平衡阀在石油钻井设备中的应用研究

2022-12-19中石油川庆钻探国际工程公司王加松张慧杰

内江科技 2022年11期

◇中石油川庆钻探国际工程公司王加松张慧杰

平衡阀被广泛应用于起重机械液压系统中，在钻井设备中也有较多应用，有着非常重要的作用。但是通过调查发现，现场设备人员对平衡阀知之甚少，对平衡阀的日常检查和故障判断处理存在困难。本文通过对平衡阀常见类型及其工作原理进行分析，阐述了不同情况下平衡阀对负载的安全保护作用，对现场设备人员对平衡阀的正确使用维护和风险防控有一定的帮助。

1 引言

在液压控制系统中，如果产生负载力的方向和机构运动方向相同，则负载力将助长机构的运动，而如果执行机构的回油路中缺乏油压，则运动部件会因自重产生自行下滑，甚至可能产生超速运动现象，所以为了避免运动部件的自行下滑和超速，就需在执行机构的回油路设置平衡阀，来形成相应的背压以起到平衡负载力的目的。

2 平衡阀的常见类型及其工作原理

平衡阀是为了维持执行机构液压回路压力，并保持和控制负载，以及在液压油路中管路突然破裂或严重泄漏时，能够防止负载发生失控的阀。

平衡阀主要用在起重液压机械系统中，执行机构主要有液压缸和液压马达。在石油钻井设备中，常见的平衡阀类型主要有单向顺序阀、液控平衡阀、单向节流阀以及单向节流阀和液控单向阀串联四种，下面通过四种平衡回路对这四种类型平衡阀进行分析。

（1）单向顺序阀。如图1（a）所示，单向顺序阀1作为平衡阀，此顺序阀的调定压力需略大于运动部件由于自重在液缸下腔中形成的压力。当换向阀处在左位时，油缸有杆腔进油，此时单向顺序阀在活塞下腔建立的背压正好平衡了自重，活塞平稳下行，从而防止了超速；当换向阀处于中位时，运动部件自重在液缸下腔形成的压力小于单向顺序阀开启压力，从而避免了运动部件由于自重所造成的自动下滑，活塞保持静止；当换向阀处于右位时，无杆腔进油，此时单向顺序阀相当于单向阀，通过此种回路，活塞上行。但当顺序阀压力经过调定后，它所产生的背压为固定值，如果下行过程中，负载变小时，将产生过平衡现象，导致泵的供油压力增加，故一般只应用在负载恒定的工作场所。

图1 平衡回路

（2）液控平衡阀。图1（b）所示为使用液控平衡阀1组成的平衡回路。当换向阀处在左位，液缸有杆腔进油，此时平衡阀处的控制油压力大于或等于阀的设定开启压力，平衡阀主阀芯动作，阀打开，阀的开口尺寸随控制油压力改变而发生变化，当控制油压力增加，开口变大；控制油压力减少，开口减小，活塞杆平稳下行；当换向阀处于中位时，控制油压力消失，平衡阀关闭，活塞停止运动。当换向阀处于右位，液压缸无杆腔进油，此时平衡阀处的控制油压力很低，平衡阀的主阀芯不动作，平衡阀就相当于单向阀，活塞杆上行；阀的开口大小、控制油压力和阀的进、出油口压差之间形成一个动态平衡。这种回路可适用于所平衡的负载有显著变化的场合，如液压起重机、升降机等。

（3）单向节流阀或单向调速阀。如图1（c）所示，在液压缸回油路上设置单向节流阀1，来充当平衡阀以平衡负载。当换向阀置于左位时，液缸有杆腔进油，通过适当调节单向节流阀建立背压平衡负载，活塞杆可以平稳下行。当换向阀处于中位时，液缸进、出口均处于截止状态，由单向节流阀产生的背压平衡负载，活塞保持静止状态；当换向阀处于右位时，液缸无杆腔进油，此时平衡阀相当于单向阀。单向节流阀主要适用作对速度稳定性和锁紧能力要求不高、且功率不大或功率虽大，却工作不频繁的定量泵回路中；若采用单向调速阀予以代替，则其回路受负载的影响明显减小。适用于如货轮舱口盖的启闭、叉式装卸车的升降、电梯或升降平台的升降等。

（4）单向节流阀（或调速阀）和液控单向阀串联。如图1（d）所示，单向节流阀1（或单向调速阀）和液控单向阀2串联在液压回路中，起着平衡阀的作用；当换向阀置于左位，液压缸有杆腔进油，液控单向阀双导通，单向节流阀（或单向调速阀）产生背压，平衡负载；当换向阀处于中位，此时液控单向阀单向导通，使运动部件保持静止；当换向阀处在右位，液压缸无杆腔进油，此时平衡阀相当于单向阀。单向节流阀适用于负载固定场合，而单向调速阀则适用于负载变化的场合。本平衡回路负载小，流量大时，效率较低，故常应用于剪切机等回路。

