頂部驅(qū)動鉆井裝置集中潤滑系統(tǒng)研制

李美華，張一帆，王 冬，張軍巧，楊泉水

（北京石油機械有限公司，北京 102206）

0 引言

頂驅(qū)是20 世紀80 年代出現(xiàn)的一種新型鉆井設(shè)備。它能從井架空間上部直接驅(qū)動鉆柱并沿專用導軌向下送進，可完成旋轉(zhuǎn)鉆進、循環(huán)鉆井液、接立根、上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作[1]。良好的潤滑是改善頂驅(qū)運行的重要因素，如果部件得不到及時且適宜的潤滑，將導致設(shè)備不能正常工作，甚至造成重大損失。國內(nèi)的統(tǒng)計表明，55%～60%的機械故障是由潤滑不到位引發(fā)的[2-5]，因此頂驅(qū)的潤滑是一項至關(guān)重要的工作。

頂驅(qū)本體的潤滑點集中在軸承、銷軸等處，潤滑周期及潤滑量要求不同。傳統(tǒng)的潤滑方式為人工潤滑，由操作人員使用黃油槍向潤滑點加脂，有很多不足之處，包括：①受頂驅(qū)運行影響難以定時、定量潤滑，潤滑效果差；②停機補脂，降低頂驅(qū)工作效率；③潤滑點多且分散，消耗大量人力成本；④高空作業(yè)危險，人員安全性低。集中潤滑系統(tǒng)作為近些年發(fā)展比較快的一項新技術(shù)，它能夠克服人工潤滑的缺點，通過分配器按照一定比例、一定的時間間隔，把需要的潤滑脂供往多個潤滑點，滿足頂驅(qū)的潤滑需求。

頂驅(qū)本體在結(jié)構(gòu)上主要分為動力水龍頭和管子處理裝置，在設(shè)計集中潤滑系統(tǒng)時需要根據(jù)各自特點、實際情況分別考慮。

1 頂驅(qū)動力水龍頭集中潤滑系統(tǒng)研制

動力水龍頭包括提環(huán)、鵝頸管、電機、箱體、滑車等，位于頂驅(qū)上半部分，特點是彼此之間無相對運動，適合做自動集中潤滑系統(tǒng)，泵站采用隔爆設(shè)計，電源可自頂驅(qū)本體站引入。

1.1 潤滑要求

動力水龍頭潤滑點主要包括滾輪軸承、平衡油缸連接銷、提環(huán)銷，潤滑點數(shù)量24 個，潤滑周期為每周1 次，注脂量2 ml。

1.2 工作原理

如圖1 所示，系統(tǒng)主要由控制器、磁性油位開關(guān)、電動油脂泵、主分配器、次分配器、循環(huán)接近開關(guān)、故障報警燈等組成。

圖1 自動集中潤滑系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)通電后，首先通過控制器設(shè)置循環(huán)次數(shù)及間歇時間，然后啟動電動油脂泵，正常工作時，它將按照設(shè)定的程序運行，將潤滑脂不斷輸出，經(jīng)主分配器及次分配器，到達各潤滑點。完成一個供油循環(huán)后，主分配器上的循環(huán)接近開關(guān)觸發(fā)一次，控制器計數(shù)一次，當供油循環(huán)次數(shù)達到設(shè)定值后，電動油脂泵停止運轉(zhuǎn)，進入間歇時間計時，等待下一次循環(huán)。若系統(tǒng)出現(xiàn)異常，如堵塞、泄漏、泵損壞等，使循環(huán)接近開關(guān)任意一次動作時間延長到控制器內(nèi)部設(shè)定的報警時間，或磁性油位開關(guān)動作時，控制器將輸出綜合故障報警信號，現(xiàn)場人員可根據(jù)情況進行檢修。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

輸入電壓：AC220 V。油罐容積：1 L。系統(tǒng)最高工作壓力：12 MPa。潤滑脂范圍：NLGI000-1#。單出口排量：0.17 ml/r。

1.4 控制器參數(shù)設(shè)定

根據(jù)潤滑需求計算：①單次循環(huán)總出脂量Q=0.17×24≈4 ml；②每周所需總注脂量Q1=2×24=48 ml；③每周循環(huán)次數(shù)n=48/4=12 次；④循環(huán)間歇時間T=7×24×60/12=840 min。

