石油鉆機剎車安全保護系統(tǒng)的設計與應用研究

姜金鳳 李蒙

摘 ?要：近年來，石油開采技術迅猛發(fā)展，與此相對應的是諸多石油開采設備的不斷發(fā)展。石油鉆采設備作為石油開采設備的一項重要技術近年來得到了長足發(fā)展。石油鉆采設備中最為重要的部分就是剎車系統(tǒng)部分，該部分技術的優(yōu)越性和先進性在很大程度上決定其最終的使用效率及安全度。因此，本文對于當前市面上石油鉆機廣泛應用的剎車安全保護系統(tǒng)進行逐一分析。特別是其中的剎車信號部分及與其相對應的氣控信號部分等。石油鉆機剎車安全保護系統(tǒng)是否能夠在保持足夠安全度的同時，滿足人性化設計需求，同時兼具智能、自動化的特征，將會對整個石油鉆機設備最終的使用效果產(chǎn)生深遠影響?；谝陨显O計理念，本文以此為核心展開探討，提出相應的安全保護系統(tǒng)改進措施，以此來使得不同石油鉆機系統(tǒng)都能夠獲得相應的優(yōu)化路徑。進一步推動了石油開采行業(yè)的發(fā)展。

關鍵詞：石油鉆機;剎車安全保護系統(tǒng);設計與應用;氣控

中圖分類號：TE922???文獻標識碼：A????文章編號：2096-6903（2019）05-0000-00

0 引言

石油鉆機設備在其發(fā)展過程中，已經(jīng)擁有了包含：斷氣、斷電保護功能及過卷、重錘、電子等防碰措施在內(nèi)的高效的安全保護系統(tǒng)。石油鉆機系統(tǒng)之所以能夠獲得有效的運行，在本質(zhì)上也與以上措施之間在保護邏輯上的全面性有著密不可分的聯(lián)系。這種內(nèi)在聯(lián)系，也能夠?qū)崿F(xiàn)對于液壓盤剎車系統(tǒng)的高度控制。因此，最終整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)才會獲得逐步提升。在此背景下，在滿足現(xiàn)有石油鉆機現(xiàn)場使用狀況下，探究一種更深度的且能夠統(tǒng)籌其內(nèi)在保護邏輯的方案，會對其最終安全使用水平的提升產(chǎn)生不容小覷的深遠影響。

1 石油鉆機剎車安全保護系統(tǒng)設計分析

當前的石油鉆機，擁有多種不同形式的驅(qū)動方法，對于不同的石油鉆機，其控制操作單元所采用的控制形式也不同。一般來講，主要有氣控閥控制形式與電磁閥控制形式兩種。此外在其執(zhí)行機構(gòu)中，盤剎系統(tǒng)擁有多種類型的手柄，如機械類手柄、電子類手柄等。因此，不管是在設計全新的石油鉆機，還是對舊有的石油鉆機進行改造，首先要對其剎車安全保護系統(tǒng)進行針對性的重新設計，使其獲得相應的、源源不斷的使用動力。本文在進行方案設計時這一目標為中心，提出一種兼具安全性和可靠性，同時還具有高度智能化水平的石油鉆機剎車安全保護系統(tǒng)。該系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

石油鉆機的剎車安全保護系統(tǒng)在運行過程中，其外圍多個氣控信號均具有重要作用。以上信號既包括斷電斷氣保護的內(nèi)容，同時還包括防碰重大壓力的錘擊、防碰電子等內(nèi)容。該系統(tǒng)通過對以上多個氣控信號的統(tǒng)一控制，來實現(xiàn)其盤剎控制目的。在該控制過程中，還需要用到多個梭閥工具，只有將不同信號合并成一路，才能夠?qū)崿F(xiàn)最終的控制目的。

由圖1可知：當以上信號集結(jié)為一路時不僅能實現(xiàn)控制盤的剎車動作還可以將剎車信號傳送到PLC中作為反饋信息。該過程的實現(xiàn)是通過機械式開關完成的。圖1當中A部分，是作為氣控信號形式存在的。當盤剎系統(tǒng)突然發(fā)生駐車現(xiàn)象或急剎車現(xiàn)象時，氣控信號就會借助二位三通氣控閥門，及時地向PLC傳輸相應的剎車信息。當盤剎部分所使用的手柄類型為機械性或電子性時，這種形式尤為適用。

圖1中的B部分是整個系統(tǒng)中的電控信號部分，其作用主要體現(xiàn)在：當整個盤剎系統(tǒng)處于緊急剎車狀態(tài)時，會產(chǎn)生相應的剎車信號，并以電信號的形式直接傳達給PLC模塊。當盤剎系統(tǒng)的手柄部分所用形式是電子類型的時候，其作用更為明顯。

