主流頂驅液壓系統低壓力故障分析思路與案例

黃建國

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司頂驅技術分公司，北京 100101）

0 引言

頂驅驅動鉆井裝置（簡稱頂驅）的液壓系統低壓力故障屬于偶發性故障，故障處理的平均時間較長，造成了鉆井作業較長時間停機，有些甚至產生了較嚴重的工程復雜事件，揭示出部分現場工程師在處理液壓系統低壓力故障時欠缺經驗，分析和處理能力有待提高。鑒于能找到的相關技術資料和參考文獻較少，結合現場工作經歷，選取VARCO TDS-11SA 和北石DQ70BS 系列頂驅進行分析，為工程技術人員相互交流提供個人的參考意見和故障處理借鑒。

1 VARCO TDS-11SA 頂驅液壓系統簡介

TDS-11SA 液壓系統集成在頂驅本體上，由液壓泵、油箱、管路、控制閥組、濾芯、散熱器、液壓缸、液壓馬達等部件組成（圖1）。該系統動力源采用1 臺10 馬力（7.46 kW）電機同軸拖動1 臺變量液壓泵和1 臺定量液壓泵。定量泵的功能是驅動1 臺齒輪油潤滑泵對齒輪傳動系統進行潤滑，并對液壓油散熱，其他液壓功能均通過變量液壓泵提供液壓動力來實現。2 臺液壓泵的液壓管路各自獨立，沒有交集，共用1 個油箱，由同1 臺電機拖動。整套系統液壓有以下特點：①結構非常緊湊；②控制閥組采用集成液壓閥塊加插裝閥組成；③所有的氮氣蓄能器均采用活塞式；④設計較完善，可靠性較高；⑤檢維修空間小，修理困難。液壓泵、插裝控制閥、電磁閥等部件的工作原理、相關資料都可方便地進行查詢。

圖1 TDS-11SA 液壓原理

定量泵液壓系統壓強設定為400 PSI（2.7 MPa），管路中包括液壓泵、調壓閥、液壓馬達（驅動齒輪油泵）、散熱器等部件，設計為定壓定排量，回路部件少，結構簡單。頂驅電控報警系統中有1 個低油壓（也稱油壓丟失）的停機燈光指示報警裝置，與該液壓回路有關聯。低油壓報警是指齒輪油潤滑噴淋管路壓力低，除了與定量泵液壓系統的壓力和排量相關，也與齒輪油潤滑回路的齒輪泵、齒輪油狀態、濾芯狀態、噴頭等相關，但與變量泵為動力源的液壓系統沒有關聯。

變量液壓泵為斜盤式軸向高壓柱塞泵，液壓系統工作壓強設定為2000 PSI（13.8 MPa）（圖2）。當回路中各液壓執行機構沒有動作的時候，液壓工作回路的壓力約成鋸齒狀周期性變化，壓強值在1700～2000 PSI（11.7～13.8 MPa）變化（1 PSI=0.006 9 MPa，圖3）。變量泵的壓強補償值調整在800 PSI（5.5 MPa），其中PV 為變量泵輸出端測試口壓強，SA 為UV1 閥2#端口工作回路的壓強。變量液壓泵建壓時間約為10 s，當工作回路壓強達到2000 PSI（13.8 MPa），UV1 卸荷閥進入卸荷狀態，液壓泵出口PV 壓強下降至接近于0，SA 口液壓系統壓強從2000 PSI（13.8 MPa）在系統蓄能器的作用下緩慢下降，約20 s 下降到1700 PSI（11.7 MPa）時，卸荷閥停止卸荷，液壓系統重新加載約5 s 至SA 口壓強再次達到2000 PSI（13.8 MPa），UV1 閥再次進入20 s 卸荷時間，周而復始形成鋸齒狀變化周期。特別說明，在鉆臺面上能十分清楚地聽出變量泵加載和卸荷的周期變化聲音；在頂驅控制房內通過輔助變頻器的電流顯示欄，也能觀察到變量泵加載和卸荷時，對應的周期變化的電流值，加載時電流達到最大值，卸荷時電流最小。該套液壓系統是陸地鉆機現場設計復雜和精巧的液壓系統，有很多值得學習借鑒的地方。

