姜金凤 李蒙

摘  要：近年来，石油开采技术迅猛发展，與此相对应的是诸多石油开采设备的不断发展。石油钻采设备作为石油开采设备的一项重要技术近年来得到了长足发展。石油钻采设备中最为重要的部分就是刹车系统部分，该部分技术的优越性和先进性在很大程度上决定其最终的使用效率及安全度。因此，本文对于当前市面上石油钻机广泛应用的刹车安全保护系统进行逐一分析。特别是其中的刹车信号部分及与其相对应的气控信号部分等。石油钻机刹车安全保护系统是否能够在保持足够安全度的同时，满足人性化设计需求，同时兼具智能、自动化的特征，将会对整个石油钻机设备最终的使用效果产生深远影响。基于以上设计理念，本文以此为核心展开探讨，提出相应的安全保护系统改进措施，以此来使得不同石油钻机系统都能够获得相应的优化路径。进一步推动了石油开采行业的发展。

关键词：石油钻机;刹车安全保护系统;设计与应用;气控

中图分类号：TE922   文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）05-0000-00

0 引言

石油钻机设备在其发展过程中，已经拥有了包含：断气、断电保护功能及过卷、重锤、电子等防碰措施在内的高效的安全保护系统。石油钻机系统之所以能够获得有效的运行，在本质上也与以上措施之间在保护逻辑上的全面性有着密不可分的联系。这种内在联系，也能够实现对于液压盘刹车系统的高度控制。因此，最终整个系统的运转才会获得逐步提升。在此背景下，在满足现有石油钻机现场使用状况下，探究一种更深度的且能够统筹其内在保护逻辑的方案，会对其最终安全使用水平的提升产生不容小觑的深远影响。

1 石油钻机刹车安全保护系统设计分析

当前的石油钻机，拥有多种不同形式的驱动方法，对于不同的石油钻机，其控制操作单元所采用的控制形式也不同。一般来讲，主要有气控阀控制形式与电磁阀控制形式两种。此外在其执行机构中，盘刹系统拥有多种类型的手柄，如机械类手柄、电子类手柄等。因此，不管是在设计全新的石油钻机，还是对旧有的石油钻机进行改造，首先要对其刹车安全保护系统进行针对性的重新设计，使其获得相应的、源源不断的使用动力。本文在进行方案设计时这一目标为中心，提出一种兼具安全性和可靠性，同时还具有高度智能化水平的石油钻机刹车安全保护系统。该系统的具体结构图如图1所示。

石油钻机的刹车安全保护系统在运行过程中，其外围多个气控信号均具有重要作用。以上信号既包括断电断气保护的内容，同时还包括防碰重大压力的锤击、防碰电子等内容。该系统通过对以上多个气控信号的统一控制，来实现其盘刹控制目的。在该控制过程中，还需要用到多个梭阀工具，只有将不同信号合并成一路，才能够实现最终的控制目的。

由图1可知：当以上信号集结为一路时不仅能实现控制盘的刹车动作还可以将刹车信号传送到PLC中作为反馈信息。该过程的实现是通过机械式开关完成的。图1当中A部分，是作为气控信号形式存在的。当盘刹系统突然发生驻车现象或急刹车现象时，气控信号就会借助二位三通气控阀门，及时地向PLC传输相应的刹车信息。当盘刹部分所使用的手柄类型为机械性或电子性时，这种形式尤为适用。

图1中的B部分是整个系统中的电控信号部分，其作用主要体现在：当整个盘刹系统处于紧急刹车状态时，会产生相应的刹车信号，并以电信号的形式直接传达给PLC模块。当盘刹系统的手柄部分所用形式是电子类型的时候，其作用更为明显。

图1中的C部分在信号形式上与前两种存在一定差异—其信号形式为液压型。当盘刹系统突然发生急刹车等现象时，这一部分的作用会随之凸显出来。其发生作用的形式是借助于工作钳及安全钳来将原有的以液压形式呈现的信号，转化为以电的形式呈现的信号从而使得PLC模块能够收到相应信息，从而实现对整个系统的有效控制。当盘刹系统所使用的手柄类型为机械型或是电子型时，这一形式的重要性会被凸显出来。

以上三种形式可以满足当前各种不同配置的石油钻机系统。在不同类型的石油钻机使用及设计过程中，开发者和使用者可以从自身使用需求出发，对石油钻机的安全刹车保护系统进行量身定做。在重新设计过程中，既可以使用其中的某一类控制信号模式，也可以采用两种及以上信号的组合控制模式因此整个石油钻机的刹车系统变得更为灵活，同时进一步提高了钻机运行的安全度。当设计者立足于不同钻机的具体使用途径，对其进行针对化的设计并采用与之相对应的信号控制模式时，其最终设计出来的系统才能够真正在各类石油开采工程中，得到更为有效的应用。

