钻机负载敏感系统发热问题分析及应对方法

张新刚，张 强，王 翠，姜 震，杨海刚，刘 旬

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002；2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西宝鸡 721002）

0 引言

降低能耗已经成为各行各业公认的降低生产成本的重要途径，是工业生产必须重视的问题，石油钻采行业对于降低能耗也越来越重视。负载敏感系统是一种通过感受系统压力—流量需求，提供所需的流量和压力的液压系统，它通过变量泵及负载敏感回路的合理配置，能显著降低液压系统中的无用功耗[1]，进而降低生产成本。该技术在石油钻机中的应用越来越广泛。

在负载敏感系统的应用过程中，出现的典型问题之一是油液发热。油液发热危害很多，它会使液压系统泄漏增大、容积效率下降，还会使控制元件的性能发生变化，油液变质及液压系统中的橡胶密封、软管等加速老化，并引起机械结构热变形，进而造成机械精度下降，甚至造成机械卡死[2]。本文就典型石油钻机负载敏感系统在应用中出现的发热问题进行分析，找出原因并提出应对方法。

1 典型石油钻机负载敏感液压系统

石油钻机配套的液压设备具有以下特点：

（1）种类繁多：石油钻机涉及液压二层台机械手、液压缓冲机械手、铁钻工、液压泥浆盒、液压钻台机械手、液压猫头、液压旋转猫头、液气大钳、液压绞车、B OP 移运装置、液压平移装置、液压缓冲装置、钻机液压起升装置、液压卡瓦等多种设备。

（2）压力需求差异大：石油钻机中的液压猫头、BOP 移运装置等设备额定压力为16 MPa，而钻机液压起升装置、液压平移装置等设备额定压力为21 MPa，一些厂家的铁钻工、液气大钳等设备额定压力为18 MPa。

（3）流量需求差异大：石油钻机液压泥浆盒额定流量仅为20 L/min，液压猫头额定流量为120 L/min，而铁钻工额定流量则为160 L/min。

（4）设备控制阀中位机能不同：石油钻机的BOP 移运装置、液压猫头、液气大钳设备等延续以往设计，控制阀组采用中位卸荷机能（M 形），而铁钻工、液压泥浆盒等设备控制阀组采用Y形或O 形机能，即中位时油泵不卸荷。

（5）液压系统设计不同：石油钻机的BOP 移运装置、液气大钳、卡瓦等设备采用恒压系统设计，而液压钻台机械手、液压二层台机械手等设备采用负载敏感系统设计。

（6）石油钻机配套设备多为间歇工作。

（7）石油钻机存在多设备同时作业的情况。

负载敏感系统能够感受系统压力—流量需求，仅提供系统所需的流量和压力，特别契合石油钻机配套设备的用液特点。针对石油钻机配套设备用液特点，设计了一种可切换为恒压系统的负载敏感系统，具体原理如图1 所示。

图1 可切换为恒压系统的负载敏感系统

该系统主要由带有压力切断、负载感应、功率控制的轴向柱塞变量泵+负载敏感比例多路换向阀组成，并在泵出口P 与负载反馈口LS 之间设计了球阀1 及球阀2，用于直接从泵出口P取负载反馈信号至泵的负载反馈口LS，通过球阀1 及球阀2 的切换组合，实现恒压系统与负载敏感系统的切换，并且可以实现不同压力级别的恒压系统切换，具体组合状态见表1。

表1 液压系统切换状态

该系统工作时用液设备可接至负载敏感比例多路换向阀工作油口，也可直接从泵出口的预留油口取液。经过油田现场使用验证，该系统能够满足钻机配套液压设备的用液需求，安全可靠，且具有节能降耗的优势，越来越多的石油钻机液压系统采用了该方案。

2 油液发热问题分析

2.1 未切换至相应系统状态造成油液发热

以某用户使用BOP 移运装置（额定压力16 MPa，额定流量120 L/min，恒压系统设计，控制多路阀中位为M 形机能）后未按要求切换系统状态，造成系统油液发热严重的故障为例。BOP移运装置工作时从泵出口的预留供油口取液，使用前须切换至恒压系统。使用完毕后，应及时断开BOP 移运装置管线，并将恒压系统切换回负载敏感系统，方可使用通过负载敏感多路阀供液的设备。该用户在使用BOP 移运装置完毕后，仅断开了BOP移运装置管线，未将球阀1、2 关闭，便开始使用液气大钳（额定压力16 MPa，额定流量120 L/min，中位为M 形机能）进行上扣作业，工作一段时间后系统油液发热严重。

