姜開勛

（中石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司，北京 100101）

0 引言

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置（簡(jiǎn)稱“頂驅(qū)”）是取代轉(zhuǎn)盤鉆井的新型石油鉆井裝備，是近代鉆井裝備的三大新技術(shù)之一。頂驅(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)立柱鉆進(jìn)，大大減少了起下鉆過程接鉆具的時(shí)間，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了20%～40%的鉆井時(shí)間，減少鉆井成本。頂驅(qū)可以在井架任意高度接上鉆具開泵循環(huán)，實(shí)現(xiàn)劃眼和倒劃眼，大大減少鉆井事故，提高鉆井作業(yè)安全。頂驅(qū)剎車系統(tǒng)是頂驅(qū)完成鉆井作業(yè)必不可少的一項(xiàng)功能。頂驅(qū)剎車一般為液壓盤式剎車，屬于靜態(tài)剎車，因此一般不要使用頂驅(qū)剎車來進(jìn)行主軸減速。本文通過處理現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的頂驅(qū)剎車故障過程，分析介紹頂驅(qū)剎車原理，總結(jié)一些處理頂驅(qū)剎車故障的有效方法。

1 Canrig1050E-712頂驅(qū)剎車故障處理分析

1.1 故障現(xiàn)象及處理過程

現(xiàn)場(chǎng)頂驅(qū)為Canrig1050E-712頂驅(qū)，三開復(fù)合鉆進(jìn)，定向過程中發(fā)現(xiàn)動(dòng)力馬達(dá)帶動(dòng)鉆具反轉(zhuǎn)，剎車抱緊力下降，當(dāng)反扭矩大時(shí)，剎車失效。檢查發(fā)現(xiàn)打頂驅(qū)剎車時(shí)，剎車鉗有動(dòng)作，排除電氣元件以及電磁閥的故障。用測(cè)壓表測(cè)量剎車鉗壓力，在打剎車旋鈕瞬間有6.895 MPa（1000 psi）壓力，但是壓力不能保持，瞬間歸零。懷疑有泄壓處，打開蓋板檢查剎車鉗，發(fā)現(xiàn)剎車鉗密封損壞，打剎車時(shí)漏油，使得剎車壓力不能保持。由于當(dāng)時(shí)井深4081 m，二開套管鞋處位置1554 m，裸眼段較長(zhǎng)，甲方要求需要起鉆至套管內(nèi)進(jìn)行修理。起鉆到套管鞋內(nèi)，更換密封泄漏的剎車鉗，頂驅(qū)剎車功能恢復(fù)正常。

1.2 故障原因分析

Canrig1050E頂驅(qū)剎車執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖1所示，該型號(hào)頂驅(qū)有2套剎車執(zhí)行機(jī)構(gòu)。打剎車時(shí)，剎車執(zhí)行機(jī)構(gòu)左側(cè)進(jìn)油，左側(cè)液缸伸出，使得右側(cè)液缸內(nèi)的腔體受到壓縮，右側(cè)液缸腔體內(nèi)的液壓油進(jìn)入剎車鉗液缸內(nèi)，使得剎車鉗抱住剎車盤。該剎車系統(tǒng)包括4對(duì)液壓剎車鉗，180°分布的兩對(duì)為一組，由一組執(zhí)行機(jī)構(gòu)串聯(lián)起來提供壓力。剎車關(guān)閉時(shí)，左側(cè)液缸回油腔進(jìn)油，右側(cè)腔內(nèi)連接的活塞收回，使得右腔供給液壓鉗的壓力降低為0。右側(cè)腔體以及液壓鉗內(nèi)的液壓油由油杯內(nèi)的液壓油提供，構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的液壓執(zhí)行系統(tǒng)。拆卸更換剎車鉗密封如圖2所示，拆卸下的液壓鉗密封泄漏，使得打剎車時(shí)剎車鉗的壓力不能保持，當(dāng)反扭矩大時(shí)，剎車沒有足夠的抱緊力，剎車失去作用。重裝更換密封及剎車片后的剎車鉗，恢復(fù)正常。本次故障處理過程中，首先旋動(dòng)剎車開關(guān)，檢查發(fā)現(xiàn)剎車鉗有動(dòng)作，排除電氣元件以及電磁閥故障。用測(cè)壓表測(cè)量剎車系統(tǒng)壓力，進(jìn)一步檢查判斷液壓回路，查找出液壓鉗密封泄漏，更換液壓鉗后，剎車功能正常[1]。

圖1 Canrig1050E 頂驅(qū)剎車執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖2 拆卸更換剎車鉗密封

2 其他種類頂驅(qū)剎車系統(tǒng)

2.1 Varco TDS 11SA頂驅(qū)盤剎系統(tǒng)

目前頂驅(qū)生產(chǎn)廠家繁多，市場(chǎng)占有率較高的是National Oilwell Varco（NOV）頂驅(qū)，其生產(chǎn)的Varco TDS-10SA和Varco TDS-11SA兩款產(chǎn)品使用廣泛，具有高可靠性和低維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)越性。Varco TDS-10SA采用單變頻電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，適用于3000 m及以下井深，可用于小型修井機(jī)和輕便鉆機(jī)。Varco TDS-11SA型頂驅(qū)鉆井裝置由2臺(tái)交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以提供較大的輸出扭矩，適應(yīng)于各種井深設(shè)計(jì)。在電機(jī)上有一個(gè)盤式剎車，控制鉆桿扭矩和在定向井鉆井中定方位，由一個(gè)電磁閥遙控操作盤式剎車。下面以NOV公司生產(chǎn)的Varco TDS-11SA頂驅(qū)為例，介紹該類頂驅(qū)的剎車系統(tǒng)及其常見故障處理。Varco TDS-11SA頂驅(qū)交流鉆井電機(jī)的剎車是彈簧復(fù)位，由減壓閥控制工作壓力為9.653 MPa（1400 psi），電磁閥控制剎車鉗閉合。Varco TDS-11SA頂驅(qū)剎車系統(tǒng)可能發(fā)生的故障問題，以及可能產(chǎn)生的原因及需采取的措施如下：