本著少量、多次的分配原則，控制器設(shè)定為：每循環(huán)一次，間歇時間840 min，然后進入下一個循環(huán)。

1.5 主要部件

1.5.1 電動油脂泵

該泵通過電機和機械傳動使柱塞做往復運動，完成吸、排油，與控制器、分配器配合使用，將潤滑脂定時、定量地輸送至各潤滑點。油罐外側(cè)裝有磁性油位開關(guān)用以檢測油位，底部有專門的充脂口，方便充脂。手動充脂泵通常壓力較低，因此應配置電動或氣動充脂泵。為保證油脂干凈，充脂后要蓋上防塵帽。

1.5.2 分配器

系統(tǒng)選用的主、次分配器均是典型的MVB 遞進式分配器，單口出油量為0.17 ml/r，可通過拆除堵頭、鋼球和更換堵塞，提供0.34 ml/r、0.51 ml/r 等0.17 ml/r 的整數(shù)倍的排量。主分配器一進二出，兩出油口油脂等量分配，分別注入次分配器（各12 個出油口），再到各潤滑點。

遞進式分配器工作原理如圖2 所示。當潤滑脂從進油口進入分配器后，推動柱塞A 向A1移動到極限位置，并從F2排出。隨著潤滑脂在主線中的繼續(xù)流動，推動柱塞B 向B1移動到極限位置，并從A1排出。潤滑脂推動柱塞C 向C1移動到極限位置，并從B1排出。依此類推，當所有的柱塞都移動到左側(cè)的極限位置后，潤滑脂開始推動柱塞A 向A2移動到極限位置，并從F1排出。接下來是柱塞B、C、D、E、F 依次向右側(cè)移動到極限位置，潤滑脂從A2、B2、C2、D2、E2排出，完成一個循環(huán)。

圖2 遞進式分配器工作原理

1.5.3 控制器

控制器可設(shè)置循環(huán)次數(shù)及間歇時間，具有斷電時刻記憶功能以保證潤滑系統(tǒng)供油量的準確。同時具有很好的監(jiān)控、抗振、抗干擾性能，在低油位或系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞、泄漏、泵損壞等情況對外發(fā)出綜合故障報警信號，是整個系統(tǒng)的控制中心。

1.5.4 高壓樹脂軟管及接頭

系統(tǒng)需根據(jù)潤滑點及分配器的位置，遵循簡單便捷、布局合理的原則，確定軟管長度及接頭形式。軟管上需做適當標記，便于后續(xù)維修或更換。

1.6 泵站隔爆設(shè)計

泵站包含控制器、電動油脂泵（含磁性油位開關(guān)）、主分配器（含循環(huán)接近開關(guān)）等，均布置在隔爆箱內(nèi)。隔爆外殼“d”是電氣設(shè)備的一種防爆形式，其外殼能夠承受通過外殼任何接合面或結(jié)構(gòu)間隙進入外殼內(nèi)部的爆炸性混合物在內(nèi)部爆炸而不損壞，并且不會引起外部由一種、多種氣體或蒸汽形成的爆炸性氣體環(huán)境的點燃[6]，不需對其內(nèi)部電氣元件做任何改動。隔爆箱防爆標志ExdⅡBT6，布局合理，留有控制器和油位觀察窗口。

2 頂驅(qū)管子處理裝置集中潤滑系統(tǒng)研制

管子處理裝置位于頂驅(qū)下半部分，由旋轉(zhuǎn)頭、背鉗、傾斜機構(gòu)等組成，相對于動力水龍頭有旋轉(zhuǎn)運動，電源引入有難度，因此不考慮自動集中潤滑，而采用手動集中潤滑方式。即利用分配器的優(yōu)點，將各潤滑點集中到分配器上，根據(jù)潤滑周期人工對分配器注脂潤滑。這種方式雖然自動化程度略低，但它化繁為簡，每日僅需使用電動或氣動油脂泵對主分配器進油口加注潤滑脂，消耗少量人力成本，減少保養(yǎng)時間及高空作業(yè)次數(shù)，一定程度上提高了頂驅(qū)的工作效率。

