Ключ реверсивный трубный гидравлический

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к техническому оборудованию для капитального ремонта скважин, а именно к устройствам для свинчивания и развинчивания насосно-компрессорных труб.
Известен трубный ключ, описанный в изобретении России №2328587, опубликованном 10.07.2008 г, состоящий из корпуса с шестернями для передачи вращения к разрезной шестерни - ротору от центральной шестерни, гидромотор, планетарный редуктор, узел передачи вращения от гидромотора к планетарному редуктору, привод переключения передач, включающий связанный с осью рычаг переключения передач. От вала гидромотора вращение передается на отцентрированный переходной вал узла передачи вращения к плане гарному редуктору. Далее вращение через кинематическую цепь шестерен, центральную шестерню и две дополнительные шестерни передается к узлу ротора гидравлического ключа, удаленным от разреза зубьям разрезной шестерни - ротору с роликами. От разрезной шестерни - ротора вращение передается, контактирующему с тормозной лентой, внутреннему разрезному кольцу и закрепленной на ней разрезной втулке - челюсти с двумя плашками и челюсти с одной плашкой. При начале вращения разрезной шестерни - ротора плашки обжимают трубу и производят ее завинчивание, для развинчивания трубы ключ останавливают, частично разбирают, меняют местами разрезную втулку с двумя плашками с челюстью с одной плашкой и производят развинчивание.
Недостатком узла ротора гидравлического в ключе трубном в эксплуатации является, то, что требуется менять местами комплект челюсть с плашкой - втулка с двумя плашками для работ при завинчивании и при отвинчивании труб, что существенно усложняет технологический процесс, а также невысокая надежность зацепления трубы.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является патент на изобретение России №2475619, опубликованный 20.02.2013 г., в котором описан узел ротора гидравлического ключа, содержащий расположенный в корпусе ключа, приводной ротор, имеющий разъем, ролики, контактирующие с приводным ротором и с разрезной втулкой с установленными в ней челюстями с плашками, узел снабжен двумя подвижными челюстями с плашками, зеркально расположенными симметрично относительно оси разрезной втулки с неподвижной челюстью, причем подвижные челюсти имеют профильные криволинейные выгнутые и вогнутые поверхности, контактирующие с роликами.
Достоинством заявляемого узла ротора гидравлического ключа является то, что во время работы не требуется менять местами комплект «челюсть с плашкой» - «втулка с двумя плашками» при завинчивании и при отвинчивании труб, большим недостатком является то, что при работе узла не обеспечивается быстрый и надежный зажим трубы и равномерное распределение по всем выступам зубчатых поверхностей плашек силовых нагрузок от передающего на трубу крутящего момента, а наиболее нагруженные кромки продольных выступов подвержены интенсивному износу и выкрашиванию, а труба - деформации.
Технической задачей заявляемого ключа реверсивного трубного гидравлического является повышение надежности работы ключей с заявленными плашками узла ротора, в которых уменьшен износ зубчатых поверхностей плашек и уменьшена деформация поверхности труб малого диаметра при максимальном усилии в виде сосредоточенного равнозначного давления на поверхности трубы, как на ЗАВИНЧИВАНИЕ, так и на ОТВИНЧИВАНИЕ.
Техническая задача достигается за счет того, что ключ реверсивный трубный гидравлический, состоящий из корпуса с шестернями для передачи вращения к разрезной шестерни - ротору от центральной шестерни, гидромотора, планетарного редуктора, узла передачи вращения от гидромотора к планетарному редуктору, привода переключения передач, включающего связанный с осью рычаг переключения передач, кинематической цепи шестерен, центральной шестерни и двух дополнительных шестерен, узла ротора гидравлического ключа, содержащего ротор в виде разрезной шестерни, переключатель направления вращения с двумя фиксаторами, установленный на стороне ротора, противоположной его разрезу, ролики, смонтированные на роторе, внутреннее разрезное кольцо, контактирующее с тормозной лентой и с закрепленной на внутреннем разрезном кольце разрезной втулкой с установленной в ней неподвижной челюстью с плашкой, узел снабжен двумя подвижными челюстями с плашками, зеркально расположенными симметрично относительно оси разрезной втулки с неподвижной челюстью, причем подвижные челюсти имеют с одной стороны профильные криволинейные выгнутые и вогнутые поверхности, контактирующие с роликами, по которым происходит завинчивание, отвинчивание и возврат челюсти в исходное положение, отличающийся тем, что, челюсти размещены под углом 120 градусов, радиусы, по которым происходит завинчивание и отвинчивание R1, R2, R3, R4, R5 и возврат челюсти в исходное положение R6, центры окружностей которых определены от центра оси вращения челюсти с координатами x1 y1, х2 у2, х3 у3, х4у4, х5у5, х6у6, место установки в подвижной челюсти плашки гладкой поверхностью выполнено с наклоном слева направо под углом ϕ1, определенному от центра вращения челюсти, вогнутая поверхность трех плашек выполнена с зубчатыми выступами для взаимодействия с цилиндрической поверхностью трубы, вершины которых ориентированы к центру трубы, угловое расстояние между впадинами соседних зубчатых выступов относительно центра трубы равно ϕ2.