这是由于液气大钳是从负载敏感多路阀工作油口取液，其供液联的中位机能为Y 形。停止使用液气大钳时，该供液联复中位会导致P 口封堵，此时相当于负载无限大，而球阀1、2 同时打开将导致泵出口P 直接传递负载反馈信号至泵的负载反馈口LS，负载决定压力，泵出口压力会持续上升，直至达到球阀2 处溢流阀设定压力16 MPa 为止，整个液气大钳停止使用期间，液压系统一直以16 MPa 的高压待机，虽然泵因为P 口封堵对外没有流量输出，但为了维持自身运转（自身润滑、维持压力、保持斜盘角度等），仍有一定流量的输出，即液压系统有一定的输出功率。在这个过程中，系统没有对外做功，根据能量守恒原理，液压系统的输出功率必然以热量形式由油液带走，导致油液温度升高。

再者，液气大钳1 个作业周期未完，两个动作间隙供液多路阀仍保持供液，液气大钳自身控制阀归中位，其供油P 与回油T将接通，此时相当于流量需求无限大，但供油联因流量补偿器存在，其最大流量为160 L/min[3]，所以系统实际以160 L/min 运行，这些油液流经管路、多路阀及液气大钳阀时会形成压损，在球阀1、2 同时打开导致泵出口P 直接传递负载反馈信号至泵的负载反馈口LS 情况下及未超电机功率（55 kW）之前，泵的流量输出趋势一直（系统单泵额定排量约为200 L/min）大于系统实际流量160 L/min，导致泵压持续憋至16 MPa（球阀2 处溢流阀设定压力为16 MPa），两个动作间隙液压系统也未对外做功，液压系统的输出功率42.67 kW 必然以热量形式由油液带走，所以也会造成油液温度。中位停止时间越长，其发热量越大。

如果冠动脉出现穿孔的现象，则会引起病人的大量出血，为了能够有效的减少病人的自己身体里的血液浪费以及输入的血液，对患者的心脏负担进行减负，相关的医护人员需要在无菌的环境下把抽个出来的心包积血再次的从患者的动脉输入体内，每一次输入的血量为100～150 mL，其每一次间隔的时间药以患者在手速过程中血压的具体情况以及心率的快慢来进行判断，在回输完成之后要用生理盐水对使用过的心包和引流管进行冲洗。手术结束后如果在X射线下心影逐渐的缩小，同时在心脏B超中看出心包的积液减少，在此种情况下就可以停止抽吸及回输心包积血。

2.2 用液设备常供液造成油液发热

以液压卡瓦使用为例，一些用户担心卡瓦夹持钻杆时夹持油缸失压造成夹持力不足导致钻柱落井，要求对卡瓦常供液保压。在这种情况下，其他设备动作时系统油液发热比较严重。

液压卡瓦从负载敏感多路阀取液，卡瓦夹持钻柱后会因钻柱阻碍无法行走，相当于负载无限大。从图1 可知，卡瓦持续供液会造成液压泵负载反馈口LS 与作动油缸的负载压力信号始终保持连通，即液压泵始终感受到无限大负载压力，液压泵会持续升压，直至达到液压卡瓦供液阀的二次压力设定值（16 MPa）并保持。当其他设备，如液压猫头（也从负载敏感多路阀取液）动作时，初始负载比较小（假设为5 MPa），流量需求大（额定流量120 L/min），此时系统压力由在用负载中压力最大值的决定，为16 MPa，则液压猫头供液阀的流量补偿器、阀芯上的压损为11 MPa，此压损将以液压油发热的形式消耗在流量补偿器及阀芯上。这种情况下，猫头低负载持续时间越长，液压系统油液发热越严重。

