ZQ203-125Ⅱ型钻杆动力钳广泛应用于石油钻井的上卸钻具丝扣作业中，是钻台上使用频率较高的钻井工具之一，其快速、高效、便捷的性能，深受钻工对钻杆动力钳的信赖，已成为现代钻机钻井过程中必不可少的设备，为提高钻井工作效率，降低钻工劳动强度，保证安全生产，起到了积极的作用。当钻杆动力钳在使用中出现故障，或需更换零部件等，井队只能用B型吊钳来替代暂停使用的钻杆动力钳，这就使得工作效率低下。经过对钻杆动力钳多年来的实际使用情况及零部件消耗的统计，以及结构性能的分析研究，发现这种钻杆动力钳一些部件结构和材料需要进行改造和优化。本文分析了ZQ203-125Ⅱ型钻杆动力钳原来存在的一些问题和不足，研究提出了对原钻杆动力钳的部分零部件的材料、结构及气控自动门栓等方面的改进和优化措施，总结了改进后在油田钻井现场的使用效果。实践证明，通过改造和优化，有效地提高了此型钻杆动力钳的使用效率和使用寿命，保证了使用的安全、可靠性，减少暂停使用的故障时间，也可以有效提高钻井工作效率。

 

　　1.优化改造措施及技术分析

 

　　1.1钻杆动力钳下壳的材料改进

 

　　ZQ203-125Ⅱ动力钳壳体（图1）为主要受力件，且体积和质量较大，在铸造过程中难免存在缺陷，特别是下壳的开口处因过载而出现塑性变形，而影响或损坏壳体上其他零件。原设计中壳体材料采用铸钢ZG270-500，为提高其综合机械性能，将下壳材料改用ZG35Cr1Mo合金铸钢件，热处理状态为调质，其强度提高48%～76%，材料的冲击韧性提高22%，综合机械性能明显提高（改进前后的材料综合机械性能对比见表1），由此确保下壳在正常载荷下变形减小，使用寿命得到显著提升。

 

　　图1ZQ203-125Ⅱ动力钳下壳体

 

　　表1动力钳下壳体材料改变前后的综合机械性能对比

 

　　热处理状态 强度性能指标

 

　　σbMPa 冲击韧性指标

 

　　Ak/J

 

　　ZG270-500（改进前） 正火

 

　　190～230HB 500 22

 

　　ZG35Cr1Mo（改进后） T250～290HB 740～880 27

 

　　性能比较↑48%～76% ↑22%

 

　　1.2增加动力钳护栏

 

　　动力钳刹带的作用是：对制动盘起制动作用，使上钳预夹紧钻具；刹带两端分别固定在刹带销和调节筒的连杆上；调节筒内有弹簧，制动盘制动力矩的大小，可通过调节刹带抱紧制动盘的松紧；制动盘的开口中心处为上卸钻具的工作位置，工况恶劣，由于受泥浆和刹带磨损的影响，调节制动力矩时易使悬臂的刹带销变形而弯曲，损坏刹带销，且因动力钳夹紧钻具不可靠而出现打滑，影响作业；且制动盘为旋转件，易出现不安全因素等。原动力钳制动盘两侧没有护栏，为此，如图2所示，在动力钳旋转的制动盘两侧增加护栏，左右两件为对称件，组装式以便于更换刹带；护栏前端由上下固定块与护罩ⅠⅡ分别用螺钉组装后套在刹带销上部；后端由连接块ⅠⅡ、连接板与护罩分别用螺钉组装后，固定在动力钳左右带耳压盖上，护罩的断面如图1a所示，强度高，受压不易弯曲。该护栏既作为刹带销的支承，使刹带销受刹带拉力后不弯曲，又作为制动盘的安全保护装置，可以有效地防止制动盘旋转过程中出现伤人伤物等不安全因素。

 

　　1.3牙板的结构改进

 

　　动力钳的牙板是直接传递扭矩至钻具的重要零件之一，牙板抓紧钻具的牢固程度，直接影响动力钳工作的性能、牙板等零件的使用寿命、对钻具表面的磨损程度及上卸钻具的速度；若由于牙板抓紧钻具表面的压力不足，出现打滑，牙板的齿如车力一样车削钻具表面，既严重损伤钻具，又使牙板提前磨损，降低牙板的使用寿命。

 