За счет того, что, челюсти размещены под углом 120 градусов, радиусы, по которым происходит завинчивание и отвинчивание R1, R2, R3, R4, R5 и возврат челюсти в исходное положение R6, центры окружностей которых определены от центра оси вращения челюсти с координатами x1 y1, х2 у2, х3 у3, х4у4, х5у5, х6у6, место установки в подвижной челюсти плашки гладкой поверхностью выполнено с наклоном слева направо под углом ϕ1, определенному от центра вращения челюсти, вогнутая поверхность трех плашек выполнена с зубчатыми выступами для взаимодействия с цилиндрической поверхностью трубы, вершины которых ориентированы к центру трубы, угловое расстояние между впадинами соседних зубчатых выступов относительно центра трубы равно ϕ2, повышается надежность работы ключей с заявленными плашками узла ротора, в которых уменьшен износ зубчатых поверхностей плашек и уменьшена деформация поверхности труб малого диаметра при максимальном усилии в виде сосредоточенного равнозначного давления на поверхности трубы, как на ЗАВИНЧИВАНИЕ, так и на ОТВИНЧИВАНИЕ.
Приведенные выше отличительные признаки являются новыми по сравнению с прототипом, поэтому полезная модель соответствует критерию «новизна».
Данное техническое решение может быть воспроизведено промышленным способом, может быть использовано для завинчивания или развинчивания резьбовых соединений при бурении и ремонте скважин в нефтяной и газовой промышленности, следовательно, оно соответствует критерию «промышленная применимость».
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
На фиг. 1 - Ключ реверсивный трубный гидравлический в разрезе в исходном положении;
На фиг. 2 - узел ротора гидравлического ключа в разрезе в исходном положении;
На фиг. 3 - то же, вид на прорезь внутреннего разрезного кольца;
На фиг. 4 - то же, вид на подвижную челюсть;
На фиг. 5 - то же, вид на подвижную челюсть с размерами, определяющими поверхности ЗАВИНЧИВАНИЕ, ОТВИНЧИВАНИЕ, возврат челюсти в исходное положение (пример исполнения);
На фиг. 6 - вид на плашку сверху в разрезе.
На фиг. 7 - то же, в положении переключателя на ЗАВИНЧИВАНИЕ;
На фиг. 8 - то же, в положении переключателя на ОТВИНЧИВАНИЕ.
Ключ реверсивный трубный гидравлический, содержит корпус 1 с размещенными в нем шестернями 2 редуктора для передачи вращения от гидромотора (на фиг. 1 не показан) к узлу ротора ключа реверсивного трубного гидравлического, в свою очередь, содержащего ротор 3 в виде разрезной подвижной шестерни, ролики 4 в количестве шесть штук, и ролик 5 для вращения ротора 3 в корпусе 1 (фиг. 1), внутреннее разрезное кольцо 6, с закрепленной на нем разрезной втулкой 7, с плашкой 8. Узел ротора 3 гидравлического ключа так же содержит две подвижные челюсти 9 левая и 10 правая с плашками 11. Подвижные челюсти 9 и 10 установлены зеркально-симметрично относительно оси разрезной втулки 7 (выполняющей роль неподвижной челюсти) под углом 120 градусов. Подвижные челюсти 9 и 10 имеют профильные криволинейные поверхности, контактирующие с роликами 4. На стороне ротора 3, противоположной его разрезу, неподвижно установлен переключатель 12 направления вращения. Переключатель 12 направления вращения выполнен в виде пластины 13 с двумя симметричными отверстиями 14 с двумя подвижными фиксаторами 15, вставленными в отверстия 14 (фиг. 1, фиг. 2).
Внутреннее разрезное кольцо 6 выполнено с прорезью 16 по дуге окружности с углом 125 градусов на стороне противоположной его разрезу для пластины 13 и на лицевой поверхности с двумя пазами 17 для подвижных фиксаторов 15. Перемычка 18 служит упором для подвижных фиксаторов 15 при переключении направления вращения (фиг. 3).
