VARCO頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭常見故障分析及解決方案

竇文彬，相軍峰

（中國石油川慶鉆探國際工程公司，四川成都 610066）

0 引言

頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭作為管子處理器的油路構(gòu)建者，是傾斜系統(tǒng)、IBOP（Internal Blowout Prevent，內(nèi)防噴器）系統(tǒng)及背鉗系統(tǒng)等的重要組成部分，近幾年來在作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)頭漏油、適配器轉(zhuǎn)動卡頓、適配器隨主軸一起轉(zhuǎn)動等故障，嚴重影響鉆進時效。本文以VARCO TDS-11S頂驅(qū)為例，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，找出故障原因及解決方案。

1 旋轉(zhuǎn)頭的結(jié)構(gòu)和功能介紹

頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭主要由旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒、活塞環(huán)、齒輪盤和旋轉(zhuǎn)頭適配器等幾大部分構(gòu)成：旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒固定在齒輪箱底部，在作業(yè)過程中處于靜止狀態(tài)；旋轉(zhuǎn)頭適配器通過螺栓與齒輪盤連接在一起，當齒輪盤被液壓馬達驅(qū)動時，帶動旋轉(zhuǎn)頭適配器一起圍繞內(nèi)筒旋轉(zhuǎn)。

1.1 旋轉(zhuǎn)油腔和液壓油傳遞功能

在旋轉(zhuǎn)頭適配器的內(nèi)表面，均勻分布有10道凹槽，每道凹槽處安裝一道密封，相鄰兩道密封與內(nèi)筒外表面形成一個環(huán)形密閉空間，稱之為旋轉(zhuǎn)油腔。同樣在旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒的壁厚內(nèi)沿徑向分布有10道不同長度的油道，其油道出口對應(yīng)9個旋轉(zhuǎn)油腔和一個浮動液缸，這樣就巧妙形成了10條油路，既保證適配器雙向360°旋轉(zhuǎn)，又實現(xiàn)了傾斜、浮動、IBOP關(guān)/開以及背鉗松/緊等功能。

圖1以IBOP關(guān)閉功能為例，闡述液壓油在旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)部的傳遞路徑。其中，A4-A41為內(nèi)筒的壁厚內(nèi)的油道，A42-A4′為旋轉(zhuǎn)頭適配器壁厚內(nèi)沿軸向分布的油道。這樣，液壓油經(jīng)A4口→內(nèi)筒→旋轉(zhuǎn)油腔→旋轉(zhuǎn)頭適配器A4′口→外部管路→IBOP，完成IBOP關(guān)閉的功能。

圖1 A4口（IBOP關(guān)功能）液壓油傳遞示意

1.2 浮動液缸和懸浮功能

懸浮液缸是由旋轉(zhuǎn)適配器、旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒、齒輪盤、活塞環(huán)以及密封等裝配而成的一個密閉空間（圖2）。浮動液缸的作用就是旋轉(zhuǎn)頭適配器實現(xiàn)有效上浮功能后，與坐落在主軸上的承載環(huán)之間互不接觸或摩擦，適配器與主軸之間可以相對獨立旋轉(zhuǎn)。當液壓油經(jīng)L口進入懸浮動液缸后，會沿內(nèi)筒方向形成液壓作用力，上作用面為齒輪盤，下作用面為活塞環(huán)。由于活塞環(huán)通過熱裝工藝及卡簧固定在內(nèi)筒上，處于靜止狀態(tài)，因此液壓作用力將齒輪盤向上托舉，通過計算和現(xiàn)場試驗，此時齒輪盤承受的向上液壓作用力為5 t，大于齒輪盤、旋轉(zhuǎn)頭適配器和吊環(huán)的重量和（約2.5 t），齒輪盤向上移動，聯(lián)帶適配器一起向上移動（行程約1 cm），懸浮功能得以實現(xiàn)。

圖2 懸浮機構(gòu)示意

2 常見故障排查及解決方案

2.1 旋轉(zhuǎn)頭漏油

由于旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)部密封件較多，各密封件的功能不盡相同，旋轉(zhuǎn)頭發(fā)生漏油故障時應(yīng)根據(jù)漏油位置具體分析并采取不同的處理措施。

2.1.1 旋轉(zhuǎn)頭下方主軸表面有液壓油

該位置出現(xiàn)液壓油時，應(yīng)重點從兩個方面考慮：

（1）最下端旋轉(zhuǎn)密封失效，造成旋轉(zhuǎn)頭滲油漏油。由于最下端旋轉(zhuǎn)油腔為備用油腔，此時應(yīng)確認該油腔是否有在使用：如果在使用，可將該油腔相關(guān)管線拆除，挪至最上端備用油腔應(yīng)急使用；如果最下端備用油腔未被使用，則應(yīng)考慮下述第二種情況。

（2）浮動油缸下端活塞環(huán)與內(nèi)筒之間的密封（51300-273-B）損壞，液壓油從活塞環(huán)下方泄油孔沿主軸內(nèi)壁漏出，此時應(yīng)更換相應(yīng)密封件。

2.1.2 齒輪盤下端面有液壓油

該位置觀察到滲油漏油時，一般為齒輪盤固定螺栓松動，使得齒輪盤與旋轉(zhuǎn)頭適配器上端面之間的密封圈（O形圈51300-381-B）不能起到有效的密封作用，或密封圈損壞失去密封功能，導(dǎo)致液壓油漏出。此時可先緊固連接螺栓觀察使用，而后根據(jù)使用效果判斷密封圈狀態(tài)及是否將其更換。

