VARCO頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)及常見(jiàn)故障探析

王加松

(中石油川慶鉆探厄瓜多爾分公司，四川 成都 610051)

0 引言

川慶鉆探厄瓜多爾分公司每年都存在由于頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭故障導(dǎo)致的設(shè)備等停，不僅造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，還對(duì)分公司產(chǎn)生了負(fù)面的影響。目前厄分公司擁有頂驅(qū)9臺(tái)，皆為VARCO公司生產(chǎn)的TDS-11SA頂驅(qū)，為此本文以VARCO的TDS-11SA頂驅(qū)為例，從旋轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)及其工作原理入手，對(duì)常見(jiàn)故障進(jìn)行探析。

1 旋轉(zhuǎn)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 旋轉(zhuǎn)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)

頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)頭適配器、旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒和齒輪盤(pán)等部件組成，如圖1所示。齒輪盤(pán)與旋轉(zhuǎn)頭適配器通過(guò)螺栓相連，旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒通過(guò)螺栓固定在上部齒輪箱上，當(dāng)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)頭適配器圍繞旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒360°雙向轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)頭適配器與旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒間還有2只耐磨扶正環(huán)和1只止推環(huán)，旋轉(zhuǎn)時(shí)起著機(jī)械防磨的作用，分別通過(guò)適配器內(nèi)的上、下兩個(gè)黃油通道進(jìn)行潤(rùn)滑，其中上面的黃油通道內(nèi)設(shè)有黃油油腔和黃油泄壓閥。

1.2 旋轉(zhuǎn)油道

旋轉(zhuǎn)頭適配器內(nèi)表面位于上下2只耐磨扶正環(huán)之間，還均勻分布有10道密封槽，每道密封槽各安裝1只旋轉(zhuǎn)密封，旋轉(zhuǎn)頭適配器內(nèi)表面、旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒外表面及相鄰的2道密封之間共同組成一環(huán)形封閉腔，即旋轉(zhuǎn)油腔，共計(jì)9只,其中單個(gè)旋轉(zhuǎn)油道結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。在旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒外表面上端有一圈管線(xiàn)接頭，分別為L(zhǎng)、H、J、A4、B4、E5、E6、G5、G6、B8，其中L為懸浮油道接頭，其余9只為旋轉(zhuǎn)油道進(jìn)油接頭，E5和G5為背鉗系統(tǒng)進(jìn)油和回油油道；A4和B4為上內(nèi)防噴進(jìn)油和回油油道；B8、E6和G6為傾斜系統(tǒng)油道；最上面的J和最下面H為兩只備用油道。在旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒壁厚中沿周向有10條不同深度的軸向油道，在內(nèi)筒外表面下端對(duì)應(yīng)有10個(gè)出油孔，上端的油管線(xiàn)接頭、軸向油道與下端的出油孔一一對(duì)應(yīng)，液壓油從旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒外表面上端的管線(xiàn)接頭流入這10條軸向油道，又從下端對(duì)應(yīng)的10個(gè)出油孔流出。油液從出油孔流出后，其中9條分別流向相對(duì)應(yīng)的1只旋轉(zhuǎn)油腔，在液壓油流進(jìn)旋轉(zhuǎn)油腔內(nèi)后，再經(jīng)過(guò)適配器內(nèi)部油道流至其外表面出口接頭。在適配器外表面分布著與上端9只旋轉(zhuǎn)油道進(jìn)油接頭對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)油道出口接頭，即H、J、A4、B4、E5、E6、G5、G6、B8，液壓油走向如圖2中a→b→c→d所示，最后從適配器外表面出口接頭流出的液壓油通過(guò)液壓管線(xiàn)連接到相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，液壓油路得以形成，實(shí)現(xiàn)傾斜、懸浮、上內(nèi)防噴開(kāi)/關(guān)以及背鉗松/緊等功能。

