TDS-1000A型頂驅的現場預防性維修實踐與探討

摘" " 要：頂驅作為海洋石油鉆井平臺的關鍵鉆井裝備之一，已成為石油鉆井行業的標準產品。頂驅可從井架上部空間直接旋轉鉆桿，沿專用導軌向下送進，完成鉆桿旋轉鉆進、循環鉆井液、接立柱、上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作，具有安全生產、提高作業效率、有效防止鉆井事故等優點。在日常使用過程中，需要根據其投入使用的運行時間進行定期的預防性維護。由于鉆井平臺生產節奏緊湊，頂驅大修有時無法在車間進行，因此現場大修往往會成為其第二選擇。為完善改進現場維修方法，提高維修質量，節約維修工期，根據工作實踐，對TDS-1000A型頂驅現場預防性維修的步驟、方法及注意事項進行了探討。

關鍵詞：旋轉頭；中心管；軸承；齒輪箱；液缸；密封

Practice and discussion of on-site preventive maintenance of TDS-1000A top drive

FANG Huabin， YANG Xun， JING Shushen， WANG Zhihui

Drilling Branch of CNPC Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：At present， as one of the key drilling equipment of offshore oil drilling platforms， the top drive has become a standard product of the oil drilling industry. It can directly rotate the drill pipe from the upper space of the derrick and feed it downward along the special guide rail to complete a variety of drilling operations， such as rotary drilling of the drill pipe， circulating drilling fluid， connecting pipe-stands， making up and breaking out pipes， and back-reaming， and has the advantages of safe production， improving operational efficiency， and effectively preventing drilling accidents. During the daily use process， it is necessary to carry out regular preventive maintenance according to the running time. However， due to the compact production rhythm of the drilling platform， the overhaul of the top drive sometimes cannot be carried out in the workshop. Therefore， on-site overhaul often becomes its second choice. To improve the on-site maintenance methods， enhance the maintenance quality， and save the maintenance period， this paper discusses and analyzes the steps， methods， and matters for attention in the on-site overhaul of TDS-1000A top drive according to the author′s work practice.

Keywords：rotating head; center pipe; bearing; gear box; cylinder; seal

TDS-1000A型頂驅的標準化維修，通常應將頂驅整體拆卸并返回車間進行維修，與現場修理相比，車間修理具有專業工具多、作業環境清潔、安全便捷等諸多優點。但由于海洋石油鉆井平臺生產節奏緊湊，加上頂驅拆甩、運輸、回裝和調試需要耗費較多的工期，因此現場預防性維修也是解決頂驅隱患、確保設備正常使用的一種常用方法。

1" " 修理項目介紹

“中油海16”鉆井平臺長期使用TDS-1000A型頂驅進行鉆井，頂驅在鉆井過程中存在隱患，根據現場大修工期，對頂驅進行了5方面的預防性維修：其一，頂驅旋轉頭總成各密封、軸承更換，主軸承載環磨損檢測；其二，頂驅上軸承端蓋密封更換；其三，頂驅主軸上端平面度測量，主軸徑向跳動測量，主軸軸向跳動測量及調整；其四，頂驅齒輪箱密封墊更換；其五，頂驅背鉗夾緊液缸活塞及密封更換。

2" " 維修過程及分析

2.1" " 頂驅旋轉頭總成各密封、軸承更換及主軸承載環磨損檢測

頂驅旋轉頭總成主要由旋轉頭（殼體）、中心管、齒盤、活塞環、內部油道、密封、射銷馬達總成、HOME位傳感器等組成。中心管連接在齒輪箱正下方，主軸從中心管穿過。齒盤與旋轉頭殼體通過螺栓連接，并與活塞環之間通過密封形成懸浮油腔。旋轉頭內部油道為管道處理器上各項功能提供液壓油。旋轉頭由射銷液壓馬達驅動，可360°雙向旋轉，并通過HOME位傳感器進行定位。旋轉頭在使用過程中其回轉油道密封和懸浮密封均存在磨損，當磨損達到一定程度時，會出現液壓油泄漏、旋轉頭無法懸浮、承載環與主軸不同步運轉等故障，導致頂驅無法正常工作[1-2]。因此，在工況允許時，對旋轉頭總成的預防性維護顯得尤其重要。頂驅旋轉頭總成各密封、軸承更換及主軸承載環磨損檢測的步驟如下。

