海洋固定模塊鉆機(jī)泥漿泵質(zhì)量后評(píng)估分析

陳 濤

（中海石油（中國(guó)）有限公司南海東部深圳分公司，廣東 深圳518067）

泥漿是鉆完井的血液，泥漿泵是鉆完井的心臟。泥漿泵故障會(huì)直接導(dǎo)致鉆完井泥漿循環(huán)中止，如同人體血液循環(huán)中止會(huì)導(dǎo)致人死亡一樣。如不能迅速恢復(fù)泥漿循環(huán)，將導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，引發(fā)井下事故，甚至井噴。泥漿泵的主要作用是將泥漿隨鉆頭鉆進(jìn)注入井內(nèi)，起著冷卻鉆頭、清洗鉆具、穩(wěn)固井壁、驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)，并將巖屑帶回地面的作用。因此，泥漿泵運(yùn)行的穩(wěn)定性是鉆完井施工時(shí)效和安全的關(guān)鍵因素。

在我國(guó)海洋石油工業(yè)早期，多采用進(jìn)口設(shè)備，質(zhì)量可靠，運(yùn)行穩(wěn)定。在國(guó)產(chǎn)設(shè)備替代的大背景下，從“十二五”規(guī)劃開(kāi)始，我國(guó)海洋石油平臺(tái)逐步開(kāi)始鉆機(jī)裝備的國(guó)產(chǎn)化，其中泥漿泵作為關(guān)鍵裝備是最早大規(guī)模商業(yè)化的鉆井裝備，在最初應(yīng)用期間，故障頻發(fā)，給鉆完井作業(yè)帶來(lái)極大的安全隱患。

1 泥漿泵運(yùn)行故障分析

在鉆機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)每臺(tái)設(shè)備都建立了維修檔案，根據(jù)設(shè)備維修檔案，對(duì)某新建固定平臺(tái)的泥漿泵從投產(chǎn)到開(kāi)發(fā)井完工間故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。影響到泥漿系統(tǒng)運(yùn)行的故障14 次，其中電氣故障4 次、機(jī)械損傷2 次、設(shè)備易損件損壞4 次、設(shè)備部件脫落3 次、電控故障1 次。從次數(shù)占比分析，電氣故障和易損件較多，但是從故障導(dǎo)致泥漿泵損失時(shí)間來(lái)分析，機(jī)械損傷占關(guān)停時(shí)間的63%。故障占比次數(shù)見(jiàn)圖1，故障損失占比時(shí)間見(jiàn)圖2。由圖可見(jiàn)，機(jī)械損傷的次數(shù)是泥漿泵損失時(shí)間的主要因素，減少機(jī)械損傷能有效提高泥漿泵的運(yùn)行時(shí)效。

圖1 故障占比次數(shù)

圖2 故障損失占比時(shí)間

2 故障原因分析

按照電氣故障，機(jī)械損傷，電控故障對(duì)該泥漿泵系統(tǒng)故障進(jìn)行調(diào)查分析。

2.1 電氣故障原因分析

泥漿泵因電氣故障4 次，2#泥漿泵變頻器跳閘、2#泥漿泵變頻器進(jìn)線斷路器合不上閘、檢修1#灌注泵司鉆房遠(yuǎn)程啟動(dòng)失效、1#泥漿泵無(wú)法正常啟動(dòng)。造成原因均為電氣元件接觸不良或松動(dòng)引起的故障。

為了方便維修，電氣部分的控制回路、輔助回路、互鎖回路或連鎖回路等，其連接方式都設(shè)計(jì)為插接式或緊固式連接。時(shí)間長(zhǎng)易形成插腳與底座接觸夾片，不能接觸或松動(dòng)造成接觸不良，應(yīng)加強(qiáng)巡回檢查易松動(dòng)的電器元件或部件。

