【论文摘要】为解决石棉刹车块对环境的污染和变温摩擦系数不稳定的问题，中国新星石油公司第六普查勘探大队研制了无石棉复合纤维增强石油钻机刹车块。这种刹车块用交联性有机纤维和无机纤维复合增强材料取代石棉并以腰果壳油、三聚氰胺对作为粘合剂的酚醛树脂改性，使其分解温度提高。在压缩模塑工艺中，增加预热、预压工序，提高粘合剂的流动性和产品的物理机械性能。摩擦试验检测和应用实践表明，无石棉刹车块的各项物理性能优于国家标准，其使用寿命比石棉刹车块提高1倍以上，且无环境污染。
Development and application of asbestos-free brake shoes for oil drilling rigs
Xia Anlong
(The Sixth Brigade of Petroleum Prospecting and Exploration, China New Star Petroleum Corporation, Zhenjiang City, Jiangsu Province)
To solve the problem of pollution of asbestos brake shoes, a kind of asbestos-free composition fiber reinforced brake shoes for drilling rigs is developed. This kind of brake shoes uses organic and inorganic fibers composition reinforced material instead of asbestos, and takes phenolic resin with additives of cashew shell oil and melamine as bond. In the compression moulding technology, preheat and prepressing procedures are added to improve the flowability of the bond and physical and mechanical properties of the product. Friction test and application show that, all the physical properties of the asbestos-free brake shoes exceed that stipulated in relative Chinese Standard, and their service life is one times higher than that of asbestos brake shoes.
Subject Concept Terms oil drilling rig asbestos-free brake shoes development application
问题的提出
传统的石油钻机刹车块都采用石棉纤维增强，其中的石棉纤维含量45%～70%。自国际肿瘤医学会确认石棉属影响人体健康和致癌物质以来，一些工业发达国家相继制定法规，限制使用石棉制品。为了解决石棉刹车块对环境的污染和变温摩擦系数不稳定、耐磨性差等问题，新星石油公司第六普查勘探大队研制成无石棉复合纤维增强石油钻机用刹车块。该产品获国家发明专利权，被确认为江苏省高新技术产品，并列为国家级重点新产品。
石油钻机的绞车刹车结构是一种单向带式刹车装置，刹把可转动杠杆通过曲拐拉动刹车带，使刹带围抱刹车毂［1］。石油钻机在提升或下放钻具时，绞车刹车毂和刹车块摩擦的热载荷持续时间长，滑动速度快，所以刹车块的高温摩擦磨损机理是研制石油钻机刹车块的重要理论基础。在高温下，刹车块表面一些有机物质发生分解、气化、碳化或从表面脱落形成磨屑，经过对磨屑的差热分析，低温下磨屑中有机成分含量较高，高温下脱落的磨屑中有机成分含量很低，表明磨屑已发生热分解。由此可知，高温下刹车块磨损剧烈的原因主要是表面有机物质分解引起的，其磨损量与绝对温度呈指数函数上升。因此，提高有机基体的热分解温度，延缓其热分解速率是改善石油钻机刹车块高温磨损的有效措施。刹车产生热量，使树脂、橡胶等有机物质分解而生成气体或焦化，石棉纤维失去结晶水和脆化［2］，这些物质有一部分残留于摩擦界面之间，使刹车块摩擦系数下降，制动力下降。故研究取代石棉的优质纤维的物理化学性能，必将有助于改善刹车块的摩擦系数热衰退。
