VARCO顶驱旋转头浮动油缸故障探析

蒋建华

（中国石油集团长城钻探顶驱技术分公司，北京 100101）

0 前言

近几年来，VARCO顶驱在作业过程中多次发生旋转头卡住不能旋转、浮动油缸漏油等故障。VARCO顶驱旋转头内活塞环限位结构升级后，解决了活塞环下侧卡簧单薄的问题，但却出现了卡簧槽下侧台肩容易断裂的新问题。为了解决旋转头浮动油缸类似故障，详细分析多起故障原因，提出针对性解决措施。

1 现场故障概况

长城钻探顶驱技术分公司有超过40台VARCO顶驱在国外钻井现场作业，其中在阿曼、伊拉克、阿尔及利亚和委内瑞拉项目的多个作业现场出现过旋转头浮动油缸故障。据统计，旋转头浮动油缸卡簧和卡簧下侧台肩故障占比达到浮动油缸故障总数的60%。拆解旋转头发现：旋转头内筒未升级的，卡簧变形或剪断，取出后发现活塞环错位，卡簧失效后卡死，活塞环下滑漏油（图1）；旋转头内筒升级后的，旋转头内筒外拔困难，拔出后发现卡簧下侧承载台肩部分断裂，活塞环下滑错位漏油（图 2）。

2 旋转头浮动油缸结构分析

图1 卡簧变形断裂

图2 卡簧下侧台肩断裂

顶驱旋转头浮动油缸是由内筒、旋转头外壳、活塞环、卡簧、大齿轮盘及密封件组成的密闭空间（图3）：在液压油压力作用下，旋转头外壳上移，与承载环脱离接触，实现顶驱旋转头浮动，保证顶驱主轴和旋转头独立旋转，以实现其各自的功能。在这一过程中，浮动产生的载荷由卡簧承担。

图3 旋转头浮动环形油缸组成

浮动油缸的密闭空间主要由外壳、内筒、活塞环和密封（包括齿轮盘内油封、齿轮盘和外壳之间密封、活塞环和外壳之间密封、活塞环和内筒之间密封）组成。如果破坏了内部密封结构，顶驱旋转头不能上浮，旋转头和主轴会一起转动，旋转头不仅失去本身功能，并且还可能酿成严重安全事故。

3 旋转头浮动油缸工作原理

顶驱旋转头浮动油缸的作用就是让旋转头和主轴互不接触，可以相对独立旋转。旋转头与浮动油缸进出油道相同，顶驱液压系统工作时，浮动油缸内始终保持12～13.8 MPa的系统压力，则活塞环下侧卡簧也会一直承受此压力，通过测量活塞内外径可得出液压油有效作用面积，换算出卡簧实际承受的压力约为20 t。但是，旋转外壳所受的向上浮动力是由齿轮盘和浮动油缸内液压油的接触面积决定的，通过测量计算和现场实际试验，得出旋转外壳受到向上的浮动力为5 t，减去旋转头外壳等自重和吊环重量，则实际能浮动钻具重量为2.5 t。

当起下钻具时，钻具重量超过2.5 t，旋转头外壳会承受重力向下移动，浮动油缸内容积会缩小，液压油就会从进油口返回，通过溢流阀流出，从而保持油压不变。当旋转头外壳下沿坐到主轴承载环上时，钻具重量就会通过旋转头外壳传到主轴上，但浮动油缸仍保持有系统压力承受大约2.5 t的重量，此时旋转头和主轴不能相对旋转。当钻具重量＜2.5 t时，旋转头浮动油缸就会复位，恢复其浮动功能，旋转头和主轴可相对旋转。

4 故障原因分析

4.1 设计不合理

（1）VARCO公司早期设计的旋转头浮动油缸内筒卡簧较薄，但卡簧下部台肩较厚，所以在升级前的产品中只出现卡簧变形断裂等现象，造成旋转头卡滞的情况，未出现过下部台肩断裂。为了解决卡簧变形断裂的问题，VARCO公司只是简单地向下加宽了卡簧槽，以损失卡簧下侧限位台肩的厚度来增加卡簧厚度，忽略了限位台肩变薄后的承载能力；致使卡簧槽升级后，解决了卡簧变形断裂的问题，却出现了下侧限位台肩易断裂的新问题。

VARCO顶驱旋转头内卡簧升级前后对比：升级前卡簧径向宽度9 mm，厚度2.3 mm；升级后卡簧径向宽度12.5 mm，厚度5.3mm（图 4）。

图4 卡簧升级前后对比

VARCO顶驱旋转头内卡簧槽升级前后对比；经测量,升级前卡簧槽宽度2.35 mm，下侧台肩宽5 mm；升级后卡簧槽宽度5.35 mm，下侧台肩宽2 mm（图5）。

通过比较，可以发现升级后的卡簧比升级前承载力大，但卡簧下侧台肩承载力大大减小了。

（2）旋转头浮动油缸进出油道为同一通道，设计孔径偏小，不利于高压油液迅速回油(图6)。

图5 内筒卡簧槽升级前后对比

图6 浮动油缸进出油道

4.2 操作不合理

司钻操作水平和习惯不同，在起下钻过程中吊环瞬时提升载荷会有很大的区别。如在吊卡和钻具接触的瞬间，吊环上升过快；用吊环提着钻具进行震击作业，这些不规范的操作方法可能会使旋转头浮动油缸瞬时承受数百吨的压力，此时浮动油缸内液压油压力会瞬时升高，再经过唯一的通道从溢流阀泄压。由于油道孔径较小和溢流阀反应时间有滞后，浮动油缸内活塞环及卡簧瞬时承受载荷大大增加，从而增加了浮动油缸发生故障的风险。

4.3 作业工况恶劣

为了提高时效，降低钻成本，在条件允许的情况下，国内外钻井作业都要求顶驱高转速大扭矩，致使扭矩波动大，震动剧烈。在遇到井下复杂时，还可能经常因卡钻进行震击作业，且作业层面离井口较近。强烈的震动会对旋转头产生强大的冲击，这个冲击力也会传递到活塞环和卡簧上，长期使用，会造成部件疲劳受损。拆解维修时发现内筒上卡簧槽由于长期受冲击力作用，边缘已经变形，局部地方已经翻边，承载不可靠。

5 结论

旋转头内筒卡簧槽升级前设计太窄，卡簧太薄，在大的瞬时载荷作用下卡簧易出现变形，严重时会从卡簧槽滑脱，导致活塞环下滑，造成浮动油缸密封失效。如果只对卡簧槽升级，卡簧增厚但下侧承重的台肩变薄，在吊环大的瞬时载荷作用下，卡簧下侧的台肩会断裂，同样会造成浮动油缸密封失效。

为了减少VARCO顶驱旋转头浮动油缸故障，对旋转头内筒卡簧及卡簧槽再次升级。在满足旋转头浮动和承载要求的前提下，根据载荷计算合理升级卡簧厚度和卡簧槽下侧承载台肩厚度。

另外，在起下钻操作时，吊卡和钻具要缓慢接触，以减小速度过快对油缸造成过大冲击。建议采取旁置顶驱的方式震击，以减小对旋转头浮动油缸的冲击。

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