双向液压减振器的失效机理及改进建议.pdf

第 4 0巷第 2期 2 O 1 2年 3月 石 油 钻 探 技 术 P ETROI EUM DRI LLl NG TECHNI QUES Vo 1 ． 4 0 No ． 2 M a r ．， 2 01 2 钻采机械 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 2 ． 0 2 ． 0 2 0 双 向液压减振器 的失效 机理及 改进建议 兰志钢 中国石油川庆钻探工程有限公 司川西钻探 分公 司， 四川成都 6 1 0 0 5 1 摘要 目前使用的双向液压减振器存在结构设计不够合理、 密封件耐磨性比较差、 密封面镀铬质量a v l q - 等缺 陷， 使其在使用过程中常常过早失效， 甚至造成井下故障。为此， 根据双向液压减振器的工作原理及主要结构， 从 外形结构参数、 密封件质量、 密封面镀铬 、 内部九头螺纹设计等方面进行 了失效机理分析。分析认为， 双向液压减 振 器失效的主要原 因均为现场使用不规 范或产品设计 缺 陷。从工 具外形尺 寸、 密封件结构 和数量 、 特殊表 面处理 工 艺、 内部螺 纹参数等 方面提 出了改进措施和相应 建议 。理论 分析表 明， 改进后 的双 向液压减振 器各 项性 能均 大 幅提 高， 同时使 用寿命 也得 以延 长。 关键词 减振 器 失效 结构设计 受力分析 中图分类号 T E 9 2 1 。。 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 2 0 2 0 1 0 4 0 5 Fa i l u r e M e c ha ni s m o f Two - W a y Hy d r a u l i c S h o c k Ab s o r b e r s a n d I mpr o v e me nt M e a s u r e s La n Zh i g a ng We s t Si c h u a n Dr i l l i n g Co mp a n y。 CNPC Ch u a n q i n g Dr i l l i n g Exp l o r a t i o n En gi n e e r i n g C o m． Lt d． ， Ch e n g du， S i c h u a n， 6 1 0 0 5 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e c u r r e n t t wo wa y h y d r a u l i c s h o c k a b s o r b e r h a s d e f e c t s s u c h a s u n r e a s o n a b l e s t r u c t u r e d e s i g n ， p o o r s e a l we a r r e s i s t a n c e ， p o o r c h r o mi u m p l a t i n g q u a l i t y o f s e a l i n g s u r f a c e e t c ． ． ， wh i c h o f t e n c a u s e p r e ma t u r e f a i l u r e s ， e v e n we l l a c c i d e n t ． Th e r e f o r e ， we h a v e c o n d u c t e d i n - d e p t h a n a l y s i s o f f a i l u r e me c h a n i s m wi t h r e s p e c t o f t h e s h a p e p a r a me t e r s ， s e a l i n g q u a l i t y ， s e a l i