孟 萌,鞠家奎,郝桂英,陳麗琴,華丹丹,張江河

(南陽二機石油裝備(集團)有限公司,河南 南陽473006)

JC50B型絞車的密封結構分析及改進方法

孟 萌,鞠家奎,郝桂英,陳麗琴,華丹丹,張江河

(南陽二機石油裝備(集團)有限公司,河南 南陽473006)

石油鉆機絞車的密封容易失效而漏油。介紹了絞車主要的密封部位,分析了舊密封結構存在的問題。以JC50B型絞車為例,提出后蓋觀察窗、輸入軸兩端、鏈條罩等密封結構的改進方法,解決了漏油問題。對提升絞車的制造水平、簡化結構、降低維護成本,保護環(huán)境具有重要意義。

絞車;密封;結構

石油鉆機絞車容易漏油,經(jīng)過生產(chǎn)企業(yè)多年的技術改進,基本解決問題,但不能完全避免。密封質量的好壞直接影響產(chǎn)品性能,漏油既不符合HSE、耗費成本,還影響生產(chǎn),并影響生產(chǎn)企業(yè)的品牌形象和市場。絞車的密封點多、形式多樣、結構復雜。多軸絞車更是集結了多種典型密封形式。國產(chǎn)的絞車的生產(chǎn)廠家多,采用的密封結構各有特點,漏油程度不同。為提升絞車的質量,共同研討解決的辦法,推進石油鉆修井設備的進步,筆者以南陽二機石油裝備(集團)有限公司(以下簡稱南陽二機集團)生產(chǎn)的JC50B型絞車為例,介紹了典型密封結構,并分析了密封原理及效果。

JC50B型絞車是為ZJ50L型鉆機設計的。結構特點:三軸、內變速、墻板式、全密閉、鏈條傳動、6正2倒擋、帶爬臺箱和應急裝置。鏈條、后兩軸的軸承、齒輪、爬臺箱等為機油強制潤滑,其余為脂潤滑。該絞車的漏油點比較多,主要分布在3根軸與機架處、機架主體和鏈條護罩處。本文從密封結構、材料、制造工藝等方面進行分析。

1 后蓋板觀察窗

后蓋板尺寸為2 260 mm×1 310 mm,其上布置有2個觀察窗,與油腔的鏈條正對。后蓋板垂直安裝,與機架間用耐油橡膠墊或硅橡膠平面密封劑密封,用螺栓壓緊。在后蓋板最下邊內側焊1個擋油角鋼,起防止漏油作用。

1.1 漏油原因

后蓋板上的觀察窗是旋轉件,采用泡沫膠條密封,依靠2個壓緊裝置壓緊,易漏油。原因是:

1) 觀察窗是以泡沫膠條為填料進行密封,壓緊后活門與機架有角度,油就會進入密封體。

2) 泡沫膠條在高油溫蒸汽下使用一段時間會粉化而失效。

3) 壓緊裝置的卡板易彎曲,活門經(jīng)開關多次后壓不嚴實。

4) 觀察窗是鉚焊件,制造精度不高,存在間隙。

寶雞石油機械有限公司為河南油田生產(chǎn)的JC40B9型絞車采用這種結構密封,出現(xiàn)漏油。蘭州蘭石國民油井石油工程有限公司的JC50絞車將觀察窗置于絞車頂部,無填料,這種結構能避免漏油,但置頂結構有局限性。

1.2 改進措施

要密封可靠,就減少油到密封位置的機會。改進的觀察窗采用二次密封,如圖1。蓋板嵌入主體板用螺栓與螺母板連接,壓緊裝置用1個大小合適的星型手輪,省力且能壓緊外活門而不變形。觀察窗采用雙層結構,內側封板全封閉,最低點距窗口下沿較遠并開回油孔,內活門靠搭扣連接。搭扣旋轉靈活,可隨時開啟觀察。外活門帶密封槽,槽內安裝有泡沫膠條。改進后觀察窗滴油不漏。南陽二機集團為中石化西南石油局生產(chǎn)的JC50D型絞車的內活門為透明耐高溫有機玻璃,方便觀察。

