顶驱刹车系统故障分析

姜开勋

（中石油长城钻探工程有限公司，北京 100101）

0 引言

顶部驱动钻井装置（简称“顶驱”）是取代转盘钻井的新型石油钻井装备，是近代钻井装备的三大新技术之一。顶驱能够实现立柱钻进，大大减少了起下钻过程接钻具的时间，降低了工人劳动强度，节约了20%～40%的钻井时间，减少钻井成本。顶驱可以在井架任意高度接上钻具开泵循环，实现划眼和倒划眼，大大减少钻井事故，提高钻井作业安全。顶驱刹车系统是顶驱完成钻井作业必不可少的一项功能。顶驱刹车一般为液压盘式刹车，属于静态刹车，因此一般不要使用顶驱刹车来进行主轴减速。本文通过处理现场服务的顶驱刹车故障过程，分析介绍顶驱刹车原理，总结一些处理顶驱刹车故障的有效方法。

1 Canrig1050E-712顶驱刹车故障处理分析

1.1 故障现象及处理过程

现场顶驱为Canrig1050E-712顶驱，三开复合钻进，定向过程中发现动力马达带动钻具反转，刹车抱紧力下降，当反扭矩大时，刹车失效。检查发现打顶驱刹车时，刹车钳有动作，排除电气元件以及电磁阀的故障。用测压表测量刹车钳压力，在打刹车旋钮瞬间有6.895 MPa（1000 psi）压力，但是压力不能保持，瞬间归零。怀疑有泄压处，打开盖板检查刹车钳，发现刹车钳密封损坏，打刹车时漏油，使得刹车压力不能保持。由于当时井深4081 m，二开套管鞋处位置1554 m，裸眼段较长，甲方要求需要起钻至套管内进行修理。起钻到套管鞋内，更换密封泄漏的刹车钳，顶驱刹车功能恢复正常。

1.2 故障原因分析

Canrig1050E顶驱刹车执行机构如图1所示，该型号顶驱有2套刹车执行机构。打刹车时，刹车执行机构左侧进油，左侧液缸伸出，使得右侧液缸内的腔体受到压缩，右侧液缸腔体内的液压油进入刹车钳液缸内，使得刹车钳抱住刹车盘。该刹车系统包括4对液压刹车钳，180°分布的两对为一组，由一组执行机构串联起来提供压力。刹车关闭时，左侧液缸回油腔进油，右侧腔内连接的活塞收回，使得右腔供给液压钳的压力降低为0。右侧腔体以及液压钳内的液压油由油杯内的液压油提供，构成一个单独的液压执行系统。拆卸更换刹车钳密封如图2所示，拆卸下的液压钳密封泄漏，使得打刹车时刹车钳的压力不能保持，当反扭矩大时，刹车没有足够的抱紧力，刹车失去作用。重装更换密封及刹车片后的刹车钳，恢复正常。本次故障处理过程中，首先旋动刹车开关，检查发现刹车钳有动作，排除电气元件以及电磁阀故障。用测压表测量刹车系统压力，进一步检查判断液压回路，查找出液压钳密封泄漏，更换液压钳后，刹车功能正常[1]。

图1 Canrig1050E 顶驱刹车执行机构

图2 拆卸更换刹车钳密封

2 其他种类顶驱刹车系统

2.1 Varco TDS 11SA顶驱盘刹系统

目前顶驱生产厂家繁多，市场占有率较高的是National Oilwell Varco（NOV）顶驱，其生产的Varco TDS-10SA和Varco TDS-11SA两款产品使用广泛，具有高可靠性和低维护费用等优越性。Varco TDS-10SA采用单变频电机结构紧凑，适用于3000 m及以下井深，可用于小型修井机和轻便钻机。Varco TDS-11SA型顶驱钻井装置由2台交流变频电机驱动，可以提供较大的输出扭矩，适应于各种井深设计。在电机上有一个盘式刹车，控制钻杆扭矩和在定向井钻井中定方位，由一个电磁阀遥控操作盘式刹车。下面以NOV公司生产的Varco TDS-11SA顶驱为例，介绍该类顶驱的刹车系统及其常见故障处理。Varco TDS-11SA顶驱交流钻井电机的刹车是弹簧复位，由减压阀控制工作压力为9.653 MPa（1400 psi），电磁阀控制刹车钳闭合。Varco TDS-11SA顶驱刹车系统可能发生的故障问题，以及可能产生的原因及需采取的措施如下：

