石油鉆機(jī)頂驅(qū)卡轉(zhuǎn)故障分析及改進(jìn)

胡曉東，方賢圓

（順益體系（集團(tuán)），廣東 珠海 519020）

石油鉆機(jī)頂驅(qū)卡轉(zhuǎn)故障分析及改進(jìn)

胡曉東，方賢圓

（順益體系（集團(tuán)），廣東 珠海 519020）

本文對(duì)一起石油鉆機(jī)頂驅(qū)卡轉(zhuǎn)事故進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主軸承潤(rùn)滑不良是造成故障的直接原因。主軸承因潤(rùn)滑失效，導(dǎo)致發(fā)熱磨損主軸下沉。電機(jī)軸向尺寸誤差累積導(dǎo)致間隙量小，遇到主軸下沉或拉長(zhǎng)軸向變形后摩擦。電機(jī)下端軸承內(nèi)圈開裂，導(dǎo)致滾道跑偏以致機(jī)械密封徑向偏差并燒結(jié)卡死。

石油鉆機(jī)；頂驅(qū)；主軸承；機(jī)構(gòu)優(yōu)化；潤(rùn)滑改良

0 引言

由中方提供核心設(shè)備的南美洲某石油開采項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)頂驅(qū)主電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況。用戶司鉆稱頂驅(qū)在鉆進(jìn)時(shí)聽到“砰”的一聲響，隨后主電機(jī)即停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但頂驅(qū)扭矩卻升高。后試驗(yàn)多次仍不能轉(zhuǎn)動(dòng)。該井設(shè)計(jì)井深5400m，實(shí)際完成5168.2m，鉆具懸重約250t，轉(zhuǎn)速80～100r/min，環(huán)溫37℃。

檢查剎車鉗正常有效；旋轉(zhuǎn)頭能夠正常旋轉(zhuǎn)，且無下沉現(xiàn)象；排除電機(jī)故障。基本確定為頂驅(qū)的動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)部故障，頂驅(qū)下架解體檢查。

1 檢查情況

1.1 電機(jī)下端蓋軸承損傷

（1）電機(jī)下端蓋徑向軸承內(nèi)圈開裂；滾道內(nèi)仍有油脂，油脂狀態(tài)基本正常，如圖1所示。

圖1 軸承內(nèi)圈開裂、滾道有油脂

（2）電機(jī)下端蓋機(jī)械密封環(huán)向下滑移錯(cuò)位與上支撐蓋接觸摩擦，兩零件均有高溫發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，如圖2所示。

（3）電機(jī)下端蓋軸承上方機(jī)械密封環(huán)摩擦燒結(jié)并開裂，如圖3所示。

1.2 主軸承磨損嚴(yán)重

解體后發(fā)現(xiàn)主軸承磨損嚴(yán)重，軸承存在潤(rùn)滑不良現(xiàn)象：

（1）軸承滾子表面無潤(rùn)滑脂；

（2）擠出滾道的潤(rùn)滑脂發(fā)黑干結(jié)；

（3）滾子表面點(diǎn)蝕/剝落；

（4）上下端蓋也存在不同程度的點(diǎn)蝕和凹坑。

如圖4、5、6所示。

圖2 密封環(huán)及支撐蓋高溫發(fā)藍(lán)

圖3 機(jī)械密封環(huán)摩擦燒結(jié)并開裂

圖4 滾道無油脂

圖5 滾子表面疲勞剝落

圖6 座片磨損，部分疲勞剝落

2 故障分析

2.1 電機(jī)下端軸承內(nèi)圈斷裂分析

軸承內(nèi)圈產(chǎn)生裂紋可能原因：

（1）材料缺陷 。軸承零件的微裂紋、縮孔、氣泡、大塊外來雜物、過熱組織及局部燒傷等缺陷在沖擊過載或劇烈振動(dòng)時(shí)會(huì)在缺陷處引起斷裂。

（2）過載 。當(dāng)外加載荷超過材料強(qiáng)度極限而造成零件斷裂稱為過載斷裂。實(shí)際使用工況超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)造成的。

