劉 偉，高亞男，鮑遠(yuǎn)通，戴 璋

(1．承德石油高等?？茖W(xué)校 a.汽車工程系；b.科技發(fā)展與校企合作處，河北 承德 067000；2．中國石油集團(tuán) 長城鉆探工程有限公司，北京 100020)

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VARCO-10SA頂驅(qū)吊環(huán)浮動(dòng)故障的分析及處理

劉 偉1a，高亞男1a，鮑遠(yuǎn)通1b，戴 璋2

(1．承德石油高等專科學(xué)校 a.汽車工程系；b.科技發(fā)展與校企合作處，河北 承德 067000；2．中國石油集團(tuán) 長城鉆探工程有限公司，北京 100020)

吊環(huán)傾斜功能是頂驅(qū)的一項(xiàng)重要使用功能，而吊環(huán)浮動(dòng)功能是旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。VARCO-10SA頂驅(qū)實(shí)現(xiàn)吊環(huán)浮動(dòng)的工作原理與11SA頂驅(qū)存在較大不同，10SA吊環(huán)前傾和后傾的實(shí)現(xiàn)，分別依靠前傾電磁閥和后傾電磁閥的動(dòng)作，吊環(huán)浮動(dòng)的實(shí)現(xiàn)需要兩個(gè)電磁閥同時(shí)動(dòng)作。鉆井現(xiàn)場，吊環(huán)傾斜及浮動(dòng)功能使用頻率高，吊環(huán)浮動(dòng)故障會(huì)影響鉆井作業(yè)的正常進(jìn)行，需要及時(shí)排除。詳細(xì)分析10SA頂驅(qū)實(shí)現(xiàn)吊環(huán)浮動(dòng)的原理，針對吊環(huán)不能浮動(dòng)到自由位置的故障，分析故障發(fā)生的原因并排除故障。

吊環(huán)傾斜；浮動(dòng)；液壓閥匯

VARCO-10SA頂驅(qū)的提升能力[1]是250 t，最大鉆井能力達(dá)240 kW，吊環(huán)傾斜系統(tǒng)包括兩個(gè)傾斜液缸和一個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)，曲柄通過一個(gè)銷軸與旋轉(zhuǎn)吊環(huán)連接器(旋轉(zhuǎn)頭)連接。曲柄的最上端連接到傾斜液缸的活塞桿的末端，曲柄的最下端與兩個(gè)連桿連接在一起，兩個(gè)連桿對稱的通過U型螺栓和吊環(huán)卡子連接到吊環(huán)上。兩個(gè)傾斜液缸的伸出和回縮帶動(dòng)曲柄繞銷軸一定角度的擺動(dòng)，曲柄通過連桿帶動(dòng)兩個(gè)吊環(huán)實(shí)現(xiàn)前傾和后傾功能。

1 吊環(huán)傾斜功能原理及吊環(huán)浮動(dòng)故障

吊環(huán)限定機(jī)構(gòu)可以限定吊環(huán)前傾的極限到井架工位置，釋放此限定機(jī)構(gòu)(拉下限位繩)可以允許吊環(huán)前傾到鼠洞位置。由于傾斜液缸活塞桿的行程長，吊環(huán)前傾和后傾角度[2]一般為30°和55°。如圖1所示，在鉆進(jìn)過程中，立柱即將打完時(shí)，釋放吊卡，吊環(huán)后傾使吊卡升高到喇叭口位置，避免吊卡碰到鉆臺(tái)面影響鉆進(jìn)。

司鉆操作箱(VDC)上的一個(gè)三位開關(guān)控制吊環(huán)的傾斜方向并可以實(shí)現(xiàn)在傾斜范圍內(nèi)任意位置的保持，即從吊環(huán)前傾直接打到后傾。吊卡打開時(shí)，旋到三位開關(guān)的TILT位置使吊環(huán)傾斜至井架工位置或鼠洞位置，旋到三位開關(guān)的DRILL位置使吊環(huán)后傾至吊卡到喇叭口位置。三位開關(guān)的中位兩側(cè)是彈簧，在旋轉(zhuǎn)開關(guān)時(shí)松手，開關(guān)自動(dòng)回中位，此時(shí)前傾的電磁閥和后傾的電磁閥失電[3]，吊卡若沒有懸持重物，吊環(huán)保持在開關(guān)松手時(shí)的傾斜位置。

吊卡懸持重物時(shí)，兩個(gè)傾斜液缸的桿腔和活塞腔均無法回油存在部分困油，吊環(huán)在重物重力和液壓缸中困油產(chǎn)生的液壓力的作用下回到平衡位置。司鉆操作箱上的FLOAT按鈕按下時(shí)，如圖2所示前傾電磁閥和后傾電磁閥同時(shí)得電，兩個(gè)傾斜液缸的桿腔和活塞腔均回油，吊環(huán)不再受傾斜液壓缸的液壓力作用[4]只受到重物重力作用，吊環(huán)回到自由位置。