（1）剎車片不松開。故障原因及處理方法：方向閥阻塞。測(cè)試閥件，必要時(shí)更換。

（2）剎車片松開但仍拖動(dòng)。故障原因及處理方法：①單向閥阻塞或管線被擠壓。根據(jù)情況更換單向閥或管線；②剎車機(jī)械故障。做機(jī)械檢查并修復(fù)。

（3）制動(dòng)失效。故障原因及處理方法：①制動(dòng)鉗上有液壓油。檢查液壓泄漏和修理；②油壓達(dá)不到9.653 MPa（1400 psi）或升壓不暢。減壓閥阻塞，需調(diào)整或更換；③單向閥阻塞。更換閥件。

（4）打開開關(guān)后剎車有制動(dòng)延時(shí)現(xiàn)象。故障原因及處理方法：①液壓油清潔度不夠的，更換液壓油；②減壓閥有問題的，更換減壓閥。

（5）剎車盤制動(dòng)不釋放。故障原因及處理方法：①液壓換向閥卡死。手動(dòng)換向檢查電磁換向閥，若損壞，需更換；②盤剎復(fù)位機(jī)構(gòu)失效。檢查剎車機(jī)構(gòu)。

（6）手輪回零后指示燈時(shí)而亮?xí)r而不亮。故障原因及處理方法：①線路或者指示燈接觸不良；②手輪損壞，零位開關(guān)動(dòng)作不正常。將頂驅(qū)空轉(zhuǎn)到40轉(zhuǎn)，剎車打到Auto位，然后手輪回零，觀察頂驅(qū)主軸能否及時(shí)制動(dòng)剎住。打開司鉆控制箱，檢查接線情況。

（7）剎車制動(dòng)不靈敏。故障原因：①剎車片磨損嚴(yán)重。解決辦法更換剎車片；②剎車油缸壓力偏低。解決辦法，調(diào)節(jié)剎車油路減壓閥，提高工作壓力。

2.2 Tesco電動(dòng)頂驅(qū)剎車系統(tǒng)

Tesco公司生產(chǎn)的液壓驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)也有較高的市場(chǎng)占有率，其150HMI型適用于修井機(jī)及小型車載3000 m以下鉆機(jī)。500HCI／ECI型、650HCI／ECI型等規(guī)格適用于配置3000～7000 m的深井鉆機(jī)。Tesco公司的500ECI型頂驅(qū)鉆井裝置，采用AC變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)和美國公司生產(chǎn)的PA44型永磁同步電機(jī)。該電機(jī)轉(zhuǎn)子為鈦合金和銣鐵硼磁性材料制造，殼體為鋁合金材料制造，相比普通銅線圈和較大鑄鐵殼體的同規(guī)格電機(jī)，結(jié)構(gòu)更加緊湊而堅(jiān)固。電機(jī)總體質(zhì)量輕，其外形尺寸與同規(guī)格其他電機(jī)相比減小了1/3，這也減輕了頂驅(qū)裝置的體積和總重量。質(zhì)量輕則轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，不需要配備專門的制動(dòng)器。電機(jī)體積較小，能節(jié)省出更多空間以滿足頂驅(qū)裝置其他元件的布置，有利于頂驅(qū)鉆井裝置的總體布局。Tesco電動(dòng)頂驅(qū)定向鉆進(jìn)時(shí)，采用背鉗夾緊在保護(hù)接頭上，起到防止頂驅(qū)反轉(zhuǎn)控制方位的作用。當(dāng)頂驅(qū)背鉗完全閉合時(shí)，把背鉗開關(guān)恢復(fù)到中位位置，以防止輔助液壓系統(tǒng)過熱。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間定向鉆井時(shí)，把背鉗開關(guān)置于閉合，然后回到中位，1 h一次，使得背鉗閉合回路（液壓回路）保持最大壓力[3]。

3 總結(jié)

頂驅(qū)剎車裝置通常安裝在主動(dòng)電機(jī)的非驅(qū)動(dòng)端，通常采用液壓盤式剎車實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)軸的制動(dòng)。國外的NOV公司頂驅(qū)，國內(nèi)北石頂驅(qū)、天意頂驅(qū)、景宏頂驅(qū)，以及寶雞石油機(jī)械廠生產(chǎn)的電動(dòng)頂驅(qū)大致采用同樣的液壓盤式剎車。處理頂驅(qū)剎車故障時(shí)，要按照先電路后液路，先簡(jiǎn)單故障后復(fù)雜故障的排查思路，認(rèn)真觀察故障現(xiàn)象。再根據(jù)故障現(xiàn)象詳細(xì)分析和排除，以最快速度找到故障點(diǎn)，進(jìn)行解決。