钻井气控制系统

钻井机械辅助设备系统研究第六章钻井气控制系统第一节概述•钻机的控制系统是整套钻机必不可少的组成部分，是钻机的中枢神经系统。一、钻井工艺对控制系统的要求•（1）控制要迅速、柔和、准确及安全可靠；•（2）操作要灵活方便、省力，维修以及更换元件容易；•（3）操作协调，便于记忆。二、钻井控制系统的作用•（1）对于整体起升的井架，在起升时缓冲的控制，放落时推开井架的控制。•（2）对动力机的启动、调速、并车、停车的控制。•（3）对钻井绞车、钻井泵、转盘等启动与停车的控制。•（4）对钻井绞车滚筒和转盘的转速及旋转方向的控制。二、钻井控制系统的作用•（5）对钻井绞车滚筒制动与放松的控制。•（6）对绞车猫头摘挂的控制。对动力大钳、动力卡瓦等起下钻操作机械的控制。•（7）对辅助装置，如空气压缩机、发电机以及钻井液搅拌器的控制。三、钻井气控制系统的特点•（1）经济可靠。•（2）空气的粘度小，管内流动压力损失小，系统简单，适用于远距离输送和集中供气。•（3）压缩空气在管路内流速快，可直接用气压信号实现系统的自动控制，完成各种复杂的动作。•（4）与机械控制相比，气控制容易布局和操纵，调速方便易于实现快速的直线往复运动、摆动和旋转运动。三、钻井气控制系统的特点•（5）元件结构简单，容易实现标准化，系统化，制造容易。•（6）对工作环境适应性好，在寒冷的条件下，仍能保证正常工作，工作安全可靠。•（7）空气有可压缩性，因而在载荷时，传递运动不够平稳、均匀。•（8）工作压力不能太高，传递效率低，不易获得较大的力或力矩。•（9）排气是噪音较大。四、气动控制系统的组成（1）供气设备：是获得压缩空气的装置。（2）执行元件：是以压缩机为工作介质产生机械运动，并将气体的压力能变成机械能的能量转换装置。（3）控制元件：用来控制压缩空气的压力、流量和流动方向，以便使执行机构完成预定运动规律的元件。（4）辅助元件：使压缩空气净化、消声及元件间连接等所需要的装置。图6-1储气罐压缩机至转盘12345主气路•1:导气龙头•2：•3：调压继气器•4：转盘手柄调压阀•5：旋塞阀第二节供气设备•供气设备：供气设备是气控系统的动力源，它提供清洁、干燥且具有一定压力和流量的压缩空气，以满足不同条件的使用场合对压缩空气质量的要求。•供气设备的组成：•①气压发生装置（如空气压缩机）•②储气罐•③压缩空气的净化装置空气压缩机•定义：空气压缩机是将机械能转换为气体压力能的装置。（简称空压机，俗称气泵）•空气压缩机分类：按工作原理分容积式速度式容积式压缩机•容积式压缩机是通过运动部件的位移，周期性的改变密封的工作容积来提高气体压力。在气压传动中一般多采用容积式空气压缩机。容积式压缩机活塞式膜片式螺杆式速度式压缩机•速度式压缩机是通过改变气体的速度，提高气体动能，然后将动能转化为压力能，来提高气体压力。速度式压缩机离心式轴流式混流式二空气净化装备•在气动传动中使用的低压压缩机多采用油润滑，由于它排出的压缩气体温度一般在140~170℃之间，使压缩空气中的水分和部分润滑油气化，在与吸入的灰尘混合，形成了水、油和灰尘的混合气体。•混合气体中的杂质会对整个系统带来不良影响，因此，在气动传动系统中，设置除气、除油、除尘和干燥等气源净化装置。•常用净化装置有冷却器、空气过滤器、空气干燥器、除油器、分水排水器和油雾器。1冷却器•冷却器的作用是将空气压缩机排除的气体由140~170℃降至40~50℃，使压缩空气中的油雾和水汽迅速达到饱和，大部分析出并凝结成水滴和油滴，以便经油水分离器排出。按冷却方式分类水冷式风冷式2空气过滤器•空气过滤器的作用是滤除压缩空气中含有的液态水滴、油滴、固体粉尘颗粒及其他的杂质。•空气过滤器的组成：壳体和滤芯。•注意：过滤器使用中要定期清洗和更换滤芯，否则将增加过滤阻力，降低过滤效果，甚至堵塞。3空气干燥器•空气干燥器的作用是降低空气的湿度，为系统提供所需要的干燥压缩空气。（注：若使用有油压缩机，则要在干燥器入口处安装除油器。）