2.2 機(jī)械損傷故障分析

機(jī)械損傷2 次，一次是人字齒輪點(diǎn)蝕，一次是冷缸閥頭刺漏，造成32 小時(shí)的關(guān)機(jī)搶修。

泥漿泵人字齒均存在不同程度點(diǎn)蝕現(xiàn)象，其中2#泥漿泵點(diǎn)蝕比1#、3#較為嚴(yán)重，并且2#泥漿泵傳動(dòng)小齒輪有一處蹦齒（指甲蓋大小），點(diǎn)蝕實(shí)物見(jiàn)圖3。

圖3 人字齒點(diǎn)蝕

F-1600 泥漿泵齒輪是采用漸開(kāi)線齒形，材質(zhì)為中碳合金鋼調(diào)質(zhì)處理的中硬度齒面，泥漿泵投入工作的初期易發(fā)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。當(dāng)齒輪承受的壓力過(guò)大時(shí)，點(diǎn)蝕的面積會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)下齒面，大齒圈相比較小齒輪來(lái)說(shuō)更加容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕，當(dāng)點(diǎn)蝕的范圍擴(kuò)散到整個(gè)下齒面時(shí)，點(diǎn)蝕的形狀也發(fā)生很大改變。點(diǎn)蝕主要由齒輪的承載力決定，潤(rùn)滑油會(huì)一定程度地提高齒輪的承載力，但承載力超過(guò)齒輪的疲勞強(qiáng)度，潤(rùn)滑油就無(wú)法對(duì)齒面形成保護(hù)層，齒輪的工作面就開(kāi)始出現(xiàn)點(diǎn)蝕的情況。疲勞強(qiáng)度較差的齒輪，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)因?yàn)榻佑|力的反復(fù)作用造成表面出現(xiàn)裂痕，在后期的工作中必然會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕，隨著點(diǎn)蝕面積的不斷擴(kuò)大，就發(fā)展成為點(diǎn)蝕坑導(dǎo)致?lián)p壞齒輪面。

齒輪的潤(rùn)滑情況是造成人字齒點(diǎn)蝕的主要原因，左右兩側(cè)齒面受力不均，發(fā)生偏載，造成一側(cè)齒面點(diǎn)蝕較明顯；齒輪間歇的大小也會(huì)造成齒面點(diǎn)蝕，因齒輪間的間歇過(guò)小，潤(rùn)滑油無(wú)法在齒面之間形成保護(hù)膜，造成齒面金屬直接接觸，最終導(dǎo)致齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕的現(xiàn)象。

齒輪在工作時(shí)受力不均勻也是導(dǎo)致出現(xiàn)點(diǎn)蝕的重要原因，造成工作時(shí)受力不均勻包括：

（1）泥漿泵裝配造成的精度誤差大，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在軸向力間歇，齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)脫離了中心軌跡，加大了載荷作用側(cè)的摩擦力。

（2）人字齒自身的加工精度誤差，會(huì)直接導(dǎo)致齒輪工作面受力不均。

（3）泥漿泵在外載荷以及慣性的作用下齒輪的工作面變形，齒輪的工作位置以及齒輪軸的剛性變化導(dǎo)致側(cè)轉(zhuǎn)。

針對(duì)齒輪點(diǎn)蝕情況，廠家對(duì)2#、3#泥漿泵對(duì)大齒輪用小磨頭進(jìn)行高點(diǎn)修復(fù)，然后用油石對(duì)每個(gè)齒面進(jìn)行研磨；小齒輪清理高點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)，然后用油石對(duì)每個(gè)齒面進(jìn)行研磨修復(fù)。修復(fù)后均可以正常使用并觀察點(diǎn)蝕狀況。

三臺(tái)泥漿泵總共五處冷缸、閥座外側(cè)出現(xiàn)刺痕，其中兩處冷缸、閥座均有刺痕，其余三處只有冷缸存在刺痕（如圖4、圖5）。刺痕均發(fā)生在閥座與冷缸的接觸面，未貫穿冷缸接觸面，刺痕未向壓力方向傳遞的痕跡。

