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

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)頭故障導致的設(shè)備等停，不僅造成了較大的經(jīng)濟損失，還對分公司產(chǎn)生了負面的影響。目前厄分公司擁有頂驅(qū)9臺，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，對常見故障進行探析。

1 旋轉(zhuǎn)頭機械結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 旋轉(zhuǎn)頭機械結(jié)構(gòu)

頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭機械結(jié)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)頭適配器、旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒和齒輪盤等部件組成，如圖1所示。齒輪盤與旋轉(zhuǎn)頭適配器通過螺栓相連，旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒通過螺栓固定在上部齒輪箱上，當液壓馬達驅(qū)動齒輪盤轉(zhuǎn)動時，可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)頭適配器圍繞旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒360°雙向轉(zhuǎn)動。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)時起著機械防磨的作用，分別通過適配器內(nèi)的上、下兩個黃油通道進行潤滑，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9只,其中單個旋轉(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接頭，分別為L、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)油道進油接頭，E5和G5為背鉗系統(tǒng)進油和回油油道；A4和B4為上內(nèi)防噴進油和回油油道；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)筒外表面下端對應(yīng)有10個出油孔，上端的油管線接頭、軸向油道與下端的出油孔一一對應(yīng)，液壓油從旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒外表面上端的管線接頭流入這10條軸向油道，又從下端對應(yīng)的10個出油孔流出。油液從出油孔流出后，其中9條分別流向相對應(yīng)的1只旋轉(zhuǎn)油腔，在液壓油流進旋轉(zhuǎn)油腔內(nèi)后，再經(jīng)過適配器內(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)油道進油接頭對應(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液壓管線連接到相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)，液壓油路得以形成，實現(xiàn)傾斜、懸浮、上內(nèi)防噴開/關(guān)以及背鉗松/緊等功能。

圖1 旋轉(zhuǎn)頭機械結(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、齒輪盤及密封件組成的密閉環(huán)形空間，如圖3所示。液壓油通過懸浮油道接頭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)是通過熱工藝固定在旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒安裝槽中的，因此齒輪盤在懸浮油腔壓力油的作用下，帶動旋轉(zhuǎn)頭適配器一起上移，直到止推環(huán)與內(nèi)筒下端面產(chǎn)生機械觸碰，上移運動停止，上移行程大概為1 cm，液壓懸浮功能完成，此時旋轉(zhuǎn)頭適配器與主軸承載環(huán)得以脫離，并實現(xiàn)相對旋轉(zhuǎn)。

圖2 單個旋轉(zhuǎn)油道結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 懸浮油道L結(jié)構(gòu)示意圖

通過計算和現(xiàn)場試驗，懸浮時旋轉(zhuǎn)頭適配器承受的向上液壓浮力為5 t，除去齒輪盤、旋轉(zhuǎn)頭適配器及吊環(huán)等重量后，實際還可承受2.5 t的鉆具重量，當鉆具重量超過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，此時禁止轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)頭。

2 常見故障分析

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，會導致旋轉(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，導致液壓功能錯亂，當發(fā)生某只旋轉(zhuǎn)密封失效后，應(yīng)及時啟用備用H或者J油道，防止事態(tài)進一步擴大。

2.1.2 懸浮油腔密封失效

懸浮油腔中齒輪盤與適配器之間的密封失效，會造成液壓油從齒輪盤下表面滲漏出；齒輪盤的內(nèi)密封失效，會造成液壓油從齒輪盤上表面滲漏出；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)動卡頓

2.2.1 液壓馬達輸出壓力異常

旋轉(zhuǎn)頭的旋轉(zhuǎn)運動是靠液壓馬達來驅(qū)動的，如果液壓馬達輸出壓力不穩(wěn)定，則會造成旋轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動卡頓。液壓馬達的正常壓力值為正轉(zhuǎn)A口：11.7 MPa，反轉(zhuǎn)B口：11.7 MPa，若壓力不在標準值內(nèi)，可通過調(diào)節(jié)A/B口旁邊的溢流閥來進行調(diào)整；此外，還需檢查液壓馬達與齒輪箱之間的固定螺栓有無松動或安裝扭矩是否符合安裝標準，這些均會導致馬達壓力輸出不穩(wěn)定。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)頭懸浮位移過大

如前文所述，止推環(huán)不僅可以機械防磨，當懸浮作業(yè)時，還可以用于限制其懸浮位移。當旋轉(zhuǎn)頭受到外界沖擊力時，比如溜鉆、頓鉆，以及震擊等作業(yè)時，該止推環(huán)可能會損壞，造成旋轉(zhuǎn)頭懸浮位移過大，進而造成齒輪盤與鎖銷產(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

在懸浮狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)頭適配器與主軸承載環(huán)是脫開的，如果沒有脫開，即懸浮位移過小或沒有懸浮，適配器與承載環(huán)接觸并產(chǎn)生摩擦力，通過摩擦力，旋轉(zhuǎn)頭適配器隨主軸一起轉(zhuǎn)動，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)壓力低于標準2 000 PSI(1 PSI=6.89 kPa,2 000 PSI=13.78 MPa)，都會造成懸浮油腔油壓低，懸浮位移變?。虎谌绻喜奎S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)頭適配器向下運動，也會導致懸浮位移變小。

3 建議及措施

3.1 升級和改造

(1) 由于旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)時，懸浮產(chǎn)生的載荷由活塞環(huán)下面的卡簧承擔。VARCO公司設(shè)計的旋轉(zhuǎn)頭卡簧較薄，承載力較低，經(jīng)常會發(fā)生卡簧斷裂的情況，當卡簧斷裂后會導致活塞環(huán)錯位，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，建議對卡簧厚度進行合理升級。

(2) 旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒上的通道L為懸浮油腔進油和回油的唯一通道，孔徑偏小，回油速度過慢，當遇到外界瞬間沖擊力時，可能導致懸浮油腔受損，建議對孔徑進行適當擴大。

3.2 規(guī)范操作杜絕違章作業(yè)

(1) 在起下鉆過程中，尤其當?shù)蹩⊕煦@具瞬間，游車須緩慢提升，以避免提升過快對旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)部懸浮油腔產(chǎn)生過大沖擊；另外在必須進行震擊作業(yè)時，建議旁置頂驅(qū)，以減小對旋轉(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，禁止轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)頭。作業(yè)過程中，若井下鉆具的反扭矩在起鉆開始時沒有釋放完，則上提鉆具時會引起旋轉(zhuǎn)頭在帶重負荷時被動旋轉(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)盤轉(zhuǎn)動之后要及時地釋放鉆具的反扭矩措施，采取倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤到一定角度、多次活動轉(zhuǎn)盤慣剎用以消除井下鉆具的反扭矩。

3.3 做好頂驅(qū)的預(yù)維護工作

根據(jù)VARCO頂驅(qū)使用手冊和現(xiàn)場實際情況，旋轉(zhuǎn)頭應(yīng)定期進行檢維修，正常旋轉(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會大大增加。

4 結(jié)論

頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭是否正常穩(wěn)定工作對現(xiàn)場鉆井作業(yè)影響巨大，現(xiàn)場設(shè)備人員和操作人員須對旋轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)及其工作原理有足夠的了解，熟悉常見故障，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。