4除油器和分水排水器•除油器和分水排水器的作用是滤除压缩空气中的油分和水分，并及时排除。5油雾器•油雾器的作用是将润滑油雾化后喷入压缩空气管道的空气流中，随空气进入系统中润滑相对运动零件的表面。•分类：油雾型和微雾型•使用要求：油雾器要有良好的密封性、耐压性和滴油量调节性能。使用时，应合理地调节起雾流量等参数，以达到最佳润滑效果。三储油罐•储油罐的作用是储存空气压机排除的压缩空气，减小压力波动；调节压缩机的输出气量与用户耗气量之间的不平衡状况，保证连续、稳定的流量输出；进一步沉淀分离压缩空气中的水分、油分金和其他杂质颗粒。•分类：立式和卧式（立式结构应用较为普通）•使用要求：储气罐使用时应附有安全阀、压力表和排污阀等附件。此外，储气罐还必须符合锅炉及压力容器安全规则的要求，如使用前应按标准进行水压试验等。第三节执行元件•执行元件的作用是将压缩空气和压力能转换为机械能，驱动工作部件工作。•常用组件：气缸、气动马达和气动摩擦离合器。一气缸•定义：气缸是输出往复直线运动或摆动运动的执行元件。1·单作用式气缸一般用于短行程或对活塞杆推力、运动速度要求不高的场合。2.薄膜式气缸薄膜式气缸：利用压缩空气使膜片变形来推动活塞杆做直线运动的气缸。薄膜式气缸由缸体、膜片、膜盘和活塞杆等组成。膜片形状有盘形膜片和平膜片两种。膜片材料有：夹织物橡胶、钢片和磷青铜片。常用的为夹织物橡胶，金属膜片只用于行程较小的膜片式气缸。3.回转式气缸回转式气缸由导气头体、缸体、活塞、活塞杆等组成。回转式气缸的缸体连同缸盖及导气芯可被携带回转；活塞和活塞杆只能作往复直线运动；导气头体外接管路，固定不动。二气动马达•定义：气动马达是输出旋转运动机械能的执行元件。三气动摩擦离合器定义：气动摩擦离合器在挂合时用于传递转矩，摘开时刻是主动件与被动件分离，动力被切断。它可使工作机起动平稳，换挡方便，并有过载保护作用。特点：（1）传动柔和，具有弹性、抗冲击、吸收振动；（2）操作省力、方便、迅速、易于实现远距离集中控制；（3）结构简单、寿命长；（4）反应快；（5）能准确地控制所传递的扭矩；（6）能补偿安装误差。图6-9通风型气胎离合器通风型气胎离合器是在普通气胎离合器的基础上发展起来的。其特点是：隔热和通风散热性能好，气胎本身在工作时不承受扭矩；挂合平稳、摘开迅速、摩擦片厚、寿命长；易损件少，更换易损件方便；经济性好。通常，造成气胎离合器损坏的原因是工作过程中，；离合器摩擦片的打滑及半打滑而产生大量的热，使得气胎被烧坏，橡胶老化而损坏。通风型气胎离合器在结构上的主要特点是，增加了一套散热传能装置。散热传能装置主要由扇形体、承扭杆、板簧和挡板等零件组成。通风型气胎离合器的气胎外表面与钢圈相接触。摩擦片用铆钉或平头螺栓固定在扇形体的内侧，扇形体中部有导向槽，槽中装有承扭杆和以一定予压力压在承扭杆上的板簧，承扭杆中部为长方形，两端为圆柱体。它的两端伸出扇形体，并插进与钢圈相连的挡板上的相应孔中。接合时，压缩空气进入气胎，气胎沿径向向内膨胀，推动扇形体沿着导向槽相对于固定在挡板上的承扭杆向轴心移动，使摩擦片逐渐抱紧摩擦轮，实现挂合。同时板簧也受到压缩。由于扇形体和气胎之间无连接，故摩擦轮与摩擦片工作表面产生的转矩，不经过气胎，而是经过扇形体、承扭杆、挡板、钢圈等零件来传递的。此外，扇形体将发热的摩擦片与气胎隔开，且扇形体内部做成了蜂窝状结构，即在通风孔中铸有许多小散热片。在挡板上内圈相应位置上亦开有通风孔槽，使工作过程中产生的热量能尽快散发到周围的空气中而不影响气胎。气胎的作用只是产生径向推力和正压力，不受扭、不受热。解决了气胎易烧坏，易老化的难题而大大提高了气胎的寿命。摘开离合器时，除气胎本身的弹性恢复原状外，还有板簧的弹力以及旋转的离心力的作用而使摩擦片迅速脱开摩擦轮，从而减少了因打滑产生的热量，减轻摩擦片的磨损，提高了摩擦片的使用寿命。通风型气胎离合器，散热好、寿命长。