Фиксаторы 15 могут быть в виде клавиш переключателя (клавишного типа), штырей переключателя (штырькового типа), рычагов переключателя (рычажного типа), один из которых участвует в работе в зависимости от необходимого направления рабочего вращения (например на завинчивание), при этом другой фиксатор не участвует в работе и наоборот. Переключение же фиксаторов 15 из одного положения в другое, т.е. работа на завинчивание и отвинчивание производится в исходном положении, когда зев (разрез) ротора 3 и зев (разрез) внутреннего разрезного кольца 6 совмещены.
Подвижные челюсти 9, 10 с одной своей стороны в виде выпуклого тела, выполнены с рабочими поверхностями, по которым происходит завинчивание, отвинчивание и ее возврат в исходное положение, образованными пересекающимися частями цилиндрических поверхностей, выполненных различными радиусами, в примере исполнения соответственно R1=167 мм, R2=30,9 мм, R3=50 мм, R4=16 мм, R5=122,5 мм. Центры окружностей для этих радиусов определены от центра О осей вращения подвижных челюстей 9,10 (точка отсчета) с координатами: x1=132,17 мм, y1=-63,37 мм; х2=16,97 мм, у2=82,5 мм; х3=52,25 мм; у3=9,7 мм; х4=49,2, у4=43,6; х5=2,5 мм, у5=-52,16 мм, при этом ЗАВИНЧИВАНИЕ трубы происходит при вращении ротора по часовой стрелке при перемещении роликов 4 по кривой радиуса R1=167 мм правой челюсти и по кривой, определяемой радиусами R2=30,9 мм, R3=50 мм, R4=16 мм, R5=122,5 мм левой челюсти. ОТВИНЧИВАНИЕ трубы соответственно происходит при вращении ротора против часовой стрелки при перемещении роликов 4 по кривой радиуса R1=167 мм левой челюсти и по кривой, определяемой радиусами R2=30,9 мм, R3=50 мм, R4=16 мм, R5=122,5 мм правой челюсти.
Возврат челюсти в исходное положение по радиусу R6=50 мм. (Фиг. 4, 5). Центр окружности для этого радиуса определен от центра О осей вращения подвижных челюстей 9, 10 (точка отсчета) с координатами: х6=19,8 мм, у6=-12 мм.
С противоположной вогнутой стороны подвижных челюстей 9, 10 выполнен вырез 19 в размер плашек 11 - место установки для плашек 11. Вырез 19 в подвижных челюстях 9, 10 для гладкой поверхности плашек 11 выполнен с наклоном слева направо вниз под углом ϕ4=14 градусов относительно горизонтальной оси центра вращения подвижных челюстей 9, 10, от центра вращения подвижных челюстей 9, 10 определены и крайние координаты выреза х7=32,85 у7=-11,46; х8=83,65 у8=-11,46 (фиг. 4, 5).
Плашки 8, 11 для трубозахватных устройств гидравлических ключей представляют собой прямоугольные сектора полого цилиндра, имеющие с внешней стороны гладкую поверхность для соединения с поверхностью разрезной втулки 7 и подвижных челюстей 9, 10, а на внутренней вогнутой поверхности перпендикулярно образующей трубы расположенные параллельные зубчатые выступы для взаимодействия с цилиндрической поверхностью трубы. Грани зубчатых выступов образуют сегмент поверхности цилиндра для взаимодействия с поверхностью трубы. Внутренний диаметр сегмента соответствует наружному диаметру захватываемой трубы, в примере исполнения приведены расчетные величины для труб диаметром 60 мм и 73 мм. Число зубцов плашки 120 и 96 соответственно. Зубчатые выступы 20 ориентированы к центру трубы, при этом угол между соседними гранями зубчатых выступов 20 в примере исполнения ϕ2=70 градусам, угол между осями симметрии соседних впадин, проходящими через центр трубы ϕ3=7 градусов 30 минут. Плашка изготовлена из стали 18ХГТ ГОСТ 4543-71, цементация глубиной 0,6-1,0 мм и твердостью HRC 55-60 (Фиг. 6).
Работа ключа реверсивного трубного гидравлического осуществляется следующим образом.
