ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ВЕРТЛЮГА - Применение и значение вертлюга

Вертлюги, применяемые в буровых установках для бурения эксплуатационных и глубоких разведочных скважин, имеют общую конструктивную схему и различаются в основном по допускаемой осевой нагрузке. Конструктивные отличия некоторых узлов и деталей отечественных и зарубежных вертлюгов обусловлены требованиями изготовления и сборки, разрабатываемых с учетом производственных возможностей заводов-изготовителей, а также периодической модернизацией вертлюгов с целью повышения их надежности и долговечности.

Конструкции вертлюгов должны удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечение прочности нагруженных деталей, исключающей возможность разрушения или пластических деформаций при действии максимальной нагрузки; - долговечность и безотказность работы в процессе бурения скважины; - герметичность уплотнения зазора между вращающимся стволом и неподвижным подводом, предотвращение утечки бурового раствора; - герметичность зазоров между корпусом и вращающимся стволом вертлюга, предотвращение утечки масла из корпуса и его загрязнение извне в процессе работы, транспортировок и хранения.

Корпус вертлюга представляет собой пустотелую отливку сложной формы из малолегированной или углеродистой стали (35Л и др.), внутренняя полость которой разделена по высоте горизонтальной перемычкой, служащей опорной поверхностью основного упорного подшипника ствола и усиленной для жесткости вертикальными ребрами.

Конструкция опорных поверхностей подшипников в корпусе вертлюга должна исключать возможность нарушения ее перпендикулярности относительно оси ствола, так как это ведет к преждевременному износу основной опоры. Между стенками корпуса и опорной плитой предусматриваются каналы для обеспечения циркуляции смазки при вращении ствола. вертлюг нагрузка конструкция

На внешней поверхности корпуса в диаметральной плоскости размещаются два прилива, имеющие форму карманов с отверстиями для дренажа. В отверстиях стенок карманов монтируются две оси, шарнирно соединяющие корпус со штропом.

В некоторых вертлюгах к корпусу приваривают или укрепляют на болтах кронштейны с резиновыми амортизаторами, предохраняющими корпус от ударов штропов. Вертлюги с амортизаторами должны иметь несколько увеличенную ширину.

В некоторых вертлюгах корпус выполняют так, что всю нагрузку воспринимает только нижняя толстостенная тарелка, имеющая два симметричных отверстия для несущих болтов. Корпус в такой конструкции разгружен и служит монтажной базой и масляной ванной. Предварительная затяжка болтов до достижения напряженного состояния определенной интенсивности исключает деформации корпуса при нагружении ствола в процессе эксплуатации, что позволяет сохранить соосность расточек под подшипники и увеличивает межремонтный срок службы. В вертлюгах малой грузоподъемности штропов не применяют, при этом корпус на внешней поверхности снабжается отлитыми за одно целое с ним выступами с запорными защелками.

Вертлюг подвешивается на боковые рога подъемного крюка с помощью штропов элеваторов. Такая конструкция неудобна в эксплуатации, не уменьшает габаритов и массы вертлюга. Недостатком ее при эксплуатации является износ корпуса в зоне контакта со щтропами подвески.

Корпуса вертлюгов при изготовлении должны подвергаться дефектоскопическому контролю. Внутренние литые поверхности корпуса покрываются маслостойкой краской для предохранения от коррозии.

Вес корпуса вертлюга, толчки и удары oт колонны снизу вверх воспринимаются вспомогательной осевой опорой, устанавливаемой обычно над главной. Ствол вертлюга является ведомым элементом. При принятом в бурении нормальном направлении вращения бурильной колонны (по часовой стрелке, если смотреть сверху на ротор) ствол и все связанные с ним детали во избежание самоотвинчивания имеют стандартные конические левые резьбы. Исключения составляют устройства, в которых совмещены вертлюг и ротор. Ствол такого вертлюга является ведущим элементом и имеет правую резьбу. Вертлюг имеет штроп для подвески его на крюках различной конструкции. Штроп крепится к корпусу на осях и должен иметь возможность поворачиваться на угол до 40°. Корпус имеет приливы, которые исключают консольный монтаж осей штропа, ограничивают поворот и устанавливают его в положение, удобное для захвата крюком, когда вертлюг с ведущей трубой находятся в шурфе.

К верхней крышке корпуса прикреплен изогнутый патрубок-подвод с резьбой или фланцем, к которому присоединяется напорный буровой рукав. Напорный сальник во время роторного бурения эксплуатируется в тяжелых условиях, срок его службы значительно меньше срока службы остальных деталей вертлюга, поэтому сальник выполняется быстросменным.

