ZP-205轉盤潤滑密封裝置的改進與應用

孔祥鑫

（大慶鉆探工程公司鉆井三公司，黑龍江 大慶 163400）

0 引言

轉盤是石油鉆機的提升設備之一，尤其是在ZJ40以下無法安裝頂驅的鉆機中，轉盤仍是給鉆機提供動力的主要裝置，在旋轉鉆具、起下鉆、下套管和懸掛井下鉆具等方面具有重要作用。在現場鉆井作業中，存在著轉盤使用壽命短、回廠檢修率較高等問題，經分析主要是轉盤油池密封性差，泥漿和巖屑進入油池后污染潤滑油，導致潤滑效果降低，最終使轉盤軸承磨損加劇，影響轉盤使用壽命[1]。通過設計剛性材質的封閉式擋泥裝置、改進固定方式等技術措施，使轉盤油池密封性能得到提升，減少因潤滑油受污染而造成的轉盤維修，延長了轉盤連續作業時間，節約了潤滑油費用、設備維修費用和鉆機日費，創造了較好的經濟效益和社會效益，具有廣闊的推廣應用前景。

1 轉盤事故原因分析

通過長期現場鉆井作業跟蹤與調研分析后得知，目前ZP-205轉盤油池密封多采用雙壓圈式密封、橡膠墊密封或迷宮式密封3種方式。隨著鉆井作業不斷進行，轉盤長時間處于工作狀態會導致油池密封性變差，泥漿和巖屑等雜質會進入密封箱體內部引起潤滑效果降低。一方面，泥漿進入油池后會降低潤滑油濃度和純度，直接降低潤滑油的潤滑效果，增加軸承之間的摩擦；另一方面，鉆井過程中產生的微米級或納米級的巖屑顆粒，會隨著泥漿進入到軸承之間，使原來軸承之間的“液-液”摩擦變成軸承與巖屑顆粒、軸承與軸承之間的“固-固”摩擦，加劇轉盤軸承磨損[2]。

2 密封裝置設計原理與技術方案

2.1 設計原理

在鉆進作業過程中，特別是起鉆時鉆柱上會附著較多鉆屑形成的泥環，并帶出井筒中的大量泥漿，在起鉆速度較快時部分泥環或泥漿會直接進入到裝有潤滑油的密封裝置中。如圖1所示，ZP-205轉盤結構主要是由底座、轉盤體、上下軸承、大小齒輪、輸入軸、制動裝置、內外補芯、油池等部件組成，轉盤體是通過螺栓固定裝在上下軸承內圈上，通過其外圈支承在底座上，當轉盤體旋轉時，通過補芯將轉矩傳遞給主鉆桿，從而帶動鉆桿柱旋轉。如圖2所示，在轉臺下部安裝一個橡膠或者金屬材質的環形擋泥裝置，能夠以相同速率隨著轉盤高速旋轉而轉動，如有泥漿、巖屑顆粒等外來雜質向軸承及油池侵入時，在擋泥裝置高速旋轉產生的離心力作用下，雜質將沿擋圈平面平行方向被甩出，起到預防雜質進入油池的效果，大大減少了泥漿進入到密封裝置中的概率[3]，從而延長相同液量潤滑油的潤滑時間、提高軸承之間的潤滑效果。

圖1 ZP-205轉盤局部結構示意圖

圖2 ZP-205轉盤實物圖

2.2 技術方案

為解決轉盤軸承密封性差的難題，從轉盤性能、金屬防腐和固定方式等幾方面進行了設計與改進。

1）不改變主體結構性能。為降低制作成本、提高經濟效益，新設計的密封裝置必須與ZP-205轉盤具有良好匹配度，且不能改變轉盤的主體功能和所有性能參數。

2）密封裝置材質要具有良好的防腐蝕能力。鉆井液體系復雜、添加劑種類繁多，往往都具有較強的腐蝕性，特別是鹽水和復合鹽水等高礦化度鉆井液體系中，在鉆井液電化學腐蝕作用下會對金屬材質產生極強的腐蝕性，在金屬表面產生蝕點和蝕坑，最終使設備失去防護效果。

