鉆井柴油機非正常運轉預防裝置及應用

馬洪鐘 周孟建 楊硯杭 趙 文 呂衛軍

一、概述

2008年某鉆井隊在生產過程中，使用兩臺柴油機作為鉆井動力，其中一臺柴油機潤滑油泵突然發生故障，自帶的欠壓自動停車裝置起作用，柴油機停止運轉。但是因為該柴油機的本車離合器未脫開，聯動機組上的力矩反傳回來，致使柴油機在無潤滑油潤滑情況下繼續被驅動運轉，造成柴油機零部件磨損加劇、拉缸。經操作人員及時操作氣開關，使離合器脫開，才避免事故繼續加劇。這種柴油機在違章和潤滑油路出現意外故障的情況下，受外力驅動非正常運轉的故障現象稱為“車帶車”。

“車帶車”現象不僅發生在正運轉的柴油機組上，也可能發生在正維修的機組上。“車帶車”現象造成柴油機零部件磨損加劇、拉缸、燒瓦、抱軸等嚴重故障，甚至機器報廢，如果處理不及時還會危及人身安全。國產190系列和2000系列柴油機沒有針對載荷的監控和報警系統，“車帶車”現象在鉆井生產現場無法避免。

二、柴油機車帶車故障現象分析

在采用皮帶傳動的機械鉆機中，每臺柴油機通過萬向軸、減速箱、氣胎離合器和聯動機進行并車和傳遞功率。氣胎離合器以壓縮空氣為操縱動力源，由鋼圈和橡膠與纖維制成的空心氣胎通過螺栓連接在一起組成。氣胎內緣裝有摩擦片，在0.5～1MPa壓縮空氣作用下，氣胎膨脹使摩擦片向內收縮壓緊鋼制摩擦轂，由此產生摩擦力，傳遞扭矩（圖1）。

當兩臺或兩臺以上柴油機組在并車運行過程時，其工作原理（圖 2）是：控制氣（壓縮空氣）經氣開關輸出給控制本車離合器的繼氣器，繼氣器在控制氣的作用下迅速動作，離合器主氣源經繼氣器輸給本車離合器，使離合器掛合，傳遞扭矩。斷開時，操作氣開關使控制氣斷開，氣開關與繼氣器之間的余氣經氣開關上的放氣孔排放掉；繼氣器在沒有控制氣的情況下，依靠彈簧的作用力切斷離合器主氣源，離合器以及氣管線內的壓縮空氣，經繼氣器放氣孔和離合器快速放氣閥排放，從而達到快速分離和掛合的作用。

在生產過程中，一般使用兩臺或兩臺以上柴油機并車運行（圖3），若其中一臺柴油機的潤滑油壓力因故障突然下降超過極限值或喪失，本車的欠壓自動停車裝置將進行保護停車，此時該柴油機應處于停機狀態。但由于此時本車離合器仍在掛合狀態，其他仍在繼續運轉的柴油機輸出力矩經傳動機組、本車離合器傳輸到故障柴油機上，導致故障柴油機在缺少潤滑油的情況下被外力帶動運轉，造成機件磨損加劇，燒瓦、抱軸，甚至造成機器報廢等嚴重故障。

另外，在鉆井作業現場為保證生產繼續進行，常有一邊生產一邊維修設備的現象。如果被修理的柴油機因誤操作掛合了本車離合器，其他在運轉柴油機的力矩也必然經聯動機組、本車離合器傳輸到在修的柴油機上，導致在修柴油機突然運轉，發生“車帶車”現象。突然運轉的柴油機會直接危害到維修人員的人身安全，防范不及時將會造成機毀人亡等重大安全事故。

三、柴油機車帶車預防裝置設計

“車帶車”現象的根本原因是柴油機在違章操作和意外情況下，受外力驅動發生非正常運轉的現象。柴油機只要運轉就會產生機油壓力，如果把柴油機的機油壓力變化與本車離合器的控制相關聯，就能防止“車帶車”現象的發生。柴油機的機油壓力變化是液態信號，本車離合器的控制是氣態信號，關聯液態信號與氣態信號，即以柴油機的潤滑油壓力作為設計基本條件，以柴油機本車離合器的掛合、分離狀態為反映狀態。