10SA頂驅(qū)在現(xiàn)場使用中傾斜系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)下列故障現(xiàn)象：VDC上的三位傾斜開關(guān)功能正常，吊環(huán)單獨(dú)前傾和單獨(dú)后傾均正常，在前傾和后傾極限位置之間也可實(shí)現(xiàn)保持。但是當(dāng)開關(guān)先旋到前傾位置TILT再按下浮動(dòng)按鈕FLOAT時(shí)，吊環(huán)不能回到浮動(dòng)位置，而是向后傾斜一定角度。當(dāng)開關(guān)先旋到后傾位置DRILL再按下浮動(dòng)按鈕FLOAT時(shí)，吊環(huán)不能回到浮動(dòng)位置，而是保持后傾位置不動(dòng)作。

前傾、后傾和浮動(dòng)這三個(gè)命令的先后順序組合變化是傾斜系統(tǒng)出現(xiàn)故障的直接原因，如圖3所示，故障總結(jié)如下：

由于可以手動(dòng)三位傾斜開關(guān)使吊環(huán)回到自由位置，吊環(huán)傾斜系統(tǒng)可以勉強(qiáng)使用。但是要轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)頭時(shí)必須先按下浮動(dòng)按鈕FLOAT，旋轉(zhuǎn)頭才能動(dòng)作，此時(shí)吊環(huán)不在自由位置，跟隨旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)時(shí)容易刮碰導(dǎo)軌。此時(shí)出現(xiàn)矛盾，按下FLOAT按鈕時(shí)，吊環(huán)不在浮動(dòng)位置但是旋轉(zhuǎn)頭可以動(dòng)作；不按下FLOAT按鈕，手動(dòng)三位傾斜開關(guān)使吊環(huán)在浮動(dòng)位置但是旋轉(zhuǎn)頭不動(dòng)作。初步判斷吊環(huán)傾斜系統(tǒng)出現(xiàn)故障，對現(xiàn)場起下鉆操作存在一定影響，需要及時(shí)處理。

VDC上的三位傾斜開關(guān)功能正常，吊環(huán)單獨(dú)前傾和單獨(dú)后傾均正常，在前傾和后傾極限位置之間也可實(shí)現(xiàn)保持，電控房內(nèi)前傾電磁閥SV6的指示燈和后傾電磁閥SV7的指示燈在三位傾斜開關(guān)動(dòng)作過程中均正常亮和滅，說明兩個(gè)電磁閥功能正常，電磁閥的線路及綜合控制纜也不存在故障。傾斜動(dòng)作過程如下所示：

1)打到前傾SV6得電；再按下浮動(dòng)，SV6和SV7同時(shí)得電；再打到后傾，SV7得電SV6失電。

2)打到后傾SV7得電；再按下浮動(dòng)，SV7和SV6同時(shí)得電；再打到前傾，SV6得電SV7失電。

3)打到前傾SV6得電；再手動(dòng)回中，SV6和SV7均失電；再打到后傾，SV7得電。

4)打到后傾SV7得電；再手動(dòng)回中，SV7和SV6均失電；再打到前傾，SV6得電。

2 吊環(huán)浮動(dòng)故障的原因分析及處理

吊環(huán)單獨(dú)前傾和單獨(dú)后傾均正常，說明兩個(gè)傾斜液缸及液壓管線正常，前傾一路的液壓閥匯和后傾一路的液壓閥匯單獨(dú)使用時(shí)均正常。

結(jié)合吊環(huán)浮動(dòng)功能的流程圖[5]分析，如圖4所示。按下浮動(dòng)按鈕FLOAT后，前傾進(jìn)油閥匯LC6和后傾進(jìn)油閥匯LC7都應(yīng)該關(guān)閉，前傾回油閥匯CB7和后傾回油閥匯CB6都應(yīng)該打開，兩個(gè)傾斜液缸泄油。吊環(huán)在懸持重物作用下，回到自由位置。

根據(jù)實(shí)際出現(xiàn)的故障可知，前傾正常后按下浮動(dòng)，前傾回油閥匯CB7和后傾回油閥匯CB6都打開了，前傾進(jìn)油閥匯LC6被關(guān)閉，但是后傾進(jìn)油閥匯LC7也被打開了，此時(shí)活塞桿已經(jīng)伸出到一定長度，傾斜液缸有桿腔體積較小，無桿腔泄壓，LC7打開后有桿腔仍然進(jìn)油，在吊環(huán)重物和有桿腔進(jìn)油壓力作用下，吊環(huán)回位。吊環(huán)回到中位后，由于無桿腔壓力和有桿腔壓力無法平衡，吊環(huán)不能保持浮動(dòng)，繼續(xù)后傾，直到無桿腔的回油壓力加上吊環(huán)重物產(chǎn)生的附加壓力與有桿腔的壓力平衡，此時(shí)吊環(huán)保持一定的后傾位置。

