一种带有扭矩控制仪的液压钳的制作方法

本发明涉及一种带有扭矩控制仪的液压钳，适用于石油工程的技术领域。

背景技术：

液压动力钳为开口型动力钳，是油田修井作业时用于上、卸抽油杆、油管、套管、隔热管、钻杆及类似管柱螺纹的机械化设备。现有的动力钳主要由主钳和背钳组成，背钳夹紧管柱接箍，主钳夹紧管柱旋转完成接管和卸管的工作。现有动力钳的钳口内侧的牙座上配装的牙块都有较硬的硬度和锋利的牙尖，使得在接箍时能够将牙块切入管柱从而卡紧防止油管坠井。每次操作以后，都会在管柱的外表面咬出一定深度的压痕。多次使用以后，管柱的表面会出现损伤。由于油井中大量的二氧化碳和硫化氢的腐蚀，使得损伤的管柱表面被加速腐蚀，从而使其加速失效，大大增加了油气田作业的成本、工作量和作业风险。更有甚者，近年来随着非金属管柱在油田上使用的增多，使得无压痕动力钳的需求越来越紧迫。

中国专利申请CN102061895A公开了一种无损伤油管动力钳背钳钳头，由背钳上盖、背钳主体、背钳颚板架、坡板、滚轮、滚轮轴、卡瓦片、卡瓦座、卡瓦压片和复位弹簧等组成，解决了油田管柱作业中对管柱的损坏，卡紧可靠，结构简单。其中，卡瓦片装在卡瓦座的插槽中，卡瓦片与所卡紧的管柱外径包容，为非金属高分子耐磨材料，或为金属片与非金属高分子耐磨材料的组合，或为耐磨合金材料。通过采用耐磨材料制成的卡瓦片，并加大与管柱的接触面积，起到卡紧管柱且不损伤管柱的作用，其经济效益可观。中国专利申请CN102061896A公开了一种无损伤油管动力钳钳头卡紧机构，其中公开了类似的结构。

另外，在管柱旋接过程中主要通过卡瓦施于管柱上的扭矩将管柱旋紧。如果扭矩过大，则会损伤上下管的旋接位置；如果扭矩较小，则不足以将上下管柱旋紧。现有技术中均没有出现在液压钳中进行扭矩监测的技术。

因此，现有技术中需要一种液压钳，使其尽可能对管柱造成的损伤最小，同时能够实时监测液压钳施于管柱上的扭矩。

技术实现要素：

本发明提供了一种带有扭矩控制仪的液压钳，其能够使得液压钳在抱紧管柱的过程中对管柱的表面造成的损伤较小，同时又能够实时监测液压钳施于管柱上的扭矩，能够极大地提高油管的使用寿命和作业安全性。

本发明的带有扭矩控制仪的液压钳包括背钳组件、主钳组件和扭矩控制装置，背钳组件和主钳组件的中部均设有卡瓦座，卡瓦间隔地周向固定在卡瓦座上；扭矩控制装置用于控制施加到管柱上的扭矩；

所述液压钳还包括输入组件，所述输入组件连接到主钳组件上；

所述背钳组件包括背钳壳体和设置在所述背钳壳体内部的夹紧组件，所述背钳壳体的外表面呈缺口圆环型，上颚板和下颚板分别设置在背钳壳体的上表面和下表面并通过销轴相互连接；

所述主钳组件包括主钳壳体、介轮组件、环形齿轮、上夹板和下托板，环形齿轮被夹持在上夹板和下托板之间，形成壳内组件，所述壳内组件位于主钳壳体内部，所述上夹板和所述下托板之间通过销轴连接，所述壳内组件和所述输入组件之间通过所述介轮组件传动连接。

优选地，所述背钳壳体的竖向横截面为H型，上表面分布有上凹槽，下表面分布有下凹槽；

所述上凹槽内设置有多个第一辊柱、所述下凹槽内设置有多个第二辊柱，第一辊柱和第二辊柱能够分别在上凹槽和下凹槽内滚动并被上凹槽和下凹槽之间的腹板隔开；所述第一辊柱的上端伸出所述上颚板的上表面，所述第二辊柱的下端伸出所述下颚板并与之固定。

