Ремонт бурового верглюга

    ВВЕДЕНИЕ

      Одним из основных улов бурового оборудования является вертлюг. Этот элемент несет на себе наибольшую нагрузку в процессе бурения. От его надежности зависит безотказная работа всей буровой установки.

      Вертлюг является промежуточным звеном между  поступательно перемещающимся талевым блоком с крюком, буровым рукавом и вращающейся бурильной колонной, которая при помощи замковой резьбы соединена со стволом вертлюга. Для обеспечения подачи бурового раствора или газа перемешивающийся вертлюг соединён с напорной линией при помощи гибкого бурового рукава, один конец которого крепиться к отводу вертлюга, а второй – к стояку на высоте, несколько большей половины его длины.

    Вертлюг предназначен для подвода бурового раствора во вращающуюся бурильную колонну. В процессе бурения вертлюг подвешивается к автоматическому элеватору либо к крюку талевого механизма и посредством гибкого шланга соединяется со стояком напорного трубопровода буровых насосов. При этом ведущая труба бурильной колонны соединяется с помощью резьбы с вращающимся стволом вертлюга, снабженным проходным отверстием для бурового раствора. Во время спускоподъемных операций вертлюг с ведущей трубой и гибким шлангом отводится в шурф и отсоединяется от талевого блока. При бурении забойными двигателями вертлюг используется для периодических проворачивании бурильной колонны с целью предотвращения прихватов. 
 
 
 
 
 
 

1. КОНСТРУКЦИЯ, НАЗНАЧЕНИЕ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ БУРОВОГО ВЕРТЛЮГА

1. Конструкция бурового вертлюга

      Вертлюги  имеют разнообразные конструкции. Основными элементами их является ствол, опоры и сальники. Вертлюги независимо от их конструктивного оформления состоят из двух основных групп деталей: невращающейся, подвешенной к подъемному крюку, и вращающейся, которая через ведущую штангу соединена с колонной бурильных труб.

      Основной  вращающейся его деталью является полый ствол, воспринимающий вес  колонны. Ствол, смонтированный в корпусе  на радиальных и опорных подшипниках, снабжен фланцем, передающим вес колонны через главный опорный подшипник на корпус и штроп. Опоры ствола фиксируют его положение в корпусе, препятствуют осевым вертикальным и радиальным перемещениям и обеспечивают устойчивое положение и лёгкость вращения.

      Вес корпуса вертлюга, осевые толчки и  удары от колонны снизу вверх  воспринимаются его вспомогательной опорой, устанавливаемой обычно над главной. Ствол вертлюга является ведомым узлом. При принятом в бурении нормальном направлении вращения бурильной колонны ствол и все детали, связанные с ним, во избежание самоотвинчивания имеют стандартные конические левые резьбы. Вертлюг снабжается тропом для подвески его на крюке. Штроп крепится к корпусу на осях и может поворачиваться на угол до 40º. Корпус имеет приливы, ограничивающие перемещение штропа и устанавливающие его в положение, удобное для захвата крюком, когда вертлюг с ведущей трубой находятся в шурфе.

      К крышке корпуса прикреплена горловина  – отвод, к которому присоединяется буровой рукав. Буровой раствор  поступает из рукава через патрубок в соединенную с ним напорную трубу, из которой он попадает в полость вращающегося ствола вертлюга. Зазор между отверстием в стволе и напорной трубой уплотняется напорным сальником, обеспечивающим герметичность при наибольших рабочих давлениях бурового раствора. Напорный сальник во время роторного бурения эксплуатируется в тяжёлых условиях, срок его службы значительно меньше, чем остальных деталей вертлюга, поэтому он выполняется быстросменным. 

      1 – ствол; 2, 8 – нижний и верхний  масляные сальники; 3 – корпус;  
4, 6 – подшипники радиальные нижний и верхний; 5 – опора главная;  
7 – опора вспомогательная; 9 – уплотнение быстросменное; 10 – соединение быстроразъемное; 11 – труба напорная; 12 – крышка; 13 – подвод;  
14 – штроп

      Рисунок 1 – Схема бурового вертлюга 

      Прочностную часть вертлюга изготавливают обтекаемой формы для обеспечения минимальных гидравлических потерь и минимального износа абразивными частицами, содержащимися в буровом растворе, который движется со скоростью до 6 м/с. Размеры и конструкция вертлюга выполняются с учётом 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 снаружи и удерживают масло от вытекания.

