VARCO顶驱旋转头常见故障分析及解决方案

窦文彬，相军峰

（中国石油川庆钻探国际工程公司，四川成都 610066）

0 引言

顶驱旋转头作为管子处理器的油路构建者，是倾斜系统、IBOP（Internal Blowout Prevent，内防喷器）系统及背钳系统等的重要组成部分，近几年来在作业过程中经常出现旋转头漏油、适配器转动卡顿、适配器随主轴一起转动等故障，严重影响钻进时效。本文以VARCO TDS-11S顶驱为例，从内部结构入手，找出故障原因及解决方案。

1 旋转头的结构和功能介绍

顶驱旋转头主要由旋转头内筒、活塞环、齿轮盘和旋转头适配器等几大部分构成：旋转头内筒固定在齿轮箱底部，在作业过程中处于静止状态；旋转头适配器通过螺栓与齿轮盘连接在一起，当齿轮盘被液压马达驱动时，带动旋转头适配器一起围绕内筒旋转。

1.1 旋转油腔和液压油传递功能

在旋转头适配器的内表面，均匀分布有10道凹槽，每道凹槽处安装一道密封，相邻两道密封与内筒外表面形成一个环形密闭空间，称之为旋转油腔。同样在旋转头内筒的壁厚内沿径向分布有10道不同长度的油道，其油道出口对应9个旋转油腔和一个浮动液缸，这样就巧妙形成了10条油路，既保证适配器双向360°旋转，又实现了倾斜、浮动、IBOP关/开以及背钳松/紧等功能。

图1以IBOP关闭功能为例，阐述液压油在旋转头内部的传递路径。其中，A4-A41为内筒的壁厚内的油道，A42-A4′为旋转头适配器壁厚内沿轴向分布的油道。这样，液压油经A4口→内筒→旋转油腔→旋转头适配器A4′口→外部管路→IBOP，完成IBOP关闭的功能。

图1 A4口（IBOP关功能）液压油传递示意

1.2 浮动液缸和悬浮功能

悬浮液缸是由旋转适配器、旋转头内筒、齿轮盘、活塞环以及密封等装配而成的一个密闭空间（图2）。浮动液缸的作用就是旋转头适配器实现有效上浮功能后，与坐落在主轴上的承载环之间互不接触或摩擦，适配器与主轴之间可以相对独立旋转。当液压油经L口进入悬浮动液缸后，会沿内筒方向形成液压作用力，上作用面为齿轮盘，下作用面为活塞环。由于活塞环通过热装工艺及卡簧固定在内筒上，处于静止状态，因此液压作用力将齿轮盘向上托举，通过计算和现场试验，此时齿轮盘承受的向上液压作用力为5 t，大于齿轮盘、旋转头适配器和吊环的重量和（约2.5 t），齿轮盘向上移动，联带适配器一起向上移动（行程约1 cm），悬浮功能得以实现。

图2 悬浮机构示意

2 常见故障排查及解决方案

2.1 旋转头漏油

由于旋转头内部密封件较多，各密封件的功能不尽相同，旋转头发生漏油故障时应根据漏油位置具体分析并采取不同的处理措施。

2.1.1 旋转头下方主轴表面有液压油

该位置出现液压油时，应重点从两个方面考虑：

（1）最下端旋转密封失效，造成旋转头渗油漏油。由于最下端旋转油腔为备用油腔，此时应确认该油腔是否有在使用：如果在使用，可将该油腔相关管线拆除，挪至最上端备用油腔应急使用；如果最下端备用油腔未被使用，则应考虑下述第二种情况。

（2）浮动油缸下端活塞环与内筒之间的密封（51300-273-B）损坏，液压油从活塞环下方泄油孔沿主轴内壁漏出，此时应更换相应密封件。

2.1.2 齿轮盘下端面有液压油

该位置观察到渗油漏油时，一般为齿轮盘固定螺栓松动，使得齿轮盘与旋转头适配器上端面之间的密封圈（O形圈51300-381-B）不能起到有效的密封作用，或密封圈损坏失去密封功能，导致液压油漏出。此时可先紧固连接螺栓观察使用，而后根据使用效果判断密封圈状态及是否将其更换。