目前可采取的方法有液—電—氣控制和液—氣控制。液—電—氣控制，控制精度高，可擴展相應的報警功能，但是鉆井隊施工是露天作業，沒有固定場所，搬家頻繁，經常拆裝設備，使用液—電—氣控制，給現場增加拆裝工作量，增加了安全用電的風險，而且成本較高，環境因素故障率相對較高；液—氣控制，結構簡單，成本低，組件易于安裝，安裝空間小，安裝一次就可永久性使用，不會增加鉆井隊設備搬遷時的工作量，其控制精度完全可以滿足現場需要。

油控閥是預防裝置中利用液態信號來控制氣態信號的元件。通過設計油控閥的動作來控制本車離合器的掛合分離，實現柴油機自動阻隔外來載荷力矩。如圖4所示，油控閥的下端通過油管線與柴油機潤滑油路相連，利用柴油機的壓力潤滑油進入油腔內實現通斷。當油壓大于限定值時，活塞在油壓作用下，克服彈簧的彈力作用向上移動，同時通過活塞桿將閥門向上移動，使閥門上部氣室與下部氣室的壓縮空氣貫通。當油壓小于或等于限定值時，閥門在調壓彈簧的作用力下向下移動，關閉閥門，阻斷壓縮空氣通路，保證后續氣控元件不能動作。

設計方案1 如圖5所示，在氣開關與控制本車離合器的繼氣器之間設置油控閥，油控閥的潤滑油管線與柴油機潤滑油路相連。正常情況下，掛合氣開關后，控制氣進入油控閥，油控閥在正常機油壓力作用下保持在打開狀態，使壓縮空氣通過油控閥進入繼氣器，驅動繼氣器動作，保證主氣源順利通過繼氣器，送往本車離合器的氣胎，使離合器掛合。

當柴油機機油壓力故障或壓力喪失，油控閥由于沒有潤滑油壓力來源，閥門在彈簧的作用下關閉氣路，斷開通往繼氣器的控制氣，使主氣源不能到達本車離合器的氣胎，并保持分離狀態，柴油機不能受外力驅動發生非正常運轉。

設計方案2 如圖6所示，在壓縮空氣通往氣開關之前設置油控閥，油控閥的機油管線與柴油機潤滑油路相連。正常情況下，油控閥在正常潤滑油壓力作用下保持在打開狀態，使壓縮空氣進入氣開關。操作氣開關，壓縮空氣進入繼氣器，驅動繼氣器動作，并保證主氣源順利通過繼氣器，送往本車離合器的氣胎，使離合器掛合。

當柴油機機油壓力故障或壓力喪失，油控閥由于沒有機油壓力來源，閥門在彈簧的作用下關閉氣路，斷開通往氣開關的控制氣，使主氣源不能到達本車離合器的氣胎，并保持分離狀態，柴油機不能受外力驅動發生非正常運轉。

以上兩種方案均能保證柴油機不受外力驅動發生非正常運轉現象。因為油控閥結構較復雜，使方案1中的壓縮空氣流經油控閥閥門處受到一定限制，改變了壓縮空氣流速，延長大約2～3s的時間，不能保證繼氣器動作與操作氣開關同步，改變了原工作方式，造成本車離合器掛合反映遲緩。分離時繼氣器的控制氣源由于油控閥的原因不能及時的放氣，造成繼氣器斷氣不及時，離合器放氣也緩慢，大約在3s左右。方案2中，柴油機正常運轉過程中產生的恒定油壓使油控閥始終保持在常開狀態，控制氣源在油控閥內始終處于暢通狀態，保證了氣開關的輸入氣壓恒定。操作氣開關，壓縮空氣直接進入繼氣器，再輸送到離合器，保證本車離合器在不到1s的時間內迅速掛合。分斷時繼氣器的控制氣能夠及時的從氣開關放氣孔排放掉，從而保證了繼氣器主氣源迅速斷開，實現了離合器在不到1s內迅速分離，在防止柴油機車帶車現象的同時不影響正常操作。

四、應用

1.油控閥動作值的設定

在柴油機運轉過程中，潤滑油壓力是利用本車機油泵和被潤滑機件之間的間隙而產生的。如果機油壓力過高，將會造成油管刺漏和破壞密封，使潤滑效能降低；如果潤滑油壓力過低，則摩擦表面得不到很好的潤滑，使機件早期損壞，以至于發生燒瓦、抱軸等嚴重故障。