圖1中的C部分在信號形式上與前兩種存在一定差異—其信號形式為液壓型。當盤剎系統(tǒng)突然發(fā)生急剎車等現(xiàn)象時，這一部分的作用會隨之凸顯出來。其發(fā)生作用的形式是借助于工作鉗及安全鉗來將原有的以液壓形式呈現(xiàn)的信號，轉(zhuǎn)化為以電的形式呈現(xiàn)的信號從而使得PLC模塊能夠收到相應信息，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的有效控制。當盤剎系統(tǒng)所使用的手柄類型為機械型或是電子型時，這一形式的重要性會被凸顯出來。

以上三種形式可以滿足當前各種不同配置的石油鉆機系統(tǒng)。在不同類型的石油鉆機使用及設計過程中，開發(fā)者和使用者可以從自身使用需求出發(fā)，對石油鉆機的安全剎車保護系統(tǒng)進行量身定做。在重新設計過程中，既可以使用其中的某一類控制信號模式，也可以采用兩種及以上信號的組合控制模式因此整個石油鉆機的剎車系統(tǒng)變得更為靈活，同時進一步提高了鉆機運行的安全度。當設計者立足于不同鉆機的具體使用途徑，對其進行針對化的設計并采用與之相對應的信號控制模式時，其最終設計出來的系統(tǒng)才能夠真正在各類石油開采工程中，得到更為有效的應用。

2 石油鉆機剎車安全保護系統(tǒng)的應用分析

以圖1所示的主要內(nèi)容為出發(fā)點，探究石油鉆機剎車安全保護系統(tǒng)在實際當中的應用方式。

2.1 斷電保護的實現(xiàn)

斷電保護的實現(xiàn)。這一保護的實現(xiàn)，依賴于PLC模塊所輸出的相關信號，這一信號類型通常被稱之為盤剎安全鉗控制信號。該信號通過對兩位三通電磁閥進行控制來實現(xiàn)最終的斷電保護目的。在實際操作過程中，如果系統(tǒng)處于正常情況，PLC模塊所輸出的是高電平信號，此時電磁閥雖然依然保持在通電狀態(tài)之下，但是其同時也處于關閉狀態(tài)下。如系統(tǒng)已經(jīng)進入斷電狀態(tài)或是存在某種故障時，電磁閥就會出現(xiàn)相應的失電現(xiàn)象。此時，通過相應的信號傳輸，剎車保護機制被及時啟動。

2.2 斷氣保護機制的運行原理

斷氣保護機制之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，其與處于盤剎系統(tǒng)當中的斷氣剎車機制有著密不可分的聯(lián)系。在開關正常時，如果過卷防碰與重錘防碰兩個防碰設置處于關閉狀態(tài)時，就會使得剎車信號同樣也處在關閉狀態(tài)。除此之外，當游車所處的位置高度超過一定標準時，以上這兩個設置的開關也會隨之打開。因此剎車保護系統(tǒng)就能夠受到來自氣信號的指引獲得相應的啟動。

對于電子防碰這一外圍設施，在其采集信號時，通常要借助于編碼器來實現(xiàn)。當PLC模塊經(jīng)過計算得出相應的游車所處位置高度后，與設計參數(shù)值相比較，從而決定其是否輸出相應的控制信號，來啟動剎車機制。

2.3 液壓盤剎系統(tǒng)

液壓盤剎系統(tǒng)在工作時往往需要借助相應的操作手柄來實現(xiàn)其控制目的。首先，通過工作鉗所產(chǎn)生的對于制動盤的壓力大小，來為主動機輸出相應的剎車力矩信號。因此，不管石油鉆機所處的工作狀況如何，其都能夠獲得充足的動力。當石油鉆機處在制動狀態(tài)下時，只有工作鉗會處于隨時待命的預備剎車狀態(tài)中。因此，在突發(fā)情況發(fā)生之時，操作人員必須及時地按壓緊急制動按鈕，以此來為接下來的剎車目的做準備。當按下這一按鈕之后，系統(tǒng)當中不管是安全鉗還是工作鉗都能夠及時地被啟動，從而為實現(xiàn)最終的剎車目的做準備。

如圖1所示諸多氣控信號之間相互連接，不管是斷氣斷電保護系統(tǒng)，還是諸如過卷以及重錘防碰等系統(tǒng)，它們在工作過程中借助的連接工具通常包含兩種。其一是氣管線，其二是梭閥。當這兩類工具將上述信號連接成一路之后，就能夠形成一個系統(tǒng)性的盤剎控制氣信號。如果要在其中增加一個額外的氣信號控制部分，也必須借助于增加梭閥以及氣管線等工具來實現(xiàn)這一目的。因此當盤剎系統(tǒng)獲得啟動時，其就能夠借助于機械壓力的途徑，將其所要傳達的信號輸送到PLC模塊中。