无石棉刹车块的配方和工艺路线
石油钻机用刹车块通常由增强纤维、粘合剂、填料和摩擦调节剂组成，其中增强纤维和粘合剂是关键材料，决定着刹车块的强度、耐热性和摩擦磨损性能。目前还没有找到一种既有石棉纤维的优点又无环境污染的物质，所以有必要遵循扬长避短、优势互补的原则，研制出一种可交联性有机纤维和无机纤维复合增强材料，并研究作为粘合剂的改性树脂配方。
1.增强纤维材料
可交联性有机纤维为1～2.5D×5～7mm超短纤维，这种超短纤维通过物理和化学方法改性处理制得，经过改性的纤维表面在电子显微镜照片中，可见表面结构粗糙，坑洼较多，说明与粘合剂增强了结合强度。无机纤维为E型短切玻璃纤维，用硅烷偶联剂处理，这种偶联剂分子的一端与二氧化硅表面缩合，另一端与有机粘合剂反应，形成一种桥键，亲和力增大。有机纤维的混入，还解决了E型玻璃纤维在产品中产生的取向性，成为一种良好的复合增强材料，对刹车块具有显著的增强作用［2］。对刹车块的性能检测和使用实践都说明这种材料的耐冲击强度、抗高温和耐磨性能都优于石棉纤维。
2.粘合剂
刹车块一般用酚醛树脂作粘合剂，为了克服酚醛树脂脆性大、硬度高和贴合性差等缺点［3］，在生产中添加一定组分橡胶进行塑炼，提高其韧性和弹性，但橡胶的耐热性差，遇摩擦高温会分解碳化。据此用腰果壳油和三聚氰胺对酚醛树脂改性，经过改性的酚醛树脂分解温度为439℃、500℃时残留物有55.7%，而纯酚醛树脂分解温度为270℃、500℃时残留物仅有36%。用这种改性树脂作粘合剂，是较理想的合成材料。
3.摩擦调节剂
在刹车块材料中，掺入摩阻调节剂、弹性粉料和黄铜屑等，对调节摩擦性能有较大作用，能抗摩擦系数的热衰退，减少刹车块在模塑过程中的气泡和分层，提高成品率［4］。添加一定组分石墨作为减摩剂，使刹车块磨耗降低，减少对刹车毂的伤害，并有效抑制制动过程中的噪音，但石墨过量会使摩擦系数下降。黄铜屑能提高刹车块的导热性，把摩擦高温从表面传导扩散，另外因黄铜屑的镶嵌能力强，对稳定摩擦系数，降低磨耗也会产生影响。
4.制造工艺路线
在试制过程中，对几种工艺路线类比试验，确定质量容易控制、工艺路线较短的制造工艺。工艺路线如图1所示。
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图1 制造工艺流程图
捏合的物料要防止受潮，存放时间不得超过三天。在压缩模塑工序中，采用预热、预压同时进行。预热温度控制在80～90℃，优点是能排除物料中的挥发成分，增进制品固化均匀性，提高树脂流动性，减少收缩率和内应力，提高产品物理机械性能和表面质量。预压压力控制在15MPa,优点是排除物料中的气体，使物料导热加快，缩短固化时间，能避免产品出现气泡和分层，提高产品成型合格率［5］。产品合格率达到95%左右，满足无石棉摩擦材料生产要求。
压缩模塑过程可分为粘流、凝胶、固化三个阶段，这三个阶段没有明显界线。粘流、凝胶阶段保持的时间长短，即为固化速度，凝胶化后的固化速度受材料的热扩散控制，反应活化能受温度的影响起重要作用。因此，最终的固化度起决定性作用。
无石棉刹车块的检测及性能分析
1.刹车块的检测
委托中国非金属矿工业总公司摩擦材料检测中心按照SY/T 5023—94《石油钻机用刹车块》标准，在D—MS型摩擦试验机上检测刹车块，检测结果见表1。
表1 刹车块物理性能检测结果 |
| 检测项目 |
检测温度(℃) |
标准规定 |
检测结果 |
| 磨擦系数 |
120±5 |
>0.42 |
0.54 |
| 150～250 |
>0.38 |
0.53 |
| 250±5 |
>0.35 |
0.56 |
| 300±5 |
不规定 |
0.57 |
| 磨损率(mm/30min) |
120±5 |
<0.10 |