1）將頂驅伸出到井口位，平衡液缸泄壓，使頂驅完全由提環與游車連接。關閉頂驅液壓油及氣源開關。

2）拆除頂驅吊卡、吊環、傾斜臂。

3）拆除背鉗（見圖1、圖2），注意給旋轉頭與背鉗連接的液壓管道做好標記，管道接口及油口接頭用堵頭做好保護。

4）拆卸IBOP管串的3對鎖緊法蘭及液動旋塞閥的滑套開關（見圖3），目的是使IBOP管串可以從旋轉頭總成中穿過并實現脫離。

5）拆除主軸承載環。拆開承載環外套底部的6顆螺栓，移走外套，通過銅棒、手錘配合將兩半承載環從主軸上脫離。清理干凈后，可進行承載環磨損檢測（見圖4）。測量標準：主軸槽寬最大0.65 in（1 in=25.4 mm），承載環肩寬最小0.62 in。

6）將旋轉頭落座工裝（2 m高梯形方架、頂部鐵板600 mm × 800 mm、中心開孔400 mm）放置在轉盤中心，四周安裝腳手架以方便工作人員維修作業，操作絞車將旋轉頭落座在工裝上（見圖5）。注意：由于轉盤由大、小補芯等結構組成，其頂面并不完全水平且存在縫隙，因此，為方便后期回裝旋轉頭，可以在工裝下放置一塊大小合適的厚鋼板，以便在各個角度調整工裝位置，從而調整旋轉頭位置，使旋轉頭中心管與頂驅齒輪箱下蓋對中連接，防止破壞油封。

7）拆旋轉頭射銷總成。拆開旋轉頭射銷總成上連接的液壓管道，做好防護和標記。拆開4個內六角固定底座螺栓，使用繩索、吊帶、倒鏈懸掛并固定好旋轉馬達總成。

8）拆除旋轉頭HOME位置的傳感器（見圖6），并固定。

9）拆除中心管上連接的所有液壓管道，需要給管道做好標記，管道接口及油口接頭用堵頭做好保護。

10）拆卸中心管與齒輪箱下蓋連接的固定螺母，拆卸時注意保護齒輪箱下蓋的螺栓螺紋，確保其不被破壞。

11）操作絞車，緩慢提升頂驅，使旋轉頭總成從齒輪箱下蓋脫離，直至整個IBOP管串從旋轉頭總成內脫離，見圖7。

12）將旋轉頭總成（見圖8）放置在鉆臺面，然后開始對其進行清理工作。

13）拆除旋轉頭回轉齒盤的固定螺栓，將中心管從旋轉頭吊離，拆除前做好安裝標記。

14）清理活塞環、中心管內的液壓油，拆開活塞環承托擋圈。應避免承托擋圈碰觸到中心管造成劃傷。

15）活塞環及回轉齒盤的拆除。需要5人配合，其中2人使用兩把氣割槍對稱均勻加熱活塞環（見圖9），1人使用測溫槍實時監測活塞環溫度，另外2人穿戴好隔熱手套對稱抬起回轉齒盤，當活塞環溫度達到90 °C左右時，使回轉齒盤輕輕撞擊活塞環，即可將活塞環脫離中心管，同時可將回轉齒盤拆除，見圖10。

16）活塞環及回轉齒盤密封的更換。將中心管倒立放置在鉆臺面，清理中心管與活塞環的密封槽，并安裝新密封（型號：51300-278-B），清理回轉齒盤的兩道密封槽，并安裝新密封（型號：30124656和30124812）。

17）活塞環及其卡環的回裝。現將回轉齒盤放入中心管，將新的活塞環（型號：124806）架空準備加熱，需要3人配合，1人使用氣割槍快速均勻地加熱活塞環，1人使用測溫槍實時監測活塞環溫度（見圖11），當溫度達到80～93 °C時，另一人穿好隔熱手套，迅速將活塞環裝入中心管，同時可用兩根紫銅棒對稱輕輕敲擊并壓住活塞環，確保活塞環安裝到位，此外還可用氣源吹掃，加速活塞環的冷卻安裝（見圖12）。活塞環安裝到位后即可安裝新的卡環（型號：124697）。