圖4 冷缸刺痕

圖5 缸體刺痕

對(duì)進(jìn)行閥座錐度幾何測(cè)量、基體化學(xué)成分分析、外壁滲碳層厚度、非金屬夾雜物、顯微組織分析（如圖6）、表面及芯部硬度、工作面異常處形貌、形成機(jī)理分析。閥座粘連部位附近滲碳層存在洼陷孔洞是冷缸閥座刺痕原因，表面滲碳層受到硬度高于滲碳層的外來(lái)異物損傷，破壞了配合密封錐面的完整性；導(dǎo)致在運(yùn)行過(guò)程中，閥座與液缸配合錐面不能完全貼合，加之閥座的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液缸的硬度，當(dāng)閥座的工作面與液缸相互產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)摩擦?xí)r，外來(lái)異物與閥座、液缸的破損金屬共同作用使液缸配合錐面造成損傷，形成了閥座上肉眼可見(jiàn)的粘連條帶。惡性循環(huán)，進(jìn)一步影響配合面貼合度，最終導(dǎo)致配合錐面失效。

圖6 閥座粘連部位光學(xué)照片分析圖

2.3 傳動(dòng)控制系統(tǒng)故障原因分析

傳動(dòng)控制系統(tǒng)故障2 次，2#泥漿泵變頻器跳閘故障、1#泥漿泵B 變頻器通信故障。欠電壓是指工頻下交流電壓方根值降低，小于額定值的10%，并且持續(xù)時(shí)間已經(jīng)超過(guò)1 分鐘以上的變化現(xiàn)象，引起欠電壓的事件與過(guò)電壓相反，我們用的變頻器屬于交-直-交變頻器三相電源經(jīng)過(guò)整流器得到直流電，通過(guò)直流母線向逆變器供電。整流后的母線電壓應(yīng)該是約等于進(jìn)線電壓的1.35 倍，為了保護(hù)變頻器，在母線電壓過(guò)低時(shí)，變頻器會(huì)報(bào)欠壓故障，并封鎖逆變器脈沖輸出。這是保護(hù)變頻器器件不受損壞的一個(gè)重要而且必要的方法，這個(gè)故障也是不能被屏蔽的。直流母線欠電壓的原因：

（1）供電線路本身的電壓不穩(wěn)定；電網(wǎng)質(zhì)量不好，大型設(shè)備大電機(jī)的啟動(dòng)造成瞬間電壓跌落等，在進(jìn)線端加裝穩(wěn)壓裝置達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。

（2）電路負(fù)載工作電流大，在電機(jī)加速時(shí)電動(dòng)機(jī)從變頻器獲得電能，并轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，如果加速時(shí)間短加速度很高，那么母線電壓會(huì)被很快拉低，而造成欠電壓故障時(shí)，可以設(shè)定延長(zhǎng)加速時(shí)間，有DIP 技術(shù)控制器的，要降低系統(tǒng)響應(yīng)延長(zhǎng)濾波時(shí)間等。

（3）供電線路存在短路、缺相或控制線路問(wèn)題。

（4）變壓器容量不足或電容器組的某個(gè)電容斷開(kāi)和蓄能不足等出現(xiàn)故障。

3 結(jié)論

泥漿泵是洋模塊鉆井設(shè)備八大件的核心裝備，是最早國(guó)產(chǎn)化和大規(guī)模商業(yè)化的設(shè)備，能滿足作業(yè)需求，解決了卡脖子的問(wèn)題，但在設(shè)計(jì)和制造方面還有一定的缺陷，有較大的質(zhì)量提高空間。從質(zhì)量后評(píng)估的結(jié)果來(lái)看，機(jī)械損傷是導(dǎo)致設(shè)備損失時(shí)間的最主要原因，若能降低機(jī)械損傷故障，將大大提高泥漿泵運(yùn)行時(shí)效。一些非關(guān)鍵部件的配件質(zhì)量不高，雖然不影響運(yùn)行時(shí)效，但不停地更換和修理為現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)不必要的作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。在后續(xù)的建造過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注泥漿泵本體和旋轉(zhuǎn)件的材料和潤(rùn)滑方案的優(yōu)化選型。在維保過(guò)程中，應(yīng)注意泥漿泵的密封面清潔，及時(shí)清理摩擦面的雜質(zhì)。