3）密封裝置材質要具有良好的強度和耐磨性。由于密封裝置在轉臺旋轉作用下會隨著轉盤一起做高速離心運動，會與轉臺和泥漿中的巖屑顆粒發生摩擦和碰撞作用，要減少更換頻率，必須在成本可控前提下提高材質的強度和耐磨性能[4]。

4）密封裝置要便于拆卸和安裝。即使密封裝置滿足了以上要求，也不能一勞永逸地解決問題，在最終損壞和需要更換時，必須便于拆卸和安裝，以提高可操作性、降低工人勞動強度。

3 密封裝置改進技術研究

轉盤軸承密封裝置采用防腐材質的金屬擋圈同迷宮法蘭配合使用的復合式密封，用防松動螺栓固定在轉盤下部，沒有改變原轉盤尺寸和性能參數，因此在技術上是可行的。

3.1 主體結構

ZP-205轉盤油池密封多采用雙壓圈式密封、橡膠墊密封或迷宮式密封3種方式。其中，雙壓圈式密封主要通過內外兩密封圈的多重唇口形成接觸與非接觸多重屏障，延緩外部灰塵、雜質和泥漿對軸承內部的侵入，這種密封方式的主要密封件是兩層橡膠圈，在長時間運轉、高溫高壓條件和潤滑油腐蝕作用下，很容易發生老化而失去密封作用[5]；橡膠墊密封也存在著易腐蝕和易老化而失效的問題；迷宮式密封與前兩種密封方式相比，可以逐級降低密封介質的壓力，將壓力分散到密封圈的各個齒上，從而具有更好的密封性能，密封圈的熱彈性變形可以使密封圈更緊密地貼合在箱體上，防止箱體內潤滑油泄漏[6]。因此，密封裝置的主體結構選用迷宮式密封方式。

3.2 擋泥裝置

結合現場鉆井作業施工環境，擋泥裝置加工材料必須綜合考慮耐腐蝕性、高強度、耐磨性、經濟性等指標，從馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼等不銹鋼中選取一種。經對比后得知，馬氏體鋼含碳量較高，雖然具有較高的硬度、強度和耐磨性，但在泥漿高鹽、高堿性環境下極易發生腐蝕穿孔等情況[7]；鐵素體鋼雖具有較好的耐腐蝕性與抗氧化性能，但因含鉻量高而力學性能差、脆性高、韌性差；奧氏體鋼含有鉻、鎳、鉬、氮等元素，具有良好的韌性、塑性和焊接性，在氧化和還原性介質中都有極強的耐腐蝕性。因此，選用奧氏體鋼做為擋泥裝置加工材料，降低高速旋轉和機械作用脆裂風險，增強泥漿惡性環境下的耐腐蝕性能[8]。

3.3 固定方式

擋泥裝置需要固定在轉臺下部位置才能發揮最佳效果，一般常用的固定方式有螺栓連接和電焊兩種：1）普通螺栓固定。這種固定方式雖然便于安裝、拆卸和更換，能夠節省時間、降低勞動強度，但螺栓在重力作用和轉盤高頻振動下極易發生松動和脫扣現象[9]，給更換和檢修帶來極大不便。2）焊接工藝。這種固定方式雖然具有安裝牢固、不易脫落的優點，但鉆機二層臺離地面比較高，不便于安裝和更換，并且焊接和拆換工作費時，會延長等停時間、影響鉆井總體進度，同時，在天然氣井和含有伴生天然氣的油井作業中，在井口上方進行電焊作業會帶來巨大的安全隱患。