18）旋轉頭軸承、軸承架及彈簧的更換[3]。相較于同廠家早期的頂驅型號，TDS-1000A型旋轉頭下部安裝有一個推力球軸承（見圖13），更換前應將軸承臺架清理干凈，然后依次安裝新的軸承架（型號：30170269）、軸承（型號：30170628）及彈簧（型號：30170321），見圖14。

19）旋轉頭各密封的更換。更換前應徹底清理各密封槽（見圖15），從下到上依次安裝耐磨導向帶（型號：30124809）、15個油道密封圈（型號：30119143）、耐磨導向帶（型號：30124809）、活塞環外密封圈（型號：124813）、旋轉頭上端面O型圈（型號：51300-278-B），旋轉頭頂部的這兩道密封（見圖16）為易損密封。注意：耐磨導向帶需要涂抹適當的潤滑脂。

20）中心管與旋轉頭回裝。將齒盤固定螺栓緊固到位，并打鎖線。

21）懸浮密封及各回轉油道密封試壓。密封安裝完成后，應根據工作壓力（2 000 psi，1 psi=6.896 kPa）對懸浮密封（L油道）及各回轉油道密封進行1.5倍壓力（3 000 psi）測試，穩壓15 min，需要注意的是由于懸浮油腔（見圖17）容積偏大，油道需打油排空氣才能測試準確。同時，在懸浮油道測試時，可以清楚地觀察到旋轉頭的浮動量約為7 mm，見圖18。

22）中心管頂部油封更換。更換兩道主齒輪唇形油封（型號：88096，見圖19）及一個密封紙墊（型號：75981，見圖20）。兩道油封都帶隔離銷，應將隔離銷與黃油嘴油道錯開，防止黃油嘴油道堵塞，并在油封內部涂滿黃油。同時密封紙墊應涂抹一圈平面密封劑（LOCTITE 510），確保密封性能。

23）旋轉頭中心管總成與齒輪箱的回裝。將準備好的總成放置在工裝上，盡可能與頂驅中心對齊，然后操作絞車將IBOP管串穿過中心管，直至齒輪箱下方的主軸耐磨套與中心管頂部油封即將接觸時停止下放（見圖21），并再次確認耐磨套能夠順利穿過油封，防止油封被耐磨套剪切或擠壞。由于此時的安裝空間狹窄，不利于觀察，可借助內窺鏡等工具進行觀察確認（見圖22）。耐磨套順利穿入油封后，調整旋轉頭總成位置，使齒輪箱下部與中心管的連接螺栓都能穿過中心管螺栓孔。然后回裝各螺母，緊固中心管。

24）回裝射銷總成、HOME位置傳感器，連接拆除的各液壓管道，再回裝背鉗、傾斜臂、吊環等，并做功能測試。

2.2" " 上軸承端蓋密封更換

頂驅上軸承端蓋密封磨損會導致沖管處的雨水、鉆井液等滲入上軸承，進一步污染齒輪箱，因此在日常的齒輪油油質檢查中，應關注潤滑油的清潔度及是否乳化，齒輪油一旦遭到污染，必須立即查明污染源，而上軸承端蓋密封磨損是一個重點排查項點[4]。上軸承端蓋密封結構見圖23，其主要由壓蓋、隔離軸承、軸套及各密封組成。頂驅上軸承端蓋密封的更換步驟如下。

1）拆除沖管機械密封、沖管浮動體及上下螺母，檢查更換新的機械密封環（型號：30182002-3/4）及O型圈（型號：30182002-9），更換上下螺母密封O型圈（型號：30182002-9）。浮動體內部拆檢（見圖24），檢查密封面是否有坑腐、磨損等，若有則需更換浮動體，若無則更換浮動體密封（型號：30182002-7/8/20）即可。

