渦輪鉆具減速器密封泄漏原因分析

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1、渦輪鉆具減速器密封方案分析摘要：渦輪鉆具減速器的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是在充滿機(jī)油的密封腔內(nèi)工作的，但是當(dāng)密封系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損時(shí)，渦輪鉆具減速器就會(huì)很快失效。本文重點(diǎn)針對(duì)密封失效原因進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出新的密封方案并運(yùn)用有限元進(jìn)行實(shí)際工況仿真。引言：渦輪鉆具是石油鉆井工程中的一種重要井下動(dòng)力鉆具，在深井和定向井鉆井中有著廣泛的應(yīng)用。但是渦輪鉆具本身的輸出轉(zhuǎn)速不能很好的滿足牙輪鉆頭的工作需要，將常規(guī)渦輪鉆具配以減速器后,能使其原有的高轉(zhuǎn)速降低到能滿足高效鉆頭使用的中、低轉(zhuǎn)速,而且相應(yīng)成倍地提高了其工作扭矩。雖然常規(guī)渦輪鉆具+PDC鉆頭的技術(shù)的技術(shù)可以擺脫

2、減速器長(zhǎng)期的困擾，但由于技術(shù)不夠成熟，同時(shí)閉式高速渦輪鉆具的支承節(jié)軸承仍然需要可靠的密封機(jī)構(gòu)來(lái)保證工作可靠性，所以研究性能穩(wěn)定的密封系統(tǒng)有很大的意義。長(zhǎng)期以來(lái)，渦輪鉆具減速器主要采用機(jī)械密封，但是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果并不樂(lè)觀，采用單金屬密封的高速牙輪鉆頭已經(jīng)開始推廣并取得很好的效果，與機(jī)械密封相比，此密封具有自動(dòng)扶正、防振的浮動(dòng)效果，耐高溫橡膠制作的O形圈屬?gòu)椥泽w，可在兩錐面間隨意變形，依靠彈性力壓緊動(dòng)環(huán)。如果把這種密封結(jié)構(gòu)用在減速器上，能較好的適應(yīng)軸的振動(dòng)和擺動(dòng)。大量的深水電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸和海洋機(jī)器人密封之所以用普通機(jī)械密封，主要是因?yàn)殡姍C(jī)在工作時(shí)沒(méi)有較大的

3、振動(dòng)，所以密封效果比較好。但是，將實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果用于減速器密封設(shè)計(jì)中，還必須結(jié)合減速器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。1、密封失效原因分析首先，動(dòng)環(huán)隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，靜環(huán)固定在殼體上，鉆具過(guò)程中主軸伴隨鉆頭振動(dòng)，會(huì)造成動(dòng)靜環(huán)的瞬間分離或者擦傷，但彈簧只能提供軸向壓縮，不能很好的補(bǔ)償密封面的傾斜，導(dǎo)致泄漏。機(jī)械密封在渦輪鉆具上的裝配如下圖：其次，機(jī)械密封的設(shè)計(jì)參數(shù)很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際工作中的機(jī)械密封并不是處于最佳工況，在密封的裝配過(guò)程中，端面比壓也只是一個(gè)粗略的范圍，具體到渦輪鉆具的實(shí)際工況，密封的端面比壓是在不停變化的。最終很快導(dǎo)致密封失效，。由于主軸的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致油脂

4、和鉆井液繞著軸旋轉(zhuǎn)，使得密封處壓力徑向減小，因此在機(jī)械密封接觸面內(nèi)外氣泡比較密集，在油腔測(cè)會(huì)覆蓋住界面進(jìn)口，使得潤(rùn)滑界面潤(rùn)滑不良，甚至導(dǎo)致密封干運(yùn)轉(zhuǎn)，在鉆井液測(cè)覆蓋外界鉆井液導(dǎo)致密封界面不能迅速的冷卻，最終由于過(guò)熱、劃痕、鼓泡、裂紋而失效。2、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）密封設(shè)計(jì)首先要確定動(dòng)密封兩側(cè)的鉆井液和潤(rùn)滑脂之間的壓力差。減速器在未工作時(shí)，由于壓力平衡系統(tǒng)的作用，密封腔內(nèi)的潤(rùn)滑脂及外界鉆井液得到平衡，即壓力差為零。當(dāng)減速器工作時(shí)，由于軸承系統(tǒng)的振動(dòng)引起軸承腔內(nèi)的體積變化，以及摩擦熱使?jié)櫥a(chǎn)生熱膨脹及蒸汽壓，使壓力差增大。根據(jù)牙輪鉆頭的模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)