190系列柴油機規定：柴油機啟動預供油壓不低于98kPa，正常運行油壓490～784kPa，最高機油溫度不大于90℃，加載時最低油溫不小于45℃。190系列柴油機安裝有兩臺機油泵，每臺機油泵的出口油壓力是250kPa，若一臺潤滑油泵發生故障，潤滑油壓力將低于350kPa；2000系列柴油機安裝一臺機油泵，出口壓力是350kPa，若機油泵發生故障，則潤滑油壓力瞬間喪失。考慮車帶車保護裝置的通用性，所以設定190系列和2000系列柴油機350kPa的潤滑油壓力為油控閥動作的臨界點。

2.機油壓力采集點的設定

柴油機工作時，通過潤滑油泵將油底殼中的潤滑油吸出，并以一定的壓力送到潤滑油泵支架內部油腔內，然后分成兩路：一路經離心濾清器濾清后又流回油底殼內；另一路則打開單向-調壓閥，經機油冷卻器和機油濾清器送往主油道。由此可見，機油冷卻器是距離潤滑油壓力源最近的零部件，選擇機油冷卻器作為機油壓力采集點，既不影響其他部件的正常運行和柴油機操作維護，也不影響美觀。而且當柴油機機油壓力變化時，可以準確及時地將變化信號傳遞給油控閥。

3.現場應用

2010年3月，在渤海鉆探40555鉆井隊的雁60-28井作業現場對車帶車預防裝置設計方案1進行了試驗。

當柴油機潤滑油壓力升至500kPa時，油控閥開始動作，控制離合器的繼氣器動作，約3.5s后本車離合器掛合。手動釋放機油壓力至420kPa時，油控閥開始動作，控制離合器的繼氣器開始漏氣；繼續泄壓，當潤滑油壓力降至330kPa時，油控閥完全關閉，離合器分離。

試驗證明：雖然330kPa的動作值小于設定值350kPa，但是能實現液體控制氣體，說明在不添加其他動力源的情況下選擇液—氣控制方案可行，油控閥關聯柴油機的潤滑油壓力變化與本車離合器的控制是可行的。

2010年8月，在渤海鉆探30602鉆井隊的ZP02-1V井現場更換了油控閥的調壓彈簧后按照方案1再進行試驗。

當柴油機機油壓力在350～400kPa時，操作氣開關，本車離合器被完全掛合需要約2.24s，完全分離本車離合器時間約1.08s。保持氣開關在供氣狀態，調整油控閥油腔潤滑油開啟壓力，當機油壓力低于350kPa時，本車離合器完全分離需要約3.01s。

試驗證明：雖然柴油機正常運轉情況下本車離合器的掛合速度有所提高，但是仍不能最大削減本車離合器的磨損。研究發現造成本車離合器掛合遲緩的原因是繼氣器控制管線供、斷氣緩慢。原因是油控閥結構復雜，壓縮空氣要克服彈簧的壓力和柱塞與套筒的摩擦力才能導通，成為氣路上的阻力點，壓縮空氣經過氣開關進入油控閥后，在閥門處受阻，改變了壓縮空氣流速，造成繼氣器、離合器氣胎動作緩慢。

2011年5月在渤海鉆探40665鉆井隊的間29-2X井現場對車帶車預防裝置設計方案2進行了試驗。

在壓縮空氣通往氣開關之前設置油控閥，柴油機正常運轉時，操作氣開關，本車離合器迅速掛合，掛合時間約0.8s。當柴油機機油壓力臨界350kPa時，油控閥動作，自動阻斷通往氣開關的壓縮空氣，本車離合器能迅速完全分離，并保持分離狀態，保證柴油機不受到外力驅動發生非正常運轉，有效防止車帶車和帶載荷停車現象。

五、結論

鉆井柴油機車帶車預防裝置以距離柴油機潤滑油壓力源最近的部件——機油冷卻器為裝置的潤滑油壓力采集點,以油控閥反映柴油機機油壓力的變化,加以合適的管線連接，將柴油機的機油壓力變化與本車離合器的動作控制相關聯。在柴油機正常運轉過程中，該裝置能保持原有的柴油機本車離合器掛合、分離操作特性；能應對柴油機潤滑油壓力突然發生的變化；能保證柴油機欠壓自動停車裝置的正常動作，保證柴油機的安全；能對生產提出預警，減少設備故障對生產造成的影響。

W13.04-25