n g s u r f a c e c h r o me - p l a t i n g q u a l i t y ， i n t e r n a l n i n e t h r e a d d e s i g n a c c o r d i n g t o wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e s h o c k a b s o r b e r ， ma i n s t r u c t u r e d e s i g n ， a n d v a r i e t y o f f a i l u r e s i n t h e f i e l d a p p l i c a t i o n ． I t i s c o n c l u d e d t h a t a l l t h e f a i l u r e s a r e c a u s e d b y i mp r o p e r u s e o r d e f e c t s i n p r o d u c t d e s i g n ． Ac c o r d i n g t o t h e r e s u l t s o f a n a l y s i s ， i mp r o v e me n t me a s u r e s a n d c o r r e s p o n d i n g s u g g e s t i o n s h a v e b e e n p r o p o s e d i n t e r ms o f t h e t o o l d i me n s i o n s ， s e a l s t r u c t u r e a n d q u a n t i t y ， s p e c i a l s u r f a c e t r e a t me n t p r o c e s s a n d t h e i n t e r n a l t h r e a d p a r a me t e r s ． Th e o r e t i c a l a n a l y s i s s h o ws t h a t t h e p e r f o r ma n c e o f t WO wa y h y d r a u l i c s h o c k a b s o r b e r s i s g r e a t l y i mp r o v e d a n d s e r v i c e l i f e a r e p r o l o n g e d a t t h e s a me t i me ． Ke y wo r d s d a mp e r ； f a i l u r e ； s t r u c t u r a l d e s i g m f o r c e a n a l y s i s 钻井作 业 中， 钻头 破岩 的 同时伴 随着 跳钻 现 象 ， 跳钻产生 的共 振对 钻头 、 钻具破 坏力 巨大 ， 会 造成钻头损坏 、 钻具本体受损 甚至折 断_ 1 ] 。为 了 减轻振动对钻头 、 钻具及地面设备造成 的破坏 ， 钻 井作业中大量采用减振器 。但 目前 井下减振器 多 属纵向减振器 ， 对扭转振动 冲击不起减缓作 用 ， 减 振效果不佳[ 3 ] 。双 向液压减振 器具有 同时减缓 或 消除钻柱纵 向和周 向振 动 的作用 ， 能保持 正常 的 钻压和扭矩 ， 减小振 动对钻 头、 钻具及地 面设备 造 成 的破坏 ， 提高钻 速 ， 降低钻井 成本 ， 并 已在各 大 油 田开始广泛使用。但该类减振器也存 在使用寿 命较短 、 失效率较 高、 易造成井下故 障等 问题 。因 此 ， 延长减振 器使用 寿命 ， 减少钻 头 、 钻具 失效及 井下故障 ， 是 目前 急需解 决 的问题 。