优选地，主钳组件和背钳组件通过第一连接轴、第二连接轴和第三连接轴相互连接；

所述第一连接轴和第二连接轴分别通过连接托架和螺栓连接到背钳组件的背钳壳体上，第一连接轴和第二连接轴分别穿过从主钳壳体上伸出的连接凸耳与主钳壳体连接；

所述第三连接轴通过背钳尾把组件连接到背钳壳体上，第三连接轴穿过从主钳壳体上伸出的连接凸耳与主钳壳体连接。

优选地，所述背钳尾把组件包括背钳托架和穿过背钳托架的横向轴套，表面带有螺纹的横轴穿过横向轴套，横向轴套的两端设有法兰并连接有动力输入轴，用于向背钳组件提供动力；竖向旋转轴与所述横轴正交啮合并竖向穿过设置在背钳托架上的通孔，围绕所述竖向旋转轴旋转设有第一齿盘，所述上颚板的周向边缘的一部分设有能够与所述第一齿盘啮合的齿纹。

优选地，所述夹紧组件包括等角度间隔设置的三个卡瓦座和设置在卡瓦座之间的两个弧面板；每个弧面板上设置多个销轴，所述销轴的两端分别伸出所述上颚板和所述下颚板并通过螺母固定在其上；

所述卡瓦座包括座轴和座架，座架可活动地连接到座轴上并呈弧面型，所述卡瓦固定在座架上；

所述背钳壳体的内侧间隔设置有三个容纳部，以容纳座轴，相邻的容纳部之间为圆弧面，所述圆弧面与所述弧面板的形状相匹配。

优选地，所述环形齿轮的外表面呈缺口圆环型，其竖向横截面为平放的“王”字型，上表面分布有两排上凹槽，下表面分布有两排下凹槽；

所述上凹槽内设置有多个第三辊柱、所述下凹槽内设置有多个第四辊柱，第三辊柱和第四辊柱能够分别在所述上凹槽和所述下凹槽内滚动并被两者之间的腹板隔开。

优选地，所述壳内组件还包括等角度间隔设置的三个卡瓦座和设置在卡瓦座之间的两个弧面板；每个弧面板上设置多个销轴，销轴的两端分别伸出上夹板和下托板并通过螺母固定在其上；

所述卡瓦座包括座轴和座架，所述座架可活动地连接到所述座轴上并呈弧面型，所述卡瓦固定在座架上；环形齿轮的内侧间隔设置有三个容纳部，相邻的容纳部之间为圆弧面，该圆弧面与弧面板的形状相匹配。

优选地，与所述卡瓦座的座轴接触的下托板上设置的容纳部为长条形，所述容纳部开设在下托板的上表面一定深度范围内，所述座轴可沿容纳部径向移动，从而张开和收紧座架，使得设置在座架上的卡瓦能够夹紧和放松管柱。

优选地，扭矩控制装置可以通过设置在所述卡瓦上的扭矩传感器来监测施加到管柱上的扭矩；扭矩控制装置还可以设有上扭矩阈值和下扭矩阈值来控制所施加扭矩的上限和下限。

采用本发明的带有扭矩控制仪的液压钳，作业时在管柱的表面造成的损伤较小，同时还能够实时监测施于管柱表面的扭矩，能够极大地提高油管的使用寿命和作业安全性。

附图说明

图1是根据本发明的带有扭矩控制仪的液压钳的立体示意图。

图2是根据本发明的液压钳的分解图。

图3是背钳组件分解后的示意图。

图4是背钳尾把组件的内部结构示意图。

图5是背钳组件的仰视图。

图6是背钳壳体的俯视图。

图7是主钳组件的俯视图。

图8是主钳组件的分解图。

图9是介轮组件和环形齿轮的示意图。

图10是壳内组件的俯视图。

图11是本发明的卡瓦的一种实施方式的立体图。

图12是本发明的卡瓦的一种实施方式的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1和2所示，本发明的带有扭矩控制仪的液压钳包括背钳组件1、主钳组件2和扭矩控制装置7，背钳组件1和主钳组件2的中部均设有卡瓦座，卡瓦3间隔地周向固定在卡瓦座上。作业时，背钳组件1抱紧管柱接箍，主钳组件2抱紧待接管柱并旋转，从而将上下管柱旋接。旋接过程中，通过扭矩控制装置来控制和监测施加到管柱上的扭矩。卡瓦的尺寸可以根据管柱的实际尺寸进行选择，其围绕卡瓦座设置的个数为至少两个，例如可以是2个、3个或4个。

