VARCO顶驱旋转头结构及常见故障探析

王加松

(中石油川庆钻探厄瓜多尔分公司，四川 成都 610051)

0 引言

川庆钻探厄瓜多尔分公司每年都存在由于顶驱旋转头故障导致的设备等停，不仅造成了较大的经济损失，还对分公司产生了负面的影响。目前厄分公司拥有顶驱9台，皆为VARCO公司生产的TDS-11SA顶驱，为此本文以VARCO的TDS-11SA顶驱为例，从旋转头结构及其工作原理入手，对常见故障进行探析。

1 旋转头机械结构及工作原理

1.1 旋转头机械结构

顶驱旋转头机械结构主要由旋转头适配器、旋转头内筒和齿轮盘等部件组成，如图1所示。齿轮盘与旋转头适配器通过螺栓相连，旋转头内筒通过螺栓固定在上部齿轮箱上，当液压马达驱动齿轮盘转动时，可实现旋转头适配器围绕旋转头内筒360°双向转动。旋转头适配器与旋转头内筒间还有2只耐磨扶正环和1只止推环，旋转时起着机械防磨的作用，分别通过适配器内的上、下两个黄油通道进行润滑，其中上面的黄油通道内设有黄油油腔和黄油泄压阀。

1.2 旋转油道

旋转头适配器内表面位于上下2只耐磨扶正环之间，还均匀分布有10道密封槽，每道密封槽各安装1只旋转密封，旋转头适配器内表面、旋转头内筒外表面及相邻的2道密封之间共同组成一环形封闭腔，即旋转油腔，共计9只,其中单个旋转油道结构示意图如图2所示。在旋转头内筒外表面上端有一圈管线接头，分别为L、H、J、A4、B4、E5、E6、G5、G6、B8，其中L为悬浮油道接头，其余9只为旋转油道进油接头，E5和G5为背钳系统进油和回油油道；A4和B4为上内防喷进油和回油油道；B8、E6和G6为倾斜系统油道；最上面的J和最下面H为两只备用油道。在旋转头内筒壁厚中沿周向有10条不同深度的轴向油道，在内筒外表面下端对应有10个出油孔，上端的油管线接头、轴向油道与下端的出油孔一一对应，液压油从旋转头内筒外表面上端的管线接头流入这10条轴向油道，又从下端对应的10个出油孔流出。油液从出油孔流出后，其中9条分别流向相对应的1只旋转油腔，在液压油流进旋转油腔内后，再经过适配器内部油道流至其外表面出口接头。在适配器外表面分布着与上端9只旋转油道进油接头对应的旋转油道出口接头，即H、J、A4、B4、E5、E6、G5、G6、B8，液压油走向如图2中a→b→c→d所示，最后从适配器外表面出口接头流出的液压油通过液压管线连接到相应执行机构，液压油路得以形成，实现倾斜、悬浮、上内防喷开/关以及背钳松/紧等功能。

图1 旋转头机械结构示意图

1.3 悬浮油道L

除了9只旋转油腔外，还有1只悬浮油腔，即由旋转头内筒、旋转头适配器、活塞环、卡簧、齿轮盘及密封件组成的密闭环形空间，如图3所示。液压油通过悬浮油道接头L、内筒壁厚内轴向油道及出油孔流向悬浮油腔，油路走向如图3中a1→b1→c1→d1所示。油腔内产生竖直方向的作用力，由于活塞环是通过热工艺固定在旋转头内筒安装槽中的，因此齿轮盘在悬浮油腔压力油的作用下，带动旋转头适配器一起上移，直到止推环与内筒下端面产生机械触碰，上移运动停止，上移行程大概为1 cm，液压悬浮功能完成，此时旋转头适配器与主轴承载环得以脱离，并实现相对旋转。

图2 单个旋转油道结构示意图

图3 悬浮油道L结构示意图

通过计算和现场试验，悬浮时旋转头适配器承受的向上液压浮力为5 t，除去齿轮盘、旋转头适配器及吊环等重量后，实际还可承受2.5 t的钻具重量，当钻具重量超过2.5 t，悬浮位移变小，旋转头适配器和主轴承载环不能完全脱离，此时禁止转动旋转头。