2.1 潤滑要求

管子處理裝置的潤滑點包括傾斜油缸銷、背鉗銷、扶正套等，具體潤滑要求：①潤滑點數(shù)量6 個，潤滑周期每周1 次，注脂量2 ml；②潤滑點數(shù)量8 個，潤滑周期每日1 次，注脂量2 ml。

2.2 工作原理

（1）計算。按潤滑需求計算，次、主分配器所需注脂量的比值為：

比值接近1∶9，因此主分配器選用一進二出，兩出油口油脂比值設(shè)定為Q1∶Q2=1∶9。

（2）工作原理。如圖3 所示，系統(tǒng)由氣動注脂泵、主分配器、次分配器等組成。根據(jù)需求，每日使用注脂泵人工對進油口注脂，分配器將油脂通過管路分配到各潤滑點。主分配器應帶機械指示器，方便目測檢查。

圖3 手動集中潤滑系統(tǒng)原理

3 功能試驗

出廠前應對集中潤滑系統(tǒng)各項功能進行試驗，確保其可靠性。功能試驗項目、方法及要求如下所述。

（1）制作軟管：根據(jù)潤滑點位置，遵循簡單便捷、布局合理原則制作軟管。試驗要求：通壓縮空氣檢測，合格后軟管內(nèi)加注潤滑脂。

（2）分配器測試：自進油口注脂，觀察各出油口動作。試驗要求：各口依次出油，出油量符合要求。

（3）接線：按原理圖接線。試驗要求：接線正確、規(guī)范。

（4）低油位報警：空油罐時運行，觀察人機界面。試驗要求：故障報警燈亮。

（5）充脂：自充脂口給油罐加注潤滑脂。試驗要求：充脂正常。

（6）模擬堵塞報警：堵塞系統(tǒng)任一出油口，觀察其他出油口動作及人機界面。試驗要求：出油口均不出油，故障報警燈亮。

（7）控制器測試：設(shè)定循環(huán)次數(shù)與間歇時間，觀察出油口動作。試驗要求：出油口動作與控制器設(shè)定一致。

（8）管路連接：連接部件與各潤滑點，運行系統(tǒng)。試驗要求：系統(tǒng)運行正常，接頭、軟管無泄漏。

4 常見故障與排除

集中潤滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障，將導致潤滑失效，影響頂驅(qū)正常運行，應及時排除，常見故障及解決方法如下：

（1）無法建立壓力。故障原因：管路連接不緊。解決方法：擰緊管路接頭。

（2）泵不出油。故障原因：油脂中混有空氣。解決方法：擰開排氣閥，泵運行時將空氣排盡。

（3）壓力過高。故障原因：安全閥調(diào)節(jié)壓力過高。解決方法：檢測安全閥，調(diào)節(jié)至合適壓力。

（4）綜合故障報警。故障原因1：油位低。解決方法：充脂。故障原因2：管路堵塞。解決方法：排查堵塞點并清洗，如圖4 所示。

圖4 堵塞點排除方法

5 日常維護

（1）檢查隔爆箱、分配器螺栓等連接情況，有松動或損壞立即更換。

（2）檢查系統(tǒng)各管線及連接點，有松動、漏油、破損等情況即時更換。

（3）檢查隔爆箱內(nèi)控制器指示燈及油位情況。

（4）要確保管路的清潔和加入油罐內(nèi)油脂無雜質(zhì)，防止泵內(nèi)柱塞磨損、過濾器堵塞和分配器卡阻[7]。

6 結(jié)論

集中潤滑系統(tǒng)隨頂驅(qū)在海洋平臺使用，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，它相對于人工潤滑優(yōu)勢明顯：①可以按一定的時間間隔，定量地加注潤滑脂；②潤滑過程中無污染；③減少停機及人工保養(yǎng)時間，提高設(shè)備作業(yè)效率；④減少高空作業(yè)，提高人員安全性；⑤提高頂驅(qū)自動化程度。