圖1 觀察窗

2 輸入軸兩端

1) 右端 為主動力輸入端,轉速約為500 r/min。主動力端軸承采用機油強制潤滑,通常僅是軸承蓋上裝1個唇形油封,即便是進口油封,實際上都有微量滲透。對于機油密封,較好方案是在油封前增加1道機械密封。甩油盤后設計密封槽結構,簡單有效,前提是軸向尺寸必須滿足要求。密封槽數(shù)通常設為3個,如果尺寸太緊,可以省去1個密封槽,密封效果也好。另外,軸承蓋與軸套的間隙控制在直徑1～2 mm。回油必須流暢,不能形成內腔壓力。如果1個通道回油不暢,可在合適位置設2個以上回油通道。

2) 左端 接應急電機離合器,是長懸臂軸。懸臂軸與機架的密封多采用純機械密封,如圖2。右側為油腔,甩油盤之前的擋油板擋去了甩來的大部分油。甩油盤上設計有導油槽,少量的油經(jīng)過甩油盤后,到達密封槽,此時油量少,壓力小,途經(jīng)回油槽后從回油孔回油。軸總長3 800 mm,懸臂長800 mm,端部安裝齒式離合器,制造和裝配誤差將會集中在此軸段,軸的實際跳動量會比理論的要大。此時誤差由密封槽與軸套的間隙來補償,間隙為直徑1～2 mm。也可對整個結構設1個大擋油罩,效果會很好,但安裝不便。通常,機械密封的思路是擋油、密封、回油,其中擋油至少有2次,因一旦發(fā)生漏油情況,會嚴重且難解決。

圖2 輸入軸左端密封結構

3 爬臺箱鏈條護罩

1) 影響爬臺箱鏈條護罩密封的因素 結構設計,鉚焊的精度(包括板材質量、焊接工藝、對接精度、預裝工藝等),護罩在轉運時的保護。在大組裝時,因中心距的調整,密封槽壓緊后,護罩制造時的預組裝間隙與實際裝配存在差異。密封元件的合理安裝,人為因素等都有可能導致漏油。

2) 改進措施 板厚是決定整個護罩的剛性和強度,至少為5 mm。密封槽盡量不用鋼板卷制,因為卷制密封槽形狀不一且易變形,最好采用厚鋼板機加工成型。頂部箱蓋環(huán)形密封槽的截面由U型改為Y型,便于準確定位。機加工的密封槽能保證壁厚、剛度和焊接定位精度。護罩前傾端的上蓋合箱面應外端向上傾斜,方便鏈條甩在上面的油能順著箱壁回流。護罩與機架的密封主要靠密封槽,槽里的密封元件過去多用泡沫膠條,存在壓不實及粉化失效問題,密封效果較差?，F(xiàn)在多用硅橡膠密封劑代替。另外,上箱蓋壓緊裝置剛度要好,密封槽對接時角落整齊且焊縫規(guī)范。

3) 硅橡膠密封劑 呈黑色、中等黏度、高伸長、固化速度快,特別適用在振動沖擊工況下的變形和相對位移大的密封。在絞車爬臺箱鏈條護罩上普遍使用硅橡膠密封劑。使用需要經(jīng)驗,在密封槽內擠上適量硅橡膠后,略微固化,密封劑不但能填實整個槽,還因固化后的硬性和彈性起到很好效果。平面密封時涂成“田”字格,形如多個O型圈,略微固化后壓緊即可。固化時間依據(jù)氣溫而定,通常約30 min,簡單判斷固化的方法是用手指輕壓,密封劑不沾手,感覺有彈性即可。在法蘭盤式密封時,最好涂在螺栓孔外側。若要控制擠出的粗細,游走速度加快即可。硅橡膠密封劑能解決絞車大部分鉚焊件密封,效果極佳。存在的缺陷,一旦拆卸后不能重復使用,且需將原涂抹的刮干凈后才能再涂抹。

4 滾筒軸低速鏈條護罩

滾筒軸低速鏈條護罩如圖3。護罩與接板的密封周邊全是密封槽。在U型密封槽改為加工件后,主要控制的地方是護罩最下端機架兩墻板間的封板處。封板的高度和傾角一定要大,才能使鏈條護罩上的機油順利流回油腔。接板與墻板是壓板式,表面不平齊。封板的角口處是3個面的結合處,必須在角口處整齊均勻,焊縫平整,封板和接板的交叉截面必須平齊才能保證角口處不漏油。封板處的密封可設計成雙密封槽結構,一個與護罩焊接,一個與封板焊接。再在護罩上增加舌板,直接擋住迷宮槽。護罩為鉚焊件,要保證制造精度。結合面交叉的角度不是標準角度,接板是下料件,與機架墻板對接時截面要進行修整,使角度發(fā)生變化。鏈條護罩側板的角度已經(jīng)形成,與側板的角度會不一致。所以,在焊接密封槽時,要保證槽間隙均勻,在機架配護罩時就要精確配焊密封槽,兩密封槽對接處一定要整齊,尤其是焊縫。裝配時,縫隙可用硅橡膠密封劑填充。

