3. Конструкция вертлюга

Типовая конструкция вертлюга состоит из деталей трех групп: 1-невращающихся, подвешенных с помощью штропа к буровому крюку; 2 - вращающихся, связанных с колонной бурильных труб посредством ведущей трубы; 3 - промежуточных.

К группе невращающихся относятся: корпус 8, крышка 4, штроп 1, напорная труба 3, отвод для присоединения бурового рукава 2; к группе вращающихся - ствол 13 и переводник 14. К наиболее

ответственным и наименее надежным относятся промежуточные детали

- подшипники 7,9,10,11 я уплотнительные устройства 5,6,12.

Рисунок 1 - Конструктивные схемы вертлюгов.

Конструктивно вертлюги различаются количеством, типом и расположением опор ствола. Опоры фиксируют положение ствола в корпусе и обеспечивают его устойчивость, препятствуя вертикальным и радикальным смещениям. Одна из опор выдерживает силу тяжести, создаваемую массой бурильной колонны, и является главной, другая, вспомогательная опора воспринимает толчки и удары снизу, создаваемые при работе долота и передаваемые колонной труб, а также вес невращающихся деталей самого вертлюга. Для восприятия радиальных нагрузок, возникающих вследствие кривизны ведущей трубы, недостаточного центрирования штропа, неправильной сборки вертлюга, служат радиальные (или центрирующие) подшипники. В за­висимости от грузоподъемности и конструктивного оформления в вертлюгах применяется от 2-х до 4-х опор. Важное значение имеет взаимное расположение опор, от чего во многом зависит долговечность самих опор и стойкость сальниковых устройств.

На рисунок 1 показаны различные конструктивные варианты вертлюгов, отличающиеся, главным образом, опорами. Расположение центрирующих подшипников по одну сторону от основной опоры (схе­ма "а"; не создает устойчивой базы для работы ствола под нагрузкой, а следовательно, является не лучшим вариантом исполнения. На схеме "б" показана конструкция, в которой радиальные подшипники располо­жены по обе стороны основной опоры, что обеспечивает более благо­приятные условия работы, как главной опоры, так и уплотнений ство­ла. Такая схема более удачна также потому, что значительно увеличивает базу, между радиальными подшипниками. Особенность следующей конструкции (схема "в") заключается не только в том, что в ней применен сдвоенный основной подшипник, но и в том, что в ка­честве нижней радиальной опоры здесь использован подшипник сколь­жения 15. Очевидно, что при этом увеличивается радиальная жест­кость положения ствола, но ценой существенного возрастания соп­ротивления его вращению. При такой схеме упрощается конструкция за счет расположения нижнего сальника непосредственно в корпусе вертлюга и исключения нижней крышки.

Наилучшими с точки зрения центрирования ствола следует признать схемы, в которых радиальные подшипники охватывают и основную, а вспомогательную опоры. В этом случае база может быть максимально увеличена. Расположение вспомогательной опоры может выполняться над основной (схема "г") или под ней (схема "д). В кон­струкциях небольшой грузоподъемности число опор иногда сокращают до двух за счет совмещения функций опор и применения радиально-упорных подшипников. Возможна также трехопорная схема, при кото­рой совмещаются один из радиальных и вспомогательный осевой подшипники.

Выбор типа подшипников качения производится на основе известных свойств подшипников и длительного опыта эксплуатации вертлюгов. При этом учитываются требуемая несущая способность, частота вращения, необходимость частичного восприятия радиальных нагрузок, склонность или устойчивость подшипников к заклиниваниям тел качения и др. Для основных опор применяются упорные и упорно-радиальные роликоподшипники с цилиндрическими или коническими роликами (преимущественно последние) и очень редко - одно- и двухрядные шарикоподшипники (при малой грузоподъемности вертлюгов). В качестве вспомогательной опоры, не рассчитанной на большие нагрузки, обычно применяют упорные шариковые подшипники. Наилучшее центри­рование получается, если в качестве радиальных используются ро­ликоподшипники с длинными цилиндрическими роликами. Известны попытки применения в качестве центрирующих игольчатых подшипников и подшипников скольжения.

Обычная конструкция вертлюга включает три группы сальниковых уплотнений: .1 - напорный сальник, расположенный между невращаю-щейся напорной трубой и вращающимся стволом вертлюга, предохраня­ющий от вытекания проходящий под высоким давлением поток промывочной жидкости; 2 - верхний масляный сальник, устанавливаемый между стволом и крышкой, предотвращающий проникновение бурового раствора во внутреннюю полость - вертлюга, а также вытекание масла при транспортировании конструкции; 3 - нижний масляный сальник, устанавливаемый между стволом и нижней крышкой, уплотняющий внутреннюю полость корпуса против вытекания масла.

В вертлюгах применяются устройства, в которых уплотнение достигается при помощи самоуплотняющихся манжет, колец, набивок, непрерывно поджимаемых к уплотняемым поверхностям. Прижатие обеспечивается за счет упругости самого материала и конфигурация детали, применения пружин или давления внутренней среда.

