◇中石油川慶鉆探國際工程公司 王加松 張慧杰

平衡閥被廣泛應用于起重機械液壓系統(tǒng)中，在鉆井設備中也有較多應用，有著非常重要的作用。但是通過調查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場設備人員對平衡閥知之甚少，對平衡閥的日常檢查和故障判斷處理存在困難。本文通過對平衡閥常見類型及其工作原理進行分析，闡述了不同情況下平衡閥對負載的安全保護作用，對現(xiàn)場設備人員對平衡閥的正確使用維護和風險防控有一定的幫助。

1 引言

在液壓控制系統(tǒng)中，如果產生負載力的方向和機構運動方向相同，則負載力將助長機構的運動，而如果執(zhí)行機構的回油路中缺乏油壓，則運動部件會因自重產生自行下滑，甚至可能產生超速運動現(xiàn)象，所以為了避免運動部件的自行下滑和超速，就需在執(zhí)行機構的回油路設置平衡閥，來形成相應的背壓以起到平衡負載力的目的。

2 平衡閥的常見類型及其工作原理

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

平衡閥主要用在起重液壓機械系統(tǒng)中，執(zhí)行機構主要有液壓缸和液壓馬達。在石油鉆井設備中，常見的平衡閥類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，下面通過四種平衡回路對這四種類型平衡閥進行分析。

（1）單向順序閥。如圖1（a）所示，單向順序閥1作為平衡閥，此順序閥的調定壓力需略大于運動部件由于自重在液缸下腔中形成的壓力。當換向閥處在左位時，油缸有桿腔進油，此時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；當換向閥處于中位時，運動部件自重在液缸下腔形成的壓力小于單向順序閥開啟壓力，從而避免了運動部件由于自重所造成的自動下滑，活塞保持靜止；當換向閥處于右位時，無桿腔進油，此時單向順序閥相當于單向閥，通過此種回路，活塞上行。但當順序閥壓力經過調定后，它所產生的背壓為固定值，如果下行過程中，負載變小時，將產生過平衡現(xiàn)象，導致泵的供油壓力增加，故一般只應用在負載恒定的工作場所。

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。當換向閥處在左位，液缸有桿腔進油，此時平衡閥處的控制油壓力大于或等于閥的設定開啟壓力，平衡閥主閥芯動作，閥打開，閥的開口尺寸隨控制油壓力改變而發(fā)生變化，當控制油壓力增加，開口變大；控制油壓力減少，開口減小，活塞桿平穩(wěn)下行；當換向閥處于中位時，控制油壓力消失，平衡閥關閉，活塞停止運動。當換向閥處于右位，液壓缸無桿腔進油，此時平衡閥處的控制油壓力很低，平衡閥的主閥芯不動作，平衡閥就相當于單向閥，活塞桿上行；閥的開口大小、控制油壓力和閥的進、出油口壓差之間形成一個動態(tài)平衡。這種回路可適用于所平衡的負載有顯著變化的場合，如液壓起重機、升降機等。

（3）單向節(jié)流閥或單向調速閥。如圖1（c）所示，在液壓缸回油路上設置單向節(jié)流閥1，來充當平衡閥以平衡負載。當換向閥置于左位時，液缸有桿腔進油，通過適當調節(jié)單向節(jié)流閥建立背壓平衡負載，活塞桿可以平穩(wěn)下行。當換向閥處于中位時，液缸進、出口均處于截止狀態(tài)，由單向節(jié)流閥產生的背壓平衡負載，活塞保持靜止狀態(tài)；當換向閥處于右位時，液缸無桿腔進油，此時平衡閥相當于單向閥。單向節(jié)流閥主要適用作對速度穩(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；若采用單向調速閥予以代替，則其回路受負載的影響明顯減小。適用于如貨輪艙口蓋的啟閉、叉式裝卸車的升降、電梯或升降平臺的升降等。

（4）單向節(jié)流閥（或調速閥）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；當換向閥置于左位，液壓缸有桿腔進油，液控單向閥雙導通，單向節(jié)流閥（或單向調速閥）產生背壓，平衡負載；當換向閥處于中位，此時液控單向閥單向導通，使運動部件保持靜止；當換向閥處在右位，液壓缸無桿腔進油，此時平衡閥相當于單向閥。單向節(jié)流閥適用于負載固定場合，而單向調速閥則適用于負載變化的場合。本平衡回路負載小，流量大時，效率較低，故常應用于剪切機等回路。

