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1、第三章钻机的旋转系统 天津石油职业技术学院徐建功2013年7月 学习目标 1 理解旋转系统的作用2 了解转盘型号含义3 掌握水龙头的组成4 掌握转盘的结构5 掌握顶驱钻井系统的结构组成6 了解国产顶驱钻井系统的发展 重点 转盘 水龙头的结构组成难点 顶驱钻井系统的结构组成 3 1转盘 ZP 700转盘外形图片 转盘是钻机的三大工作机之一 其主要功用如下 1 将发动机的动力传递给井下钻具 驱动钻头旋转 钻出井眼 2 下套管或起下钻时 承托井中全部套管柱或钻杆柱重量 3 完成卸钻头 卸扣 处理事故时倒扣 造扣等辅助工作 涡轮钻井时 转盘制动上部钻杆柱 以承受反扭矩 此外 转盘的工作条件是十分恶劣的
2、 在各工作机中 它的工作环境最不清洁 泥浆吸溅 油水污蚀 井中钻杆柱的振跳首先直接传到转盘上 冲击扳动相当严重 3 1 1概述1 钻井工艺对转盘的要求 1 能提供足够大的扭矩和一定的转速 带动钻头破碎岩石 并能满足其它特殊作业的要求 2 转盘的主轴承有足够的强度和寿命 其承载能力不小于最大钩载 其寿命不低于3000小时 3 能进行正反转 并能可靠地制动 4 密封 润滑性能好 防止外界的泥浆 油水污液渗入转盘内部 否则将加速齿轮和轴承的磨损 造成转盘破坏而不能正常工作 2 转盘代号转盘代号的标示方法如下图所示 示列 ZP175表示通孔直径为17 5英寸的转盘 型号为ZP175 ZP 更新设计标号
3、 用阿拉伯数字表示驱动形式 Y 液压 D 电 机械省略型号级别 转盘通孔直径 in 10 转盘代号 3 转盘的技术参数石油钻机常用的转盘有ZP175 ZP205 ZP275 ZP375 ZP495等五种标准规格 技术参数见表3 1 但一些非标准型号转盘目前仍在部分油田使用 1 通孔直径 转盘通孔直径是转盘主要几何参数 它应比第一次开钻时所用最大号钻头的直径至少大l0mm 2 最大静载荷 转盘上能承受的最大重量 应与钻机的最大钩载相匹配 该载荷经转台作用到主轴承上 因此决定着主轴承的规格 3 最大工作扭矩 转盘在最低工作转速时应达到的最大工作扭矩 它决定着转盘的输入功率及传动零件的尺寸 JB43
4、04 86规定 以150r min在最大扭矩下运转2小时 齿轮齿顶不得有损伤现象 4 最高转速 转盘在轻载荷下允许的最高转速 一般规定为300r min 5 中心距 转台中心至水平轴链轮第一排轮齿中心的距离 表3 1标准转盘的主要技术参数 表3 1标准转盘的主要技术参数 3 1 2转盘的结构 转盘实质上是一个大功率的圆锥齿轮减速器 转盘是通过一对锥齿轮副实现减速和改变力的传动方向 使转台获得一定范围内的转速和扭矩输出 驱动钻具进行钻井作业的设备 转盘一般由底座 转台总成 主辅轴承 负荷轴承及防跳轴承 锥齿轮副 水平轴 输入 总成 锁紧装置 上盖和方瓦等部件组成 下面以ZP7 520转盘 与ZJ
5、l30 3和大庆I 130钻机配套 为例 剖析钻井转盘的一般结构组成 工作原理及主要零部件的作用 转盘结构图 水平轴 锁销 大伞齿轮 小伞齿轮 大方瓦 方补心 主轴承 防跳轴承 转盘是用来承托管柱重量 提供扭矩和转速 转盘实质上相当于一个特殊结构的角传动减速器 主要由箱体 转台 主轴承 副轴承 齿圈 输入轴总成 锁紧装置 方瓦 箱盖等部分组成 第二章钻机主要设备的使用 转盘的结构图1 箱体2 上盖3 齿圈4 组合轴承5 内衬6 方补心7 转台8 输入轴9 法兰10 密封11 轴承12 轴承盒13 轴承14 伞齿轮15 压紧圈16 锁紧装置17 油标18 螺栓19 20 O型密封圈 转盘驱动装置
