钻机液压站冷却装置的研制方法探讨

黄圣学

（大庆钻探工程公司物资装备部，黑龙江 大庆 163000）

1 降低钻机液压站液压系统工作温度的理论分析

随着钻机自动化程度的进一步发展，钻井队设备中液压系统的应用更加广泛，各种设备同步使用液压系统的情况变为常态，如钻井起下钻过程不可避免的同步使用盘刹系统、液压大钳、钻具移送系统等，导致液压系统温度升高过快，最高温度达到70℃以上。

液压系统温度过高，会导致液压油氧化过快，寿命缩短，造成液压系统的阀体和执行件的密封件塑化严重，使其失去弹性，动作失效。更严重时会使液压缸等突然失压，不同步，导致井架变形、开裂等机械事故。

受各种因素影响，目前钻井队使用的组合液压站均未安装液压油冷却装置，这也可以说是设计缺陷。经过理论分析，如果安装冷却装置，可使液压系统温度下降15℃以上，液压油寿命延长3倍以上，液压系统运行更加平稳，橡胶密封件、液压阀件寿命将大幅延长。

因此，根据钻机液压站特点、环境因素、运行温度、液压油容量等因素，综合考虑，研制钻机组合液压站冷却装置，对于降低设备故障率、开源节流、降本增效，具有重要意义。

2 钻机组合液压站冷却装置的研制应用

2.1 现场现状调查

钻机组合液压站是为钻机设计制造的专用液压站，主要目的是为钻机液压机具泵、钻机液压刹车和起升井架液压缸等液压系统提供动力。其结构合理，性能可靠，是石油钻机主要的配套设备之一。但是，受工作条件的影响，由于钻机的施工区域处于露天环境，没有任何的外部遮挡，液压站内的油温受室外温度的影响较大。大庆地区冬夏季温差超过了50℃，尤其是夏季的高温天气，室外温度能够达到35℃以上，对液压油品的使用造成了极其不利的影响。液压站在结构设计时，考虑了冬季低温天气的影响，设置了液压油箱的加热装置，但没有考虑到夏季室外温度高的问题，没有设置相应的冷却装置，目前施工现场在用的组合液压站都存在夏季液压油油温过高的问题。液压传动中油液温度一般应保持在30～50℃范围内，最高不应超过60℃，否则将对液压系统产生许多不良影响。

2.2 钻机组合液压站冷却装置的设计原理

工作原理：原钻机液压站的基本结构不发生改变，将原用于油量补给的加油泵位置设置为循环油泵。为了减少设备设施的添加和布置，选取汽车冷却系统的结构作为基本结构，将需要被冷却的液压油作为循环介质，采用风冷的方式对介质进行冷却。同时，重新布置的循环泵进油直接来源于油箱，回油在机具泵的主回油管路末端增加三通及单向阀，无需对油箱本体进行整改，各部件可以以散件的形式运抵施工现场，直接进行现场安装。

（1）装置设计时，设计了一个与液压站外形尺寸相符的框架结构，冷却装置可以直接套装在液压站外部，在装置直接安装的同时，不需要对液压站本体进行改造。

（2）通常的冷却系统是通过冷却介质来带走需要冷却部位的热量，然后再对冷却介质进行冷却。组合液压站冷却装置的冷却对象是液压油，为了简化设备的结构，降低成本，将液压油直接作为循环冷却介质，通过风冷来实现介质的冷却。

2.3 钻机组合液压站冷却装置的研制

2.3.1 循环系统油泵的选用

钻机配套的组合液压站内设置了CBF-25P齿轮泵是为液压站补油的供油泵，排量为32L/min。目前，为了避免在油品储存和加注过程中的油品污染问题，大庆油田所属钻井队已经全面采用专业化队伍进行油品的加注工作，基层队在日常的生产过程中，已经不再存储大量的润滑油，因此液压站内配备的供油泵处于闲置状态，可以作为冷却装置的循环泵使用。见图1。

图1 冷却装置供液泵

2.3.2 液压油循环流程设计研究

冷却装置在工作时，构成了一个液压循环回路。进油管连接在液压站原来设置的加油泵上，液压油从液压站原来设置的放油闸门经泵加压后，供给冷却器。冷却器出油口排出的液压油通过在液压系统回油管路上设置三通，使液压油再次进入油箱。冷却装置安装使用后，为了不影响液压站供液泵的工作，设计冷却装置的循环系统时，在回油管路上设置了单向阀，防止它对液气大钳液压系统回油管路造成影响。见图2。

图2 冷却系统液压油流程原理图

图3 液压站冷却装置现场安装示意图

2.3.3 冷却系统散热器芯的结构选择

散热器芯是散热器的核心部分，起主要的散热作用。散热器芯由散热管、散热片（或散热带）、上下主片等组成。散热器芯在很大程度上增大了散热面积，因此能保证将必须的热量从机体散发到周围的大气中去。同时，散热器芯是用极薄的导热性能好的金属及其合金制造的，能使散热器芯以最小的质量和尺寸达到最高的散热效果。

对于散热器芯，应该有尽可能大的散热面积，散热器芯中的散热片就是为了增大散热面积，常用的散热器芯有管片式和管带式两种。与管片式散热器相比，管带式散热器在散热性能上要优于管片式散热器，但是其结构刚度远不如管片式散热器强度高。由于冷却装置的使用环境是处于野外的自然环境中，风沙等颗粒的侵袭情况非常多。液压站在日常使用时，搬移和重复安装的频率较高，因此我们选择管片式结构的散热器芯。

2.3.4 冷却管路接入方式设计

如果对液压油箱进行改动，需要进行切割、焊接等作业。进行切割和焊接作业前，需要将液压油全部放出，并进行细致的清洁工作。液压油的高渗透性，对焊接质量影响很大。同时，现场作业环境恶劣，这种焊接作业也不适于在现场进行。因此，冷却管路接入时，我们在机具泵的回油管路上增加了三通，通过三通将冷却系统的回油接入油箱。在三通的冷却管路和机具泵回油管路上分别设置单向阀，防止两套系统的相互影响。

2.3.5 冷却系统框架结构的设计

钻井生产的连续性较强，液压站返厂进行冷却装置的安装存在极大的不便，在冷却装置固定结构设计时，不对液压站本身进行任何改动，因此采取套装的方式将装置固定在液压站上。设计的框架结构内部尺寸与液压站外形尺寸相符，框架能够直接套装在液压站外部。

2.4 钻机组合液压站冷却装置的现场应用

钻机组合液压站冷却装置现场试验情况如下。

（1）冷却装置固定在一个专用的框架上，框架可以直接套装在液压站外部。在实际安装时，装置以散件的形式运送到施工现场，在现场进行框架的组装后，将框架套装在液压站油箱外部。冷却装置的主体冷却部分在框架安装完成后，直接安装在框架上。

（2）在机具泵回油管路上设置三通，将机具泵回油和冷却装置回油汇集到一条回油管路上进入油箱。机具泵回油和冷却装置回油分别设置单向阀，防止油液回流，两条油路不能够相互影响。

目前在钻井二公司进行安装试验，现场安装使用后，在4个月的时间分别对各种工况液压站外部温度进行测量，测量的最高温度为45℃，最低温度为38℃，低于液压油正常使用的合理温度。

3 结语

钻机组合液压站冷却装置的研制与应用，有效降低了钻机液压站内的油温，从根本上解决了油温过高的问题，从而延长了液压油的更换周期，降低了密封原件的更换频率，有效抑制了密封处的泄漏。油品更换频率降低，节能降耗，也降低了油品的二次污染机率。