2）清理上軸承端，同時拆除隔離軸承中的潤滑油管道及氣管道。

3）拆除上軸承端蓋及隔離軸承（見圖25），并用干凈的抹布保護，防止異物落入上軸承內部。

4）拆除上軸承端主軸耐磨襯套（見圖26），并更換新密封（型號：112895）。

5）拆解隔離軸承（見圖27），更換隔離軸承密封。拆解中需要注意隔離軸承由內外圈兩部分組成，外圈上有8顆頂絲，通過頂絲（頂絲規格為內六螺絲，螺紋規格：1/8-44-3/8 in）將內圈固定住，見圖28。

6）更換上軸承壓蓋內外密封，分別為：唇形密封（型號：94990）和O型圈（型號：51300-277-B）。注意：按要求，唇形密封的唇形腔內需涂滿干凈的潤滑脂。

7）依次回裝壓蓋、隔離軸承、軸套、上下螺母及沖管總成。注意壓蓋固定螺栓的緊固扭矩為250～270 ft?lbs（1 ft=304.8 mm，1 lbs=0.453 592 37 kg）。

2.3" " 主軸平面度、主軸徑向跳動、主軸軸向跳動測量及調整

TDS-1000A頂驅的主軸上端面平面度參考值為：主軸動端面最大為0.002 in，靜端面最大為0.006 in。主軸軸向跳動最大為0.003 in，徑向跳動最大為0.020 in，其中動端面測量、靜端面測量及徑向跳動測量（見圖29～圖31）可通過盤動主軸的方式進行測量。主軸軸向跳動需要采取下壓主軸30～40 kN重力的方法進行，操作時需要將平衡液缸泄壓，使頂驅重量完全懸掛在提環上，司鉆緩慢操作絞車下放頂驅，使主軸作用于轉盤，直至懸重減少30～40 kN，此時讀取千分表數值，檢查是否在標準范圍內，若跳動量超過0.003 in，則需減少位于上軸承壓蓋下放的調整墊片（見圖32），并進行復測，直至軸跳量調整至標準范圍內，調整墊片由四種厚度組成，共計20片。

2.4" " 齒輪箱密封更換

TDS-1000A頂驅齒輪箱共有3個小型透氣帽，由于頂驅的工作環境相對惡劣，因此在頂驅巡檢中應注意檢查各個透氣帽是否堵塞。當透氣帽發生堵塞時，齒輪箱由于潤滑油的溫升，會導致內部壓力增大，在炎熱的夏季就可能發生齒輪箱密封超壓被擠出，導致漏油故障[5]。針對這種故障，則需進行齒輪箱密封墊更換，該密封墊為分體式，由4段墊片首尾拼接組合而成，更換時需要將齒輪箱上下蓋分離約30 mm，以獲取墊片的更換空間。密封墊更換方法如下。

1）齒輪箱上下蓋分別連接了頂驅S管，因此需要拆除S管。

2）頂驅重心的找平。由于該型號頂驅的主電機安裝位置不居中，導致頂驅重心偏離，重心的校正是通過頂驅的校直液缸實現的，校直液缸兩端分別連接在Dolly梁（與齒輪箱上蓋連接）和齒輪箱下蓋上，因此要分離齒輪箱的上下蓋，需要拆除校直液缸。拆除前需要用倒鏈提拉頂驅齒輪箱上部，使齒輪箱上下蓋分離時保持水平。將兩個5 t倒鏈懸掛在游車上，將1根10 t吊帶從頂驅主電機下捆綁，將倒鏈和吊帶在頂驅背部張緊連接（見圖33），以此來起到校直液缸的作用，使頂驅保持水平狀態。

3）為避免齒輪箱上下蓋分離量過大，導致復合齒輪軸從軸套脫離（一旦脫離則有無法回裝的風險），需要將齒輪箱上下蓋用2 t倒鏈和吊帶張緊連接，見圖34。

4）拆卸頂驅上下蓋連接的16顆固定螺栓。可保留若干螺栓不完全退出，起到連接齒輪箱上下蓋的保險作用，見圖35。

5）做好標記，緩慢操作頂驅上提，同時配合操作兩個2 t倒鏈，使齒輪箱上下蓋分離，直至墊片可以從齒輪箱上蓋定位銷（見圖36）中取出約30 mm即可。

6）取出舊墊片，并清理密封面。取出時記錄4個分體墊片的首尾連接順序，見圖37。

7）安裝新墊片（型號：30170237）。注意需要涂抹一圈平面密封劑（LOCTITE 510），尤其在分體墊片的拼接口處，應充分涂抹，確保密封性能，見圖38。安裝時要確保墊片穿入齒輪箱上蓋的4個定位銷，防止擠壞。

