VARCO-10SA顶驱吊环浮动故障的分析及处理

刘 伟，高亚男，鲍远通，戴 璋

(1．承德石油高等专科学校 a.汽车工程系；b.科技发展与校企合作处，河北 承德 067000；2．中国石油集团 长城钻探工程有限公司，北京 100020)



VARCO-10SA顶驱吊环浮动故障的分析及处理

刘 伟1a，高亚男1a，鲍远通1b，戴 璋2

(1．承德石油高等专科学校 a.汽车工程系；b.科技发展与校企合作处，河北 承德 067000；2．中国石油集团 长城钻探工程有限公司，北京 100020)

吊环倾斜功能是顶驱的一项重要使用功能，而吊环浮动功能是旋转头旋转功能实现的基础。VARCO-10SA顶驱实现吊环浮动的工作原理与11SA顶驱存在较大不同，10SA吊环前倾和后倾的实现，分别依靠前倾电磁阀和后倾电磁阀的动作，吊环浮动的实现需要两个电磁阀同时动作。钻井现场，吊环倾斜及浮动功能使用频率高，吊环浮动故障会影响钻井作业的正常进行，需要及时排除。详细分析10SA顶驱实现吊环浮动的原理，针对吊环不能浮动到自由位置的故障，分析故障发生的原因并排除故障。

吊环倾斜；浮动；液压阀汇

VARCO-10SA顶驱的提升能力[1]是250 t，最大钻井能力达240 kW，吊环倾斜系统包括两个倾斜液缸和一个曲柄连杆机构，曲柄通过一个销轴与旋转吊环连接器(旋转头)连接。曲柄的最上端连接到倾斜液缸的活塞杆的末端，曲柄的最下端与两个连杆连接在一起，两个连杆对称的通过U型螺栓和吊环卡子连接到吊环上。两个倾斜液缸的伸出和回缩带动曲柄绕销轴一定角度的摆动，曲柄通过连杆带动两个吊环实现前倾和后倾功能。

1 吊环倾斜功能原理及吊环浮动故障

吊环限定机构可以限定吊环前倾的极限到井架工位置，释放此限定机构(拉下限位绳)可以允许吊环前倾到鼠洞位置。由于倾斜液缸活塞杆的行程长，吊环前倾和后倾角度[2]一般为30°和55°。如图1所示，在钻进过程中，立柱即将打完时，释放吊卡，吊环后倾使吊卡升高到喇叭口位置，避免吊卡碰到钻台面影响钻进。

司钻操作箱(VDC)上的一个三位开关控制吊环的倾斜方向并可以实现在倾斜范围内任意位置的保持，即从吊环前倾直接打到后倾。吊卡打开时，旋到三位开关的TILT位置使吊环倾斜至井架工位置或鼠洞位置，旋到三位开关的DRILL位置使吊环后倾至吊卡到喇叭口位置。三位开关的中位两侧是弹簧，在旋转开关时松手，开关自动回中位，此时前倾的电磁阀和后倾的电磁阀失电[3]，吊卡若没有悬持重物，吊环保持在开关松手时的倾斜位置。

吊卡悬持重物时，两个倾斜液缸的杆腔和活塞腔均无法回油存在部分困油，吊环在重物重力和液压缸中困油产生的液压力的作用下回到平衡位置。司钻操作箱上的FLOAT按钮按下时，如图2所示前倾电磁阀和后倾电磁阀同时得电，两个倾斜液缸的杆腔和活塞腔均回油，吊环不再受倾斜液压缸的液压力作用[4]只受到重物重力作用，吊环回到自由位置。

10SA顶驱在现场使用中倾斜系统经常出现下列故障现象：VDC上的三位倾斜开关功能正常，吊环单独前倾和单独后倾均正常，在前倾和后倾极限位置之间也可实现保持。但是当开关先旋到前倾位置TILT再按下浮动按钮FLOAT时，吊环不能回到浮动位置，而是向后倾斜一定角度。当开关先旋到后倾位置DRILL再按下浮动按钮FLOAT时，吊环不能回到浮动位置，而是保持后倾位置不动作。

前倾、后倾和浮动这三个命令的先后顺序组合变化是倾斜系统出现故障的直接原因，如图3所示，故障总结如下：

由于可以手动三位倾斜开关使吊环回到自由位置，吊环倾斜系统可以勉强使用。但是要转旋转头时必须先按下浮动按钮FLOAT，旋转头才能动作，此时吊环不在自由位置，跟随旋转头旋转时容易刮碰导轨。此时出现矛盾，按下FLOAT按钮时，吊环不在浮动位置但是旋转头可以动作；不按下FLOAT按钮，手动三位倾斜开关使吊环在浮动位置但是旋转头不动作。初步判断吊环倾斜系统出现故障，对现场起下钻操作存在一定影响，需要及时处理。

