng)單泵額定排量約為200 L/min）大于系統(tǒng)實際流量160 L/min，導(dǎo)致泵壓持續(xù)憋至16 MPa（球閥2 處溢流閥設(shè)定壓力為16 MPa），兩個動作間隙液壓系統(tǒng)也未對外做功，液壓系統(tǒng)的輸出功率42.67 kW 必然以熱量形式由油液帶走，所以也會造成油液溫度。中位停止時間越長，其發(fā)熱量越大。

如果冠動脈出現(xiàn)穿孔的現(xiàn)象，則會引起病人的大量出血，為了能夠有效的減少病人的自己身體里的血液浪費以及輸入的血液，對患者的心臟負(fù)擔(dān)進(jìn)行減負(fù)，相關(guān)的醫(yī)護(hù)人員需要在無菌的環(huán)境下把抽個出來的心包積血再次的從患者的動脈輸入體內(nèi)，每一次輸入的血量為100～150 mL，其每一次間隔的時間藥以患者在手速過程中血壓的具體情況以及心率的快慢來進(jìn)行判斷，在回輸完成之后要用生理鹽水對使用過的心包和引流管進(jìn)行沖洗。手術(shù)結(jié)束后如果在X射線下心影逐漸的縮小，同時在心臟B超中看出心包的積液減少，在此種情況下就可以停止抽吸及回輸心包積血。

2.2 用液設(shè)備常供液造成油液發(fā)熱

以液壓卡瓦使用為例，一些用戶擔(dān)心卡瓦夾持鉆桿時夾持油缸失壓造成夾持力不足導(dǎo)致鉆柱落井，要求對卡瓦常供液保壓。在這種情況下，其他設(shè)備動作時系統(tǒng)油液發(fā)熱比較嚴(yán)重。

液壓卡瓦從負(fù)載敏感多路閥取液，卡瓦夾持鉆柱后會因鉆柱阻礙無法行走，相當(dāng)于負(fù)載無限大。從圖1 可知，卡瓦持續(xù)供液會造成液壓泵負(fù)載反饋口LS 與作動油缸的負(fù)載壓力信號始終保持連通，即液壓泵始終感受到無限大負(fù)載壓力，液壓泵會持續(xù)升壓，直至達(dá)到液壓卡瓦供液閥的二次壓力設(shè)定值（16 MPa）并保持。當(dāng)其他設(shè)備，如液壓貓頭（也從負(fù)載敏感多路閥取液）動作時，初始負(fù)載比較?。僭O(shè)為5 MPa），流量需求大（額定流量120 L/min），此時系統(tǒng)壓力由在用負(fù)載中壓力最大值的決定，為16 MPa，則液壓貓頭供液閥的流量補(bǔ)償器、閥芯上的壓損為11 MPa，此壓損將以液壓油發(fā)熱的形式消耗在流量補(bǔ)償器及閥芯上。這種情況下，貓頭低負(fù)載持續(xù)時間越長，液壓系統(tǒng)油液發(fā)熱越嚴(yán)重。

另外，雖然負(fù)載敏感泵可自動調(diào)節(jié)流量，但是泵維持自身運轉(zhuǎn)仍有一定的流量輸出，即液壓泵仍有一定的輸出功率[4]。常供液保壓時設(shè)備未對外做功，液壓泵的輸出功率須全部以熱量形式耗散，如果長時間持續(xù)這種狀態(tài)，其發(fā)熱量也不容忽視。

上述兩個案例均會造成液壓泵持續(xù)憋壓，相當(dāng)于整個系統(tǒng)在以恒壓系統(tǒng)運行，導(dǎo)致系統(tǒng)喪失了負(fù)載敏感系統(tǒng)工作時隨負(fù)載變化相應(yīng)變化，停止工作時以較低待機(jī)壓力工作的節(jié)能優(yōu)勢。

2.3 負(fù)載壓力相差大的兩個設(shè)備同時動作造成油液發(fā)熱

如果兩個負(fù)載壓力相差很大的設(shè)備同時動作，也會造成系統(tǒng)油液發(fā)熱。比如負(fù)載敏感多路閥第一聯(lián)對應(yīng)設(shè)備以21 MPa工作，第二聯(lián)對應(yīng)設(shè)備以此時以10 MPa 工作，此時液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力由負(fù)載中壓力最大的決定，為21 MPa，則第二聯(lián)的流量補(bǔ)償器及閥芯上的壓力損失為11 MPa，此壓力損失將以液壓油發(fā)熱的形式消耗在補(bǔ)償器的閥口上[5]。這種情況下，第二聯(lián)閥上設(shè)備流量越大，動作持續(xù)時間越長，液壓系統(tǒng)油液發(fā)熱越嚴(yán)重。