      В вертлюгах есть устройства для заливки, спуска масла и контроля его уровня, а также отверстия для уравновешивания  давления, создающегося при нагреве в процессе работы с атмосферным. Все детали предохраняются от самоотвинчивания.

      Типоразмер  вертлюга определяется динамической нагрузкой, которую он может воспринимать в  процессе вращения колонны 114-мм труб с  учётом глубины скважины. Вертлюги также характеризуются допустимыми  статической нагрузкой и частотой вращения, предельным рабочим давлением прокачиваемого бурового раствора, массой и габаритными размерами.

      Размерным рядом установлена номинальная  динамическая нагрузка: 0,5; 0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; и 3,0 МН для бурильных труб диаметром 60 – 140 мм. Каждый вертлюг рассчитывается для применения с бурильными трубами двух – трёх размеров.

      Конструкция вертлюгов должна быть прочной, чтобы  выдерживать наибольшие нагрузки, действующие  на основные рабочие элементы и подшипниковые  узлы. Главный опорный подшипник воспринимает небольшие статические нагрузки и обеспечивает длительную работу на всех режимах. Конструктивные формы деталей просты, технологичны и обеспечивают прочность и простоту сборки. Вертлюги должны быть приспособлены к транспортировке любимы транспортными средствами без упаковки. 
 

      Существует  три типа вертлюгов:

      - вертлюг буровой;

      - вертлюг эксплуатационный;

      - вертлюг промывочный. 
 

      1.2 Назначение и условия работы вертлюгов 

      Вертлюг предназначен для подвода бурового раствора во вращающуюся бурильную колонну. В процессе бурения вертлюг подвешивается к автоматическому элеватору либо к крюку талевого механизма и посредством гибкого шланга соединяется со стояком напорного трубопровода буровых насосов. При этом ведущая труба бурильной колонны соединяется с помощью резьбы с вращающимся стволом вертлюга, снабженным проходным отверстием для бурового раствора. Во время спускоподъёмных операций вертлюг с ведущей трубой и гибким шлангом отводится в шурф и отсоединяется от талевого блока. При бурении забойными двигателями вертлюг используется для периодических поворачиваний бурильной колонны с целью предотвращения прихватов.

      Кроме перечисленных выше функций, вертлюги также используются при промывке скважины и доливе в нее раствора во время подъёма бурильных колонн с обратным клапаном. В легких передвижных установках с устройством для принудительной подачи долота нагрузка на долото передается также через вертлюг.

      Буровой вертлюг обеспечивает свободное  вращение подвешенной к стволу бурильной колонны и одновременную подачу в нее бурового раствора. С помощью бронированного шланга высокого давления вертлюг обеспечивает гидравлическое соединение неподвижного стояка манифольда с вращающейся колонной бурильных труб.

      Вертлюги, применяемые в бурении 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, разрабатываемой с учетом производственных возможностей заводов-изготовителей, а также периодической модернизацией вертлюгов с целью повышения их надежности и долговечности.

      Работоспособность вертлюга зависит от надежности уплотнений, применяемых в его подвижных и неподвижных соединениях. Наиболее ответственными являются уплотнения напорной трубы, которые служат для предотвращения утечки промывочной жидкости, нагнетаемой под высоким давлением. Для этой цели используются самоуплотняющиеся радиальные 8, 10 и торцовые 6, 13 манжеты из синтетических материалов, обладающих достаточной упругостью и износостойкостью. Воротники манжет направлены навстречу действующему давлению и поэтому прижимаются к уплотняемым поверхностям с силой, пропорциональной давлению промывочной жидкости. Стыкуемые торцы напорной трубы и отвода уплотняются радиальной 8 и торцовой 6 манжетами, установленными в канавках кольцевой втулки 7. Втулка с манжетами надеты на напорную трубу и плотно прижаты к отводу вертлюга посредством накидной гайки 3. Противоположный стык между нижним торцом напорной трубы и стволом вертлюга уплотняется четырьмя радиальными манжетами 10, разделенными металлическими кольцами 11, и торцовой манжетой 13. Радиальные манжеты установлены в стакане 2 и затянуты накидной гайкой 1, соединяющей стакан со стволом вертлюга.