圖3 滾筒軸低速鏈條護罩密封結構

5 滾筒軸迷宮

滾筒軸副墻板處的迷宮是一種復雜的密封結構,如圖4,右側為油腔。此處一旦漏油,會甩到摩擦轂工作表面,使離合器打滑造成嚴重鉆井事故。

圖4 滾筒軸迷宮

滾筒軸副墻板開口是敞口型,分M、N端。裝配軸時,接板和貼板拆下來后M、N板會不共面,密封盒貼緊側板焊時,就存在密封盒與側板不垂直。要保證斜甩油盤在旋轉時與密封盒不發(fā)生硬摩擦,需加大間隙,油就從B處進入而漏油。由于組裝時軸與軸之間要調整,空套輪轂會左右偏移,密封盒與擋油盤的間隙E就不均,卸油槽Z就會被密封盒罩住一部分,不能起到很好的卸油作用。如果保證擋油盤與密封盒的間隙,密封盒與側板就會產(chǎn)生間隙G。密封盒與空套輪轂的間隙為0.5～2.0 mm,卸油槽若太淺,卸油不及時,油也很容易滲出。距離P不合適時,油會從接板與副墻板對接處的間隙漏出。卸油孔位置若過高、卸油孔J、K和卸油槽L太小,卸油會不及時。斜甩油盤和斜甩油座直徑大且薄,加工成型后分成對稱兩件,由于熱效應,切開后變形非常大,必須配對使用。所有件裝配完畢后,一旦發(fā)現(xiàn)有問題,整改就相當于密封裝置報廢。

要保證密封效果,須多方面控制?？刂茩C架組裝焊接變形,副墻板厚度最好≥10 mm,在機架加工時副墻板與主墻板應有橫撐加固,加工完去掉橫撐和接板后,需做時效、矯正處理[3]。適當加深空套輪轂的卸油槽,密封盒卸油孔J加大至5 mm,K>5 mm。選用潤滑油的黏度為41.4～50.6 cSt,例如常用的N46機油,卸油槽太小會因油膜作用阻斷暢通。加大斜甩油盤的寬度,增大C、D的間隙。距離P應盡量減小,接板與副墻板的縫隙涂上硅橡膠密封劑。間隙B控制在2～3 mm。最主要的是組裝質量:

1) 保證面F與主墻板平行,即密封盒與軸垂直,合理調節(jié)間隙E和G,絕對不允許盲目將密封盒貼在墻板上焊,須先矯正墻板變形。

2) 密封盒另一半連接后將接板裝上,對正后才能焊接密封盒。

3) I處為間段焊,H為全焊。焊縫不宜過高,以防板變形過大。

4) 控制斜甩油盤和座的變形。嚴格控制好切開的工藝。建議加工成產(chǎn)品后,斜甩油盤和座即刻組裝,并用螺栓將四件連接為一體入庫,有利于控制失效變形。

6 滾筒軸軸承密封

6.1 存在的問題

滾筒軸軸承包括主軸承和空套軸承。軸承均為脂潤滑,內側均為油腔,軸承的密封主要是針對機油。許多廠家都是安裝1個帶密封槽的軸承蓋或是在軸承蓋上增加毛氈、油封等方式。這種密封常出現(xiàn)機油浸入軸承稀釋潤滑脂而帶入油腔,然后油從軸承外端的軸承蓋處漏出。另外,更換毛氈或油封的工作量很大。