8）操作絞車緩慢下放頂驅，使上下蓋閉合，回裝固定螺栓，并打鎖線。注意：螺栓應涂抹防粘釜劑。

9）回裝校直液缸，拆除倒鏈及吊帶等。

2.5" " 背鉗夾緊液缸活塞及密封更換

頂驅背鉗夾緊液缸主要由殼體、活塞、尾端蓋、尾端蓋擋圈及各密封組成，活塞端面帶有1個鍵槽和2個螺紋孔，用于鉗頭的安裝，見圖39。受頻繁振動的影響，波及的固定螺栓易松動，導致活塞端面損壞，而夾緊液缸密封受老化及磨損影響，會出現滲漏現象。夾緊液缸活塞及密封的更換方法如下。

1）拆除夾緊液缸管道，釋放腔內液壓油。

2）拆除夾緊液缸尾封蓋擋圈，抽出尾端蓋，見圖40。

3）拆除活塞端鉗頭，將活塞（見圖41）從尾部抽出。

4）更換新活塞（型號：12828）及尾端蓋密封（型號：72219）。

5）安裝夾緊液缸殼體的密封（型號：72220）和防塵密封圈（型號：72221），見圖42。

6）依次回裝活塞、尾封蓋及尾封蓋擋圈。

7）試壓，按工作壓力（2 000 psi）的1.5倍進行試壓。

8）回裝鉗頭，兩顆固定螺栓應安裝彈簧墊圈以防止松動。

3" " 現場修理建議及優化

對于頂驅的現場預防性維修，一方面時間靈活可控，免去了整體拆甩、運輸、回裝的步驟，縮短了4～5 d的維修時間，在時間上有極高的經濟價值；另一方面，現場的液壓源、電源及其他輔助設備（如鉆井絞車、排管機、液壓工作籃等）都是配套設施，能隨時給頂驅的現場預防性維修提供功能測試和帶載調試的便利條件。但現場預防性維修也存在拆裝工藝受限、配件缺失、清潔程度較低、易受場地氣象環境影響等缺點，尤其當出現計劃之外的零部件修理時，往往會因為受配件的采購和運輸因素制約而出現等待的情況。因此，現場維護人員應提前儲備頂驅標準預防性維修清單備件，并與專業服務商溝通維修項點，做好充分準備。此外，現場維修往往無法將頂驅的各部件完全移除，從而造成操作空間狹小，維修人員應提前準備一些特制工具或輔助儀器（如軸承加熱器、內窺鏡、壁厚儀等），以保證維修質量。

4" " 結束語

在海洋鉆井平臺上，隨著頂驅運行時間的不斷累加，現場定期的預防性維修確保了頂驅處于安全可靠的工作狀態，其是降低故障率、防止出現重大突發故障、延長設備壽命的必要措施。同時，現場的設備維保人員應加強日常巡查、日常維護和定期檢測工作，嚴格執行設備日常維護的“十字作業”方針，同時不斷對故障進行分析總結，舉一反三，完善改進維修方法，縮短維修時間，提高維修質量。

參考文獻

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[3]" 莊劍鋒. 淺談機械維修過程中如何對軸承進行維修[J]. 中文科技期刊數據庫（文摘版）自然科學，2016（4）：247.

[4]" 張玉杰. 機電設備的維修保養[J]. 山東煤炭科技，2016（8）：151-152，158.

[5]" 滿一新. 船機維修技術[M]. 大連：大連海事大學出版社，1995：100-130.

作者簡介：

方華斌（1987—），男，福建龍巖人，工程師，2010年畢業于中國石油大學（北京）機械設計制造及其自動化專業，目前主要從事海洋鉆井平臺裝備管理工作。Email：f4333@foxmail.com

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