具体地，扭矩控制装置7可以通过设置在卡瓦上的扭矩传感器来监测施加到管柱上的扭矩，并通过设置上扭矩阈值和下扭矩阈值来控制所施加扭矩的上限和下限。同时，扭矩的数值还可以实时显示在显示屏上。

如图11和12所示，其中显示了一种实施方式的卡瓦的结构示意图。如图所示，卡瓦呈弧面片状，其内侧设有摩擦突起部，以增大与管柱之间的抱紧摩擦力。优选地，卡瓦内侧的摩擦突起部可以设置为齿状。

如图2所示，根据本发明的带有扭矩控制仪的液压钳还包括输入组件30，输入组件30连接到主钳组件2上，向主钳组件2提供动力输入。主钳组件2和背钳组件1通过第一连接轴100、第二连接轴200和第三连接轴300相互连接。第一连接轴100和第二连接轴200分别通过连接托架和螺栓连接到背钳组件1的背钳壳体10上，第一连接轴100和第二连接轴200分别穿过从主钳壳体20上伸出的连接凸耳与主钳壳体20连接。第三连接轴300通过背钳尾把组件14连接到背钳壳体10上，第三连接轴300穿过从主钳壳体20上伸出的连接凸耳与主钳壳体20连接。

如图3和4所示，背钳尾把组件14包括背钳托架141和穿过背钳托架141的横向轴套142，表面带有螺纹的横轴147穿过横向轴套142，横向轴套142的两端设有法兰143。横向轴套142的两端连接有动力输入轴(未示出)，用于向背钳组件提供动力。第一齿盘144围绕竖向旋转轴145旋转，竖向旋转轴145与横轴147正交啮合并竖向穿过设置在背钳托架141上的通孔146。当通过动力输入轴向横轴147传递动力时，横轴147的旋转带动竖向旋转轴145转动，继而带动第一齿盘144旋转。

如图3-6所示，背钳壳体10的外表面呈缺口圆环型，其竖向横截面为H型，上表面分布有上凹槽101，下表面分布有下凹槽102。上颚板12和下颚板11分别设置在背钳壳体10的上表面和下表面，两者之间通过销轴156相互连接。上颚板12的周向边缘的一部分设有能够与第一齿盘144啮合的齿纹，从而在第一齿盘144旋转时能够带动上颚板12旋转。上凹槽101内设置有多个第一辊柱121、下凹槽102内设置有多个第二辊柱111，第一辊柱121和第二辊柱111能够分别在上凹槽101和下凹槽102内滚动并被上凹槽101和下凹槽102之间的腹板隔开。第一辊柱121的上端伸出上颚板12的上表面，第二辊柱111的下端伸出下颚板11并与之固定。

如图5和6所示，其中显示了背钳壳体10及设置在其内部的夹紧组件的示意图。如图5所示，夹紧组件包括等角度间隔设置的三个卡瓦座152和设置在卡瓦座152之间的两个弧面板153。每个弧面板153上设置多个销轴156，销轴156的两端分别伸出上颚板12和下颚板11并通过螺母固定在其上。卡瓦座152包括座轴151和座架，座架可活动地连接到座轴151上并呈弧面型，卡瓦3固定在座架上。三片卡瓦呈圆弧形布置，以夹紧其中的管柱。需要说明的是，附图仅为示例性地说明，本领域技术人员理解卡瓦的个数可以根据实际需要灵活设置。背钳壳体10的内侧间隔设置有三个容纳部154，以容纳尺寸较大的座轴151，相邻的容纳部154之间为圆弧面155，该圆弧面155与弧面板153的形状相匹配。