5、得壓差為0.3~0.5MPa，井下實(shí)測(cè)約為0.7MPa。牙輪鉆頭工作時(shí)選用的密封壓力為4.9x105—6.86x105Pa，我們亦可以參考此數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行密封設(shè)計(jì)，鉆頭的密封油腔只有80cm3左右，預(yù)計(jì)壽命66.7-100小時(shí)，但減速器的密封腔可以設(shè)計(jì)的比較大，同時(shí)可以在鉆頭和減速器之間采取防振措施，所以井下連續(xù)工作150小時(shí)完全有可能。結(jié)合BakerHughesChristeensen的第二代單金屬密封（SEMS2）和減速器的實(shí)際工況，設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)示意圖如下：設(shè)計(jì)此密封主要考慮幾點(diǎn)因素：1）安裝方向：開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于靠近外徑處的密封面由于高的線速度

6、而使磨損比內(nèi)徑大，磨損增大，動(dòng)靜環(huán)間隙變大，接觸壓強(qiáng)下降，而此時(shí)靠近內(nèi)徑處的接觸壓強(qiáng)增大磨損增大，靠近外徑處接觸壓強(qiáng)又開始增大，如此循環(huán)，直至整個(gè)接觸面磨損和接觸壓強(qiáng)達(dá)到新的平衡。所以靠近內(nèi)徑處的密封面上不可避免的會(huì)出現(xiàn)張口，如果反向安裝，會(huì)導(dǎo)致泥漿進(jìn)入張口，加劇磨損，如圖安裝則有利于油膜的形成。2）集裝設(shè)計(jì)：由于密封的安裝精度比較高，而且合適的端面比壓很難保證，所以設(shè)計(jì)如圖的集裝結(jié)構(gòu)，裝配時(shí)擰緊環(huán)套上的的螺釘即可，安裝到軸上后去掉環(huán)套上的螺釘，可保證安裝精度及端面比壓和安裝前一致。3）端面比壓的確定：SEMS2密封面磨損過(guò)程在振動(dòng)沖擊性外載荷作

7、用下，單金屬浮動(dòng)密封密封面之間的潤(rùn)滑狀態(tài)多為混合潤(rùn)滑，而混合潤(rùn)滑狀態(tài)下的機(jī)械密封理論一般只適用于彈簧作為彈性元件的普通機(jī)械密封，由于橡膠圈呈現(xiàn)的非線性特征，導(dǎo)致端面比壓難以計(jì)算，所以實(shí)際可采用試驗(yàn)方法來(lái)確定。在已知介質(zhì)壓力差Δp的條件下,密封性能和可靠性主要取決于動(dòng)密封面之間的接觸比壓p和動(dòng)密封接觸面的表面質(zhì)量,比壓p需滿足:p=F/A≥Δp,從圖中明顯看到密封環(huán)接觸面積只占總面積的25%左右，所以在計(jì)算端面比壓不能像普通機(jī)械密封一樣按照端面面積來(lái)計(jì)算。4）減速器的輸出軸用聯(lián)軸器連接彈性空心軸，并在彈性軸上加裝碟簧。3、密封在實(shí)際工況下的有限元分

8、析：壓縮量為3mm，不加泥漿壓力和油壓時(shí)P=1Mpa，L=3mmP=30Mpa，L=3mmP=30Mpa，L=5mm取靜環(huán)上靠近外徑處一