      Стакан  вращается вместе со стволом, и радиальные манжеты скользят относительно напорной трубы, удерживаемой силой трения в  верхней манжете 8. 

      1,3 – гайки накидные, 2 – стакан, 4 – отвод, 5 – втулка; 6, 8, 10, 13 – уплотнения манжетные; 7 – втулка кольцевая; 9 – труба напорная; 11, 12 – кольца металлические; 14 – ствол; 15 – пресс – маслёнка 

      Рисунок 2 – Быстросъемное уплотнение 
 

      Скольжение  вызывает износ контактируемых поверхностей, ускоряемый абразивным воздействием промывочного раствора. Поэтому нижнее уплотнение напорной трубы в отличие от неподвижного верхнего имеет многорядную конструкцию, благодаря которой повышаются его надежность и долговечность. Стакан снабжен винтовой масленкой для периодической смазки манжет с целью уменьшения износа и нагрева уплотнения в результате трения.

      Манжета 10, расположенная над смазочным  отверстием в стакане, предотвращает  утечку масла при шприцовке и  предохраняет его от внешнего загрязнения. Торцовая манжета 13 вращается вместе со стволом вертлюга и кольцом 12 и остается неподвижной относительно стыкуемых поверхностей. Неточности, допущенные при изготовлении и сборке, компенсируются свободно плавающим положением напорной трубы. Напорные трубы изготовляются из низколегированных сталей марок 12ХН2А, 20ХНЗА и др. Наружная поверхность напорных труб шлифуется и имеет твердость НКС 56-62.

      Для предотвращения утечки масла из масляной ванны вертлюга в нижней крышке его  корпуса установлены две манжеты 4, как показано на рисунке 3. Манжеты прилегают к втулке 3, служащей для фиксации внутренней обоймы радиального подшипника I ствола вертлюга. Воротник манжеты прижимается к втулке с помощью кольцевой цилиндрической пружины, надетой на манжету.

      Во  избежание проворота в крышке и для обеспечения герметичности манжета сажается в расточку крышки с натягом. Самоуплотняющиеся манжеты в данном случае неприемлемы из-за недостаточного давления в уплотняемой полости. В осевом направлении манжета фиксируется шайбой 6, которая крепится к крышке болтами 5. Уплотнительное круглое кольцо 2 предотвращает просачивание масла между стволом вертлюга и втулкой. Для уменьшения трения в местах сопряжения со втулкой манжеты смазываются пластичным маслом через масленку 7. При заметном износе втулка заменяется новой. Аналогичные манжеты установлены между стволом и верхней крышкой корпуса вертлюга.

      Плоские стыки между корпусом вертлюга и  его крышками уплотняются листовыми  прокладками из картона.

      1 — радиальный подшипник; 2 — кольцо уплотнительное; 3 — втулка;

4 - манжеты; 5 - болт; 6 - шайба; 7 - масленка 

      Рисунок 3 — Уплотнение масляной ванны 
 

      Прокладка верхней крышки корпуса одновременно используется для регулирования  осевого натяга вспомогательного упорного подшипника.

      В осевом направлении манжета фиксируется шайбой 6, которая крепится к крышке болтами 5. Уплотнительное круглое кольцо 2 предотвращает просачивание масла между стволом вертлюга и втулкой. Для уменьшения трения в местах сопряжения со втулкой манжеты смазываются пластичным маслом через масленку 7. При заметном износе втулка заменяется новой. Аналогичные манжеты установлены между стволом и верхней крышкой корпуса вертлюга.

      Плоские стыки между корпусом вертлюга и  его крышками уплотняются листовыми прокладками из картона. Прокладка верхней крышки корпуса одновременно используется для регулирования осевого натяга вспомогательного упорного подшипника.