6、结构 1 水平轴总成水平轴头部装有小锥齿轮 尾部装联接法兰 万向轴传动时 或链轮 链传动时 轴通过一付双列调心轴承和套筒座在壳体中 套筒的作用是使水平轴能进行整体式装配 轴中部有制动棘轮 通过壳体上的棘爪可实现转台的制动 水平轴下方壳体构成一独立油池 使水平轴轴承得到良好的润滑 输入轴 1 连接法兰2 轴3 轴承4 链轮5 连接法兰6 磨擦盘7 离合器8 支架 链条驱动 1 ZP375转盘2 挡油盘3 链轮4 压板 2 转台总成转台体如同一根又短又粗的空心立轴 借助主轴承坐在壳体上 下部辅助轴承防止转台倾斜和向上振跳 转台中心通孔都比较大 以便通过钻井中开井所用的最大号钻头 通孔内装着方补心和
7、小方瓦 小方瓦正好跟方钻扦相配合 两者通过锁销锁在转台体上 转台上部静配合装着一个迷宫盘 构成一整体结构 防止泥浆污水漏入转盘油池内 方补心 滚子方补心有四方驱动和四销驱动两种型式 适用于ZP175 ZP375转盘 用于31 2 6 等不同规格的四方和六方钻杆 性能特点 1 执行SY T5080 2004 符合APISpec 7K等相关技术标准 2 主要受力件选用优质合金钢制造 3 特殊结构设计保证滚轮更换调整快捷 转盘主补心 转盘主补心及内衬适用于ZP175 ZP375转盘 材料为优质合金钢铸件 尺寸符合SY T5080 2004 石油钻机和修井机用转盘 及APISpec 7K标准要求 主补
8、心分为四销驱动和四方驱动两种型式 有整体式和分体式两种结构 可以放入内衬 卡瓦 滚子方补心等 3 主 辅轴承主轴承起承载和承转作用 静止时 承受最重套管柱重量 旋转工作时 承受主要有方钻杆下滑造成的轴向载荷及锥齿轮传动形成的径向载荷 主轴承 锥齿轮共用一个油池 飞溅润滑 4 壳体壳体是结构比较复杂而紧固的铸钢件 内腔形成两个油池 外形上便于安装固定和运输 便于工人进行井口操作 图3 1所示 为ZP375转盘结构图 转台 6 是转盘用以输出转速和扭矩的旋转体 大锥齿圈 4 与转台紧配合装在一起 负荷轴承 5 和防跳轴承 11 均采用角接触推力球轴承 既可承受最大钻柱和套管柱负荷 也可承受钻进和起
9、下钻时来自井下向上的冲击负荷 下座圈 30 与转台用螺栓 28 连接 起到支承防跳轴承的作用 垫片 29 可调整防跳轴承的轴向间隙 转台由负荷轴承支承在底座内 1底座2挡板3上盖4大齿圈5负荷轴承6转台7制动块8制动销9方补芯10方瓦11防跳轴承12 29调整垫片13齿轮14 17轴承15输入轴16轴承套18 21 28 31螺栓19弹性密封圈20 25轴承压板22链轮 连接部件 23排油口24 27 33 O 型密封圈26迷宫密封环30下坐圈32挡污盘 图3 1ZP375转盘结构图 转盘驱动装置流程图 四 转盘驱动装置的维护保养为使设备能够持续的正常工作 使各零部件具有尽可能长的寿命 除了按
10、规程进行正确的操作使用外 还必须进行正确的维护保养 在设备的使用过程中 应进行周期性的维护保养 周期性维护分为 班维护 周维护 月维护 半年及一年维护 1 日常检查及维护保养在检查中如发现有异常情况 应及时处理 不允许设备带病运行 2 定期检查当转盘驱动装置运行一段时间后 运动部件会产生磨损 连接部分会产生松动 管路会不畅 密封件会老化等 若不及时检修对设备的使用会产生不良影响 以致于带来严重的后果 3 检修与调整转盘驱动装置在运行过程中或在进行拆装检修时 需对链条 链轮 惯刹等及时进行调整 本节将给出各部分的调整要求及许用磨损量 转盘的检修和调整主要是检修和调整转盘的轴承和转台的旋转平稳性以
11、及润滑系统的可靠性 转盘惯刹的检修和调整正常工作期间 摩擦片与摩擦毂之间的间隙不需要调整 设备出厂时已调整好 需注意的是 当摩擦片如果磨损到铆钉头将要露出时 须更换摩擦片 链传动的维护和调整 如果其磨损伸长量超过3 或规定的极限 则更换整根链条 不要将一段新链条与一段已磨损的链条连在一起使用 因为这样可能使链条传动不平稳而损坏传动装置 不可调节的传动机构中 许用磨损伸长量大约被限制为链条节距的一半 链条松紧度的检查将一个链轮轴刹住 用人工盘动另一个链轮轴使链条张紧 链条中点的位移如下图所示 然后测量链条垂度 与标准比较 链轮磨损的检查目测传动件的贴合情况及链轮齿部的表面粗糙度 检查齿厚是否减薄