2.1.3 齿轮盘上端面有液压油

该位置观察到渗油漏油时，一般为齿轮盘内密封（S/N：30119319）损坏，导致液压油从此处漏出，此时应更换相应密封件。

2.1.4 旋转头下方主轴表面有齿轮油

该位置观察到齿轮油时，一般为内筒的最上端的唇形密封（S/N：77039）失效，导致齿轮箱齿轮油沿旋转头内筒内表面渗漏，此时应更换相应密封件。

2.1.5 齿轮箱下表面有齿轮油

此时应考虑内筒与齿轮箱间密封（O形圈S/N：51300-385-F）损坏，导致齿轮油外泄，此时应更换相应密封件。

2.2 未发现液压油渗漏，但液压动作紊乱

在排除电器故障的前提下，当发生液压动作紊乱时，应考虑相对应的旋转油腔密封失效，使得相邻油腔的液压油窜入，造成乱动作，此时可将此油道更换至上/下备用油道使用，待后期作业允许时再进行密封更换。

2.3 旋转头适配器转动卡顿

液压马达是适配器旋转的动力源，当发生卡顿故障时应重点排查液压马达动力输出是否平稳：

（1）查看液压马达的工作压力是否正常（正转A口：1700 psi，反转B口：1700 psi），如若压力不在标准值内，可通过调节A/B口旁边的溢流阀来调整工作压力。

（2）查看液压马达—锁销总成的固定螺栓是否已经松动或安装扭矩是否符合安装标准，这些均会影响马达动力输出的平稳性。

2.4 旋转头适配器随主轴一起转动

由上述分析可知，当旋转头适配器悬挂的负载小于2.5 t时，悬浮功能应有效，旋转头和主轴之间可以相对旋转：若旋转头适配器随主轴一起旋转，则适配器与坐落在主轴上的承载环之间发生摩擦，主轴带动适配器同步转动，此时应重点检查旋转头悬浮功能是否正常，如旋转头是否悬浮、悬浮的行程是否正常（行程约为1 cm）等。

（1）检查齿轮盘上表面、下表面、适配器下端面、主轴表面等地方是否有液压油泄漏，是否因密封失效或活塞环卡簧故障引起活塞环错位，导致悬浮液缸内油压下降，未能实现有效悬浮，导致故障的发生。

（2）检查系统压力是否正常（2000 psi），悬浮液杠进油口（L口）压力是否正常（2000 psi），是否因系统压力过低或管路堵塞，导致悬浮液缸内液压油压力过低，未能实现有效悬浮，导致故障发生。

3 预防措施

从常见故障原因分析和现场的使用观察来看，导致旋转头故障的原因主要存在于密封件损坏、员工不当操作和维护保养不到位等，所以在日常使用时应注意以下4个方面：

（1）旋转头密封件应定期更换，根据NOV维护保养标准和现场使用情况，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大大增加。

（2）操作人员应养成良好的操作习惯，严禁在吊环悬挂重负荷时转动旋转头，以免造成旋转头密封损坏、活塞环卡簧损坏等故障。

（3）在起下钻作业时，吊卡对钻具的瞬时提升应缓慢，防止因速度过快，造成悬浮液缸内油压瞬时升高，活塞环及卡簧承受过大的瞬时作用力，增加悬浮油缸故障的概率。

（4）维保人员应定期更换液压油滤芯和液压油，防止油液中混入细小颗粒杂质，堵塞管路或电磁阀，造成系统压力/执行机构压力过低，导致故障发生。

4 结论

旋转头的稳定工作对顶驱的正常运转具有重要的意义，这就要求操作人员和维护人员严格按照操作规程进行操作和保养，同时要求维修人员清楚认知其内部结构和工作原理，这样在降低旋转头故障率的同时，大大提升故障排查效率和设备的使用效率。