顶部驱动钻井装置中旋转头设计.pdf

２０１５年第４４卷第９期第３５页石油矿场机械犗犐犔犉犐犈犔犇犈犙犝犐犘犕犈犖犜２０１５，４４（９）３５  ３７文章编号１００１  ３４８２（２０１５）０９  ００３５  ０３顶部驱动钻井装置中旋转头设计解文芳１，陈悦军１，胡海明１，张铠１，张磊１，方力平１，毕群泗１，张学婧２（１．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州７３００７０；２．大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆８１６３３１８）摘要现有的顶部驱动装置中的旋转头主要有单负荷通道和双负荷通道２种传递形式。分析了２种结构形式的优缺点，采用回转支承和芯轴结构，设计了新的旋转头，具有单负荷通道的简单结构，又延续了双负荷通道的传递形式，能有效延长了主轴的使用寿命。关键词顶部驱动装置；旋转头；回转支承；芯轴中图分类号ＴＥ９２２文献标识码Ｂ犱狅犻１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１  ３４８２．２０１５．０９．００９犇犲狊犻犵狀犳狅狉犚狅狋犪狋犻狀犵犎犲犪犱狅犳犜狅狆犇狉犻狏犲犇狉犻犾犾犻狀犵犛狔狊狋犲犿ＸＩＥＷｅｎｆａｎｇ１，ＣＨＥＮＹｕｅｊｕｎ１，ＨＵＨａｉｍｉｎｇ１，ＺＨＡＮＧＫａｉ１，ＺＨＡＮＧＬｅｉ１，ＦＡＮＧＬｉｐｉｎｇ１，ＢＩＱｕｎｓｉ１，ＺＨＡＮＧＸｕｅｊｉｎｇ２（１．犔犪狀狆犲犮犜犲犮犺狀狅犾狅犵犻犲狊犔犻犿犻狋犲犱，犔犪狀狕犺狅狌７３００７０，犆犺犻狀犪；２．犘狉狅犱狌犮狋犻狅狀犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犚犲狊犲犪狉犮犺犐狀狊狋犻狋狌犲，犇犪狇犻狀犵犗犻犾犳犻犲犾犱犆狅犿狆犪狀狔犔狋犱．，犇犪狇犻狀犵１６３３１８，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋Ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｒｏｔａｔｉｎｇｈｅａｄｓｏｆｔｏｐｄｒｉｖｅｄｒｉｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｒｅｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｓｉｎｇｌｅｌｏａｄｐａｔｈｔｙｐｅａｎｄｄｕａｌｌｏａｄｐａｔｈｔｙｐｅ．Ａｆｔｅｒａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｈｅｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆｒｏｔａｔｉｎｇｈｅａｄ，ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｒｏｔａｔｉｎｇｈｅａｄｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｓｌｅｗｉｎｇｂｅａｒｉｎｇａｎｄｍａｎｄｒｅｌ．Ｔｈｅｎｅｗｒｏｔａｔｉｎｇｈｅａｄｕｓｅｄｄｕａｌｌｏａｄｐａｔｈｂｕｔｐｏｓｓｅｓｓｅｄｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈｃａｎｐｒｏｌｏｎｇｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｓｈａｆｔｏｆｔｈｅｔｏｐｄｒｉｖｅｄｒｉｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．