Ключ реверсивный трубный гидравлический подвешивается над устьем скважины и подводится к колонне труб. Поданная в гидромотор гидравлическая энергия преобразуется в механическую энергию вала гидромотора. От вала гидромотора вращение передается на отцентрированный переходной вал узла передачи вращения к шестерням 2 редуктора. Далее вращение передается к зубьям разрезной шестерни - ротору 3. От ротора 3 вращение передается к разрезной втулке 7 с плашкой 8. Две подвижные челюсти 9, 10 с плашками 11, размещенными под углом 120 градусов, поочередно становятся неподвижными и в паре с разрезной втулкой 7 (неподвижной челюстью) надежно, с равными силами сжатия фиксируют трубу в сформированном ложементе. При начале вращения разрезной шестерни - ротора 3 три плашки 8, 11 обжимают трубу. Таким образом, трубу закручивают и откручивают при необходимости.
Переключатель 12 направления вращения жестко связан с ротором 3, при включении в работу фиксатора 15 в левом положении (на завинчивание или затягивание трубы), переключатель 12 направления вращения направлен по часовой стрелке, ротор 3 поворачивается по часовой стрелке, в пределах прорези 17 внутреннего разрезного кольца 6, которое неподвижно, удерживается от поворота тормозной лентой, которая охватывает разрезное кольцо 6 по диаметру (ориентировочно с усилием 100 кг). Один из роликов 4 перемещает подвижную челюсть 9 по вспомогательной поверхности, определяемой радиусами R2=30,9 мм, R3=50 мм, R4=16 мм, R5=122,5 мм, которая плашкой 11 прижимает трубу к плашке 8, расположенным на разрезной втулке 7, фиксируя трубу в ложе двух плашек 8. 11, при этом ротор 3, продолжает вращение, ролик 4 перемещает вторую подвижную челюсть 10 к двум неподвижным челюстям 8. 9, дополнительно зажимает трубу, ЗАВИНЧИВАНИЕ трубы происходит при вращении ротора 3 по часовой стрелке при перемещении роликов 4 по рабочей поверхности, определяемой кривой радиуса R1=167 мм челюсти 10, челюсти 9, 10, получив равные силы сжатия, производит ЗАВИНЧИВАНИЕ трубы (Фиг. 7).
Труба плашками 8, 11 в количестве трех штук сжимается от воздействия подаваемого давления, определяющего крутящий момент завинчивания (отвинчивания), при этом внутренняя зубчатая поверхность плашки 11 подвижной челюсти 9 прижимается к трубе первоначально одним рядом зубчатых выступов, по мере прокатывания ролика по наружной поверхности подвижной челюсти 9, а затем последовательно всеми зубчатыми выступами, в примере исполнения рассматриваются трубы диаметром 60 и 73 мм, распределяя это давление в итоге равномерно по площади соприкосновения всех трех плашек 8, 11 с трубой. Расчетная максимальная сила давления на трубу порядка 12000 кг, при допустимой глубине врезания зубчатых выступов 0,4 - 0,6 мм, при расчетной площади контакта плашек 8, 11 с трубами соответственно (прямоугольных секторов) - 4478 мм кв. и 4486 мм кв.
Переключатель 12 направления вращения жестко связан с ротором 3, при включении в работу фиксатора 15 в правом положении (на отвинчивание трубы), переключатель 12 направления вращения направлен против часовой стрелки, ротор 3 поворачивается против часовой стрелки, в пределах прорези 17 внутреннего разрезного кольца 6, которое неподвижно, удерживается от поворота тормозной лентой, которая охватывает разрезное кольцо 6 по диаметру (ориентировочно с усилием 100 кг). Один из роликов 4 перемещает подвижную челюсть 10 по вспомогательной поверхности, определяемой радиусами R2=30,9 мм, R3=50 мм, R4=16 мм, R5=122,5 мм, которая плашкой 11 прижимает трубу к плашке 8, расположенным на разрезной втулке 7, фиксируя трубу в ложе двух плашек 8, 11, при этом ротор 3, продолжает вращение, ролик 4 перемещает вторую подвижную челюсть 9 к двум неподвижным челюстям 9, 10, дополнительно зажимает трубу, ОТВИНЧИВАНИЕ трубы соответственно происходит при вращении ротора против часовой стрелки при перемещении роликов 4 по рабочей поверхности, определяемой кривой радиуса R1=167 мм челюсти 9, челюсти 9, 10, получив равные силы сжатия, производит ОТВИНЧИВАНИЕ трубы (Фиг. 8).
В заявляемой полезной модели повышается надежность работы ключей с заявленными плашками узла ротора, в которых уменьшен износ зубчатых поверхностей и уменьшена деформация поверхности труб малого диаметра при максимальном усилии в виде сосредоточенного давления на поверхности трубы.