姜開勛

（中石油長城鉆探工程有限公司，北京 100101）

0 引言

頂部驅(qū)動鉆井裝置（簡稱“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，大大減少了起下鉆過程接鉆具的時間，降低了工人勞動強度，節(jié)約了20%～40%的鉆井時間，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)剎車來進行主軸減速。本文通過處理現(xiàn)場服務(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)場頂驅(qū)為Canrig1050E-712頂驅(qū)，三開復(fù)合鉆進，定向過程中發(fā)現(xiàn)動力馬達帶動鉆具反轉(zhuǎn)，剎車抱緊力下降，當(dāng)反扭矩大時，剎車失效。檢查發(fā)現(xiàn)打頂驅(qū)剎車時，剎車鉗有動作，排除電氣元件以及電磁閥的故障。用測壓表測量剎車鉗壓力，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，打剎車時漏油，使得剎車壓力不能保持。由于當(dāng)時井深4081 m，二開套管鞋處位置1554 m，裸眼段較長，甲方要求需要起鉆至套管內(nèi)進行修理。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)行機構(gòu)如圖1所示，該型號頂驅(qū)有2套剎車執(zhí)行機構(gòu)。打剎車時，剎車執(zhí)行機構(gòu)左側(cè)進油，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對液壓剎車鉗，180°分布的兩對為一組，由一組執(zhí)行機構(gòu)串聯(lián)起來提供壓力。剎車關(guān)閉時，左側(cè)液缸回油腔進油，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)成一個單獨的液壓執(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，使得打剎車時剎車鉗的壓力不能保持，當(dāng)反扭矩大時，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，首先旋動剎車開關(guān)，檢查發(fā)現(xiàn)剎車鉗有動作，排除電氣元件以及電磁閥故障。用測壓表測量剎車系統(tǒng)壓力，進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費用等優(yōu)越性。Varco TDS-10SA采用單變頻電機結(jié)構(gòu)緊湊，適用于3000 m及以下井深，可用于小型修井機和輕便鉆機。Varco TDS-11SA型頂驅(qū)鉆井裝置由2臺交流變頻電機驅(qū)動，可以提供較大的輸出扭矩，適應(yīng)于各種井深設(shè)計。在電機上有一個盤式剎車，控制鉆桿扭矩和在定向井鉆井中定方位，由一個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。測試閥件，必要時更換。

（2）剎車片松開但仍拖動。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剎車機械故障。做機械檢查并修復(fù)。

（3）制動失效。故障原因及處理方法：①制動鉗上有液壓油。檢查液壓泄漏和修理；②油壓達不到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)后剎車有制動延時現(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）剎車盤制動不釋放。故障原因及處理方法：①液壓換向閥卡死。手動換向檢查電磁換向閥，若損壞，需更換；②盤剎復(fù)位機構(gòu)失效。檢查剎車機構(gòu)。

（6）手輪回零后指示燈時而亮?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)主軸能否及時制動剎住。打開司鉆控制箱，檢查接線情況。

（7）剎車制動不靈敏。故障原因：①剎車片磨損嚴重。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電動頂驅(qū)剎車系統(tǒng)

Tesco公司生產(chǎn)的液壓驅(qū)動和電驅(qū)動頂驅(qū)也有較高的市場占有率，其150HMI型適用于修井機及小型車載3000 m以下鉆機。500HCI／ECI型、650HCI／ECI型等規(guī)格適用于配置3000～7000 m的深井鉆機。Tesco公司的500ECI型頂驅(qū)鉆井裝置，采用AC變頻驅(qū)動技術(shù)和美國公司生產(chǎn)的PA44型永磁同步電機。該電機轉(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，結(jié)構(gòu)更加緊湊而堅固。電機總體質(zhì)量輕，其外形尺寸與同規(guī)格其他電機相比減小了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)動慣量較小，不需要配備專門的制動器。電機體積較小，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電動頂驅(qū)定向鉆進時，采用背鉗夾緊在保護接頭上，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，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)長時間定向鉆井時，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電機的非驅(qū)動端，通常采用液壓盤式剎車實現(xiàn)對電機軸的制動。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)，以及寶雞石油機械廠生產(chǎn)的電動頂驅(qū)大致采用同樣的液壓盤式剎車。處理頂驅(qū)剎車故障時，要按照先電路后液路，先簡單故障后復(fù)雜故障的排查思路，認真觀察故障現(xiàn)象。再根據(jù)故障現(xiàn)象詳細分析和排除，以最快速度找到故障點，進行解決。