0.046 |
| 250±5 |
<0.21 |
0.066 |
| 硬度（HB） |
— |
<45 |
23.5 |
| 冲击强度(J/cm2) |
— |
>0.304 |
1.02 |
| 吸油率(%) |
— |
<1 |
0.17 |
| 吸水率(%) |
— |
<2 |
0.26 |
2.刹车块的性能分析
(1)耐热性能 刹车块的摩擦系数热稳定性首先与材料的化学成分和制造工艺有关，其次取决于制动时热载荷持续时间、滑动线速度和压力大小。检测结果表明，新型改性树脂提高了刹车块的耐热性能，变温摩擦系数稳定度达96%。
(2)耐磨性能 刹车块的耐磨性决定产品的使用寿命。改性有机纤维，在摩擦温度为300℃以上时，开始熔解并交联，在摩擦影响层形成一个实在的网，一般受热影响层厚度在0.1～1mm范围内，影响层的纤维在熔解过程中吸收摩擦过程中的落粉，既使刹车毂保持清洁，又减少粉尘对环境的污染，尤其对降低刹车块磨损有明显作用。
(3)抗冲击强度 刹车块在应用过程中，受到制动冲击力和摩擦力的作用，所以要求它必须具有良好的结构强度，保证在装配和应用过程中不出现破裂。石棉增强刹车块，采用的石棉纤维长径比在4～25之间。而所用的取代纤维长径比在400以上，而且抗拉强度和耐折断性能都优于石棉，故产品抗冲击强度高。
无石棉刹车块的应用
石油钻机用无石棉刹车块已批量进入市场，在中国新星石油公司，以及江苏、辽河油田和海门石油机械厂等单位广泛应用，取得了较好的经济效益和社会效益。江苏石油勘探局32729钻井队使用的大庆130型钻机，辅助刹车用单列 1000mm水刹车，由于辅助刹车的刹车能力不足，在下放钻柱时不能松开刹把，需连续长时间使用刹带。安装了一副无石棉刹车块后，经周41-3井、徐24井、柘-2井等3口井的使用，累计钻井进尺6222m，其间送钻均匀平稳，制动灵敏，特别是提升、下放钻柱过程中，制动时粉尘少，无噪音，也未见火花。使用后的刹车块无龟裂和掉块现象。
1997年10月至1998年1月，六普6003钻井队用F320钻机在苏东240B、苏东24、苏东248井上使用无石棉刹车块，累计钻井进尺8059.97m，提升下放钻柱23次，刹车块平均磨耗10mm(苏东240B和苏东244井未测)。
一副无石棉刹车块，经过钻3口井后检查发现严重偏磨，在使用的24块刹车块中，有5块达到更换要求，其中最大磨耗18mm，原因是刹车钢带扭曲变形，其余19块的最小磨损仅3mm。
无石棉刹车块的弹性和贴合性好，便于均匀送钻，起下钻柱制动灵敏、可靠，未发现打滑现象；在起井架和放井架过程中操作平稳；耐冲击强度高，更换时未发现刹车块裂隙和螺栓孔撕裂，而原使用的石棉刹车块曾发生过撕裂脱落。
结论
研制的石油钻机用无石棉刹车块变温摩擦系数稳定，硬度较低，贴合性良好，制动过程中无噪音，无火花，粉尘少，成功地解决了石棉粉尘对环境污染的问题。由于使用寿命比石棉刹车块提高1倍以上，在钻深井过程中不需要更换刹车块，提高了钻井效率，降低了钻井成本。无石棉刹车块的研制成功，开发了一种取代石棉纤维的新型材料，为我国短切有机纤维和E型玻璃纤维开辟了新的应用领域。
夏安龙，工程师，生于1949年,1987年毕业于北京经济学院现代经济管理专业,现从事职工教育培训和科学技术普及工作.
夏安龙（中国新星石油公司第六普查勘探大队）
参 考 文 献
［1］ 赵怀文，陈志喜.钻井机械.北京：石油工业出版社，1995:90～95
［2］ 陈义芳，顾文华，孙载坚等译.聚合物复合材料.(英)Sheldon R P.Composite Polymeric Materials.北京：轻工业出版社，1989：5～23
［3］ 王致禄，陈道义.聚合物胶粘剂.上海：上海科学技术出版社，1988:174～179
［4］ 李佐邦，张留成，吴培熙等译.塑料用填料及增强剂手册.(美)Katz H S,Milewski J V.Handbook of Fillers and Reinforcements for Plastics.北京：化学工业出版社，1985:176～180
［5］ 成都科技大学.塑料成型工艺学.北京：轻工业出版社，1992:81～89 |