犓犲狔狑狅狉犱狊ｔｏｐｄｒｉｖｅｄｒｉｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｒｏｔａｔｉｎｇｈｅａｄ；ｓｌｅｗｉｎｇｂｅａｒｉｎｇ；ｍａｎｄｒｅｌ顶部驱动钻井装置是美国、法国、挪威等国近２０年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统。它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进、循环钻井液、接立柱、上卸扣和倒划眼等多种钻井作业，显著提高了钻井作业的能力和效率，并已成为石油钻井行业的标准产品，是当前钻井设备自动化发展阶段的突出成果之一［１  ３］。目前，海洋钻井平台全部装备了顶驱，陆地石油钻机也越来越多地装备了顶驱。顶驱主轴是顶驱的核心部件，檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪旋转头的优化设计能有效延长主轴［４］刘一杰．Ｐ  ２２００型高压泥浆泵阀座有限元分析与工艺优化［Ｊ］．石油矿场机械，２０１４，４３（１）３４  ３７．［５］刘红芳，曾兴昌，罗元清，等．钻井泵组装式曲轴设计与有限元分析［Ｊ］．石油矿场机械，２０１４，４３（１１）４８  ５１．［６］王红阁，杨师斌．泥浆泵活塞的失效分析及改进措施［Ｊ］．煤矿机械，２００８（５）１５５  １５７．［７］王学佳，王荣业，邹旭东，等．表面工程技术在钻井泵缸套中的应用分析［Ｊ］．石油矿场机械，２００５，３４（４）８６  ８８．［８］曾兴昌，宋志刚，黄悦华，等．大功率钻井泵发展现状与应用［Ｊ］．石油矿场机械，２０１４，４３（９）５６  ５９．［９］付云霞．往复泵泵阀的失效分析与结构参数优化研究［Ｄ］．黑龙江大庆大庆石油学院，２００３．［１０］刘洪宾，周锡容，彭胜商．钻井泵活塞的功能及使用寿命［Ｊ］．石油机械，１９８７（７）４４  ４８．［１１］焦清朝，刘永勤，齐然，等．国内外轻便泥浆泵的现状与发展趋势［Ｊ］．石油矿场机械，２００４（Ｓ１）２８  ３１．  收稿日期２０１５  ０３  １５作者简介解文芳（１９８２ ），女，河北衡水人，工程师，主要从事陆地、海洋钻机的研发。的使用寿命［４  ５］。１旋转头结构顶驱装置的旋转头，又名吊环适配器。吊环、背钳和倾斜装置均悬持在旋转头上，旋转头内部设有多道液压油路，为了实现吊环和背钳的井口操作，旋转头需要围绕主轴旋转，同时保证液压油路的畅通和密封。国内外顶部驱动钻井装置中，按传递载荷方式分为２种。一种是以美国ＮＯＶ（Ｖａｒｃｏ）公司的顶驱为代表的单负荷通道结构［６］，如图１所示。顶驱主轴穿过芯轴中心孔，芯轴上方的轴肩悬挂在齿轮箱体上，主轴下方设有多道Ｕ型槽，回转体自重及其载荷通过分离式卡环传递到主轴。这种单负荷通道传递形式使得顶部驱动钻井系统无论处于哪种作业方式（起钻、下钻、钻进），其主轴及主承载轴承始终处于承载状态，相对降低了使用寿命，而且旋转头在工作中需经常浮动，操作工序复杂。图１Ｖａｒｃｏ顶驱的旋转头结构另一种是以北京石油机械厂生产的顶驱为代表的双负荷通道结构［７］，如图２所示。顶驱主轴穿过芯轴中心孔，芯轴上方的轴肩悬挂在齿轮箱体上，螺纹套通过螺纹与芯轴连接，回转体的载荷通过止推轴承和螺纹套传递到芯轴，最终全部传递到齿轮箱体。双负荷通道传递形式由于在旋转头中增加了承载轴承、上下扶正轴承，所有轴承采用强制润滑，各处润滑油的密封以及各油路在旋转体上的设置，使得旋转承载装置结构复杂，管线接头增多，可靠性差，维修不便，成本提高。图２北石顶驱的旋转头结构综合分析２种旋转头结构的利弊，在现有双负荷通道旋转头的基础上，选用回转支承和自润滑轴套代替原有的扶正轴承，既保证了双负荷通道的优点，又使结构更集成简单，有效降低了制造安装和维修成本。２旋转头优化设计沿用双负荷通道传递形式的旋转头的工作原理，即钻进时顶驱主轴承载，其他工况旋转头上悬挂的载荷通过芯轴传递到齿轮箱。