笔者从 双 向 液压减振器的结构原理人手 ， 分析其失效机理 ， 提 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 0 8 ； 改回 日期 2 0 1 2 0 2 0 9 。 作者简介 兰志钢 1 9 7 9 ⋯ ， 男， 四川江 油人 ， 2 0 0 1年毕 业于西 南科技大学机械 制造及 自动化 专业 ， 工程师 ， 主要从事石油井控 装备 和钻 井工具维修 管理工作 。 联系方式 0 2 8 8 8 4 5 3 8 9 】 ， 1 a n z h ig a n g 2 J J 8 l 2 6 ． C O F I I 。 第 4 O卷第 2期 兰志铜． 双向液压减振器的失效机理及改进建议 出延长使用寿命的有效措施 。 1 结构原理 钻井过程 中， 钻柱轴线一般呈变节距 的空间螺 旋弯曲曲线形状 ， 其振动形式有纵 向振动 、 扭转振动 和横向振动等 3种 。双 向液压减振器的主要作用就 是消除或减缓这些振动 的冲击 载荷 ， 从而避免或减 小 振动 所造 成 的损 害 。 双 向液压减振器主要 由心轴 、 活塞总成及 阻尼 腔的环隙阻尼机械和工作腔的液体弹簧等部分组成 见图 1 。它 的工作原理 主要是 ， 利用 工作 腔可压 缩液体在压力作用下产生弹性变形来 吸收或释放钻 头和钻柱振动 的能量 。液体弹簧在压缩或伸 张时， 心轴相对外筒作轴 向移动； 同时阻尼腔 中非压缩液 体 的液流高速流过阻尼环隙， 并产生大量摩擦热 ， 耗 散掉部分振动和冲击能量[ 。 为了消除或减缓钻柱工作时的扭转振动及冲击 载荷， 该工具设计了活塞换向机构 ， 由花键外筒通过 矩形花键副与活塞连接 ， 活塞 内孑 L 通过梯形螺旋副 与心轴连接。通过这样一组传动机构就会使扭转振 动及冲击载荷在瞬间转换为工作腔 的纵向分力 ， 从 而保持较恒定的扭矩。 纵向振动和冲击载荷通过液压活塞作用在液体 弹簧上， 液体弹簧吸收能量 ， 使钻压保持不变。扭矩 传递是通过心轴和活塞问的左旋大螺纹 九头螺纹 驱动装置， 从活塞外花键到花键外筒内花键 ， 并通过 油缸和下接头传递到钻头上 。 图 l 双 向液压减振器基本结构 Fi g ．1 St r uc t u r e o f t wo - wa y hy d r a u l i c s ho c k a bs o r b e r 1 ．心轴 ； 2 ．扶正套 简； 3 ． 锁 紧环 ； 4 ．锁紧螺母 ； 5 ．活塞 ； 6 ．花键体 ； 7 ．油缸； 8 ．冲管； 9 ．密封组件 ； 1 0 ．下接头 2 现场失效情况 根据现场使用要求 ， 双 向液压减振器的有效工 作周期应不短于 5 0 0 h E 引， 但实际应用中多数减振器 在下井工作不 到 4 0 0 h就 已经失效 。根据现 场调 研 ， 主要有以下失效情况 1 由于双 向液压减振器结构设计不够合理 ， 钻 井液携带岩屑易在死角部位形成高速涡流 ， 对该部 位产生强大的冲刷应力， 长期 工作容易产生腐蚀疲 劳断 裂 ； 2 密封件耐磨性较差 ， 易造成硅油泄漏 ， 引起 失 效 ； 3 密封面镀铬质量较差 ， 应力集中比较严重 ， 抗 腐蚀能力相对较弱且坑蚀严重 ， 存在脱皮 、 掉块现象 ； 4 对使用过的双向液 压减振器进行 检测 发现 其刚度变大 ， 内部螺旋机构 九头螺纹 螺纹易出现 拉伤 、 粘扣 、 抱死现象。 3 失 效机理分析 3 ． 1 结构形状设计不合理 很大的影响。图 2 所示为双向液压减振器心轴易被 冲刷腐蚀的部位 由于减振器 的外表面存 在较大 的 直角变径台肩 ， 而常规双 向液 压减振器没有考虑钻 井液携带岩屑易在死角部位形成高速涡流l 6 ] ， 致使 高速旋转的固体岩屑的撞击作用于具有密封要求 的 镀铬表面 ， 加速了密封表面的失效l 7 ； 含 固相颗粒 的 钻井液会对双向减振器产生强大的冲刷应力 ， 造成 冲刷腐蚀 ， 长期工作易造成疲劳断裂 。 易被冲刷腐蚀部位 图 2 减振器心轴冲刷应力腐蚀部位 Fi g ． 