6.2 改進措施

要合理密封,首先對密封方式進行改進,如圖5。主軸承和空套軸承共用一個潤滑油杯,免除空套軸承的旋轉油杯,將空套軸承的內軸承蓋加長,使兩軸承間形成一個通油脂的通道。軸承蓋與空套輪轂為面密封,較為可靠,只考慮軸承盒與加長軸承蓋的密封。在軸承盒上設計密封槽,在內側增加一個甩油盤,為了使油到達的機會少,再安裝一擋油護罩,護罩的內孔與軸承蓋間的單邊間隙不要留太大,10 mm即可,增加擋油護罩很重要。為了使甩在護罩上的機油更好地回到油腔,可在軸承蓋上加工1個淺槽。這種密封結構有效避免了油、脂互串和漏油,因無密封易損元件,壽命較長。

圖5 滾筒軸軸承密封結構

7 其他

1) 油封 用于高速、耐磨工況。一般情況,脂潤滑用國產(chǎn)油封,油潤滑用進口油封。進口油封比國產(chǎn)的唇口硬,軸套應鍍鉻處理,厚度在0.05～0.06 mm,表面粗糙度為0.8μm。脂潤滑易發(fā)熱,油封配置公差是軸為h11級。國產(chǎn)油封密封潤滑脂時,可將軸套減小0.2～0.5 mm。單油封密封機油不是太理想,因絞車結構復雜、零部件尺寸大、軸懸臂長且跳動量大,通常在油封內側增加1道機械密封,也可以采用2次以上的純機械密封,例如兩擋減速箱就用迷宮槽前裝多道甩油盤結構,密封效果好。通常,常溫下使用的油封采用丁腈橡膠[1],低溫下使用的油封采用硅橡膠或羧基的丁腈橡膠[2]。油封的成本高,壽命短。

2) 螺栓密封 油腔處的螺栓涂上厭氧型螺紋鎖固密封劑,這種密封劑觸變性黏度、耐化學性質好,密封能承受振動與沖擊,而且不影響拆卸。螺栓所配墊圈,盡量自制軟化的銅墊圈,而不用標準平墊,因為使用時經(jīng)常出現(xiàn)平墊被壓爛現(xiàn)象。

3) 金屬面密封 軸承蓋與軸承盒、軸承盒與機架等部位采用復合的耐油石棉橡膠板。軸承的密封,避免用毛氈,因毛氈工作時間長會磨損、發(fā)熱、不耐高溫、要求油的黏度大、對軸的轉速有限制等缺陷,密封效果不好,可以改為迷宮密封或離心密封。脂潤滑軸承最好在軸承盒上增加卸荷閥,能放氣防憋,以保護油封和判斷脂加注量,還能排出多余的老化油脂。

4) 水氣葫蘆密封 采用的是一對或數(shù)對動環(huán)與靜環(huán)組成的接觸式機械密封裝置。

8 結論

1) 通過對JC50B型絞車不同部位的結構分析,采用合理的密封方式,消除了漏油隱患。使用現(xiàn)場沒有發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象。

2) 絞車的密封是一項綜合技術,文中所研究的只是目前的研究成果,需要長期實踐應用才能檢驗是否存在缺陷。

3) 以后改進的方向仍然是簡化結構,出現(xiàn)漏油后易解決和易控制,降低成本。

[1] 陳大先.機械設計手冊(第3卷)[M].北京.化學工業(yè)出版社,2009:235.

[2] 李東海,劉建華,顏丙山,等.抽油機雙圓弧減速器漏油故障分析及解決措施[J].石油礦場機械,2011,40(1):87-90.

[3] 趙景杰.絞車架焊接變形的控制與矯正[J].石油礦場機械,2003,32(5):84-86.

Analysis and Improvement of Sealing Structure of JC50B Drawworks

MENG Meng,JU Jia-kui,HAO Gui-ying,CHEN Li-qin,HUA Dan-dan,ZHANG Jiang-he
(RG Petro-Machinery(Group)Co.,Ltd.,Nanyang 473006,China)

Seal oil rig winch easily lapses leaking.The main winch sealing parts of the old seal structure analysis problems is described.In JC50B type winch,for example,raised rear observation window,the input shaft ends,chain cover,etc.The improved method of sealing structure solves the leakage problem.To enhance the level of manufacturing winch,the structure is simplified,a maintenance cost is reduced and protecting the environment is important.

drawworks;sealing;structure

TE923

B

1001-3482(2014)02-0071-05

2013-09-23

孟 萌(1984-),女,河南南陽人,工程師,2007年畢業(yè)于河南科技大學機械設計制造及其自動化專業(yè),現(xiàn)從事石油鉆井裝備研究,E-mail:277502671@qq.com。