VARCO頂驅旋轉頭浮動油缸故障探析

蔣建華

（中國石油集團長城鉆探頂驅技術分公司，北京 100101）

0 前言

近幾年來，VARCO頂驅在作業過程中多次發生旋轉頭卡住不能旋轉、浮動油缸漏油等故障。VARCO頂驅旋轉頭內活塞環限位結構升級后，解決了活塞環下側卡簧單薄的問題，但卻出現了卡簧槽下側臺肩容易斷裂的新問題。為了解決旋轉頭浮動油缸類似故障，詳細分析多起故障原因，提出針對性解決措施。

1 現場故障概況

長城鉆探頂驅技術分公司有超過40臺VARCO頂驅在國外鉆井現場作業，其中在阿曼、伊拉克、阿爾及利亞和委內瑞拉項目的多個作業現場出現過旋轉頭浮動油缸故障。據統計，旋轉頭浮動油缸卡簧和卡簧下側臺肩故障占比達到浮動油缸故障總數的60%。拆解旋轉頭發現：旋轉頭內筒未升級的，卡簧變形或剪斷，取出后發現活塞環錯位，卡簧失效后卡死，活塞環下滑漏油（圖1）；旋轉頭內筒升級后的，旋轉頭內筒外拔困難，拔出后發現卡簧下側承載臺肩部分斷裂，活塞環下滑錯位漏油（圖 2）。

2 旋轉頭浮動油缸結構分析

圖1 卡簧變形斷裂

圖2 卡簧下側臺肩斷裂

頂驅旋轉頭浮動油缸是由內筒、旋轉頭外殼、活塞環、卡簧、大齒輪盤及密封件組成的密閉空間（圖3）：在液壓油壓力作用下，旋轉頭外殼上移，與承載環脫離接觸，實現頂驅旋轉頭浮動，保證頂驅主軸和旋轉頭獨立旋轉，以實現其各自的功能。在這一過程中，浮動產生的載荷由卡簧承擔。

圖3 旋轉頭浮動環形油缸組成

浮動油缸的密閉空間主要由外殼、內筒、活塞環和密封（包括齒輪盤內油封、齒輪盤和外殼之間密封、活塞環和外殼之間密封、活塞環和內筒之間密封）組成。如果破壞了內部密封結構，頂驅旋轉頭不能上浮，旋轉頭和主軸會一起轉動，旋轉頭不僅失去本身功能，并且還可能釀成嚴重安全事故。

3 旋轉頭浮動油缸工作原理

頂驅旋轉頭浮動油缸的作用就是讓旋轉頭和主軸互不接觸，可以相對獨立旋轉。旋轉頭與浮動油缸進出油道相同，頂驅液壓系統工作時，浮動油缸內始終保持12～13.8 MPa的系統壓力，則活塞環下側卡簧也會一直承受此壓力，通過測量活塞內外徑可得出液壓油有效作用面積，換算出卡簧實際承受的壓力約為20 t。但是，旋轉外殼所受的向上浮動力是由齒輪盤和浮動油缸內液壓油的接觸面積決定的，通過測量計算和現場實際試驗，得出旋轉外殼受到向上的浮動力為5 t，減去旋轉頭外殼等自重和吊環重量，則實際能浮動鉆具重量為2.5 t。

當起下鉆具時，鉆具重量超過2.5 t，旋轉頭外殼會承受重力向下移動，浮動油缸內容積會縮小，液壓油就會從進油口返回，通過溢流閥流出，從而保持油壓不變。當旋轉頭外殼下沿坐到主軸承載環上時，鉆具重量就會通過旋轉頭外殼傳到主軸上，但浮動油缸仍保持有系統壓力承受大約2.5 t的重量，此時旋轉頭和主軸不能相對旋轉。當鉆具重量＜2.5 t時，旋轉頭浮動油缸就會復位，恢復其浮動功能，旋轉頭和主軸可相對旋轉。