12、 最大减薄量为5 及轮齿啮合部分是否有凹陷 如果不用样板就能明显看出链齿的磨损 就应予以更换 严禁将新链条用在已磨损的链轮上 因为这样将导致链条迅速磨损 新链条的节距比已磨损的链轮的有效节距短得多 所以在链条与链轮轮齿脱开之前 链条上的全部载荷都集中在最后一个轮齿上 那么 当链条与链轮脱离啮合时 滚子从轮齿上的凹陷处猛地跳出 当载荷从一个轮齿传递到下一个轮齿时 就在链条上引起一个冲击载荷 链轮共面度和平行度的检查在维修过程中 只要有一个链传动轴经过拆卸 更换此轴中任一零件 重新安装后必须进行找正 检查链轮的共面度和平行度 检查方法如下 见下图 用一个长的平尺 或拉紧细钢丝 靠在链轮侧面 可测出
13、平行度和共面度 其允许误差应小于1mm 0 04in 若超差则必须进行校正改善 在轴的适当环节加减垫片 或改变隔套尺寸 将轴沿横向作位移改善共面度 链传动的找正 3 2水龙头 3 2 1概述钻井水龙头是钻机中非常具有专业特点的设备 水龙头通过提环挂在大钩上 随大钩运行而上提下放 下部接方钻杆 连接井中钻具 上部通过鹅颈管与长长的水龙带相连 通过它们向钻具中心导入钻井液 水龙头是起升系统 旋转 循环三大工作机组相交汇的关节部件 在钻机组成中处于重要的地位 水龙头的主要功用 1 悬持旋转着的钻柱 承受大部以至全部钻柱重量 并为旋转钻柱提供上部轴承支承 2 向旋转着的钻柱导入高压钻井液 1 钻井工艺
14、对水龙头的要求 1 各承载零件 如提环 壳体 中心管等和主轴承必须具有足够的强度 刚度及寿命 2 高压钻井液密封系统必须工作可靠 寿命长 更换快速 方便 3 机油密封良好 能自动补偿工作过程中密封元件的磨损 2 水龙头的结构组成根据水龙头在钻井工作中的功用 水龙头一般由以下三部分组成 1 承载系统包括 中心管及其接头 壳体 耳轴 提环和主轴承等 钻柱重量通过方钻杆 中心管 主轴承 壳体 耳轴 提环将载荷传递给大钩 2 钻井液系统包括 鹅颈管 钻井液冲管总成 高压钻井液经鹅颈管 冲管流进旋转着的中心管到达钻柱内 冲管上部和下部都设置钻井液密封装置 以防高压钻井液泄漏 3 辅助系统包括 扶正轴承
15、防跳轴承及机油密封装置 壳体内腔构成油池 以润滑主轴承 扶正轴承及防跳轴承 上 下机油密封盒主要是防止钻井液及油水漏入油池和机油泄漏 以保证各轴承正常工作 上 下扶正轴承对中心管径向定位 保证其工作稳定 摆动小 以改善钻井液和机油密封的工作条件 延长其寿命 防跳轴承用以承受钻井过程中由钻柱传来的冲击和振动 防止中心管的轴向窜动 3 水龙头的结构特点各种钻井水龙头 一般由上述三部分组成 其轴承布置方案和冲管总成的结构形式不同形成了多种水龙头具体结构 经长期钻井实践 现代钻机大多采用如图6 5所示的轴承布置方案和图6 6所示的冲管总成结构 下面具体分析 水龙头结构图 轴承布置方案 扶正轴承 两扶正
16、轴承分置于主轴承两边 图6 5 最大限度地扩大了扶正轴承间距A 扶效果好 中心管工作稳定 摆动小 非常有利于钻井液密封和机油密封 防跳轴承 防跳轴承布置在上扶正轴承下方或上扶正轴承用锥形滚子轴承起扶正和防跳作用 即在结构紧凑的原则下尽量增大扶正间距 浮动冲管 Y形液压自封式密封 快卸结构 如图6 6 冲管盘根装置结构图 这种结构形式的特点是 浮动冲管 冲管浮动于鹅颈管过渡接头和中心管之间 工作时不转动 但允许略有轴向窜动 使其磨损均匀 Y形密封圈与钢制隔环交迭布置 这种Y形密封圈可借助钻井液压力自行封紧 它的唇部在钻井液压力作用下始终贴住冲管外壁 工作过程中 即使在密封圈不断磨损情况下 仍能靠液压涨开唇部而形成密封 密封圈数目少 3 4 可通过密封盒进行黄油润滑 减小了摩擦和磨损 冲管的径向定位由密封盒保证 密封盒与中心管用定位止口 圆柱面配合定位这样可提高加工及配合精度 保证冲管与中心管有很好的同心性 不易产生离 延长了冲管与密封圈的寿命 快速拆装 更换方便 只需将上 下密封盒压帽旋出 就可取出冲管总成 更换密封圈或冲管 4 水龙头的主要技术规范和参数 1 水龙头型号的表示方法SY