當(dāng)?shù)醐h(huán)后傾一定程度后按下浮動(dòng)，前傾回油閥匯CB7和后傾回油閥匯CB6都打開了，但是后傾進(jìn)油閥匯LC7沒有被關(guān)閉，此時(shí)活塞桿已經(jīng)基本回收，傾斜液缸無桿腔體積較小，有桿腔充滿了液壓油無法泄油，而無桿腔泄壓，吊環(huán)重物產(chǎn)生的附加壓力無法與有桿腔的壓力平衡，此時(shí)吊環(huán)保持在后傾位置，無法回到自由狀態(tài)。此時(shí)只有使SV7失電，才能關(guān)閉LC7，使液缸有桿腔泄油，實(shí)現(xiàn)吊環(huán)浮動(dòng)。

LC7是液控單向閥[6]，正常工作狀態(tài)是3端進(jìn)油4端回油，單向閥打開，1端和2端導(dǎo)通；4端進(jìn)油3端回油，單向閥關(guān)閉，1端和2端不導(dǎo)通；4端進(jìn)油3端進(jìn)油(不分進(jìn)油順序先后)，單向閥關(guān)閉，1端和2端不導(dǎo)通。

出現(xiàn)故障時(shí)的狀態(tài)是：3端進(jìn)油4端回油時(shí)單向閥打開，4端接著進(jìn)油時(shí)單向閥無法被關(guān)閉；3端回油4端進(jìn)油時(shí)單向閥關(guān)閉，3端接著進(jìn)油時(shí)單向閥被錯(cuò)誤打開。判斷故障原因是LC7內(nèi)部閥芯出現(xiàn)破損，現(xiàn)場擰下LC7，檢查從LC7流出的液壓油存在碎屑，更換完LC7后傾斜系統(tǒng)各項(xiàng)功能恢復(fù)正常。

3 結(jié)論

VARCO-10SA頂驅(qū)吊環(huán)傾斜系統(tǒng)的傾斜功能和浮動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，取決于前傾電磁閥得電還是后傾電磁閥得電還是同時(shí)得電。

鉆井現(xiàn)場出現(xiàn)的吊環(huán)浮動(dòng)故障的處理方法是：根據(jù)電磁閥可以手動(dòng)也可以電動(dòng)的特點(diǎn)，將吊環(huán)浮動(dòng)的故障原因鎖定到液壓系統(tǒng)上，結(jié)合10SA頂驅(qū)傾斜和浮動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)流程，找到故障原因，確定失效的液壓閥匯，從而排除故障。在實(shí)際應(yīng)用中，注意液壓油的清潔并保證傾斜液壓缸的正常工作，可以降低吊環(huán)浮動(dòng)故障出現(xiàn)的頻率。

[1] 張連山. 美國Varco公司新系列頂驅(qū)技術(shù)分析[J].石油機(jī)械，2000，28(1)：45-48.

[2] 石油鉆機(jī)頂部驅(qū)動(dòng)裝置[S].SY/T 6726—2008.

[3] 肖文生. 基于矩陣法頂驅(qū)鉆機(jī)傾斜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007(12)：50-51.

[4] 蔡正敏，張軍，申朝廷，等. 頂驅(qū)鉆井裝置傾斜液壓機(jī)構(gòu)臨界載荷計(jì)算分析[J].石油礦場機(jī)械，2009，39(3):48-50.

[5] 王永勤，李安，吳永婷. TDS-11SA型頂驅(qū)系統(tǒng)故障樹分析[J].石油礦場機(jī)械，2009，38(4)23-27.

[6] 劉海密，曾志偉，馬奔. TDS-11SA型頂驅(qū)定位銷和背鉗液缸故障診斷技術(shù)[J].石油礦場機(jī)械，2006，35(4)：118-120.

Analysis and Elimination Process of Links Float Fault of VARCO-10SA Top Drive System

LIU Wei1a, GAO Ya-nan1a, BAO Yuan-tong1b, DAI Zhang2

(1.a.Department of Automotive Engineering;b.Division of Technology Development and School Enterprise Cooperation, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China; 2.CNPC Great Wall Drilling Engineering Company, Beijing 100020, China)

The link tilting function is one important operating function of top drive system, and the link floating function is the foundation of the rotation of rotate link adapter. VARCO-10SA top drive system has a different link tilting principal from the 11SA top drive system. The couple links of 10SA TDS tilt forward and backward according to whether the forward solenoid valve or the backward solenoid valve works. The links float while both the solenoid valves get power. At the drilling site, links of TDS tilt and float frequently. Once the links cannot work properly, the drilling operation has to stop, the fault needs to be solved immediately. The paper analyzes in detail the principals of how the 10SA top drive system makes links float. According to the fault that the links cannot float to the free position, the paper analyzes both the fault phenomena and the hydraulic theory, at last, gets the reasons of the fault and solves the problem.

link tilt; float; hydraulic valves

2016-09-14

劉偉(1987-)，男，山東泰安人，助教，碩士，主要從事機(jī)械工程方向的研究工作，E-mail:15731401851@163.com。

TE92

B

1008-9446(2017)02-0020-04