另外，虽然负载敏感泵可自动调节流量，但是泵维持自身运转仍有一定的流量输出，即液压泵仍有一定的输出功率[4]。常供液保压时设备未对外做功，液压泵的输出功率须全部以热量形式耗散，如果长时间持续这种状态，其发热量也不容忽视。

上述两个案例均会造成液压泵持续憋压，相当于整个系统在以恒压系统运行，导致系统丧失了负载敏感系统工作时随负载变化相应变化，停止工作时以较低待机压力工作的节能优势。

2.3 负载压力相差大的两个设备同时动作造成油液发热

如果两个负载压力相差很大的设备同时动作，也会造成系统油液发热。比如负载敏感多路阀第一联对应设备以21 MPa工作，第二联对应设备以此时以10 MPa 工作，此时液压系统的系统压力由负载中压力最大的决定，为21 MPa，则第二联的流量补偿器及阀芯上的压力损失为11 MPa，此压力损失将以液压油发热的形式消耗在补偿器的阀口上[5]。这种情况下，第二联阀上设备流量越大，动作持续时间越长，液压系统油液发热越严重。

2.4 安全阀设置不合理或损坏造成油液发热

从图1 可知，为了保证液压系统安全，在液压泵出口及多路阀进油口均设置了安全阀。为了满足多设备同时工作工况，液压泵的最大工作压力须按用液设备中额定压力最大值再加上管路、过滤器、接头及阀件等的压损设定，安全阀的压力一般按比液压泵最高工作压力高8%～10%设定[6]。以用液设备中额定压力最大值为21 MPa 为例，考虑沿程损失，液压泵最高压力一般设定为23 MPa 左右，安全阀一般设置为25 MPa 左右，负载敏感多路阀进油口处安全阀压力也设定为25 MPa。

试验某型号液压泥浆泵时，油液温度升高很快，后排查为多路阀安全阀密封损坏。这个典型案例中，系统压力小于安全阀设定压力时，安全阀本应关闭，但安全阀密封破损后相当安全阀处存在一个“固定节流孔”，泥浆泵加载过程中，初始负载小，系统压力也就小，所以该“固定节流孔”的孔前与孔后压差小，通过安全阀漏失的油液流量也就小。由W=ΔP×Q 可知，因安全阀处漏失造成的油液发热量比较小。随着泥浆泵的负载增大，系统压力也越来越大，该“固定节流孔”的孔前与孔后压差不断增大，通过安全阀漏失的油液流量也就越来越大，即ΔP 与Q 同时增大，因此安全阀漏失造成的系统油液发热量会越来越大。

2.5 管路节流严重造成油液发热

管路过长、管径选型小、管路弯曲多；接头选型小、变径接头多；管路上快拔设置多等情况，均会造成油液节流发热，应尽量避免。

3 应对方法

首先须明确，由于存在管路的沿程损失、阀件及管件的压损等无法避免的因素，液压系统设计上无法完全消除系统油液发热问题。但针对上述油液发热的原因，可从以下方面改善液压系统油液发热情况：

（1）做好操作者培训，并设置必要的操作指示铭牌，指导操作者严格按要求使用操作。

（2）避免常通液方式实现须保压设备的保压，可通过设置蓄能器保压或者小型恒压变量泵单独供液。

（3）安全阀设置压力一般须保证大于系统最大压力的8%～10%，并定期检查安全阀完好性。

（4）优化工作流程，尽量避免负载压力相差大的两个设备同时动作；减少中位M 形机能设备动作间隔时间。

（5）设计中避免管路过长、管径过小、管路弯曲过多，避免接头型号与流量不匹配、接头变径多，优化设计，减少管路上的快拔数量。

（6）设计必要的强制冷却方式。目前常见的强制冷却方式有风冷、水冷和油冷三种方式[2]，三者中风冷系统的实现较为简单，推荐优先选用。在条件允许情况下，尽可能设计自动温控装置，以保证液压系统在合理的温度范围内工作。

4 结束语

通过对典型石油钻机负载敏感液压系统油液发热的原因进行分析，找出油液发热原因主要为未切换至相应系统状态、常供液、负载压力相差大的设备同时动作、安全阀设置不合理或损坏及管路节流严重，并针对上述原因提出了解决办法。