В наиболее тяжелых условиях находится напорный сальник, который работает при больших давлениях прокачиваемой жидкости в сочетании с различной частотой вращения ствола в непосредственном контакте с нагретым промывочным раствором, содержащим частицы шлама и утяжелителя. Поэтому износ уплотнительных и других элементов ствола носит, в основном, абразивный характер, а срок службы уплотнений низок. Непрерывный рост давления и плотности промывочных жидкостей сокращают долговечность уплотнений. Частый отказ уплотнительных устройств привел к идее выделения их, а отдельный узел, который можно было бы легко заменять непосредственно на буровой установке без снятия отвода и каких-либо капитальных опе­раций. На рисунке 2 показана конструкция быстросъемного уплотнения, которое обеспечивает подачу жидкости под давлением до 25 МПа от неподвижного отвода в канал вращающегося ствола 10. Уплотнение состоит из неукрепленной (плавающей) напорной трубы 5 с двумя манжетами в верхней части и несколькими в нижней. Верхние манжеты обеспечивают торцевое 2 и радиальное 3 уплотнение. Затяжка этих манжет создается нажимной гайкой 4. Нижняя часть соединения, выполненная в виде вращающегося со стволом корпуса, уплотняется торцевой манжетой 8 и четырьмя радиальными самоуплотняющимися манжетами 7, помещенными в стакан 6 и затянутыми нижней нажимной гайкой 9. Короткая напорная труба легко заменяется при необходимости.

Манжеты изготовляются из маслостойких и теплостойких материалов - резиноасбестовых композиций, полиуретана и др. Практика эксплуатации показывает, что излишнее число манжет снижает надежность уплотнения, так как ухудшает теплоотвод соединения и увеличивает износ трущихся поверхностей.

Рис. 2 - Быстросъемнoe уплотнение.

Проточная часть вертлюга создается отводом, напорной трубой стволом. Промывочная жидкость движется по каналам со скоростью 5-6 м/с. Во избежание повышенного абразивного износа и лишних гидравлических потерь отводу, с помощью которого вертлюг присоединяется к циркуляционной системе, придают обтекаемую форму и применяют для его изготовления легированные стали 35ХНЛ или 30XMЛ. С этой же целью увеличивают диаметр отвода по сравнению с диаметром сопряженных участков, радиус кривизны детали, применяют разъемную конструкцию для оперативной замены отвода без отсоединения напорного рукава. Особое место среди деталей, образующих канал промывочной жидкости в вертлюге, занимает сменный напорный патрубок. Величина наружного диаметра патрубка определяет режим работы сальника высокого давления (усилия, линейная скорость на поверхности трения) и влияет на его долговечность, наряду с такими факто­рами, как качество и твердость рабочей поверхности патрубка, ее стойкость к действию химических реагентов. Дли изготовления патрубков применяют низкоуглеродистые стали I2XH2A, 20ХНЗА и другие с цементацией на глубину 1,5-3 мм до твердости НЕС 58-62 или среднеуглеродистые стали 40Х, 40ХС с закалкой ТВЧ. Поверхность патрубков хро­мируют или азотируют.

Одна из наиболее нагруженных и сложных по конфигурации деталей - ствол - изготовляется из легированных сталей 40Х, 40ХН, 38ХГН, 38ХВА и других с закалкой и отпуском до твердости НВ 280-320. Для предохранения дорогостоящего ствола от повышенного износа при операциях свинчивания-развинчивания с ведущей трубой на нижний конец ствола навинчивается переводник 14 (рис.2.2.1), а иногда даже два. Размер переводника не должен превышать диаметр ствола для возможности разборки вертлюга (демонтажа ствола через корпус вверх). Ствол снабжается внутренней левой замковой резьбой по ГОСТ 5286-75. Применение быстросъемной конструкции напорного сальника позволяет уменьшить длину ствола и упростить его конструкцию.

Корпус вертлюга сложной конфигурации, поэтому изготовляется литьем из сталей 35Л или 36Л. Конфигурация корпуса должна обеспечивать возможность установки подшипников и хорошего доступа к ним смазки. Внутренняя полость корпуса заполняется жидким маслом, объем которого должен быть достаточным на только для смазки подшипников, но и для отвода тепла. Анализ серийных конструкций позволил вывести следующую эмпирическую связь объема масляной ванны с грузоподъемностью вертлюга: V ≈ 0,002 Q_мах , где V - в л , Q _мах - в МН.

Для смазки подшипников, расположенных в верхней части корпуса, куда подача масла затруднена, может применяться мастная консистентная смазка.

Корпус вертлюга должен иметь минимально возможные поперечные размеры и обтекаемую форму, позволяющую ему свободно перемещаться внутри вышки, не задевая выступающие элементы металлоконструкции. От выполнения корпуса во многом зависит расположение центра тяжести вертлюга, который должен быть возможно ниже для устойчивости подвески вертлюга.

Сложную конструкцию имеет штроп, с помощью которого вертлюг подвешивается на основной рог крюка. Штроп изготовляется ковкой и имеет круглое сечение при малой грузоподъемности и более сложную конфигурацию для установок значительной грузоподъемности. Maтериал штропов - стали 40ХН, 40ХНМА, 38XFH, 30ХГСА.