2.4 PLC模塊的作用

PLC模塊處在石油鉆機的司鉆房內(nèi)部。實現(xiàn)這一模塊與電控房中的CPU進行即時通信目的，需要借助于相應的通信模塊。當兩者之間的連接被建立之后，CPU模塊能夠?qū)LC模塊當中的相應數(shù)值進行即時讀取。當盤剎系統(tǒng)所采用的信號控制模式為氣控類型時，其往往需要在其氣路當中進行一個三通的接入。與此同時，還要保留一路氣路以便用于和控制口之間的相互連接。當其中的兩位三通氣控換向閥同時存在多個接口時。在其P口可以令其接入相應的氣源部分。而在其A口則可以接入梭閥這一部分。對于梭閥當中存在的出氣口這一部分，也必須令其及時地接入處在外圍地區(qū)的三通。

在電控信號使用過程中，需要盤剎控制系統(tǒng)進行如下操作。首先，從其本身預留的急停接點信號當中及時地進行相應的電信號輸出。其次，再將這些信號輸入到PLC模塊當中。

如其使用的是液壓信號，則必須在盤剎系統(tǒng)左右兩大部分的工作鉗當中采用相應的方式，借助于液壓線管來接入相應的三通部分。此外在三通部分下屬的接口當中，還要再接上一個壓力變送器。此時如果能夠?qū)⑦@一變送器當中的內(nèi)容及時地切換成電信號形式，再將其迅速地接入原先有PLC模塊當中，則能夠取得事半功倍的剎車控制效果。

當前從各類石油鉆機的配置情況來看，以上這些不同的信號控制形式，都有其自身的優(yōu)勢和缺點，但只要設計方能夠按照自身的石油鉆機的不同用途，來對其進行精細化的控制模式的配置，就能夠在最終其投入使用的過程當中，令其取得事半功倍的控制效果，使得安全性、智能性等特征都能夠得以發(fā)揮到極致。

3 不同類型剎把的保護功能和報警功能分析

眾所周知，盤式剎車當中往往會用到不同類型的剎車把手，其主要包括以下兩大類型：其一是機械型，其二是電控型。這兩種類型的剎車把手的使用均有不同特征在其最重要的兩大功能—保護功能及報警功能方面，該兩者同時存在差異。

3.1機械剎車把手的保護功能和報警功能分析

（1）過卷保護功能分析。石油鉆機在實踐操作過程中需要進行很多重物的提升。因此，在操作過程當中，如果發(fā)生了將某個重物提升到一定位置上之后，由于操作不當?shù)仍蚨鵁o法實現(xiàn)原有制動目的時，其過卷保護系統(tǒng)就會相應的得到啟動。當這一系統(tǒng)啟動之后，盤剎系統(tǒng)也能夠接收到相應的信號，因而啟動緊急機制來處理這一問題。

（2）失氣保護功能分析。石油鉆機在工作過程中，往往需要借助一定的能源來進行發(fā)力，此時必須設計一個相應的供氣源。如果這一供氣源在進行操作的過程中，無法發(fā)揮其原有作用，例如出現(xiàn)了突然失氣現(xiàn)象，那么這一系統(tǒng)也會及時地進行自我保護并采取緊急制動措施。

（3）失電報警功能分析。石油鉆機所具備的盤剎系統(tǒng)本身需要獲得相應的電源供給才能啟動相應的工作機制。當這一供電失靈時，尤其是當發(fā)生失電現(xiàn)象時，這一系統(tǒng)就會啟動自動化報警機制，使得整個系統(tǒng)能夠啟動應急機制。

（4）低壓報警保護功能分析。在盤剎系統(tǒng)工作過程當中，遇見相應的系統(tǒng)壓力降低等問題時，如果降低的水平達到了某一原先設置的邊界范疇時，系統(tǒng)也會發(fā)出一定的報警信號，此時，整個盤剎系統(tǒng)就會啟動其設定的剎車機制，以此來進行自我保護。

（5）停機之后進行短時操作的功能分析。在各類石油鉆機設備當中，往往都會具備蓄能器部分。這一部分在工作時，通常能夠為油泵提供相應的能量。但是由于某些原因，當這一能源供應出現(xiàn)不足狀況時，系統(tǒng)由于具備短時操作功能，因而能夠為實現(xiàn)短時期內(nèi)的鉆具操作提供相應的動力支持。

3.2電控型剎車把手的保護功能和報警功能分析

（1）失電保護功能分析。電控類型的剎車把手，能夠在整個系統(tǒng)失去相應的電源供應時，為其提供緊急功能，以此來實現(xiàn)最終的保護效果。

（2）除此之外，電控類型的剎車把手系統(tǒng)，也具備與機械類型的系統(tǒng)相一致的過卷、失氣保護功能。此外，在系統(tǒng)處于低壓狀態(tài)時，其也會啟動自身的報警機制。當油箱中的液位較低時或是其檢測到整個系統(tǒng)的油溫過高時，其同樣也會啟動相應的報警機制，來對整個系統(tǒng)進行及時的保護。