2 Sk e t c h of c o r r o s i o n p o s i t i o n a t s hoc k a b s or be r ma nd r e l b y e r o s i on s t r e s s 3 ． 2 密封件失效 减振器 的结构和内外表面形状对其使用 寿命有 件。 双向液压减振器采用丁腈橡胶和夹布组合密封 丁腈橡胶耐油性和密封性较好 ， 但强度较低 ， 在 石 油 钻 探 技 术 井底长期处于高温状态 ， 很容易老化变质， 失去弹性 力学性能 ， 成块状脱落 。双 向液压减振器是通过液 压活塞实现减振 ， 一旦密封失效 ， 造成硅油泄漏， 便 失去减振作用。该减振 器的外筒厚度相对 钻铤较 薄， 钻井过程中各种交变应力全部集 中在双 向减振 器外筒上 ， 极易发生断裂事故。 3 ． 3 密封 面镀 铬带 脱落 根据 电镀学原理 ， 普通镀硬铬表面具有硬 、 脆 、 多孑 L 和容易脱落等缺点[ 7 ] 。镀铬工艺对零件表面要 求 比较高， 由于零件 自身原因， 镀铬层与金属本体结 合会产生小的孑 L 隙； 密封面镀铬工艺完成后 ， 还需要 进行磨削， 使镀层变薄 ， 达到 0 ． 0 5 ～0 ． 1 5 mm， 同时 又增加了镀层的内应力 和产生微观裂纹 的概率 ， 一 旦受到外力和外界因素作用就会 发生腐蚀剥落 ， 并 且剥落呈片状和块状迅速扩大 。 钻井液一般具有较强 的腐蚀性 ， 干结后附着在 镀铬面上产生腐蚀 ， 造成镀铬面掉块。腐蚀试验证 明， 钻井液对镀铬面 的腐蚀影 响非常大。镀铬面还 有一种损坏形式是人为损坏 ， 减振器在吊装 、 上卸扣 过程中， 碰撞或直接用大钳和卡瓦卡在镀铬面上 ， 会 对镀层直接造成损坏。液压减振器对密封要求非常 高， 若密封面镀铬层产生腐蚀剥落、 点状坑蚀 ， 密封 表面不仅无法实现密封， 而且会损坏密封件 。 3 ． 4 九头螺纹损坏 双向液压减振器 中， 活塞 的九头内螺纹与外螺 纹相 同， 受力相反 ， 内外螺纹相互作用 。因此 ， 只对 外螺纹进行受力分析 ， 分双 向液压减振器受纵 向冲 击载荷和周 向扭矩 冲击载荷 2种情况 进行受力分 解 ， 如图 3所示 。双向液压减振器受纵 向冲击载荷 作用的情况下， 其受力分解如图 4 所示 。 图 3 双 向液压减振器受力分析 Fi g ．3 Fo r c e a na l y s i s o f two - wa y s h o c k ab s o r b e r 图 4 纵 向载荷受力分析 Fi g． 4 St r e s s a na l y s i s f o r l o ng i t u d i na l l oa d 由图 4可知 ， 双 向液压减振器所受纵向冲击载 荷的正 向分力可表示为 F 3一 c o s a s i n fl 1 式 中 为纵向载荷正 向分力 ， k N； Fa 为减振器承 受的纵向载荷 ， k N； a为螺纹升角 ，o ； 卢为螺纹牙形 角 ，o 。 当双向液压减振器受周向扭矩冲击载荷作用的 情况下 ， 其受力分解如图 5 所示。 图 5 周 向载 荷受力分 析 Fi g ． 5 S t r e s s an alys i s f o r r o t a t i o na l l o a d 第 4 O巷第 2期 兰志铜． Y , K 向液压减振器的失效机理及改进建议 由图 5可知 ， 双 向液压减振器所受周 向扭矩横 向载荷的正向分力可表示为 F7一 Ft, s i n a c o 2 式 中 F 为横 向载荷正 向分力 ， k N； F 为 由扭矩 M 产生的螺纹横向载荷 ， k N。 螺纹滑动摩擦力的大小与接触面的正压力呈正 比 ， 即 厂一 3 则有 N F 。 ， 厂 一 N， 从而有 -厂 一 。 