因此，綜合考慮方便、省時、安全等各方面因素，最終選擇螺栓固定工藝，并采用“細牙螺紋+雙螺母+平墊圈”的組合防松動方法來提高螺栓安全性能。細牙螺紋主要是利用升角小的特點，增加螺絲和螺母間的摩擦力而起到防松動作用；雙螺母能夠增大質量將螺栓振幅限制在一個較小范圍，起到一定的防松動作用[10]；增加平墊圈能夠增大螺絲和螺母接觸面積，減少振動產生的縱向沖擊力，能進一步增強螺栓的防松動功能。

4 現場應用及效果分析

在確定了轉盤密封裝置主體結構、擋泥裝置材質和固定方式后，根據ZP-205轉盤尺寸和相關技術參數，加工制成了新的轉盤潤滑密封裝置，總體質量不超過1.5 kg，經檢測可承受0.3 MPa動沖力。該裝置在大慶某鉆井隊ZJ30鉆機進行了安裝和現場應用。

經過6個月時間、8口井鉆進作業的技術跟蹤與對比分析，該密封裝置具有以下技術特點與優勢：1）潤滑油消耗量減少，潤滑效果提升。安裝該裝置前，密封裝置中因泥漿混入導致雜質超標，潤滑油必須每2個月更換一次，安裝新裝置后潤滑油6個月更換一次，而且施工過程中沒有出現因雜質混入油箱而引起的軸承升溫過快、噪聲變大等問題。2）擋泥裝置耐腐蝕性強。在經過6個月、8口井的連續施工作業后，擋泥裝置經受住了高礦化度鹽水鉆井液和油基鉆井液的化學腐蝕，表面沒有出現嚴重的蝕點和蝕坑，只在背面有少量不影響使用的銹跡。3）擋泥裝置耐磨性好、強度高。在經過長時間作業后，金屬板沒有出現因撞擊而發生的穿孔和斷裂現象，減少了更換頻率。4）螺栓安全性能高。采用“細牙螺紋+雙螺母+平墊圈”的組合防松動方法，能夠經受轉盤高頻振動，6個月時間里螺栓沒有出現松動和脫扣現象。

5 經濟效益分析

ZP-205轉盤潤滑密封裝置創造的經濟效益從以下幾方面進行分析：

1）潤滑油費用。改進前轉盤平均每年消耗潤滑油6桶，改進后每年只消耗潤滑油2桶，每桶潤滑油4000 元。另外還能節省4趟車輛運輸費用3000 元。該項費用共計節約：4000×4+3000=19000 元。

2）維修費用。由于改進型ZP-205轉盤潤滑密封裝置提高了潤滑油的使用效率和軸承潤滑效果，使軸承使用壽命延長25%左右，轉盤軸承維修一次的費用為35 000 元左右。所以每年節約修理費用：35 000×25%=8750 元。

3）鉆機日費。應用ZP-205轉盤潤滑密封裝置，能減少因更換潤滑油和維修轉盤耽誤的鉆進時間，換算后一部鉆機平均每年節約鉆進周期2 d以上，ZJ30D鉆機每天的鉆機日費在48 000 元左右。一年節省鉆機日費為：48000×2=96000 元。

綜上，改進后的ZP-205轉盤潤滑密封裝置，一臺鉆機平均每年能夠創造直接經濟效益：19000+8750+96000=123750 元。目前大慶有ZJ15和ZJ30鉆機100 臺以上，全部安裝該裝置后每年能節約鉆井成本1200 萬元以上。因此，改進型ZP-205轉盤潤滑密封裝置具有廣闊的推廣應用前景。

6 結論

1）針對鉆機轉盤潤滑裝置密封性較差、軸承易磨損的難題，在不改變轉盤主體結構和性能參數基礎上，通過設計防腐金屬材質擋泥、改變擋泥固定方式等技術措施，形成一套改進型ZP-205轉盤型潤滑密封裝置，具有結構簡單、易拆裝、耐腐蝕、高強度等特點。

2）在現場應用中，該密封裝置減少了潤滑油的更換頻率，提高了軸承的使用壽命，節約了潤滑油成本、修理費用和鉆機日費，取得了較好的經濟效益，具有廣闊的推廣應用前景。