2.1.3 齒輪盤上端面有液壓油

該位置觀察到滲油漏油時，一般為齒輪盤內(nèi)密封（S/N：30119319）損壞，導(dǎo)致液壓油從此處漏出，此時應(yīng)更換相應(yīng)密封件。

2.1.4 旋轉(zhuǎn)頭下方主軸表面有齒輪油

該位置觀察到齒輪油時，一般為內(nèi)筒的最上端的唇形密封（S/N：77039）失效，導(dǎo)致齒輪箱齒輪油沿旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒內(nèi)表面滲漏，此時應(yīng)更換相應(yīng)密封件。

2.1.5 齒輪箱下表面有齒輪油

此時應(yīng)考慮內(nèi)筒與齒輪箱間密封（O形圈S/N：51300-385-F）損壞，導(dǎo)致齒輪油外泄，此時應(yīng)更換相應(yīng)密封件。

2.2 未發(fā)現(xiàn)液壓油滲漏，但液壓動作紊亂

在排除電器故障的前提下，當發(fā)生液壓動作紊亂時，應(yīng)考慮相對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)油腔密封失效，使得相鄰油腔的液壓油竄入，造成亂動作，此時可將此油道更換至上/下備用油道使用，待后期作業(yè)允許時再進行密封更換。

2.3 旋轉(zhuǎn)頭適配器轉(zhuǎn)動卡頓

液壓馬達是適配器旋轉(zhuǎn)的動力源，當發(fā)生卡頓故障時應(yīng)重點排查液壓馬達動力輸出是否平穩(wěn)：

（1）查看液壓馬達的工作壓力是否正常（正轉(zhuǎn)A口：1700 psi，反轉(zhuǎn)B口：1700 psi），如若壓力不在標準值內(nèi)，可通過調(diào)節(jié)A/B口旁邊的溢流閥來調(diào)整工作壓力。

（2）查看液壓馬達—鎖銷總成的固定螺栓是否已經(jīng)松動或安裝扭矩是否符合安裝標準，這些均會影響馬達動力輸出的平穩(wěn)性。

2.4 旋轉(zhuǎn)頭適配器隨主軸一起轉(zhuǎn)動

由上述分析可知，當旋轉(zhuǎn)頭適配器懸掛的負載小于2.5 t時，懸浮功能應(yīng)有效，旋轉(zhuǎn)頭和主軸之間可以相對旋轉(zhuǎn)：若旋轉(zhuǎn)頭適配器隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，則適配器與坐落在主軸上的承載環(huán)之間發(fā)生摩擦，主軸帶動適配器同步轉(zhuǎn)動，此時應(yīng)重點檢查旋轉(zhuǎn)頭懸浮功能是否正常，如旋轉(zhuǎn)頭是否懸浮、懸浮的行程是否正常（行程約為1 cm）等。

（1）檢查齒輪盤上表面、下表面、適配器下端面、主軸表面等地方是否有液壓油泄漏，是否因密封失效或活塞環(huán)卡簧故障引起活塞環(huán)錯位，導(dǎo)致懸浮液缸內(nèi)油壓下降，未能實現(xiàn)有效懸浮，導(dǎo)致故障的發(fā)生。

（2）檢查系統(tǒng)壓力是否正常（2000 psi），懸浮液杠進油口（L口）壓力是否正常（2000 psi），是否因系統(tǒng)壓力過低或管路堵塞，導(dǎo)致懸浮液缸內(nèi)液壓油壓力過低，未能實現(xiàn)有效懸浮，導(dǎo)致故障發(fā)生。

3 預(yù)防措施

從常見故障原因分析和現(xiàn)場的使用觀察來看，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)頭故障的原因主要存在于密封件損壞、員工不當操作和維護保養(yǎng)不到位等，所以在日常使用時應(yīng)注意以下4個方面：

（1）旋轉(zhuǎn)頭密封件應(yīng)定期更換，根據(jù)NOV維護保養(yǎng)標準和現(xiàn)場使用情況，旋轉(zhuǎn)頭密封件使用周期應(yīng)不超過1年，超期限使用時，旋轉(zhuǎn)頭漏油滲油故障率將大大增加。

（2）操作人員應(yīng)養(yǎng)成良好的操作習(xí)慣，嚴禁在吊環(huán)懸掛重負荷時轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)頭，以免造成旋轉(zhuǎn)頭密封損壞、活塞環(huán)卡簧損壞等故障。

（3）在起下鉆作業(yè)時，吊卡對鉆具的瞬時提升應(yīng)緩慢，防止因速度過快，造成懸浮液缸內(nèi)油壓瞬時升高，活塞環(huán)及卡簧承受過大的瞬時作用力，增加懸浮油缸故障的概率。

（4）維保人員應(yīng)定期更換液壓油濾芯和液壓油，防止油液中混入細小顆粒雜質(zhì)，堵塞管路或電磁閥，造成系統(tǒng)壓力/執(zhí)行機構(gòu)壓力過低，導(dǎo)致故障發(fā)生。

4 結(jié)論

旋轉(zhuǎn)頭的穩(wěn)定工作對頂驅(qū)的正常運轉(zhuǎn)具有重要的意義，這就要求操作人員和維護人員嚴格按照操作規(guī)程進行操作和保養(yǎng)，同時要求維修人員清楚認知其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，這樣在降低旋轉(zhuǎn)頭故障率的同時，大大提升故障排查效率和設(shè)備的使用效率。