2 常见故障分析

2.1 旋转头漏油

2.1.1 旋转油腔密封损坏

10只旋转密封中，如果最下端的密封损坏，会导致旋转头下方主轴承载环与适配器接合处有液压油；如果中间的密封损坏，可能引起相邻旋转油腔串油，导致液压功能错乱，当发生某只旋转密封失效后，应及时启用备用H或者J油道，防止事态进一步扩大。

2.1.2 悬浮油腔密封失效

悬浮油腔中齿轮盘与适配器之间的密封失效，会造成液压油从齿轮盘下表面渗漏出；齿轮盘的内密封失效，会造成液压油从齿轮盘上表面渗漏出；活塞环与内筒之间密封或者与适配器之间的密封失效，则会造成液压油渗漏至活塞环下面的黄油腔，并从黄油泄压阀处渗漏出。

2.2 旋转头转动卡顿

2.2.1 液压马达输出压力异常

旋转头的旋转运动是靠液压马达来驱动的，如果液压马达输出压力不稳定，则会造成旋转头转动卡顿。液压马达的正常压力值为正转A口：11.7 MPa，反转B口：11.7 MPa，若压力不在标准值内，可通过调节A/B口旁边的溢流阀来进行调整；此外，还需检查液压马达与齿轮箱之间的固定螺栓有无松动或安装扭矩是否符合安装标准，这些均会导致马达压力输出不稳定。

2.2.2 旋转头悬浮位移过大

如前文所述，止推环不仅可以机械防磨，当悬浮作业时，还可以用于限制其悬浮位移。当旋转头受到外界冲击力时，比如溜钻、顿钻，以及震击等作业时，该止推环可能会损坏，造成旋转头悬浮位移过大，进而造成齿轮盘与锁销产生干涉，发生卡顿现象。

2.3 旋转头适配器随主轴转动

在悬浮状态下旋转头适配器与主轴承载环是脱开的，如果没有脱开，即悬浮位移过小或没有悬浮，适配器与承载环接触并产生摩擦力，通过摩擦力，旋转头适配器随主轴一起转动，造成原因主要有两种：①如果悬浮油腔密封失效，或者是系统压力低于标准2 000 PSI(1 PSI=6.89 kPa,2 000 PSI=13.78 MPa)，都会造成悬浮油腔油压低，悬浮位移变小；②如果上部黄油嘴注入黄油非常多或者泄压阀堵塞，油腔内黄油使得旋转头适配器向下运动，也会导致悬浮位移变小。

3 建议及措施

3.1 升级和改造

(1) 由于旋转头旋转时，悬浮产生的载荷由活塞环下面的卡簧承担。VARCO公司设计的旋转头卡簧较薄，承载力较低，经常会发生卡簧断裂的情况，当卡簧断裂后会导致活塞环错位，接着发生活塞环密封(悬浮油腔密封)失效。为了减少旋转头悬浮油腔故障，在符合旋转头悬浮和承载条件的前提下，建议对卡簧厚度进行合理升级。

(2) 旋转头内筒上的通道L为悬浮油腔进油和回油的唯一通道，孔径偏小，回油速度过慢，当遇到外界瞬间冲击力时，可能导致悬浮油腔受损，建议对孔径进行适当扩大。

3.2 规范操作杜绝违章作业

(1) 在起下钻过程中，尤其当吊卡挂钻具瞬间，游车须缓慢提升，以避免提升过快对旋转头内部悬浮油腔产生过大冲击；另外在必须进行震击作业时，建议旁置顶驱，以减小对旋转头的破坏。

(2) 在顶驱旋转头吊环下悬挂大于2.5 t重物时，禁止转动旋转头。作业过程中，若井下钻具的反扭矩在起钻开始时没有释放完，则上提钻具时会引起旋转头在带重负荷时被动旋转。所以必须正确释放反扭距，制定在扭矩比较高的井段，转盘转动之后要及时地释放钻具的反扭矩措施，采取倒转转盘到一定角度、多次活动转盘惯刹用以消除井下钻具的反扭矩。

3.3 做好顶驱的预维护工作

根据VARCO顶驱使用手册和现场实际情况，旋转头应定期进行检维修，正常旋转头密封件使用周期应不超过1年，超期限使用时，旋转头漏油渗油故障率将会大大增加。

4 结论

顶驱旋转头是否正常稳定工作对现场钻井作业影响巨大，现场设备人员和操作人员须对旋转头结构及其工作原理有足够的了解，熟悉常见故障，正确保养、规范操作，方可大大提升故障排查效率，降低设备故障，提高设备完好率。