（1）刹车片不松开。故障原因及处理方法：方向阀阻塞。测试阀件，必要时更换。

（2）刹车片松开但仍拖动。故障原因及处理方法：①单向阀阻塞或管线被挤压。根据情况更换单向阀或管线；②刹车机械故障。做机械检查并修复。

（3）制动失效。故障原因及处理方法：①制动钳上有液压油。检查液压泄漏和修理；②油压达不到9.653 MPa（1400 psi）或升压不畅。减压阀阻塞，需调整或更换；③单向阀阻塞。更换阀件。

（4）打开开关后刹车有制动延时现象。故障原因及处理方法：①液压油清洁度不够的，更换液压油；②减压阀有问题的，更换减压阀。

（5）刹车盘制动不释放。故障原因及处理方法：①液压换向阀卡死。手动换向检查电磁换向阀，若损坏，需更换；②盘刹复位机构失效。检查刹车机构。

（6）手轮回零后指示灯时而亮时而不亮。故障原因及处理方法：①线路或者指示灯接触不良；②手轮损坏，零位开关动作不正常。将顶驱空转到40转，刹车打到Auto位，然后手轮回零，观察顶驱主轴能否及时制动刹住。打开司钻控制箱，检查接线情况。

（7）刹车制动不灵敏。故障原因：①刹车片磨损严重。解决办法更换刹车片；②刹车油缸压力偏低。解决办法，调节刹车油路减压阀，提高工作压力。

2.2 Tesco电动顶驱刹车系统

Tesco公司生产的液压驱动和电驱动顶驱也有较高的市场占有率，其150HMI型适用于修井机及小型车载3000 m以下钻机。500HCI／ECI型、650HCI／ECI型等规格适用于配置3000～7000 m的深井钻机。Tesco公司的500ECI型顶驱钻井装置，采用AC变频驱动技术和美国公司生产的PA44型永磁同步电机。该电机转子为钛合金和铷铁硼磁性材料制造，壳体为铝合金材料制造，相比普通铜线圈和较大铸铁壳体的同规格电机，结构更加紧凑而坚固。电机总体质量轻，其外形尺寸与同规格其他电机相比减小了1/3，这也减轻了顶驱装置的体积和总重量。质量轻则转动惯量较小，不需要配备专门的制动器。电机体积较小，能节省出更多空间以满足顶驱装置其他元件的布置，有利于顶驱钻井装置的总体布局。Tesco电动顶驱定向钻进时，采用背钳夹紧在保护接头上，起到防止顶驱反转控制方位的作用。当顶驱背钳完全闭合时，把背钳开关恢复到中位位置，以防止辅助液压系统过热。当长时间定向钻井时，把背钳开关置于闭合，然后回到中位，1 h一次，使得背钳闭合回路（液压回路）保持最大压力[3]。

3 总结

顶驱刹车装置通常安装在主动电机的非驱动端，通常采用液压盘式刹车实现对电机轴的制动。国外的NOV公司顶驱，国内北石顶驱、天意顶驱、景宏顶驱，以及宝鸡石油机械厂生产的电动顶驱大致采用同样的液压盘式刹车。处理顶驱刹车故障时，要按照先电路后液路，先简单故障后复杂故障的排查思路，认真观察故障现象。再根据故障现象详细分析和排除，以最快速度找到故障点，进行解决。