Проточную часть вертлюга выполняют обтекаемой формы для обеспечения минимальных гидравлических потерь и износа абразивными частицами, содержащимися в буровом растворе, движущемся со скоростью до 6 м/с. Размеры корпуса и конструкция вертлюга выполняются с учетом обеспечения надежной смазки всех опор и отвода от них тепла. В верхней и нижней частях корпуса для уплотнения зазора между корпусом и вращающимся стволом устанавливают самоуплотняющиеся манжетные сальники, которые защищают внутреннюю полость корпуса с масляной ванной от попадания в них влаги и грязи извне и удерживают масло от вытекания из нее при вертикальном рабочем и горизонтальном нерабочем положении вертлюга во время транспортировки и хранения.

Вертлюги снабжаются устройствами для заливки, спуска и контроля уровня масла, а также сапунами с отверстиями для уравновешивания с атмосферным давления воздуха, создающегося внутри корпуса при нагреве в процессе работы. Корпуса выполняются обтекаемой формы для того, чтобы вертлюг не цеплялся за детали вышки при перемещениях. Детали предохраняются от самоотвинчивания.

Ствол вертлюга - наиболее нагруженная и ответственная деталь, основная вращающаяся деталь вертлюга, воспринимающая вес колонны. На ствол действуют растягивающая сила, изгибающий момент и внутреннее давление. Ствол также подвержен усталостному и абразивно-эрозионному износу по внутренней поверхности канала и механическому износу в зоне контакта с уплотняющими кольцами.

Ствол, смонтированный в корпусе на радиальных и упорных или радиально-упорных подшипниках качения, снабжен фланцем, передающим вес колонны через главный опорный подшипник на корпус и далее на штроп.

Стволы изготовляются из конструкционных низколегированных улучшаемых сталей перлитного класса марок 40Х, 40ХН, 38ХГН, 338ХВА, 34ХМ1М по ГОСТ 4543--71 и др. Заготовки стволов получают свободной ковкой, причем грибовидный опорный фланец выполняется за одно целое со стволом. Ствол подвергается закалке с последующим отпуском до твердости 280-- 320 НВ.

Снаружи и внутри ствол подвергается механической обработке, посадочные поверхности и переходные участки шлифуют. Наружные и внутренние поверхности канала должны быть соосны и иметь минимальную разностенность, а также жесткими для обеспечения равномерного распределения напряжений по сечениям. Биение посадочных шеек подшипников и неперпендикулярность плоскости опорного фланца к оси вращения ствола должны оговариваться допусками, величину которых рассчитывают или выбирают по нормам завода-изготовителя.

Диаметр канала ствола определяется скоростью потока промывочной жидкости; во избежание абразивного износа эта скорость не должна быть более 6 м/с. Канал ствола не должен иметь резких пережимов и расширений. Увеличение диаметра канала влечет за собой увеличение его наружного диаметра, что снижает долговечность уплотнительных устройств. Длину ствола выбирают с учетом возможности многократной нарезки изношенной левой внутренней замковой резьбы, выполняемой по ГОСТ 5286--75, служащей для соединения с ведущей трубой.

Для предохранения резьбы от износа применяют предохранительные переводники. Участки ствола, контактирующие с верхними и нижними уплотнительными манжетами, защищают от износа втулками или удлиненным внутренним кольцом подшипников. Поверхность втулок шлифуют и подвергают термообработке до твердости 45--50 HRC.

Штроп. Штропы вертлюгов изготовляют из низколегированных конструкционных сталей марок 40ХН, 40ХНМА, 38ХГН, ЗОХГСА и др. по ГОСТ 4543--71. Штропы изготовляют методом свободной ковки с высадкой и прошивкой проушин. Механической обработке подвергаются только отверстия и торцовые поверхности проушин.

Для получения равнопрочной конструкции диаметр штропа на наклонном прямолинейном участке обычно увеличивают в направлении к дуговой части с отношением наибольшего и наименьшего диаметров до 1,4. Изгибающий момент имеет максимум в сечении перегиба. Для обеспечения необходимой прочности и жесткости штропа с учетом износа его дуговая часть выполняется эллиптического сечения. В вертлюгах малой грузоподъемности штропы для упрощения изготовляют кругового сечения.

Штроп вертлюга изнашивается по отверстиям проушин и внутреннему радиусу дуговой части. Для защиты проушин от износа применяют сменные втулки.

Опоры ствола вертлюга воспринимают нагрузки, обеспечивают свободное вращение ствола и его фиксацию от радиальных и осевых перемещений и обеспечивая его устойчивое положение при вращении.

В качестве Главной опоры в вертлюгах применяют подшипники упорные или упорно-радиальные (рис. 2). В последнем случае ими воспринимаются также радиальные нагрузки и центрируется ствол в корпусе.

Для работы при высоких частотах вращения подшипники имеют массивные стальные или бронзовые сепараторы. Штампованные сепараторы и бессепараторные конструкции применяются редко.