2.4 安全閥設(shè)置不合理或損壞造成油液發(fā)熱

從圖1 可知，為了保證液壓系統(tǒng)安全，在液壓泵出口及多路閥進(jìn)油口均設(shè)置了安全閥。為了滿足多設(shè)備同時工作工況，液壓泵的最大工作壓力須按用液設(shè)備中額定壓力最大值再加上管路、過濾器、接頭及閥件等的壓損設(shè)定，安全閥的壓力一般按比液壓泵最高工作壓力高8%～10%設(shè)定[6]。以用液設(shè)備中額定壓力最大值為21 MPa 為例，考慮沿程損失，液壓泵最高壓力一般設(shè)定為23 MPa 左右，安全閥一般設(shè)置為25 MPa 左右，負(fù)載敏感多路閥進(jìn)油口處安全閥壓力也設(shè)定為25 MPa。

試驗?zāi)承吞栆簤耗酀{泵時，油液溫度升高很快，后排查為多路閥安全閥密封損壞。這個典型案例中，系統(tǒng)壓力小于安全閥設(shè)定壓力時，安全閥本應(yīng)關(guān)閉，但安全閥密封破損后相當(dāng)安全閥處存在一個“固定節(jié)流孔”，泥漿泵加載過程中，初始負(fù)載小，系統(tǒng)壓力也就小，所以該“固定節(jié)流孔”的孔前與孔后壓差小，通過安全閥漏失的油液流量也就小。由W=ΔP×Q 可知，因安全閥處漏失造成的油液發(fā)熱量比較小。隨著泥漿泵的負(fù)載增大，系統(tǒng)壓力也越來越大，該“固定節(jié)流孔”的孔前與孔后壓差不斷增大，通過安全閥漏失的油液流量也就越來越大，即ΔP 與Q 同時增大，因此安全閥漏失造成的系統(tǒng)油液發(fā)熱量會越來越大。

2.5 管路節(jié)流嚴(yán)重造成油液發(fā)熱

管路過長、管徑選型小、管路彎曲多；接頭選型小、變徑接頭多；管路上快拔設(shè)置多等情況，均會造成油液節(jié)流發(fā)熱，應(yīng)盡量避免。

3 應(yīng)對方法

首先須明確，由于存在管路的沿程損失、閥件及管件的壓損等無法避免的因素，液壓系統(tǒng)設(shè)計上無法完全消除系統(tǒng)油液發(fā)熱問題。但針對上述油液發(fā)熱的原因，可從以下方面改善液壓系統(tǒng)油液發(fā)熱情況：

（1）做好操作者培訓(xùn)，并設(shè)置必要的操作指示銘牌，指導(dǎo)操作者嚴(yán)格按要求使用操作。

（2）避免常通液方式實現(xiàn)須保壓設(shè)備的保壓，可通過設(shè)置蓄能器保壓或者小型恒壓變量泵單獨供液。

（3）安全閥設(shè)置壓力一般須保證大于系統(tǒng)最大壓力的8%～10%，并定期檢查安全閥完好性。

（4）優(yōu)化工作流程，盡量避免負(fù)載壓力相差大的兩個設(shè)備同時動作；減少中位M 形機(jī)能設(shè)備動作間隔時間。

（5）設(shè)計中避免管路過長、管徑過小、管路彎曲過多，避免接頭型號與流量不匹配、接頭變徑多，優(yōu)化設(shè)計，減少管路上的快拔數(shù)量。

（6）設(shè)計必要的強(qiáng)制冷卻方式。目前常見的強(qiáng)制冷卻方式有風(fēng)冷、水冷和油冷三種方式[2]，三者中風(fēng)冷系統(tǒng)的實現(xiàn)較為簡單，推薦優(yōu)先選用。在條件允許情況下，盡可能設(shè)計自動溫控裝置，以保證液壓系統(tǒng)在合理的溫度范圍內(nèi)工作。

4 結(jié)束語

通過對典型石油鉆機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)油液發(fā)熱的原因進(jìn)行分析，找出油液發(fā)熱原因主要為未切換至相應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)、常供液、負(fù)載壓力相差大的設(shè)備同時動作、安全閥設(shè)置不合理或損壞及管路節(jié)流嚴(yán)重，并針對上述原因提出了解決辦法。