張新剛，張 強，王 翠，姜 震，楊海剛，劉 旬

（1.寶雞石油機械有限責任公司，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]，進而降低生產(chǎn)成本。該技術(shù)在石油鉆機中的應用越來越廣泛。

在負載敏感系統(tǒng)的應用過程中，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，并引起機械結(jié)構(gòu)熱變形，進而造成機械精度下降，甚至造成機械卡死[2]。本文就典型石油鉆機負載敏感系統(tǒng)在應用中出現(xiàn)的發(fā)熱問題進行分析，找出原因并提出應對方法。

1 典型石油鉆機負載敏感液壓系統(tǒng)

石油鉆機配套的液壓設(shè)備具有以下特點：

（1）種類繁多：石油鉆機涉及液壓二層臺機械手、液壓緩沖機械手、鐵鉆工、液壓泥漿盒、液壓鉆臺機械手、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)備控制閥中位機能不同：石油鉆機的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，而液壓鉆臺機械手、液壓二層臺機械手等設(shè)備采用負載敏感系統(tǒng)設(shè)計。

（6）石油鉆機配套設(shè)備多為間歇工作。

（7）石油鉆機存在多設(shè)備同時作業(yè)的情況。

負載敏感系統(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，特別契合石油鉆機配套設(shè)備的用液特點。針對石油鉆機配套設(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)的負載敏感系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由帶有壓力切斷、負載感應、功率控制的軸向柱塞變量泵+負載敏感比例多路換向閥組成，并在泵出口P 與負載反饋口LS 之間設(shè)計了球閥1 及球閥2，用于直接從泵出口P取負載反饋信號至泵的負載反饋口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)備可接至負載敏感比例多路換向閥工作油口，也可直接從泵出口的預留油口取液。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)熱嚴重的故障為例。BOP移運裝置工作時從泵出口的預留供油口取液，使用前須切換至恒壓系統(tǒng)。使用完畢后，應及時斷開BOP 移運裝置管線，并將恒壓系統(tǒng)切換回負載敏感系統(tǒng)，方可使用通過負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 形機能）進行上扣作業(yè)，工作一段時間后系統(tǒng)油液發(fā)熱嚴重。

這是由于液氣大鉗是從負載敏感多路閥工作油口取液，其供液聯(lián)的中位機能為Y 形。停止使用液氣大鉗時，該供液聯(lián)復中位會導致P 口封堵，此時相當于負載無限大，而球閥1、2 同時打開將導致泵出口P 直接傳遞負載反饋信號至泵的負載反饋口LS，負載決定壓力，泵出口壓力會持續(xù)上升，直至達到球閥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，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，此時相當于流量需求無限大，但供油聯(lián)因流量補償器存在，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 同時打開導致泵出口P 直接傳遞負載反饋信號至泵的負載反饋口LS 情況下及未超電機功率（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，對患者的心臟負擔進行減負，相關(guān)的醫(yī)護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，一些用戶擔心卡瓦夾持鉆桿時夾持油缸失壓造成夾持力不足導致鉆柱落井，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)熱比較嚴重。

液壓卡瓦從負載敏感多路閥取液，卡瓦夾持鉆柱后會因鉆柱阻礙無法行走，相當于負載無限大。從圖1 可知，卡瓦持續(xù)供液會造成液壓泵負載反饋口LS 與作動油缸的負載壓力信號始終保持連通，即液壓泵始終感受到無限大負載壓力，液壓泵會持續(xù)升壓，直至達到液壓卡瓦供液閥的二次壓力設(shè)定值（16 MPa）并保持。當其他設(shè)備，如液壓貓頭（也從負載敏感多路閥取液）動作時，初始負載比較?。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償器及閥芯上。這種情況下，貓頭低負載持續(xù)時間越長，液壓系統(tǒng)油液發(fā)熱越嚴重。

另外，雖然負載敏感泵可自動調(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，相當于整個系統(tǒng)在以恒壓系統(tǒng)運行，導致系統(tǒng)喪失了負載敏感系統(tǒng)工作時隨負載變化相應變化，停止工作時以較低待機壓力工作的節(jié)能優(yōu)勢。

2.3 負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。比如負載敏感多路閥第一聯(lián)對應設(shè)備以21 MPa工作，第二聯(lián)對應設(shè)備以此時以10 MPa 工作，此時液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力由負載中壓力最大的決定，為21 MPa，則第二聯(lián)的流量補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，負載敏感多路閥進油口處安全閥壓力也設(shè)定為25 MPa。

試驗某型號液壓泥漿泵時，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，安全閥本應關(guān)閉，但安全閥密封破損后相當安全閥處存在一個“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，應盡量避免。

3 應對方法

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，并設(shè)置必要的操作指示銘牌，指導操作者嚴格按要求使用操作。

（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，盡量避免負載壓力相差大的兩個設(shè)備同時動作；減少中位M 形機能設(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)計必要的強制冷卻方式。目前常見的強制冷卻方式有風冷、水冷和油冷三種方式[2]，三者中風冷系統(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負載敏感液壓系統(tǒng)油液發(fā)熱的原因進行分析，找出油液發(fā)熱原因主要為未切換至相應系統(tǒng)狀態(tài)、常供液、負載壓力相差大的設(shè)備同時動作、安全閥設(shè)置不合理或損壞及管路節(jié)流嚴重，并針對上述原因提出了解決辦法。