      Прокладка между крышкой и отводом вертлюга, работающая под давлением промывочной  жидкости, изготовляется из прорезиненной ткани. Прокладки затягиваются болтами, используемыми для крепления стыкуемых деталей вертлюга.

      Допускаемая статическая нагрузка – постоянная осевая нагрузка, которую может выдержать  вертлюг без разрушения при невращающемся  стволе. Уровень осевых нагрузок, действующих на ствол вертлюга, зависит от глубины бурения и достигает наибольших значений при подъеме прихваченной бурильной колонны либо при расхаживании обсадной колонны с циркуляцией бурового раствора. При этом в целях безопасности наибольший уровень действующих нагрузок не должен превышать допускаемой нагрузки на крюке, принятой для буровой установки соответствующего класса. Поэтому допускаемая статическая нагрузка вертлюга должна быть не менее допускаемой нагрузки на крюке буровой установки.

      Максимальное  давление прокачиваемой жидкости определяются исходя из режима промывки скважины. Его  значение должно быть не менее наибольшего  давления насосов, используемых в буровой  установке соответствующего класса.

      Диаметр проходного отверстия ствола оказывает двоякое воздействие на работу вертлюга. С его увеличением снижается скорость течения промывочной жидкости, поэтому уменьшаются гидравлические потери и износ внутренней поверхности ствола. Одновременно с диаметром проходного отверстия возрастает наружный диаметр ствола, в результате чего увеличивается скорость скольжения и износ ствола и его уплотнения. Поэтому чрезмерное увеличение проходного отверстия ствола нежелательно. На основе опыта конструирования и эксплуатации вертлюгов диаметр проходного отверстия ствола принимается равным 75 мм. Внутренний диаметр напорной трубы равен диаметру проходного отверстия ствола вертлюга.

      В зависимости от грузоподъемности используют различные конструкции вертлюгов.

      В вертлюгах малой грузоподъемности возможно применение двухопорной конструкции с радиально-упорными подшипниками в качестве основной и вспомогательной опор. При проектировании вертлюгов средней грузоподъемности возможно применение трёхопорной конструкции. В качестве основной опоры используют упорно-радиальный подшипник, в качестве вспомогательной – упорный подшипник, а радиальный подшипник выступает как центрирующий. В этом случае основная опора дополнительно выполняет функцию второго центрирующего подшипника. Для снижения нагрузок на основную опору целесообразно в качестве основной опоры применять упорный роликовый подшипник, а функцию центрирования ствола передать вспомогательному радиально-упорному подшипнику с установкой одного радиального центрирующего подшипника. При нагрузках менее 75 тонн удаётся конструктивно решить главную опору с шариковыми подшипниками, обеспечив достаточную её долговечность. 
 

      2 СТРУКТУРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КАПИТАЛЬНОГО РЕМОНТА БУРОВОГО ВЕРТЛЮГА  

      Вертлюг меняют, если резьба переводника забита, резьбовое соединение переводника и ствола пропускает раствор, а в стволе обнаружены трещины или ствол не проворачивается. Заедание ствола может быть вызвано разрушением одной из опор вертлюга. Ствол исправного вертлюга должен свободно проворачиваться от усилия одного рабочего, приложенного к ключу с плечом в 1 м. Тугое вращение является следствием неправильно отрегулированного осевого зазора между основным и упорным подшипником при сборке. Во время бурения нельзя допускать утечку промывочной жидкости через  грязевой сальник.

      Если  происходит утечка, меняют манжеты  и одновременно контролируют состояние грязевой трубы. В случае значительного износа она должна быть заменена. Надежность крепления отвода к крышке, крышки и нижнего фланца к корпусу должна периодически проверяться. В случае появления утечки между грязевой трубой и отводом подтягивают гайки, а если это не дает результата, меняют прокладку. При смене прокладок необходимо одновременно проверять состояние отвода. В случае значительного износа стенок отвод следует заменить.

      Контроль  за состоянием смазки и вертлюга должен производиться не реже одного раза в смену.