Основные опоры вертлюгов являются элементами, лимитирующими их работоспособность. При эксплуатации они испытывают разнообразные повреждения: выкрашивание, отслаивание, усталостные трещины, осповидный износ на поверхностях тел качения и колец, образование подповерхностных трещин, приводящих к контактно-усталостным разрушениям.

Устранение проскальзывания тел качения по кольцам и снижение контактных напряжений уменьшают вероятность контактного окатывания и повышают долговечность основной опоры.

Лучшие из этих упорных подшипников -- роликовые сферические с бочкообразными роликами (рис. 2, г), обеспечивающие более равномерное распределение нагрузки, в результате чего снижается износ внешних торцов роликов и колец подшипника. Однако вследствие сложности изготовления эти подшипники применяют весьма ограниченно. В обычных конических роликоподшипниках бурт кольца и торцы роликов сильно изнашиваются под действием центробежных сил, возникающих в роликах при вращении ствола.

В качестве основных опорных подшипников в вертлюгах, рассчитанных на большие нагрузки, чаще всего применяют роликовые подшипники с коническими роликами (рис. 2, б и в).

Рис. 2. Подшипники главных опор вертлюгов.

Подшипники с цилиндрическими роликами (рис. 2, д) применяют реже, так как в упорных подшипниках ролики проскальзывают, что приводит к их износу и, как следствие, к ограничению частоты вращения ствола.

В вертлюгах установок, используемых для бурения скважин глубиной до 1500 м, главной опорой часто являются шариковые подшипники. Упорно-радиальные подшипники (рис. 2, а) -- одни из лучших для быстроходных вертлюгов, так как центробежные силы, действующие на шары, воспринимаются основной беговой дорожкой подшипника и не вызывают большого износа. Недостатки этих подшипников -- относительно небольшая динамическая грузоподъемность и нарушение центровки ствола при износе, что ограничивает область их применения.

Подшипники с коническими и сферическими роликами обладают большей нагрузочной способностью по сравнению с подшипниками, имеющими короткие цилиндрические ролики. Поэтому в тяжело нагруженных вертлюгах преимущественно применяются упорные подшипники с коническими либо сферическими роликами. Для повышения долговечности в модернизированных вертлюгах ОАО "Уралмашзавод" (УВ-250 МА) используются конические упорные подшипники.

Для Вспомогательных опор вертлюгов обычно применяют упорные шариковые или роликовые подшипники. В качестве радиальных опор

Используют однорядные радиальные роликоподшипники с короткими цилиндрическими, иногда и с игольчатыми роликами.

Рис. 3. Конструкции вспомогательных упорных и радиальных опор ствола:

1- ствол; 2- радиальный подшипник; 3- вспомогательная опора; 4- крышка; 5 - корпус.

Выбор того или иного радиального подшипника определяется конструктивными соображениями и возможностями использования стандартных подшипников.

Весьма важен монтаж радиальных и вспомогательных подшипников. На рис. 3 показано несколько вариантов их размещения по высоте корпуса и его крышек.

Уплотнительные устройства. В вертлюгах применяются уплотнительные устройства высокого и низкого давления. Разница-- в рабочем давлении и свойствах рабочей среды предопределяет отличия их конструктивного исполнения. Уплотнения высокого давления герметизируют зазор между неподвижным подводом и вращающимся стволом при прокачивании бурового раствора. По конструкции они подразделяются на две группы: бескорпусные и корпусные -- быстросменные.

Бескорпусные сальники монтируются в расточенной части канала ствола. Прижатие уплотнительных манжет регулируется затяжкой нажимной гайки или пружины. Их конструкция не рассматривается, так как в современных вертлюгах они не применяются.

Основные недостатки этих уплотнений -- малая долговечность и низкая ремонтопригодность, связанная с необходимостью отсоединения бурового рукава и демонтажа подвода для устранения отказов.

Рис. 4. Уплотнение быстросменное.

Действие уплотняющих манжет: А -- последовательное; Б -- одновременное; 1, 3 -- гайки нажимные нижняя и верхняя; 2-- стакан; 4-- подвод; 5 -- втулка; 6, 14 -- манжеты торцового уплотнения; 7 -- кольцо; 8, 10 --манжеты радиального уплотнения; 9 --труба; 11-- пресс-масленка; 12 -- кольца дистанционные; 13 -- груидбукса; 15 -- ствол

Быстросменные уплотнения монтируются во вращающемся корпусе, который крепится к стволу вертлюга на резьбе или болтами (рис. 4, а).

Быстросменное уплотнение вертлюга состоит из трех самоуплотняющихся манжет, расположенных во вращающемся корпусе, и короткой, легко сменяемой напорной трубы. Труба крепится к подводу быстроразъемным резьбовым соединением, корпус сальника -- таким же соединением к верхней части ствола вертлюга, снабженной присоединительной резьбой. Корпус уплотняется резиновыми кольцами V-образного или круглого сечения.