（3）安裝不當(dāng) 。如果主軸在安裝過程中，主軸軸心線的垂直差控制的不好產(chǎn)生偏心，那么電機(jī)軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體就會(huì)受到周期性沖擊負(fù)荷，導(dǎo)致軸承內(nèi)圈斷裂失效。另一個(gè)就是軸承安裝間隙過小導(dǎo)致軸承發(fā)熱卡死，卡死后電機(jī)依然運(yùn)轉(zhuǎn)最終憋裂內(nèi)圈。從主軸承套圈點(diǎn)蝕分布情況看出，可能存在主軸垂直差不好造成偏載情況的產(chǎn)生，從現(xiàn)場(chǎng)聽到砰一聲巨響可能就是內(nèi)圈斷裂產(chǎn)生。通常出現(xiàn)軸承斷裂失效大多數(shù)為過載失效，過載原因主要是主機(jī)突發(fā)故障或安裝不當(dāng)。

2.2 主軸承產(chǎn)生點(diǎn)蝕、剝落分析

（1）軸承內(nèi)部滾道潤(rùn)滑油脂均被擠出。

（2）溢出油脂明顯發(fā)黑變硬，應(yīng)為高溫氧化所致。

（3）滾動(dòng)體存在帶狀點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

（4）滾動(dòng)體干澀無明顯的成形油膜。

（5）軸承座片和軸片存在大量疲勞剝落。

（6）從主軸承蓋點(diǎn)蝕剝落的分布狀況可以看出存在偏載現(xiàn)象，如圖7所示。

軸承產(chǎn)生點(diǎn)蝕剝落的可能原因：

（1）軸承在工作中承受的負(fù)荷過大，超過極限負(fù)荷。該軸承額定動(dòng)載荷400t（MAX），額定靜載荷675t。實(shí)際鉆具懸重約250t，未超過額定載荷。

（2）安裝不當(dāng)：軸承在安裝時(shí)不到位或安裝傾斜，使軸承偏載等非正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）異物進(jìn)入：有異物進(jìn)入軸承，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受卡阻。

（4）材質(zhì)缺陷：材質(zhì)本身存在冶煉及熱處理等缺陷。

（5）潤(rùn)滑不良：潤(rùn)滑劑失效或潤(rùn)滑劑本身抗極壓性能達(dá)不到工況要求導(dǎo)致潤(rùn)滑不良產(chǎn)生點(diǎn)蝕剝落現(xiàn)象。

（6）潤(rùn)滑方式：潤(rùn)滑方式設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致潤(rùn)滑點(diǎn)潤(rùn)滑不足。

圖7 座片帶狀疲勞剝落

3 改進(jìn)建議

本次故障直接原因是主軸承潤(rùn)滑不良，潛在原因是設(shè)備存在安裝偏差。即使下次安裝到位，如果沒有對(duì)主軸承進(jìn)行潤(rùn)滑改進(jìn)，故障仍隨時(shí)會(huì)發(fā)生。因此就主軸承潤(rùn)滑方案改進(jìn)提以下建議。

3.1 主軸承機(jī)構(gòu)優(yōu)化建議

除了潤(rùn)滑劑極壓性不足導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑不良外，該設(shè)備還存在軸承的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑方式不合理的因素，導(dǎo)致滾子表面潤(rùn)滑劑無法及時(shí)補(bǔ)充，出現(xiàn)潤(rùn)滑不良，造成軸承損傷。

目前生產(chǎn)的額定動(dòng)載荷250t及以下頂驅(qū)軸承結(jié)構(gòu)如圖8所示，滾子之間有保持架，軸承座片也有一定儲(chǔ)油結(jié)構(gòu)。

圖8 250t及以下頂驅(qū)軸承

因此油脂保持效果良好，滾子表面油膜能得到有效補(bǔ)充。使用效果如圖9所示。

400t及以上軸承結(jié)構(gòu)如圖10所示，保持架穿過滾子中心并沒有保持滾道油脂的作用，座片是一個(gè)平面也無儲(chǔ)油功能。該類型軸承采用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑更為合理。因此使用后軸承滾子表面幾乎無任何油脂殘留，如圖4所示。