4盤剎系統(tǒng)使用時的注意問題及分析

4.1盤式剎車啟動問題

在正式啟動剎車機制之前，必須確保剎車手把、緊急制動按鈕、駐車時的相應制動手柄開關都還原到其原來的位置。。

4.2剎車解鎖問題分析

當盤式剎車的工作狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時，例如，當其從原來的緊急狀態(tài)切換到工作正常狀態(tài)時，必須對其制動手柄的位置進行調(diào)整。只有在此前提下，才能夠承擔相應的負荷水平。其次，還需要使得這一緊急制動按鈕或是相應的手柄所配置的開關得到釋放。最后，可以通過靈活的對于手柄力度的調(diào)控，來實現(xiàn)對于剎車力矩大小的有效控制。

4.3制動功能及其操作分析

一般來說，盤式剎車系統(tǒng)都會擁有三個相應的操作手柄。而這些手柄也會擁有其相應的三種功能。因此，在操作過程當中必須明確這三種手柄的作用，避免操作過程當中的功能失誤。比如，在進行送鉆工作的時候，必須借助于工作制動手柄來進行及時操作，而不能采用其他的手柄。

4.4采取盤式剎車和輔助剎車相互配合的方式

由于剎車系統(tǒng)在石油鉆機使用過程中扮演重要角色，因此，其具備相應的冗余安全設計。為滿足以上設計就必須配備相應的輔助剎車設計，并以此來使其最終的工作效率和安全性能得以大大提升。

4.5懸持負荷

眾所周知，在盤式剎車系統(tǒng)當中通常配備駐車制動系統(tǒng)。該系統(tǒng)設計的目的是為了使司鉆能夠在短時間內(nèi)停止絞車工作，令其能夠獲得在短時間內(nèi)實現(xiàn)懸持載荷的目的。但是在使用這一功能時，應當避免令其長期內(nèi)保持制動。特別是在司機已經(jīng)離開原來的司機位置的時候，更加應當避免這一現(xiàn)象的出現(xiàn)。

5 結(jié)語

近年來，隨著石油開采事業(yè)的蓬勃發(fā)展，石油鉆機這一設備得到了前所未有的開發(fā)和應用。石油鉆機系統(tǒng)中的剎車安全系統(tǒng)保護部分，其重要性更是不言而喻。但是就當前的剎車安全系統(tǒng)的設計過程來看，依然存在著諸多漏洞。因此，本文分析了一種可以在實踐當中被廣泛運用的剎車安全保護系統(tǒng)模型，并提供了與之相對應的控制措施。提出了這一剎車安全系統(tǒng)在使用過程中所需要注意的要點。以此為基礎，推動我國石油鉆機整體性能的優(yōu)化，使其在核心剎車安全方面獲得更為優(yōu)良的設計，從而獲得整體上的使用水平和安全度的提升。在智能性方面，滿足于當下對于石油鉆機的發(fā)展要求，從而推動我國石油開采事業(yè)的日益繁榮。

參考文獻：

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收稿日期：2019-05-18

作者簡介：姜金鳳（1985—），女，山東東營人，本科，工程師，研究方向：電氣自動化;李蒙（1984—），男，山東東營人，碩士研究生，工程師，研究方向：電氣自動化。

Design and Application of Oil Rig Brake Safety Protection System

JIANG Jin-feng，LI Meng

（1.Shandong Kerui Machinery Manufacturing Co.， Ltd.，Shandong ?Dongying ?257091;2.Shandong Xinhui Construction Group Co.， Ltd.，Shandong ?Dongying ?257091）

Abstract：In recent years， oil extraction technology has developed rapidly， and this is in line with the continuous development of many oil exploration equipment. As an important technology of oil extraction equipment， oil drilling equipment has been developed in recent years. The most important part of the oil drilling equipment is the brake system part. The superiority and advancement of this part of the technology largely determine its ultimate efficiency and safety. Therefore， this paper analyzes the brake safety protection system widely used in oil rigs on the market. In particular， the brake signal portion and the corresponding air control signal portion thereof. Whether the oil rig brake safety protection system can meet the humanized design requirements while maintaining sufficient safety， and at the same time has the characteristics of intelligence and automation， which will have a profound impact on the final use effect of the entire oil rig equipment. Based on the above design concepts， this paper explores this as the core and proposes corresponding safety protection system improvement measures， so that different oil rig systems can obtain corresponding optimization paths. Further promoted the development of the oil exploration industry.

Key words：Oil rig;Brake safety protection system;Design and application;Air control