VDC上的三位倾斜开关功能正常，吊环单独前倾和单独后倾均正常，在前倾和后倾极限位置之间也可实现保持，电控房内前倾电磁阀SV6的指示灯和后倾电磁阀SV7的指示灯在三位倾斜开关动作过程中均正常亮和灭，说明两个电磁阀功能正常，电磁阀的线路及综合控制缆也不存在故障。倾斜动作过程如下所示：

1)打到前倾SV6得电；再按下浮动，SV6和SV7同时得电；再打到后倾，SV7得电SV6失电。

2)打到后倾SV7得电；再按下浮动，SV7和SV6同时得电；再打到前倾，SV6得电SV7失电。

3)打到前倾SV6得电；再手动回中，SV6和SV7均失电；再打到后倾，SV7得电。

4)打到后倾SV7得电；再手动回中，SV7和SV6均失电；再打到前倾，SV6得电。

2 吊环浮动故障的原因分析及处理

吊环单独前倾和单独后倾均正常，说明两个倾斜液缸及液压管线正常，前倾一路的液压阀汇和后倾一路的液压阀汇单独使用时均正常。

结合吊环浮动功能的流程图[5]分析，如图4所示。按下浮动按钮FLOAT后，前倾进油阀汇LC6和后倾进油阀汇LC7都应该关闭，前倾回油阀汇CB7和后倾回油阀汇CB6都应该打开，两个倾斜液缸泄油。吊环在悬持重物作用下，回到自由位置。

根据实际出现的故障可知，前倾正常后按下浮动，前倾回油阀汇CB7和后倾回油阀汇CB6都打开了，前倾进油阀汇LC6被关闭，但是后倾进油阀汇LC7也被打开了，此时活塞杆已经伸出到一定长度，倾斜液缸有杆腔体积较小，无杆腔泄压，LC7打开后有杆腔仍然进油，在吊环重物和有杆腔进油压力作用下，吊环回位。吊环回到中位后，由于无杆腔压力和有杆腔压力无法平衡，吊环不能保持浮动，继续后倾，直到无杆腔的回油压力加上吊环重物产生的附加压力与有杆腔的压力平衡，此时吊环保持一定的后倾位置。

当吊环后倾一定程度后按下浮动，前倾回油阀汇CB7和后倾回油阀汇CB6都打开了，但是后倾进油阀汇LC7没有被关闭，此时活塞杆已经基本回收，倾斜液缸无杆腔体积较小，有杆腔充满了液压油无法泄油，而无杆腔泄压，吊环重物产生的附加压力无法与有杆腔的压力平衡，此时吊环保持在后倾位置，无法回到自由状态。此时只有使SV7失电，才能关闭LC7，使液缸有杆腔泄油，实现吊环浮动。

LC7是液控单向阀[6]，正常工作状态是3端进油4端回油，单向阀打开，1端和2端导通；4端进油3端回油，单向阀关闭，1端和2端不导通；4端进油3端进油(不分进油顺序先后)，单向阀关闭，1端和2端不导通。

出现故障时的状态是：3端进油4端回油时单向阀打开，4端接着进油时单向阀无法被关闭；3端回油4端进油时单向阀关闭，3端接着进油时单向阀被错误打开。判断故障原因是LC7内部阀芯出现破损，现场拧下LC7，检查从LC7流出的液压油存在碎屑，更换完LC7后倾斜系统各项功能恢复正常。

3 结论

VARCO-10SA顶驱吊环倾斜系统的倾斜功能和浮动的实现，取决于前倾电磁阀得电还是后倾电磁阀得电还是同时得电。

钻井现场出现的吊环浮动故障的处理方法是：根据电磁阀可以手动也可以电动的特点，将吊环浮动的故障原因锁定到液压系统上，结合10SA顶驱倾斜和浮动功能的实现流程，找到故障原因，确定失效的液压阀汇，从而排除故障。在实际应用中，注意液压油的清洁并保证倾斜液压缸的正常工作，可以降低吊环浮动故障出现的频率。

[1] 张连山. 美国Varco公司新系列顶驱技术分析[J].石油机械，2000，28(1)：45-48.

[2] 石油钻机顶部驱动装置[S].SY/T 6726—2008.

[3] 肖文生. 基于矩阵法顶驱钻机倾斜机构的运动分析[J].机械设计与制造，2007(12)：50-51.

[4] 蔡正敏，张军，申朝廷，等. 顶驱钻井装置倾斜液压机构临界载荷计算分析[J].石油矿场机械，2009，39(3):48-50.

[5] 王永勤，李安，吴永婷. TDS-11SA型顶驱系统故障树分析[J].石油矿场机械，2009，38(4)23-27.

[6] 刘海密，曾志伟，马奔. TDS-11SA型顶驱定位销和背钳液缸故障诊断技术[J].石油矿场机械，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

刘伟(1987-)，男，山东泰安人，助教，硕士，主要从事机械工程方向的研究工作，E-mail:15731401851@163.com。

TE92

B

1008-9446(2017)02-0020-04