Конструкция гаек обеспечивает быстрые демонтаж и монтаж уплотнения на вертлюге. Каждая эластичная самоуплотняющаяся манжета, уплотняющая зазор между корпусом и трубой, размещается в индивидуальной камере, образуемой дистанционными кольцами. Камеры ограничивают деформации манжет под действием давления раствора. Верхняя манжета служит для удержания консистентной смазки, периодически закачиваемой ручным насосом через пресс-масленку в манжетные камеры для снижения трения и износа. Это уплотнение надежно работает при рабочих давлениях до 35 МПа; испытательное давление 55 МПа.

Следует учитывать, что применение большого числа манжет не увеличивает срок службы уплотнения, так как возможен перегрев вследствие плохого теплоотвода. Практикой установлено, что оптимальным является наличие трех рабочих манжет. При этом в зависимости от конструкции уплотнение осуществляется либо первой, либо последней манжетой, при выходе из строя которой начинает работать ближайшая к ней манжета, и т. д.

Манжеты изготовляются из маслостойких резин с твердостью по прибору ТИР 76--86, резиноасбестовых композиций или пластмасс полиуретановой группы.

Для изготовления напорных труб используют бесшовные трубные заготовки из низколегированных цементуемых конструкционных сталей по ГОСТ 4543--71 (например, марок 12XH2A, 20ХНЗА и др.). Напорные трубы подвергают термохимической обработке для создания по наружной поверхности износостойкого слоя твердостью 56--62 HRC на глубину 1,5--3 мм. В некоторых вертлюгах применяют трубы из конструкционных среднеуглеродистых сталей. Наружную поверхность напорных труб подвергают высокоточной механической обработке, для уменьшения шероховатости практикуется полирование или выглаживание роликами.

Долговечность напорного сальника зависит от давления уплотняемого раствора, его плотности, концентрации, абразивных частиц в нем и от частоты вращения ствола. Экспериментально установлено, что долговечность при давлении 16 МПа и плотности раствора 1200 кг/м3 находится в пределах от 3- 105 до 6-105 оборотов при частоте вращения ствола 70--200 об/мин.

Рис. 5. Уплотнение масляной ванны.

1- Радиальный подшипник; 2 - уплотнительное круглое кольцо; 3 - втулка; 4- манжеты; 5 - болты; 6 - шайба; 7 - масленка.

Сальники, удерживающие жидкую смазку в ванне корпуса вертлюга, имеют уплотняющие элементы -- эластичные манжеты одностороннего действия. Уплотнительные кольца изготовляют из маслотеплостойких резин или пластмасс. Для повышения усилия обжатия применяют уплотняющие кольца с тороидальными пружинами. Между манжетами иногда устанавливают металлическое дистанционное кольцо для улучшения теплоотвода. Масляные сальники вертлюгов работают в относительно благоприятных условиях -- при давлении, практически равном атмосферному. Скорость скольжения по уплотняемой поверхности обычно не превышает 3 м/с.

Смазка вертлюгов. Почти во всех современных вертлюгах применяется комбинированная смазка -- барботажная жидким маслом или с размещением в масляной ванне главной опоры и подшипников, расположенных в нижней части вертлюга, и местная универсальной среднеплавкой смазкой подшипников и других элементов, расположенных в верхней части. Жидкая смазка заливается в картер вертлюга до определенного уровня, универсальная подается к местам смазки через пресс-масленки.

На долговечность вертлюга существенно влияют объем масляной ванны, уровень жидкой смазки в ней и форма внутренней полости корпуса. Объем масляной ванны V (в л) зависит от нагрузки РВ (в МН), на которую рассчитан вертлюг при вращении с частотой 100 об/мин: V=20РВ.

На время транспортировки вертлюга сапун заменяют глухой пробкой. В нижней крышке корпуса следует предусматривать застойную зону, в которой собираются продукты износа. Для улавливания металлических частиц сливную пробку целесообразно оснащать магнитом. Рабочая температура масла ?+ 80°С.

Для вертлюгов применяют индустриальные масла 12, 45 и 50. Смазка универсальная среднеплавкая УС-2 или УС-3 (ГОСТ 1033--79) применяется для шарнирных соединений штропа с корпусом напорного сальника высокого давления, верхнего и нижнего масляных сальников.

Рис. 6. Вертлюг УВ-250:

1- переводник; 2- нижняя крышка; 3, 10 - радиальные роликовые подшипники; 4- корпус; 5 - ствол; 6, 9 - упорные подшипники; 7- пальцы; 8 - стопорная планка; 11 - отвод; 12 - штроп; 13 - промежуточное устройство; 14 - верхняя крышка; 15 - стакан ствола.

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ВЕРТЛЮГА - Применение и значение вертлюга

Похожие статьи