蔣建華

（中國石油集團長城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司，北京 100101）

0 前言

近幾年來，VARCO頂驅(qū)在作業(yè)過程中多次發(fā)生旋轉(zhuǎn)頭卡住不能旋轉(zhuǎn)、浮動油缸漏油等故障。VARCO頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)活塞環(huán)限位結(jié)構(gòu)升級后，解決了活塞環(huán)下側(cè)卡簧單薄的問題，但卻出現(xiàn)了卡簧槽下側(cè)臺肩容易斷裂的新問題。為了解決旋轉(zhuǎn)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(xiàn)場故障概況

長城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司有超過40臺VARCO頂驅(qū)在國外鉆井現(xiàn)場作業(yè)，其中在阿曼、伊拉克、阿爾及利亞和委內(nèi)瑞拉項目的多個作業(yè)現(xiàn)場出現(xiàn)過旋轉(zhuǎn)頭浮動油缸故障。據(jù)統(tǒng)計，旋轉(zhuǎn)頭浮動油缸卡簧和卡簧下側(cè)臺肩故障占比達到浮動油缸故障總數(shù)的60%。拆解旋轉(zhuǎn)頭發(fā)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒未升級的，卡簧變形或剪斷，取出后發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)錯位，卡簧失效后卡死，活塞環(huán)下滑漏油（圖1）；旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒升級后的，旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒外拔困難，拔出后發(fā)現(xiàn)卡簧下側(cè)承載臺肩部分斷裂，活塞環(huán)下滑錯位漏油（圖 2）。

2 旋轉(zhuǎn)頭浮動油缸結(jié)構(gòu)分析

圖1 卡簧變形斷裂

圖2 卡簧下側(cè)臺肩斷裂

頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭浮動油缸是由內(nèi)筒、旋轉(zhuǎn)頭外殼、活塞環(huán)、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(zhuǎn)頭外殼上移，與承載環(huán)脫離接觸，實現(xiàn)頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭浮動，保證頂驅(qū)主軸和旋轉(zhuǎn)頭獨立旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)其各自的功能。在這一過程中，浮動產(chǎn)生的載荷由卡簧承擔。

圖3 旋轉(zhuǎn)頭浮動環(huán)形油缸組成

浮動油缸的密閉空間主要由外殼、內(nèi)筒、活塞環(huán)和密封（包括齒輪盤內(nèi)油封、齒輪盤和外殼之間密封、活塞環(huán)和外殼之間密封、活塞環(huán)和內(nèi)筒之間密封）組成。如果破壞了內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)，頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭不能上浮，旋轉(zhuǎn)頭和主軸會一起轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)頭浮動油缸工作原理

頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭浮動油缸的作用就是讓旋轉(zhuǎn)頭和主軸互不接觸，可以相對獨立旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)頭與浮動油缸進出油道相同，頂驅(qū)液壓系統(tǒng)工作時，浮動油缸內(nèi)始終保持12～13.8 MPa的系統(tǒng)壓力，則活塞環(huán)下側(cè)卡簧也會一直承受此壓力，通過測量活塞內(nèi)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(zhuǎn)外殼所受的向上浮動力是由齒輪盤和浮動油缸內(nèi)液壓油的接觸面積決定的，通過測量計算和現(xiàn)場實際試驗，得出旋轉(zhuǎn)外殼受到向上的浮動力為5 t，減去旋轉(zhuǎn)頭外殼等自重和吊環(huán)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(zhuǎn)頭外殼會承受重力向下移動，浮動油缸內(nèi)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(zhuǎn)頭外殼下沿坐到主軸承載環(huán)上時，鉆具重量就會通過旋轉(zhuǎn)頭外殼傳到主軸上，但浮動油缸仍保持有系統(tǒng)壓力承受大約2.5 t的重量，此時旋轉(zhuǎn)頭和主軸不能相對旋轉(zhuǎn)。當鉆具重量＜2.5 t時，旋轉(zhuǎn)頭浮動油缸就會復(fù)位，恢復(fù)其浮動功能，旋轉(zhuǎn)頭和主軸可相對旋轉(zhuǎn)。

4 故障原因分析

4.1 設(shè)計不合理

（1）VARCO公司早期設(shè)計的旋轉(zhuǎn)頭浮動油缸內(nèi)筒卡簧較薄，但卡簧下部臺肩較厚，所以在升級前的產(chǎn)品中只出現(xiàn)卡簧變形斷裂等現(xiàn)象，造成旋轉(zhuǎn)頭卡滯的情況，未出現(xiàn)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(cè)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(xiàn)了下側(cè)限位臺肩易斷裂的新問題。

VARCO頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)卡簧升級前后對比：升級前卡簧徑向?qū)挾? mm，厚度2.3 mm；升級后卡簧徑向?qū)挾?2.5 mm，厚度5.3mm（圖 4）。

圖4 卡簧升級前后對比

VARCO頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)卡簧槽升級前后對比；經(jīng)測量,升級前卡簧槽寬度2.35 mm，下側(cè)臺肩寬5 mm；升級后卡簧槽寬度5.35 mm，下側(cè)臺肩寬2 mm（圖5）。

通過比較，可以發(fā)現(xiàn)升級后的卡簧比升級前承載力大，但卡簧下側(cè)臺肩承載力大大減小了。

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

圖5 內(nèi)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(huán)瞬時提升載荷會有很大的區(qū)別。如在吊卡和鉆具接觸的瞬間，吊環(huán)上升過快；用吊環(huán)提著鉆具進行震擊作業(yè)，這些不規(guī)范的操作方法可能會使旋轉(zhuǎn)頭浮動油缸瞬時承受數(shù)百噸的壓力，此時浮動油缸內(nèi)液壓油壓力會瞬時升高，再經(jīng)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(yīng)時間有滯后，浮動油缸內(nèi)活塞環(huán)及卡簧瞬時承受載荷大大增加，從而增加了浮動油缸發(fā)生故障的風險。

4.3 作業(yè)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(nèi)外鉆井作業(yè)都要求頂驅(qū)高轉(zhuǎn)速大扭矩，致使扭矩波動大，震動劇烈。在遇到井下復(fù)雜時，還可能經(jīng)常因卡鉆進行震擊作業(yè)，且作業(yè)層面離井口較近。強烈的震動會對旋轉(zhuǎn)頭產(chǎn)生強大的沖擊，這個沖擊力也會傳遞到活塞環(huán)和卡簧上，長期使用，會造成部件疲勞受損。拆解維修時發(fā)現(xiàn)內(nèi)筒上卡簧槽由于長期受沖擊力作用，邊緣已經(jīng)變形，局部地方已經(jīng)翻邊，承載不可靠。

5 結(jié)論

旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒卡簧槽升級前設(shè)計太窄，卡簧太薄，在大的瞬時載荷作用下卡簧易出現(xiàn)變形，嚴重時會從卡簧槽滑脫，導(dǎo)致活塞環(huán)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(cè)承重的臺肩變薄，在吊環(huán)大的瞬時載荷作用下，卡簧下側(cè)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(qū)旋轉(zhuǎn)頭浮動油缸故障，對旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)筒卡簧及卡簧槽再次升級。在滿足旋轉(zhuǎn)頭浮動和承載要求的前提下，根據(jù)載荷計算合理升級卡簧厚度和卡簧槽下側(cè)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(qū)的方式震擊，以減小對旋轉(zhuǎn)頭浮動油缸的沖擊。

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