2 石油钻机刹车安全保护系统的应用分析

以图1所示的主要内容为出发点，探究石油钻机刹车安全保护系统在实际当中的应用方式。

2.1 断电保护的实现

断电保护的实现。这一保护的实现，依赖于PLC模块所输出的相关信号，这一信号类型通常被称之为盘刹安全钳控制信号。该信号通过对两位三通电磁阀进行控制来实现最终的断电保护目的。在实际操作过程中，如果系统处于正常情况，PLC模块所输出的是高电平信号，此时电磁阀虽然依然保持在通电状态之下，但是其同时也处于关闭状态下。如系统已经进入断电状态或是存在某种故障时，电磁阀就会出现相应的失电现象。此时，通过相应的信号传输，刹车保护机制被及时启动。

2.2 断气保护机制的运行原理

断气保护机制之所以能够实现，其与处于盘刹系统当中的断气刹车机制有着密不可分的联系。在开关正常时，如果过卷防碰与重锤防碰两个防碰设置处于关闭状态时，就会使得刹车信号同样也处在关闭状态。除此之外，当游车所处的位置高度超过一定标准时，以上这两个设置的开关也会随之打开。因此刹车保护系统就能够受到来自气信号的指引获得相应的启动。

对于电子防碰这一外围设施，在其采集信号时，通常要借助于編码器来实现。当PLC模块经过计算得出相应的游车所处位置高度后，与设计参数值相比较，从而决定其是否输出相应的控制信号，来启动刹车机制。

2.3 液压盘刹系统

液压盘刹系统在工作时往往需要借助相应的操作手柄来实现其控制目的。首先，通过工作钳所产生的对于制动盘的压力大小，来为主动机输出相应的刹车力矩信号。因此，不管石油钻机所处的工作状况如何，其都能够获得充足的动力。当石油钻机处在制动状态下时，只有工作钳会处于随时待命的预备刹车状态中。因此，在突发情况发生之时，操作人员必须及时地按压紧急制动按钮，以此来为接下来的刹车目的做准备。当按下这一按钮之后，系统当中不管是安全钳还是工作钳都能够及时地被启动，从而为实现最终的刹车目的做准备。

如图1所示诸多气控信号之间相互连接，不管是断气断电保护系统，还是诸如过卷以及重锤防碰等系统，它们在工作过程中借助的连接工具通常包含两种。其一是气管线，其二是梭阀。当这两类工具将上述信号连接成一路之后，就能够形成一个系统性的盘刹控制气信号。如果要在其中增加一个额外的气信号控制部分，也必须借助于增加梭阀以及气管线等工具来实现这一目的。因此当盘刹系统获得启动时，其就能够借助于机械压力的途径，将其所要传达的信号输送到PLC模块中。

2.4 PLC模块的作用

PLC模块处在石油钻机的司钻房内部。实现这一模块与电控房中的CPU进行即时通信目的，需要借助于相应的通信模块。当两者之间的连接被建立之后，CPU模块能够对PLC模块当中的相应数值进行即时读取。当盘刹系统所采用的信号控制模式为气控类型时，其往往需要在其气路当中进行一个三通的接入。与此同时，还要保留一路气路以便用于和控制口之间的相互连接。当其中的两位三通气控换向阀同时存在多个接口时。在其P口可以令其接入相应的气源部分。而在其A口则可以接入梭阀这一部分。对于梭阀当中存在的出气口这一部分，也必须令其及时地接入处在外围地区的三通。

在电控信号使用过程中，需要盘刹控制系统进行如下操作。首先，从其本身预留的急停接点信号当中及时地进行相应的电信号输出。其次，再将这些信号输入到PLC模块当中。

如其使用的是液压信号，则必须在盘刹系统左右两大部分的工作钳当中采用相应的方式，借助于液压线管来接入相应的三通部分。此外在三通部分下属的接口当中，还要再接上一个压力变送器。此时如果能够将这一变送器当中的内容及时地切换成电信号形式，再将其迅速地接入原先有PLC模块当中，则能够取得事半功倍的刹车控制效果。

当前从各类石油钻机的配置情况来看，以上这些不同的信号控制形式，都有其自身的优势和缺点，但只要设计方能够按照自身的石油钻机的不同用途，来对其进行精细化的控制模式的配置，就能够在最终其投入使用的过程当中，令其取得事半功倍的控制效果，使得安全性、智能性等特征都能够得以发挥到极致。

3 不同类型刹把的保护功能和报警功能分析

众所周知，盘式刹车当中往往会用到不同类型的刹车把手，其主要包括以下两大类型：其一是机械型，其二是电控型。这两种类型的刹车把手的使用均有不同特征在其最重要的两大功能—保护功能及报警功能方面，该两者同时存在差异。

3.1机械刹车把手的保护功能和报警功能分析

（1）过卷保护功能分析。石油钻机在实践操作过程中需要进行很多重物的提升。因此，在操作过程当中，如果发生了将某个重物提升到一定位置上之后，由于操作不当等原因而无法实现原有制动目的时，其过卷保护系统就会相应的得到启动。当这一系统启动之后，盘刹系统也能够接收到相应的信号，因而启动紧急机制来处理这一问题。