当外部动力驱动横轴147旋转时，横轴147的旋转带动竖向旋转轴145转动，继而带动第一齿盘144旋转。第一齿盘144带动与其啮合的上颚板架旋转，并带动下颚板架旋转。由此，放松状态下位于容纳部154中的座轴151滑向圆弧面155，从而使得卡瓦3能够抱紧置于其中的管柱。

如图7-8所示，其中显示了根据本发明的主钳组件2的俯视图和分解图。主钳组件2通过输入组件30提供动力，其中输入组件30的下端与传动齿轮31连接，传动齿轮31与第一中转齿轮311啮合，第一中转齿轮311与第二中转齿轮312啮合。优选地，可以在传动齿轮31的两侧分别对称设置有第一中转齿轮311和第二中转齿轮312。传动齿轮31、第一中转齿轮311和第二中转齿轮312一起组成介轮组件23。介轮组件23中的第二中转齿轮312与环形齿轮24啮合。其中，环形齿轮24、传动齿轮31、第一中转齿轮311和第二中转齿轮312的侧壁周围均设置有齿。

如图8所示，其中显示了根据本发明的主钳组件的分解图。如图所示，主钳组件2包括主钳壳体20、介轮组件23、环形齿轮24、上夹板25、下托板28，其中环形齿轮24被夹持在上夹板25和下托板28之间，形成壳内组件22。壳内组件22位于主钳壳体20内部。优选地，主钳组件2还包括刹车鼓26和刹车带27。

与背钳组件类似，如图9-10所示，环形齿轮24的外表面呈缺口圆环型，其竖向横截面为平放的“王”字型，上表面分布有两排上凹槽201，下表面分布有两排下凹槽202。上夹板25和下托板28分别设置在主钳壳体20的上表面和下表面，两者之间通过销轴256相互连接。上凹槽201内设置有多个第三辊柱、下凹槽202内设置有多个第四辊柱，第三辊柱和第四辊柱能够分别在上凹槽201和下凹槽202内滚动并被两者之间的腹板隔开。

如图10所示，其中显示了主钳壳体20内的壳内组件22的俯视图。如图所示，壳内组件还包括等角度间隔设置的三个卡瓦座252和设置在卡瓦座252之间的两个弧面板253。每个弧面板253上设置多个销轴256，销轴256的两端分别伸出上夹板25和下托板28并通过螺母固定在其上。卡瓦座252包括座轴251和座架，座架可活动地连接到座轴251上并呈弧面型，卡瓦3固定在座架上。三片卡瓦呈圆弧形布置，以夹紧其中的管柱。环形齿轮24的内侧间隔设置有三个容纳部254，相邻的容纳部254之间为圆弧面，该圆弧面与弧面板253的形状相匹配。与卡瓦座252的座轴251接触的下托板28上部分设置的容纳部254为长条形，容纳部254不穿透下托板28的整个厚度，仅开设在下托板28的上表面一定深度范围内。座轴251可沿容纳部254径向移动，从而张开和收紧座架，使得设置在座架上的卡瓦3能够夹紧和放松管柱。

当通过输入组件30向主钳组件输入动力时，环形齿轮24周向旋转，从而带动座轴251在容纳部254内径向移动，当座轴251在容纳部254内向中心移动时，推动卡瓦抱紧管柱并继续旋转，使得上管柱与下管柱旋接。

优选地，本发明的卡瓦可以是采用合金钢制成的微压痕卡瓦，该合金钢由以下重量份的组分组成：C 0.17-0.19％、Si 2.1-2.5％、Cr 1.4-1.7％、Mn 2.2-2.8％、W 1.3-1.5％、Ti 0.06-0.08％、Mo 0.08-0.1％、Sb 0.03-0.06％、S 0.022-0.025％、P 0.012-0.014％、其余为铁和不可避免的杂质。优选地，本发明的合金钢由以下重量份的组分制成：C 0.17％、Si 2.2％、Cr 1.6％、Mn 2.5％、W 1.5％、Ti 0.08％、Mo 0.1％、Sb 0.06％、S 0.024％、P 0.013％、其余为铁和不可避免的杂质。