      Межремонтный  цикл для вертлюгов составляет 9 месяцев, а межремонтный период — 3 месяцев. Средний и капитальный ремонты осуществляются в мастерских. Разборка вертлюга ведется в такой последовательности: отвинчивают переводник; очищают, обмывают снаружи корпус вертлюга и спускают в шурф; сливают масло; отвинчивают гайки и снимают горловину; отвинчивают и снимают нажимную гайку грязевого сальника; вынимают грязевую трубу манжеты, распорную пружину, кольцо и грундбуксу; отвинчивают контргайки, гайки и снимают крышку корпуса; вывинчивают нажимную гайку и снимают верхний масляный сальник; вынимают из корпуса ствол, предварительно отвинтив винты плиты основной опоры; поднимают вертлюг из шурфа, кладут на бок, отвинчивают и снимают нижний сальник; выпрессовывают нижнюю втулку корпуса. Следующей операцией будет демонтаж подшипников со ствола вертлюга.

      Для снятия нижнего радиального и  упорного подшипников, а также основной опоры необходимо ослабить контргайку и отвинтить установочную гайку. Снятие верхнего радиального подшипника не представляет труда.

      Изношенные  роликоподшипники заменяют новыми. Перед  их напрессовкой необходимо проверить  диаметры посадочных отверстий в расточках корпуса вертлюга и крышки, а также диаметры посадочных шеек на стволе вертлюга. Замеренные диаметры должны соответствовать размерам, указанным в чертежах. Перед посадкой на ствол подшипники нагревают в масляной ванне до температуры 80—90° С. При смене основного упорного подшипника с коническими роликами и шарового подшипника необходимо проверить опорные поверхности на грибовидном фланце ствола вертлюга и плите основной опоры. Неровности и задиры должны быть зашабрены. Торцовая вибрация опорной поверхности ствола относительно посадочной поверхности под конусную шайбу основной опоры должна быть не более 0,05 мм. Конусные ролики комплектуются по размерам. 
 

      3. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ ДЛЯ СДАЧИ ОБОРУДОВАНИЯ В РЕМОНТ 

      К подготовительным работам относится слив масла, топлива и жидкостей из рабочих полостей, а также предварительная очистка, осмотр и мойка оборудования. Неокрашенные поверхности должны быть покрыты консервирующей смазкой.

      В масляных ваннах некоторых машин  находится значительное количество масла, чтобы сохранить его для повторного использования после регенерации, а также чтобы избежать загрязнения рабочих площадок, масло надо сливать на специальной площадке, имеющей емкости для раздельного сбора.

      Необходимость предварительной очистки оборудования перед отправкой в ремонт обусловливается условиями его эксплуатации. Большинство оборудования для бурения скважин и нефтегазодобычи работает под открытым небом. Кроме того, это оборудование покрыто довольно толстым слоем песка, бурового раствора и нефти. Предварительная очистка выполняется металлическими щетками, ручными или приводными скребками.

      После предварительной очистки проводится внешний осмотр оборудования с целью  обнаружения трещин, пробоин, изломов  и Других дефектов, При необходимости производят мойку оборудования.

      Оборудование  или  отдельные  агрегаты,  отправляемые в ремонт, должны быть полностью  укомплектованы. Запрещается подмена  пригодных для дальнейшей эксплуатации деталей изношенными или снятыми  с другого оборудования. К оборудованию, направляемому в ремонт, должны быть приложены:

1) заводской паспорт, содержащий данные по эксплуатации и ремонту, с указанием вида ремонта, времени его выполнения и краткого содержания, а также сведения о деталях и сборочных единицах, заменяемых в процессе эксплуатации и ремонта, и данные об отработанном времени и объеме выполненных работ;

2) акт  о техническом состоянии оборудования, а в случае аварийного выхода из строя дополнительно акт об аварии.

      По  результатам приемки оборудования в ремонт составляется приемо-сдаточный акт. 
 