圖1 旋轉(zhuǎn)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 懸浮油道L

除了9只旋轉(zhuǎn)油腔外，還有1只懸浮油腔，即由旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒、旋轉(zhuǎn)頭適配器、活塞環(huán)、卡簧、齒輪盤(pán)及密封件組成的密閉環(huán)形空間，如圖3所示。液壓油通過(guò)懸浮油道接頭L、內(nèi)筒壁厚內(nèi)軸向油道及出油孔流向懸浮油腔，油路走向如圖3中a1→b1→c1→d1所示。油腔內(nèi)產(chǎn)生豎直方向的作用力，由于活塞環(huán)是通過(guò)熱工藝固定在旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒安裝槽中的，因此齒輪盤(pán)在懸浮油腔壓力油的作用下，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭適配器一起上移，直到止推環(huán)與內(nèi)筒下端面產(chǎn)生機(jī)械觸碰，上移運(yùn)動(dòng)停止，上移行程大概為1 cm，液壓懸浮功能完成，此時(shí)旋轉(zhuǎn)頭適配器與主軸承載環(huán)得以脫離，并實(shí)現(xiàn)相對(duì)旋轉(zhuǎn)。

圖2 單個(gè)旋轉(zhuǎn)油道結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 懸浮油道L結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，懸浮時(shí)旋轉(zhuǎn)頭適配器承受的向上液壓浮力為5 t，除去齒輪盤(pán)、旋轉(zhuǎn)頭適配器及吊環(huán)等重量后，實(shí)際還可承受2.5 t的鉆具重量，當(dāng)鉆具重量超過(guò)2.5 t，懸浮位移變小，旋轉(zhuǎn)頭適配器和主軸承載環(huán)不能完全脫離，此時(shí)禁止轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭。

2 常見(jiàn)故障分析

2.1 旋轉(zhuǎn)頭漏油

2.1.1 旋轉(zhuǎn)油腔密封損壞

10只旋轉(zhuǎn)密封中，如果最下端的密封損壞，會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)頭下方主軸承載環(huán)與適配器接合處有液壓油；如果中間的密封損壞，可能引起相鄰旋轉(zhuǎn)油腔串油，導(dǎo)致液壓功能錯(cuò)亂，當(dāng)發(fā)生某只旋轉(zhuǎn)密封失效后，應(yīng)及時(shí)啟用備用H或者J油道，防止事態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.1.2 懸浮油腔密封失效

懸浮油腔中齒輪盤(pán)與適配器之間的密封失效，會(huì)造成液壓油從齒輪盤(pán)下表面滲漏出；齒輪盤(pán)的內(nèi)密封失效，會(huì)造成液壓油從齒輪盤(pán)上表面滲漏出；活塞環(huán)與內(nèi)筒之間密封或者與適配器之間的密封失效，則會(huì)造成液壓油滲漏至活塞環(huán)下面的黃油腔，并從黃油泄壓閥處滲漏出。

2.2 旋轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)卡頓

2.2.1 液壓馬達(dá)輸出壓力異常

旋轉(zhuǎn)頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是靠液壓馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，如果液壓馬達(dá)輸出壓力不穩(wěn)定，則會(huì)造成旋轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)卡頓。液壓馬達(dá)的正常壓力值為正轉(zhuǎn)A口：11.7 MPa，反轉(zhuǎn)B口：11.7 MPa，若壓力不在標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)，可通過(guò)調(diào)節(jié)A/B口旁邊的溢流閥來(lái)進(jìn)行調(diào)整；此外，還需檢查液壓馬達(dá)與齒輪箱之間的固定螺栓有無(wú)松動(dòng)或安裝扭矩是否符合安裝標(biāo)準(zhǔn)，這些均會(huì)導(dǎo)致馬達(dá)壓力輸出不穩(wěn)定。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)頭懸浮位移過(guò)大

如前文所述，止推環(huán)不僅可以機(jī)械防磨，當(dāng)懸浮作業(yè)時(shí)，還可以用于限制其懸浮位移。當(dāng)旋轉(zhuǎn)頭受到外界沖擊力時(shí)，比如溜鉆、頓鉆，以及震擊等作業(yè)時(shí)，該止推環(huán)可能會(huì)損壞，造成旋轉(zhuǎn)頭懸浮位移過(guò)大，進(jìn)而造成齒輪盤(pán)與鎖銷(xiāo)產(chǎn)生干涉，發(fā)生卡頓現(xiàn)象。