4 故障原因分析

4.1 設計不合理

（1）VARCO公司早期設計的旋轉頭浮動油缸內筒卡簧較薄，但卡簧下部臺肩較厚，所以在升級前的產品中只出現卡簧變形斷裂等現象，造成旋轉頭卡滯的情況，未出現過下部臺肩斷裂。為了解決卡簧變形斷裂的問題，VARCO公司只是簡單地向下加寬了卡簧槽，以損失卡簧下側限位臺肩的厚度來增加卡簧厚度，忽略了限位臺肩變薄后的承載能力；致使卡簧槽升級后，解決了卡簧變形斷裂的問題，卻出現了下側限位臺肩易斷裂的新問題。

VARCO頂驅旋轉頭內卡簧升級前后對比：升級前卡簧徑向寬度9 mm，厚度2.3 mm；升級后卡簧徑向寬度12.5 mm，厚度5.3mm（圖 4）。

圖4 卡簧升級前后對比

VARCO頂驅旋轉頭內卡簧槽升級前后對比；經測量,升級前卡簧槽寬度2.35 mm，下側臺肩寬5 mm；升級后卡簧槽寬度5.35 mm，下側臺肩寬2 mm（圖5）。

通過比較，可以發現升級后的卡簧比升級前承載力大，但卡簧下側臺肩承載力大大減小了。

（2）旋轉頭浮動油缸進出油道為同一通道，設計孔徑偏小，不利于高壓油液迅速回油(圖6)。

圖5 內筒卡簧槽升級前后對比

圖6 浮動油缸進出油道

4.2 操作不合理

司鉆操作水平和習慣不同，在起下鉆過程中吊環瞬時提升載荷會有很大的區別。如在吊卡和鉆具接觸的瞬間，吊環上升過快；用吊環提著鉆具進行震擊作業，這些不規范的操作方法可能會使旋轉頭浮動油缸瞬時承受數百噸的壓力，此時浮動油缸內液壓油壓力會瞬時升高，再經過唯一的通道從溢流閥泄壓。由于油道孔徑較小和溢流閥反應時間有滯后，浮動油缸內活塞環及卡簧瞬時承受載荷大大增加，從而增加了浮動油缸發生故障的風險。

4.3 作業工況惡劣

為了提高時效，降低鉆成本，在條件允許的情況下，國內外鉆井作業都要求頂驅高轉速大扭矩，致使扭矩波動大，震動劇烈。在遇到井下復雜時，還可能經常因卡鉆進行震擊作業，且作業層面離井口較近。強烈的震動會對旋轉頭產生強大的沖擊，這個沖擊力也會傳遞到活塞環和卡簧上，長期使用，會造成部件疲勞受損。拆解維修時發現內筒上卡簧槽由于長期受沖擊力作用，邊緣已經變形，局部地方已經翻邊，承載不可靠。

5 結論

旋轉頭內筒卡簧槽升級前設計太窄，卡簧太薄，在大的瞬時載荷作用下卡簧易出現變形，嚴重時會從卡簧槽滑脫，導致活塞環下滑，造成浮動油缸密封失效。如果只對卡簧槽升級，卡簧增厚但下側承重的臺肩變薄，在吊環大的瞬時載荷作用下，卡簧下側的臺肩會斷裂，同樣會造成浮動油缸密封失效。

為了減少VARCO頂驅旋轉頭浮動油缸故障，對旋轉頭內筒卡簧及卡簧槽再次升級。在滿足旋轉頭浮動和承載要求的前提下，根據載荷計算合理升級卡簧厚度和卡簧槽下側承載臺肩厚度。

另外，在起下鉆操作時，吊卡和鉆具要緩慢接觸，以減小速度過快對油缸造成過大沖擊。建議采取旁置頂驅的方式震擊，以減小對旋轉頭浮動油缸的沖擊。

［1］VARCO-11SA User Manua（lRevision:3）［Z］.2014.