圖9 250t及以下頂驅(qū)軸承潤(rùn)滑效果

圖10 400t及以上頂驅(qū)軸承

由此，我們建議：（1）加強(qiáng)主軸承下端密封，減少油脂從座片和主軸之間動(dòng)密封出泄漏。

（2）安裝加脂設(shè)備，人工或者自動(dòng)加脂設(shè)備定期補(bǔ)加油脂，避免出現(xiàn)軸承缺油情況。

（3）軸承座片位置安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控軸承運(yùn)行狀態(tài)。

（4）增加油脂填充量，油脂填充位置建議高于軸承軸片高度，如圖11所示。

圖11 主軸承潤(rùn)滑方式優(yōu)化示意

3.2 主軸承潤(rùn)滑劑改良建議

從潤(rùn)滑角度分析，目前存在潤(rùn)滑劑極壓性不足問題。主軸承使用美孚SHC 220，四球焊接載荷250kgf，滿足一般工況極壓性能要求。如果在潤(rùn)滑性滿足要求情況下，單純?nèi)庇鸵鸬氖В窍纫绯龅膽?yīng)該是紅色油脂，當(dāng)主軸承潤(rùn)滑不夠時(shí)才發(fā)生逐漸高溫氧化再溢出少部分黑色變質(zhì)油脂。實(shí)際上全部是黑色油脂，如圖12所示。

頂驅(qū)主軸承的工況特點(diǎn)及潤(rùn)滑建議：

圖12 主軸承溢出油脂顏色

（1）重載，有沖擊負(fù)荷。建議潤(rùn)滑劑四球焊接負(fù)荷＞380kgf，在重載和有沖擊負(fù)荷的工況下，摩擦副表面處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，此時(shí)要求潤(rùn)滑劑具有良好的極壓性能。含石墨、二硫化鉬等固體潤(rùn)滑劑成分，可以增強(qiáng)潤(rùn)滑劑的抗重載能力，并起到應(yīng)急潤(rùn)滑作用。

（2）溫度范圍廣，環(huán)境溫度-40～60℃，實(shí)際工作溫度-35～120℃。 低溫啟動(dòng)力矩不能過大，對(duì)油脂低溫流動(dòng)性要求；異常高溫時(shí)，要求油脂具有良好的抗氧化性。建議選用全合成的最好是全氟聚醚基礎(chǔ)油。

（3）環(huán)境惡劣，露天環(huán)境，存在大量水汽、粉塵、曝曬等影響。推薦選擇聚脲基、PTFE等稠化劑類型抗水性突出，露天水汽環(huán)境不易乳化，高溫穩(wěn)定性好不易變稀流失。

（4）長(zhǎng)效潤(rùn)滑，加脂周期達(dá)到1年甚至2年以上，期間無需再潤(rùn)滑。

4 結(jié)語

通過對(duì)大型頂驅(qū)卡轉(zhuǎn)事故分析得知，該設(shè)備故障除了安裝存在一定偏差外，核心部件主軸承的潤(rùn)滑密封設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致了主軸承損傷進(jìn)而引發(fā)連鎖反應(yīng)最終卡轉(zhuǎn)。本文建議一方面改進(jìn)主軸承潤(rùn)滑密封機(jī)構(gòu)，另一方面針對(duì)頂驅(qū)這類大型重載設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，在潤(rùn)滑劑選擇上也需要根據(jù)實(shí)際情況做相應(yīng)調(diào)整，不能隨意參照一般重載設(shè)備的潤(rùn)滑標(biāo)準(zhǔn)，否則油膜強(qiáng)度無法滿足軸承滾動(dòng)/滑動(dòng)摩擦副的極壓性要求。

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[2] 汪德濤.潤(rùn)滑技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998,335～409.

[3]劉澤九.滾動(dòng)軸承應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006,1045～1066.

[4]胡邦喜.設(shè)備潤(rùn)滑基礎(chǔ)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2002,197～332.

TG333.1

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1671-0711（2016）12（上）-0053-03