4 同理 ， 』 ＼ ， 一 F ， f z 一 N， 从而有 一 5 由于减振器工作时其纵 向载荷和扭矩载荷是同 时作用 的， 因此 -厂一 f l f z 6 式 中 厂为复合滑动摩擦力 ， k N； 为螺纹滑动摩擦 系数 ； N为正压力 ， k N； f l 为纵向载荷正向分力产生 的滑动摩擦力 ， k N； f 2 为横 向载荷正 向分力产生 的 滑动摩擦力 ， k N。 对从龙岗 0 0 1 2 6 井 和龙 岗 8 2井 回收 的双 向 液压减振器进行检测发现 ， 刚度很大 ， 弹性消失 ， 拆 卸后发现九头螺纹磨损严重。分析认为 ， 九头螺纹 表面粗糙度和摩擦系数增大 ， 造成九头螺纹无法正 常旋转 ， 周向减振效果下降甚至消失 ， 从而导致双向 液压减振器失效 。拆卸 时还发现 ， 减振器 内部九头 螺纹表面粘附着较多较大的积屑瘤。积屑瘤 比减振 器本体材料的硬度大， 夹在螺纹之 间易造成螺纹拉 伤。分析产生积屑瘤 的主要原 因是 ， 螺纹牙顶没有 倒角 ， 造成应力集 中， 特别是遭遇过大扭矩后 ， 螺纹 的牙顶与被切螺纹 的牙底之间发生根切现象 ， 从 而 生成积屑瘤。 4 双 向液压减振器改进建议 4 ． 1 外形 尺寸 改进 在双 向液压减振器外径尺寸变化较大的部位 ， 将其设计成流线形结构 ， 加大倒 角和圆弧尺寸 。这 种设计可以避免钻井液和高速气体在变径部位形成 涡流， 减少钻井液对该部位的冲刷 ， 从而减小 高速固 体岩屑颗粒对双 向液压减振器 的破坏 。 4 ． 2调整密封件结构和数量 1 扶正套筒密封槽与密封圈间隙过大， 易造成 密封圈窜动 ， 密封效果 降低 ， 并加速密封圈的磨损 。 可调整扶正套内密封圈的数量和结构组合 ， 使密封 圈与密封表面不产生相对运动 ， 降低钻井液进入密 封圈的概率。 2 现场试验分 析表 明， 尼龙 、 夹布密封圈的耐 磨性强于橡胶密封圈， 可考虑适当增加尼龙、 夹布密 封圈 ， 减少 橡 胶密 封 圈， 以提 高 扶正 套筒 的密封 效果 。 3 在扶正套筒与心轴镀铬 面接触部位， 增加刮 泥环 ， 以保护和延长防尘圈的使用寿命 ， 防止钻井液 进入双向液压减振器 内， 保护密封件 。在密封圈之 问增加一定数量的耐磨环 ， 耐磨环的内径与密封面 设计为紧配合 ， 可以对密封圈起到支撑作用 ， 提高密 封圈的耐磨性 ， 延长其使用寿命。 4 ． 3 密封面喷镀钨合金处理 1 液压双 向减振器对密封依赖性强 ， 密封带和 密封圈受到损坏， 会造成减振器失效。根据实际情 况调查 ， 轴镀铬面撞 伤、 碰伤现象 比较突出， 但这都 是操作不当造成的 ， 因此 ， 应使现场操作人员掌握正 确 的使用方法和保养手段 ， 减少人为损坏。 2 电镀硬铬单边厚度为 1 5 0 ， 硬度大于 8 0 0 HV。但由于镀铬层的深镀能力不好 ， 一般高区厚度 有 1 5 0 m， 低区厚度只有 5 0 m。在高速钻井液 的 冲击下， 耐磨性受到影 响。另外 ， 镀铬层裂纹较多， 对基材保护性不好， 在饱 和盐水钻井液中会很快出 现镀层脱落现象。 钨合金电镀工艺具有极佳的深镀能力和均镀能 力 。采用钨合金电镀工艺进行电镀 ， 镀层厚薄均匀 ， 高区厚度为 1 2 0 m， 低 区大于 1 0 0 m。在 4 0 0℃ 温度下热处理 1 h ， 镀层硬度大于 8 0 0 HV， 满足了 产品的性 能要 求。钨合金镀层 的耐磨性和耐蚀性 高 ， 使工件使用寿命远远大于镀铬处理的工件 。 4 ． 4 优化内部九头螺纹参数 九头螺纹参数不合理及设计缺陷会造成其过早 磨损 。根据受力分析， 由式 4 ～ 6 得 f一 F a c o s i n p Fb s i n a c o 7 由式 7 可知 如果增大螺距 ， 即 0 t 角增大 ， 纵向 载荷的摩擦力会减小 ， 但周向载荷的摩擦力会增大 ； 如果减小螺纹牙形角， 即 角减小 ， 纵向载荷 的摩擦 力会减小 ， 但周 向载荷的摩擦力会增大。因此 ， 不能 单纯增大或减小螺纹升角及牙形角 ， 还应考虑减振 器受纵向载荷与周 向载荷 的次数 和大小等多种 因 石 油 钻 探 技 术 素 ， 优化螺纹升角及牙形角。 