本发明的用于制造卡瓦的合金钢的处理工艺如下：

(1)将冲压好的工件表面进行清洗、抛光和脱脂处理。

(2)将预处理好的工件加热到940-945℃进行正火处理3小时，然后通入空气在12分钟内冷却至615-620℃，并使之保持该温度1.5小时后空冷。

(3)在230℃下对渗碳炉进行干燥处理2小时。

(4)在渗碳炉的底部放入渗碳剂，将工件放入渗碳炉中，工件的上部也放入渗碳剂，将渗碳炉中温度升至660-662℃保温5小时，进行初渗。渗碳设备必须有良好的炉温均匀性、密封性和气氛均匀性，否则同炉工件会由于炉温或气氛的不均匀而导致畸变量的不均匀。

优选地，渗碳剂由二氧化硅、炭黑、碳酸氢钙、碳酸氢钠、醋酸甲脂、丁烯酸甲脂按照质量比为1：0.3-0.34：0.12-0.15：0.1-0.13：0.2-0.23：0.06-0.08混合均匀制成。更优选地，渗碳剂由二氧化硅、炭黑、碳酸氢钙、碳酸氢钠、醋酸甲脂、丁烯酸甲脂按照质量比为1：0.33：0.15：0.12：0.21：0.06混合均匀制成。上述渗碳剂是针对本发明卡瓦的合金钢成分专门配置，采用本发明的渗碳剂，能够极大地提高渗碳效率。

(5)继续升温至810-815℃，保持2小时，同时持续滴入异丙醇；异丙醇的滴入量为10-12毫升/分钟，碳势为0.8％Cp。通入的异丙醇在高温下分解，产生活性碳原子，并被加热状态的工件表面吸收，而后向合金钢内部扩散。通常，加热温度愈高，渗碳速度就愈快，且扩散层的厚度也愈深。

碳势与水势、电势一样，势差决定了物质流动的趋势。碳势差决定了碳扩散的方向。当自由扩散时，碳总是从碳势高的地方向碳势低的地方扩散。热处理中的碳势是指炉内含碳气氛在一定温度下与钢铁工件表面的奥氏体之间达到动态平衡时，钢的表面达到的含碳量。一般采用低碳钢薄片测量。将厚度小于0.1mm的低碳钢箔片置于某一温度的渗碳介质中，进行穿透渗碳，测定箔片的含碳量，即为该渗碳介质在该温度下的碳势。

(6)继续升温至925-930℃，保持60小时，同时持续滴入异丙醇。在此期间，前48小时为强渗阶段，异丙醇的滴入量为20-22毫升/分钟，碳势为1.2％Cp；后12小时为扩散阶段，异丙醇的滴入量为8-10毫升/分钟，碳势为0.8％Cp。

(7)随炉降温至840℃，通入冷风，温度迅速降至590-592℃，保温3小时，然后再次升温至810-815℃，保温2小时，同时持续滴入异丙醇；异丙醇的滴入量为10-12毫升/分钟，碳势为1.0％Cp。

(8)将工件取出放入油中淬火，待温度降至130-135℃时，低温回火至190-200℃，空冷。淬火过程中释放了零部件在整个加工工艺过程的一系列操作中积累起来的崎变潜能；淬火后的低温回火，还可使部分残留奥氏体转变为马氏体，而使马氏体充分转变为回火马氏体，从而保证组织及尺寸稳定性。

(9)工件表面进行发黑处理，发黑处理的原理是使金属表面产生一层氧化膜，以隔绝空气，达到防锈目的。

采用上述工艺处理后，卡瓦的硬度可达56-62HRC，而且耐磨性能得到了极大地提高。

采用本发明的制备方法制得的卡瓦用于液压钳中，能够使得液压钳在抱紧管柱的过程中不会在管柱的表面造成损伤，能够极大地提高油管的使用寿命和作业安全性。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。