旋转头主要由芯轴、齿轮、回转体、回转支承和分离式卡环等组成，如图３所示。芯轴上部的台肩悬挂在齿轮箱体上，齿轮和回转支承外圈均与回转体螺栓连接，液压马达带动齿轮旋转，带动回转体旋转。自润滑轴套和回转支承分别设置在回转体上、下部，保证芯轴的扶图３旋转头三维结构６３石油矿场机械２０１５年９月  正。两件分离式卡环与芯轴通过多道Ｕ型槽连接，套筒与卡环螺栓连接以固定卡环。回转支承下表面落在２件分离式卡环的上表面，使回转体载荷通过卡环传递到芯轴并最终传递到齿轮箱体上。３技术特点３．１芯轴传递负载芯轴材料选用ＡＩＳＩ４３３０［８］，上部台肩悬挂在上部齿轮箱上，并用螺栓连接，将芯轴的自重传递到齿轮箱。平键连接芯轴和回转支承内圈，用来限定二者之间的周向运动。回转支承的下表面落在分离式卡环上，这种结构将回转支承承受的载荷通过分离式卡环和芯轴的Ｕ型槽传递到芯轴，最终传递到齿轮箱。分离式卡环和套筒的设计在解决载荷传递问题的同时，保证了结构的可安装性。同Ｖａｒｃｏ的顶驱相比，在芯轴上开设Ｕ型槽比在主轴上开槽更大程度地保护了主轴。３．２简化扶正结构芯轴的扶正机构对顶驱回转头的结构和制造安装成本起至关重要的作用。采用上部自润滑轴套、下端回转支承扶正芯轴，代替了传统的上、下采用扶正轴承的结构，如图４所示。自润滑轴套是以铜合金为基体，镶嵌有特殊配方的固体润滑剂和润滑油，在摩擦过程中逐渐释放润滑油和固体润滑剂，具有耐磨和自润滑的特点，自润滑轴套与回转体螺栓连接，与芯轴配合连接，按照旋转头常规井口操作的频率，自润滑轴套的使用寿命为３～４ａ。回转支承作为滚动轴承的一种，自带油路，既便于安装，又避免了润滑油路和密封的复杂结构。图４旋转头剖面３．３液压油路的设计旋转头上共布置８条油路，其中２条为ＩＢＯＰ直连油路，不经过回转体，直接在芯轴下方连接，其余６条油路出油口在回转体侧面，２条为背钳使用，２条倾斜装置使用，２条备用油路，如图５所示。回转体内表面有多条环形油槽，分别与芯轴上出来的油路连接，每个环形油槽之间有密封圈，６条环形油路最上方和最下方分别设置防尘密封圈以保证液压油的清洁。环形油槽的设计使回转体在旋转运动时，液压油供给和密封防尘均不受影响。图５旋转头液压油路４结论１）回转支承的应用，避免了轴承的润滑密封和安装困难的问题。回转支承内外圈分别与回转体和承载套连接，内圈被分体式卡环支撑，既实现了回转体的转动扶正，又平稳传递了载荷，且不需回转体浮动工作。２）金属自润滑套布置在回转体和芯轴之间，起扶正和自润滑的作用，与现有技术中的轴承设计相比，结构和安装得到优化。３）芯轴下端外表面Ｕ型槽的设计，相比在主轴上开设Ｕ型槽设计，解决了保护主轴及载荷传递的问题。４）新设计的旋转头能有效延长主轴的使用寿命，避免了使用扶正轴承时的润滑及密封问题，降低了回转体和芯轴的加工难度，减少了制造成本。参考文献［１］ＳＹ／Ｔ６７２６２００８，石油钻机顶部驱动装置［Ｓ］．［２］李继志，陈荣振．石油钻采机械概论［Ｍ］．东营石油大学出版社，２０００．［３］杨致远，顾请献，彭生明．ＴＤＳ  ９Ｓ顶部驱动装置［Ｊ］．河南石油，１９９８（１）４１  ４３．［４］沈泽俊．采用顶驱钻井作业提高工作的安全性［Ｊ］．石油工业技术监督，２００６（１）４５  ４７．［５］王永勤．ＴＤＳ  １１ＳＡ顶驱装置可靠性分析［Ｄ］．东营石油大学，２００９．［６］步卫玲．国外钻机顶部驱动钻井装置的发展趋势［Ｊ］．石油机械，２００９，３７（６）８８  ９０．［７］沈昭．国产顶部驱动钻井装置的研制与发展［Ｊ］．石油机械，２００１，２９（增刊）９２  ９４．［８］刘鸿文．材料力学［Ｍ］．北京高等教育出版社，２００２．７３第４４卷第９期解文芳，等顶部驱动钻井装置中旋转头设计 

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