（2）失气保护功能分析。石油钻机在工作过程中，往往需要借助一定的能源来进行发力，此时必须设计一个相应的供气源。如果这一供气源在进行操作的过程中，无法发挥其原有作用，例如出现了突然失气现象，那么这一系统也会及时地进行自我保护并采取紧急制动措施。

（3）失电报警功能分析。石油钻机所具备的盘刹系统本身需要获得相应的电源供给才能启动相应的工作机制。当这一供电失灵时，尤其是当发生失电现象时，这一系统就会启动自动化报警机制，使得整个系统能够启动应急机制。

（4）低压报警保护功能分析。在盘刹系统工作过程当中，遇见相应的系统压力降低等问题时，如果降低的水平达到了某一原先设置的边界范畴时，系统也会发出一定的报警信号，此时，整个盘刹系统就会启动其设定的刹车机制，以此来进行自我保护。

（5）停机之后进行短时操作的功能分析。在各类石油钻机设备当中，往往都会具备蓄能器部分。这一部分在工作时，通常能够为油泵提供相应的能量。但是由于某些原因，当这一能源供应出现不足状况时，系统由于具备短时操作功能，因而能够为实现短时期内的钻具操作提供相应的动力支持。

3.2电控型刹车把手的保护功能和报警功能分析

（1）失电保护功能分析。电控类型的刹车把手，能够在整个系统失去相应的电源供应时，为其提供紧急功能，以此来实现最终的保护效果。

（2）除此之外，电控类型的刹车把手系统，也具备与机械类型的系统相一致的过卷、失气保护功能。此外，在系统处于低压状态时，其也会启动自身的报警机制。当油箱中的液位较低时或是其检测到整个系统的油温过高时，其同样也会启动相应的报警机制，来对整个系统进行及时的保护。

4盘刹系统使用时的注意问题及分析

4.1盘式刹车启动问题

在正式启动刹车机制之前，必须确保刹车手把、紧急制动按钮、驻车时的相应制动手柄开关都还原到其原来的位置。。

4.2刹车解锁问题分析

当盘式刹车的工作状态发生转变时，例如，当其从原来的紧急状态切换到工作正常状态时，必须对其制动手柄的位置进行调整。只有在此前提下，才能够承担相应的负荷水平。其次，还需要使得这一紧急制动按钮或是相应的手柄所配置的开关得到释放。最后，可以通过灵活的对于手柄力度的调控，来实现对于刹车力矩大小的有效控制。

4.3制动功能及其操作分析

一般来说，盘式刹车系统都会拥有三个相应的操作手柄。而这些手柄也会拥有其相应的三种功能。因此，在操作过程当中必须明确这三种手柄的作用，避免操作过程当中的功能失误。比如，在进行送钻工作的时候，必须借助于工作制动手柄来进行及时操作，而不能采用其他的手柄。

4.4采取盘式刹车和辅助刹车相互配合的方式

由于刹车系统在石油钻机使用过程中扮演重要角色，因此，其具备相应的冗余安全设计。为满足以上设计就必须配备相应的辅助刹车设计，并以此来使其最终的工作效率和安全性能得以大大提升。

4.5悬持负荷

众所周知，在盘式刹车系统当中通常配备驻车制动系统。该系统设计的目的是为了使司钻能够在短时间内停止绞车工作，令其能够获得在短时间内实现悬持载荷的目的。但是在使用这一功能时，应当避免令其长期内保持制动。特别是在司机已经离开原来的司机位置的时候，更加应当避免这一现象的出现。

5 结语

近年来，随着石油开采事业的蓬勃发展，石油钻机这一设备得到了前所未有的开发和应用。石油钻机系统中的刹车安全系统保护部分，其重要性更是不言而喻。但是就当前的刹车安全系统的设计过程来看，依然存在着诸多漏洞。因此，本文分析了一种可以在实践当中被广泛运用的刹车安全保护系统模型，并提供了与之相对应的控制措施。提出了这一刹车安全系统在使用过程中所需要注意的要点。以此为基础，推动我国石油钻机整体性能的优化，使其在核心刹车安全方面获得更为优良的设计，从而获得整体上的使用水平和安全度的提升。在智能性方面，满足于当下对于石油钻机的发展要求，从而推动我国石油开采事业的日益繁荣。

参考文献：

[1]王虎平.石油钻机刹车安全保护系统设计与应用[J].机械研究与应用，2018，31（06）：66-67+69.

[2]刘炜，张超，李鹤，等.浅谈石油修井机带刹绞车刹车系统调整方法[J].内燃机与配件，2018 （06）：56-57.

收稿日期：2019-05-18

作者简介：姜金凤（1985—），女，山东东营人，本科，工程师，研究方向：电气自动化;李蒙（1984—），男，山东东营人，硕士研究生，工程师，研究方向：電气自动化。

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