頂部驅動鉆井裝置集中潤滑系統研制

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

頂驅是20 世紀80 年代出現的一種新型鉆井設備。它能從井架空間上部直接驅動鉆柱并沿專用導軌向下送進，可完成旋轉鉆進、循環鉆井液、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，將導致設備不能正常工作，甚至造成重大損失。國內的統計表明，55%～60%的機械故障是由潤滑不到位引發的[2-5]，因此頂驅的潤滑是一項至關重要的工作。

頂驅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高空作業危險，人員安全性低。集中潤滑系統作為近些年發展比較快的一項新技術，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，滿足頂驅的潤滑需求。

頂驅本體在結構上主要分為動力水龍頭和管子處理裝置，在設計集中潤滑系統時需要根據各自特點、實際情況分別考慮。

1 頂驅動力水龍頭集中潤滑系統研制

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

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、提環銷，潤滑點數量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，系統主要由控制器、磁性油位開關、電動油脂泵、主分配器、次分配器、循環接近開關、故障報警燈等組成。

圖1 自動集中潤滑系統工作原理

系統通電后，首先通過控制器設置循環次數及間歇時間，然后啟動電動油脂泵，正常工作時，它將按照設定的程序運行，將潤滑脂不斷輸出，經主分配器及次分配器，到達各潤滑點。完成一個供油循環后，主分配器上的循環接近開關觸發一次，控制器計數一次，當供油循環次數達到設定值后，電動油脂泵停止運轉，進入間歇時間計時，等待下一次循環。若系統出現異常，如堵塞、泄漏、泵損壞等，使循環接近開關任意一次動作時間延長到控制器內部設定的報警時間，或磁性油位開關動作時，控制器將輸出綜合故障報警信號，現場人員可根據情況進行檢修。

1.3 主要技術參數

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

1.4 控制器參數設定

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

本著少量、多次的分配原則，控制器設定為：每循環一次，間歇時間840 min，然后進入下一個循環。

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。油罐外側裝有磁性油位開關用以檢測油位，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 依次向右側移動到極限位置，潤滑脂從A2、B2、C2、D2、E2排出，完成一個循環。

圖2 遞進式分配器工作原理

1.5.3 控制器

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

1.5.4 高壓樹脂軟管及接頭

系統需根據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，便于后續維修或更換。

1.6 泵站隔爆設計

泵站包含控制器、電動油脂泵（含磁性油位開關）、主分配器（含循環接近開關）等，均布置在隔爆箱內。隔爆外殼“d”是電氣設備的一種防爆形式，其外殼能夠承受通過外殼任何接合面或結構間隙進入外殼內部的爆炸性混合物在內部爆炸而不損壞，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境的點燃[6]，不需對其內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 頂驅管子處理裝置集中潤滑系統研制

管子處理裝置位于頂驅下半部分，由旋轉頭、背鉗、傾斜機構等組成，相對于動力水龍頭有旋轉運動，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。即利用分配器的優點，將各潤滑點集中到分配器上，根據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，減少保養時間及高空作業次數，一定程度上提高了頂驅的工作效率。

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潤滑點數量6 個，潤滑周期每周1 次，注脂量2 ml；②潤滑點數量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定為Q1∶Q2=1∶9。

（2）工作原理。如圖3 所示，系統由氣動注脂泵、主分配器、次分配器等組成。根據需求，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 手動集中潤滑系統原理

3 功能試驗

出廠前應對集中潤滑系統各項功能進行試驗，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：設定循環次數與間歇時間，觀察出油口動作。試驗要求：出油口動作與控制器設定一致。

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

4 常見故障與排除

集中潤滑系統出現故障，將導致潤滑失效，影響頂驅正常運行，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：安全閥調節壓力過高。解決方法：檢測安全閥，調節至合適壓力。

（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油脂無雜質，防止泵內柱塞磨損、過濾器堵塞和分配器卡阻[7]。

6 結論

集中潤滑系統隨頂驅在海洋平臺使用，現場試驗結果表明，它相對于人工潤滑優勢明顯：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時間，提高設備作業效率；④減少高空作業，提高人員安全性；⑤提高頂驅自動化程度。