3 平衡阀的安全保护作用

平衡阀在液压管线破裂等异常情况下还能起到安全保护作用。当液缸有杆腔进油，活塞杆下行时，如果此时液缸有杆腔和控制阀块间的液压管线出现破裂，则液压缸有杆腔内高压消失，针对第二种和第四种平衡阀，控制油压力消失，平衡阀迅速转换到单向阀的工作状态，而第一种靠单向顺序阀产生背压，第三种靠单向节流阀或单向调速阀产生背压，此时四种平衡阀相当于截止阀，阀口关闭，切断无杆腔油路，负载保持不动作，起到安全保护作用；如果此时液压缸无杆腔和控制阀块间的液压管线出现破裂，则不影响活塞杆的正常下行。

当换向手柄处于零位，活塞杆静止时，此时液缸进、出口关闭，不管是有杆腔和控制阀块间的液压管线破裂，还是无杆腔和控制阀块间的液压管线破裂，负载都保持不动。

当液缸无杆腔进油，活塞杆上行时，平衡阀相当于单向阀，如果此时液压缸有杆腔和控制阀块间的液压管线出现破裂，不影响活塞杆的正常上行；如果液压缸无杆腔和控制阀块间的液压管线出现破裂，平衡阀立即从导通状态转换到到截止状态，此时相当于截止阀，将阀口关闭，截断了无杆腔油路，负载则维持不动，起到安全保护作用。

当然，上诉安全保护作用是建立在平衡阀与执行元件可靠连接的基础上，根据GB/T 6067.1-2010《起重机安全规程》的液压系统规范：平衡阀与执行元件之间的连接必须为刚性连接，且距离也应当尽可能缩短，所以平衡阀一般都是直接固定在执行元件上的。

4 平衡阀在石油钻井设备中的应用

平衡阀在钻井设备中有较为广泛的应用，比如VARCO顶驱、防喷器移动装置以及修井机井架起升装置等均配置了形式不一的平衡阀。

其中VARCO顶驱的吊环倾斜油缸采用单向顺序阀来平衡负载；修井机井架起升及伸缩油缸选用单向节流阀式的平衡阀；防喷器移动装置的升降油缸则是液控平衡阀。

4.1 平衡阀在 VARCO顶驱中的应用

VARCO顶驱吊环倾斜油缸的进油口和出油口都配置了平衡阀，平衡阀处于进油口时充当单向阀，处于回油口时充当顺序阀，使回油口产生背压，所以吊环在倾斜和收回时，即油缸伸出和缩回时，都能做到动作平缓，减低了起、下钻和接单根等作业的操作难度，当管线意外破裂，平衡阀会起到保护作用，不影响吊环的正常缩放和停止，避免事故发生。

图2 平衡阀在VARCO顶驱的应用

图3 平衡阀在防喷器移动装置的应用

图4 平衡阀在XJ650修井机井架起升和伸缩油缸中的应用

4.2 平衡阀在防喷器移动装置中的应用

防喷器移动装置的两只升降油缸的无杆腔配置了液控平衡阀，在井口作业时，不同的井段，防喷器移动装置提升负载也是不同的，负载变大，进油路油压减低，平衡阀控制力变低，则阀的节流口变小；负载变小，进油路油压变高，控制力升高，则阀的节流口变大；这种平衡阀正好适应于负载变化的场合。在遇到液压管线破裂等突发情况，平衡阀也会起到安全保护作用，避免对设备和井口作业人员造成伤害。

4.3 平衡阀在修井机井架起升和伸缩装置中的应用

修井机井架起升和伸缩油缸的回路中设置了单向节流阀作为平衡阀，平衡了井架负载，可以很好的控制井架下放速度，保证了井架平稳回落到修井车上。同样，当遇到管线破裂等异常情况，平衡阀会起到安全保护作用。

5 平衡阀常见故障

（1）无法保持负载。油缸下沉，无法保持负载，造成原因可能是平衡阀内泄，也有可能是油缸内泄。判断方法，第一步是确保在安全的情况下，将油缸伸出，确保有负载；接下来就是停泵，拆除平衡阀上所有的管线；然后观察各个油口，是否有液压油冒出来，如果有的话，说明是平衡阀内泄，如果没有，则说明油缸内泄。

（2）油缸没有动作。平衡阀内阀芯是比较精密的，它对液压油的油品质量要求比较高，如果液压油比较脏，使得平衡阀内阀芯卡滞造成回油不畅，可能使得油缸没有动作，如果是平衡阀故障导致油缸没有动作，会造成油缸某一个动作没有，比如某一节臂的伸出或收回没有动作，我们可以判断为是平衡阀卡滞导致的问题，这个时候需要更换平衡阀。