钻柱本身就是一个很好的扭振缓冲装置， 一般达 到 5 0 0 m 以上， 缓冲抗扭的效果就已经超过了双 向减 振器 ； 并且钻柱越长， 钻柱的柔性越好 ， 缓冲扭振的效 果越好嘲。近几年钻杆损坏的统计表明， 钻杆扭断的 概率很小 ， 所以应以考虑纵 向减震为主， 将螺纹升角 和牙形角调整到一个最佳位置。 为了减小螺纹之间的摩擦系数， 对九头螺纹进行 电镀钨合金， 以提高螺纹表面精度 ， 从而减小螺纹摩 擦力 ； 同时， 对螺纹表面进行渗碳 渗氮 淬火处理， 提高螺纹硬度 ， 降低螺纹拉伤的概率。 螺纹受压力 、 拉力时产生滑移 ， 接触面容易发生 挤压硬化 ， 形成积屑瘤 。通过 以下措施对螺纹牙型 结构进行优化 1 减小九头螺纹的配合长度 螺纹 总长减小 ， 即减小了螺纹接触斜面 ， 减小了螺纹滑 动摩擦力 ； 2 螺纹牙型高度适 当降低 ， 以预 防牙顶 变形 ； 3 增加九头螺纹牙底和牙顶的圆弧倒角 。改 进后的螺纹外形如图 6 所示。 通过上述处理 ， 将螺纹牙型优化为图 6所示结 构后 ， 可以减小螺纹的摩擦系数 ， 减小螺纹副的摩擦 力， 从而降低螺纹的摩擦， 减缓拉伤， 避免九头螺纹 出现抱死现象。 倒 图 6 优化后的螺纹牙型结构 Fi g ．6 Opt i mi z e d t hr e a d t y pe s t r uc t ur e 5 结束语 在钻具组合 中使用双向液压减振器 ， 能够减缓 或消除钻柱纵 向和周 向振动 ， 保持正常的钻压和扭 矩 ， 有效防止钻具机械断裂 ， 减少钻井中井下故障的 发生 。但对双 向液压减振器在现场应用 中的失效情 况调研发现 ， 其存在结构设计不合理 、 密封件耐磨性 较差 、 密封面镀铬质量较差等缺陷与问题 ， 通过深入 分析失效机理 ， 并经有针对性的技术改进以后 ， 各种 问题均可 以得到解决 ， 其性能也会有大幅提高 ， 使用 寿命会有较大延长。 参考文献 Re f e r e nc e s [ 1 ] 范春英 ， 张 国田， 郭 建庄 ， 等． 液 压机 械式 钻柱 减振 器 的研 制 l_ J ] ． 石油机械 ， 2 0 0 9 ， 3 7 9 6 8 7 O ， 7 3 ． Fa n Ch un y i n g， Z h a n g Gu ot i a n， Gu o J i a n z h u a n g， e t a 1 ． De v e l op me n t o f t h e h y d r a u l i c me c h a n i c a l d r i l l s t r i n g d a mp e r [ J ] ． C h i n a Pe t r o l e u m Ma c hi n e r y， 2 0 0 9， 3 7 9 6 8 7 0， 7 3 ． [ 2 ] 刘伟 ， 周英操 ， 王先 国． 井下振动控制技术研究口] ． 石油钻探技 术 ， 2 0 1 0， 3 8 6 4 2 4 7 ． I i u W e i ， Z h o u Yi n g c a o， W a n g Xi a ng u o ． S t u d y o n d o wn h o l e v i b r a t i o n c o n t r o l t e c h n o l o g y [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g Te c h n i q u e s ， 2 0 1 0， 3 8 6 4 2 4 7 ． [ 3 ] 王珊 ， 贾仲宣 ， 周英操． 双作用钻具减振器的工作原 理及工作受 力分析E J ] ． 石油机械 ， 1 9 9 3 ， 2 1 1 2 3 0 3 3 ， 4 3 ． W a n 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