3 平衡閥的安全保護作用

平衡閥在液壓管線破裂等異常情況下還能起到安全保護作用。當液缸有桿腔進油，活塞桿下行時，如果此時液缸有桿腔和控制閥塊間的液壓管線出現(xiàn)破裂，則液壓缸有桿腔內高壓消失，針對第二種和第四種平衡閥，控制油壓力消失，平衡閥迅速轉換到單向閥的工作狀態(tài)，而第一種靠單向順序閥產生背壓，第三種靠單向節(jié)流閥或單向調速閥產生背壓，此時四種平衡閥相當于截止閥，閥口關閉，切斷無桿腔油路，負載保持不動作，起到安全保護作用；如果此時液壓缸無桿腔和控制閥塊間的液壓管線出現(xiàn)破裂，則不影響活塞桿的正常下行。

當換向手柄處于零位，活塞桿靜止時，此時液缸進、出口關閉，不管是有桿腔和控制閥塊間的液壓管線破裂，還是無桿腔和控制閥塊間的液壓管線破裂，負載都保持不動。

當液缸無桿腔進油，活塞桿上行時，平衡閥相當于單向閥，如果此時液壓缸有桿腔和控制閥塊間的液壓管線出現(xiàn)破裂，不影響活塞桿的正常上行；如果液壓缸無桿腔和控制閥塊間的液壓管線出現(xiàn)破裂，平衡閥立即從導通狀態(tài)轉換到到截止狀態(tài)，此時相當于截止閥，將閥口關閉，截斷了無桿腔油路，負載則維持不動，起到安全保護作用。

當然，上訴安全保護作用是建立在平衡閥與執(zhí)行元件可靠連接的基礎上，根據(jù)GB/T 6067.1-2010《起重機安全規(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，且距離也應當盡可能縮短，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備中的應用

平衡閥在鉆井設備中有較為廣泛的應用，比如VARCO頂驅、防噴器移動裝置以及修井機井架起升裝置等均配置了形式不一的平衡閥。

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

4.1 平衡閥在 VARCO頂驅中的應用

VARCO頂驅吊環(huán)傾斜油缸的進油口和出油口都配置了平衡閥，平衡閥處于進油口時充當單向閥，處于回油口時充當順序閥，使回油口產生背壓，所以吊環(huán)在傾斜和收回時，即油缸伸出和縮回時，都能做到動作平緩，減低了起、下鉆和接單根等作業(yè)的操作難度，當管線意外破裂，平衡閥會起到保護作用，不影響吊環(huán)的正?？s放和停止，避免事故發(fā)生。

圖2 平衡閥在VARCO頂驅的應用

圖3 平衡閥在防噴器移動裝置的應用

圖4 平衡閥在XJ650修井機井架起升和伸縮油缸中的應用

4.2 平衡閥在防噴器移動裝置中的應用

防噴器移動裝置的兩只升降油缸的無桿腔配置了液控平衡閥，在井口作業(yè)時，不同的井段，防噴器移動裝置提升負載也是不同的，負載變大，進油路油壓減低，平衡閥控制力變低，則閥的節(jié)流口變??；負載變小，進油路油壓變高，控制力升高，則閥的節(jié)流口變大；這種平衡閥正好適應于負載變化的場合。在遇到液壓管線破裂等突發(fā)情況，平衡閥也會起到安全保護作用，避免對設備和井口作業(yè)人員造成傷害。

4.3 平衡閥在修井機井架起升和伸縮裝置中的應用

修井機井架起升和伸縮油缸的回路中設置了單向節(jié)流閥作為平衡閥，平衡了井架負載，可以很好的控制井架下放速度，保證了井架平穩(wěn)回落到修井車上。同樣，當遇到管線破裂等異常情況，平衡閥會起到安全保護作用。

5 平衡閥常見故障

（1）無法保持負載。油缸下沉，無法保持負載，造成原因可能是平衡閥內泄，也有可能是油缸內泄。判斷方法，第一步是確保在安全的情況下，將油缸伸出，確保有負載；接下來就是停泵，拆除平衡閥上所有的管線；然后觀察各個油口，是否有液壓油冒出來，如果有的話，說明是平衡閥內泄，如果沒有，則說明油缸內泄。

（2）油缸沒有動作。平衡閥內閥芯是比較精密的，它對液壓油的油品質量要求比較高，如果液壓油比較臟，使得平衡閥內閥芯卡滯造成回油不暢，可能使得油缸沒有動作，如果是平衡閥故障導致油缸沒有動作，會造成油缸某一個動作沒有，比如某一節(jié)臂的伸出或收回沒有動作，我們可以判斷為是平衡閥卡滯導致的問題，這個時候需要更換平衡閥。

6 結束語

平衡閥不但具有平衡和保持負載的功能，同時在管路損壞或制動失靈等異常情況下，還可保證執(zhí)行元件安全停止（鎖止）并避免其超速，具有十分關鍵的安全保障功能。所以，在日常使用中，對平衡閥的檢查和維護一定要引起足夠的重視。