2.3 旋轉(zhuǎn)頭適配器隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)

在懸浮狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)頭適配器與主軸承載環(huán)是脫開(kāi)的，如果沒(méi)有脫開(kāi)，即懸浮位移過(guò)小或沒(méi)有懸浮，適配器與承載環(huán)接觸并產(chǎn)生摩擦力，通過(guò)摩擦力，旋轉(zhuǎn)頭適配器隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，造成原因主要有兩種：①如果懸浮油腔密封失效，或者是系統(tǒng)壓力低于標(biāo)準(zhǔn)2 000 PSI(1 PSI=6.89 kPa,2 000 PSI=13.78 MPa)，都會(huì)造成懸浮油腔油壓低，懸浮位移變小；②如果上部黃油嘴注入黃油非常多或者泄壓閥堵塞，油腔內(nèi)黃油使得旋轉(zhuǎn)頭適配器向下運(yùn)動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致懸浮位移變小。

3 建議及措施

3.1 升級(jí)和改造

(1) 由于旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，懸浮產(chǎn)生的載荷由活塞環(huán)下面的卡簧承擔(dān)。VARCO公司設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)頭卡簧較薄，承載力較低，經(jīng)常會(huì)發(fā)生卡簧斷裂的情況，當(dāng)卡簧斷裂后會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)錯(cuò)位，接著發(fā)生活塞環(huán)密封(懸浮油腔密封)失效。為了減少旋轉(zhuǎn)頭懸浮油腔故障，在符合旋轉(zhuǎn)頭懸浮和承載條件的前提下，建議對(duì)卡簧厚度進(jìn)行合理升級(jí)。

(2) 旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒上的通道L為懸浮油腔進(jìn)油和回油的唯一通道，孔徑偏小，回油速度過(guò)慢，當(dāng)遇到外界瞬間沖擊力時(shí)，可能導(dǎo)致懸浮油腔受損，建議對(duì)孔徑進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)大。

3.2 規(guī)范操作杜絕違章作業(yè)

(1) 在起下鉆過(guò)程中，尤其當(dāng)?shù)蹩⊕煦@具瞬間，游車(chē)須緩慢提升，以避免提升過(guò)快對(duì)旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)部懸浮油腔產(chǎn)生過(guò)大沖擊；另外在必須進(jìn)行震擊作業(yè)時(shí)，建議旁置頂驅(qū)，以減小對(duì)旋轉(zhuǎn)頭的破壞。

(2) 在頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭吊環(huán)下懸掛大于2.5 t重物時(shí)，禁止轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭。作業(yè)過(guò)程中，若井下鉆具的反扭矩在起鉆開(kāi)始時(shí)沒(méi)有釋放完，則上提鉆具時(shí)會(huì)引起旋轉(zhuǎn)頭在帶重負(fù)荷時(shí)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。所以必須正確釋放反扭距，制定在扭矩比較高的井段，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)之后要及時(shí)地釋放鉆具的反扭矩措施，采取倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)到一定角度、多次活動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)慣剎用以消除井下鉆具的反扭矩。

3.3 做好頂驅(qū)的預(yù)維護(hù)工作

根據(jù)VARCO頂驅(qū)使用手冊(cè)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，旋轉(zhuǎn)頭應(yīng)定期進(jìn)行檢維修，正常旋轉(zhuǎn)頭密封件使用周期應(yīng)不超過(guò)1年，超期限使用時(shí)，旋轉(zhuǎn)頭漏油滲油故障率將會(huì)大大增加。

4 結(jié)論

頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭是否正常穩(wěn)定工作對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)影響巨大，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備人員和操作人員須對(duì)旋轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)及其工作原理有足夠的了解，熟悉常見(jiàn)故障，正確保養(yǎng)、規(guī)范操作，方可大大提升故障排查效率，降低設(shè)備故障，提高設(shè)備完好率。