但结构比普通型复杂，高速工作时，离心力对离合器工作能力的影响也相应加大，因此，它适用于挂合频繁，转矩大而转速不太高的场合。气动盘式摩擦离合器图6-11气动盘式摩擦离合器的工作表面是环状平面。工作时，摩擦片沿轴向移动，故又称为轴向作用式离合器。气动盘式摩擦离合器特点是耗气量小、传递转矩大。国外钻机多采用这种离合器。我国主要发展胎式气离合器，也研制盘式离合器，但为数不多。因为胎式气离合器综合技术经济指标较好，特别是通风型胎式离合器的出现，提高了其传递扭矩的能力和工作寿命，大有发展前途。气动摩擦离合器的选用原则如下：要求传递扭矩不大，挂合不频繁的场合，如柴油机至变矩器，带泵，并车处，大多采用普通型胎式离合器，以取其结构简单，挂合平稳柔和，制造和安装技术要求低的特点。传递扭矩大，工作繁重的总离合器以及工作扭矩大，挂合频繁的绞车低速离合器，转盘离合器，可采用通风型胎式离合器，以取其挂合柔合，摘开迅速，通风传热性能好，传递扭矩大，寿命长等优点。对于5000m以上的超深井钻机，由于绞车低速离合器要传递很大扭矩（M＞100KN.m），可考虑选用盘式气离合器，以取其工作扭矩大，结构紧凑特点，但应减少其挂合次数而必须设高速离合器。第四节控制元件•气控制元件的作用是调节压缩空气的压力、流量、方向以及发送信号，以保证气动执行元件按规定的程序正常动作。气控制元件按功能分类压力控制阀流量控制阀方向控制阀一压力控制阀•压力控制阀是利用压缩空气作用在阀芯上的力和弹簧力相平衡的原理来控制压缩空气的压力，进而控制执行元件动作顺序。•组成：减压阀、溢流阀、顺序阀和调压继气阀1.减压阀•减压阀的作用是将出口压力调节在比进口压力低的调定值上，并能使输出压力保持稳定，又称为调压阀。•分类：直动式和先导式•主要用于要求平稳启动和有选择压力的控制气路上，如转盘启动、绞车高低速启动、柴油机油门等控制。调压阀结构图调压阀原理图2.溢流阀•溢流阀的作用是当系统中的压力超过调定值时，使部分压缩空气从排气口溢出，并在溢流过程中保持系统中的压力基本稳定，从而起过载保护作用（又称为安全阀）•分类：直动式和先导式按其结构可分为活塞式、膜片式和球阀式3.顺序阀•顺序阀是依靠气路中压力的作用来控制执行机构按顺序动作的压力阀。4.调压继气器•调压继气器的控制气是由调压阀供给压力可变的压缩空气，来自主气路的顶呀压缩空气通过调压继气器后，可以输出相应的压力可变的压缩空气至执行机构元件。二流量控制阀•流量控制阀的作用是通过改变阀的通气面积来调节压缩空气的流量，控制执行元件运动速度。•流量控制阀也称为调速阀。由于气体的可压缩性，气动系统中的流量只能采用节流的方式进行控制。任何一个流量阀都有节流部分，大多为可调的。空气流经小孔或缝隙也必然产生显著的压力降。•流量控制阀主要包括节流阀、单向节流阀、排气节流阀和行程节流阀。•节流阀如图6-15。节流阀：节流阀的结构如图6-15所示。它由阀体、针形阀等组成。调节针形阀的位置，即可控制气体流量。此阀用于钻机总离合器的进气管路上和其它气路中，使离合器挂合较为柔和。图6-15三方向控制阀•方向控制阀的作用是控制压缩空气的流动方向和气流的通断。•方向控制阀一般采用阀芯切换进、出气通道，达到气路换向的目的。•方向控制阀的种类与液压方向阀类似，种类很多。按操纵方式分为手动和气控两种。常用的有手动两通阀、单向阀、三通旋塞阀、气控二位三通阀(两用继气器)等。1.单向阀•作用：只允许气流向一个方向流动。•单向阀包括：单向阀、梭阀和快速排气阀。•（1）单向阀：气流正向通过，反向则不通。•（2）梭阀：若有两个输入口，一个输出口，并要求两个输入口不允许相通时，就可梭阀进行控制。当两个输入口同时进气时，压力高的输入口与输出相通，低压口则自动关闭。•（3）快速排气阀：用于将气胎、气盘、气缸等执行元件内压缩空气迅速排放出来，提高传动系统的启、停灵敏度，延长摩擦零件的寿命。2.换向阀•换向阀的作用是通过改变气流通道，改变气流方向，以改变执行元件运动方向。•换向阀有：1）二位三通转阀（二