    4  ТЕХНОЛОГИЯ РАЗРАБОТКИ И КОНТРОЛЬ ДЕТАЛЕЙ  

    При текущем ремонте вертлюгов выполняют  следующие работы. Частично разбирают  вертлюг, заменяют поврежденные неосновные детали (отвод, нажимные гайки сальников, крепежные детали и др.), заменяют внутреннюю трубу, ремонтируют переводник, проверяют резьбовые соединения, заменяют смазку.

      При капитальном ремонте производят  полную разборку вертлюга. Перед  разборкой из вертлюга вывинчивают  нижнюю прокладку и сливают  масло. 

    Вертлюг разбирают в следующей последовательности. Снимают корпус нижнего масляного  сальника; вывинчивают из корпуса  вертлюга четыре пробки и корончатые гайки; устанавливают вертлюг в специальное приспособление; вывинчивают зажимную гайку сальника внутренней трубы и вынимают внутреннюю трубу, сальники и пружину. Далее отвинчивают корпус верхнего масленого сальника, снимают крышку вертлюга, затем с помощью специального колпачка, ввинчиваемого в верхний конец ствола. Вынимают подъемным краном ствол из корпуса. После этого приступают к разборке ствола; отвинчивают стопор и установочную гайку основного опорного подшипника; снимают внутреннюю обойму направляющего подшипника, вспомогательный упорный шариковый подшипник, детали основной опоры; в последнюю очередь снимают внутреннюю обойму верхнего центрирующего подшипника. Затем выпресовывают нижнюю втулку корпуса вертлюга и втулки из крышки. Вынимают сальниковые уплотнения из нижнего и верхнего масляных сальников.

    После разборки вертлюга все его детали промывают, контролируют в соответствии с техническими условиями на разбраковку  деталей при ремонте вертлюга и составляют дефектовочную ведомость.

    При ремонте ствола производят восстановление смятой или забитой конической резьбы, ремонт внутренней резьбы под нажимную гайку манжетного сальника, а также  поверхности ствола в месте резьбы верхнего и нижнего масляных сальников. Коническую резьбу ствола восстанавливают подрезкой торца ствола и нарезанием новой резьбы.

    При ремонте внутреннюю трубу желательно заменить новой. При незначительном износе поверхность внутренней трубы  восстанавливают наплавкой изношенной части с последующей обработкой поверхности. Ствол, штроп и пальцы проходят ультразвуковую дефектоскопию. Эти детали не должны иметь дефектов, снижающих их прочность. На поверхности штропа в плоскости опасного сечения допускается углубление от износа до 3 мм на ширине 10 мм. Заваривание изношенной поверхности не допускается.

    Изношенные  роликоподшипники заменяют новыми. Перед  их напресовкой необходимо проверить  диаметры посадочных отверстий в  расточках корпуса вертлюга и  крышки, а также диаметры посадочных шеек на стволе вертлюга. Фактические значения диаметров должны соответствовать размерам, указанным на чертежах. Перед посадкой на ствол подшипники нагревают в масленой ванне до температуры 80-90°С. При замене основного упорного подшипника с коническими роликами и шарового подшипника необходимо проверить опорные поверхности на грибовидном фланце ствола вертлюга и плите основной опоры. Неровности и задиры должны быть зашабрены. Торцевое биение опорной поверхности ствола относительно посадной поверхности под конусную шайбу основной опоры должно быть не более 0,05 мм. Конусные ролики комплектуются по размерам. Гнезда сепаратора основной опоры зачищаются от заусенцев. Торцовое биение опорной поверхности собранной основной опоры не должно превышать 0,05 мм. Верхнюю конусную шайбу опоры перед посадкой на ствол нагревают, в масле до  80-90°С. Нижнюю втулку корпуса запрессовывают на место и пришабривают по стволу. 
 
 
 
 

   5. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО СПОСОБА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ 

   Выбор способа восстановления поверхностей деталей определяется:

а) характером дефекта;

б) материалом детали;

в) особенностями ее конструкции и технологии изготовления;

г) условиями  работы.

      На  выбор способа восстановления существенное влияние оказывают технико-экономические  показатели, которые определяются:

а) производительностью процесса ремонта детали;

б) стоимостью применяемых материалов и оборудования;

в) серийностью  ремонтного производства, степенью повышения долговечности детали в результате ремонта;