　　在不改变动力钳夹紧机构的基础上，改进牙板的结构，以确保牙板的抓紧钻具的可靠性；如图2所示，增加牙板长度，即增大牙板与钻具的咬合面积；牙板的结构如2a所示，将颚板高度加长至125mm，牙板加长至123mm，且牙板在123mm的长度上为全齿，牙板的接触面积增大57%。牙板固定如图2所示，为销式固定；牙板背面两端有开口凹槽，颚板下端销轴固定，防止牙板脱落，上端销轴可通过扳动颚板背面的板簧，固定或取出牙板。

 

　　1.4动力钳门栓的自动互锁装置

 

　　动力钳的门栓为“安全门”，用于保护壳体，限制壳体开口处受力发生变形；ZQ203-125Ⅱ型动力钳为气控自动门栓，当下钳夹紧，门栓自动关闭，反之，门栓自动开启；考虑到动力钳在使用及维护的安全性，将自动门栓改造成自动互锁装置，即当门栓自动关闭后，液压源自动闭合导通，动力钳才能工作；反之，当门栓自动开启后，液压源自动断开直接回油箱，动力钳不能工作；动力钳门栓与液压源自动互锁，达到操作和维护使用安全的目的。其液气控制原理如图3所示。

 

　　图3：门栓自动互锁装置液气原理图

 

　　2.现场应用实例

 

　　华北油田于2007年提出该项目，并与江苏如石机械有限公司联合改造，经以上前三个方面的改造，两套动力钳在华北油田使用后，效果显著。据油田的现场使用报告，改造的动力钳使用3年，共修理5次，共消耗配件累计5万多元，配件的消耗量明显减少。主要易损件消耗情况见表2。

 

　　表2：3年内钻杆钳的主要易损件消耗情况

 

　　配件名称 原钻杆钳消耗数量/台 改进钻杆钳消耗数量/台

 

　　第一年 第二年 第三年 合计 第一年 第二年 第三年 合计

 

　　牙板 300 340 380 1020 60 68 75 203

 

　　刹带 12 14 18 44 4 4 6 14

 

　　颚板 7 11 15 33 2 3 3 8

 

　　颚板架 2 3 3 8 1 1 1 3

 

　　刹带销 6 10 10 26 / 2 2 4

 

　　移送缸活塞杆 4 5 5 14 / 1 1 2

 

　　下壳体 / / 1 1 / / / /

 

　　修理次数 1 1 2 4 / / 1 1

 

　　累计钻井深度 约29600米 约27500米

 

　　总消耗（万元） 8.87万元 约2.63万元

 

　　2011年，经现场使用，又提出对动力钳的门栓自动互锁的改造；改造后的动力钳门栓固定，增加了4个固定螺钉，比原先要牢固、可靠，门栓耐撞击，且不易松动，开合灵活；且增加的自动互锁装置，大大提高了动力钳使用和维护的安全性。

 

　　以上动力钳的改造，也方便已在役使用ZQ203-125Ⅱ型的动力钳改造，只需更换相关零部件即可，而无需将原动力钳发往原厂改造。

 

　　3.结论

 

　　经过对油田广泛使用的ZQ203-125Ⅱ型钻杆动力钳的结构、材料的分析研究，经过和油田的共同研究，调整了此型钻杆动力钳的下壳的材料和热处理工艺、增加动力钳护栏、改进牙板的结构和将自动门栓改造成自动互锁装置，取得了如下良好的效果，达到了结构优化、性能改进、提高技术经济效益的目的。

 

　　（1）改进后的动力钳，整体强度高，在大载荷下工作稳定可靠；

 

　　（2）动力钳在连续作业中（起下钻），夹紧可靠，上卸扣不打滑，提高了作业效率；且对钻具的损伤也在允许范围内；

 

　　（3）配件及易损件的消耗明显降低，有效减少了动力钳的维护修理成本；

 

　　（4）采用门栓的自动互锁装置，动力钳使用的安全性得到有效提高。

 

　　由于是在原有动力钳上进行改造，各改造部分的外观有待下一步解决。

 

　　参考文献：

 

　　[1]王文智.钻杆动力钳的设计缺陷及使用中存在的问题.《石油矿场机械》，2005.01期

 

　　[2]《石油钻采机械》，石油工业出版社，第1版，1994.7.1