圖2 VARCO TDS-11SA 系統壓強設定

圖3 VARCO TDS-11SA 液壓系統壓強周期

2 VARCO TDS-11SA 頂驅液壓系統低油壓故障分析

2.1 故障現象

某臺TDS-11SA 從國內調整到海外進行作業不久，出現變量泵液壓系統故障，液壓工作回路的周期加載和卸荷的變化消失，從變量泵運行聲音可以聽出一直處于加載狀態，控制房輔助變頻器電流顯示也超過平時最大值，頂驅的傾斜、旋轉頭、背鉗等液壓執行機構都不工作，功能消失；司鉆控制臺上的低油壓報警系統沒有報警，當緩慢旋轉主軸時，旋轉頭總成跟隨主軸一起轉動。

2.2 故障分析及處理過程

現場工程師先檢查了電氣控制系統PLC（可編程邏輯控制器），沒有發現異常，再結合所有液壓功能消失現象，基本排除電氣故障原因。登上頂驅本體，檢測到PV 和SA 口壓強均為900～1000 PSI（6.2～6.9 MPa），確定屬于低壓力故障。從定量泵系統工作正常情況，可以排除電機拖動類故障。液壓泵一直處于建壓狀態，此時的系統壓強900～1000 PSI（6.2～6.9 MPa）更接近補償壓力，電流值超過平時最大值，也是正常現象，不能直接判斷變量泵已經損壞。液壓系統不能建壓的故障可能原因有：①液壓泵故障，俗稱內泄；②外部故障，俗稱外泄。在不能直接判斷故障點的情況下，按照先易后難的原則縮小故障范圍。

由于變量液壓泵出端通過1 根管線直接進入了液壓閥塊總成，插裝閥之間管路都集成在閥塊內部，對液壓泵的內泄判斷帶來操作困難。現場首先對外部可能故障點進行了檢查，通過對插裝閥和執行液缸進行測溫和液壓流體聲音是否正常進行初步檢查，沒有發現異常情況；再更換了RV1 和UV1 閥，且把2 個閥都調整到最大設定值，故障現象沒有發生變化，初步排除外泄故障。這2 步檢查過程相對簡單，可操作強，所耗時間也不太長。

對變量泵內泄不能建壓的檢查相對困難一些，由于現場當時沒有儲備變量泵配件，無法直接采用換泵的處理方式。在緊急采購變量泵的同時，現場為了確定變量泵就是故障點，加工了液壓轉換接頭等小工具，斷開了變量泵輸出連接的外部回路，并接上測壓表，啟動變量泵，發現壓力仍然不能建壓，變量泵被確定就是故障點。更換變量泵的操作過程比較困難也耗時較長，現場在等待采購期間，將整個液壓泵組（變量泵、定量泵和電機總成）都從頂驅上拆除到地面，打散總成，做好變量泵更換前的準備。再對變量泵進行了拆解，進一步發現變量泵銅質配油盤已經磨損出許多不規則溝槽，確定損壞，是故障真正的引發點。現場在采購的新泵到貨后，在地面將電機、變量泵和定量泵組裝成總成，裝回到頂驅本體上，按照VARCO 服務手冊順利完成了系統的建壓和調整，故障解除恢復作業。

該案例屬于典型的內泄故障類型，由于配件儲備和維修操作較困難，造成了較長時間的等停。

2.3 故障的真實原因

液壓系統的運動部件，包括液壓泵、控制閥組和執行機構在使用過程中，都會產生磨損，在正常情況下，這種磨損是逐步發生且不斷發展的。液壓部件失效是一個逐步發生、發展的過程，查找液壓泵突然失效的原因，為以后的工作提供經驗教訓。調查結果顯示，現場在安裝頂驅時犯了一個低級錯誤：非專業人員用手提桶加油時，沒有按要求從加油口加油，而是從放油口反向加油，把油桶內的雜質保留在了液壓泵一側，造成了變量泵的非正常磨損（圖4）。

圖4 TDS-11SA 放油口位置

據統計數據分析，有70%～80%的液壓系統故障引發原因是液壓油的污染所致，保持油品的清潔和可靠的過濾，是保證液壓系統各部件減少磨損失效的最有效措施。加油或換油過程需要保持油品清潔，同時必須將油可靠過濾后再加入到油箱內；進行液壓系統維修時，也需要保持液壓部件、系統管路在拆卸和安裝過程中的清潔。

3 北石DQ70BS 系列頂驅液壓系統簡介

DQ70BS 系列頂驅液壓系統沒有全部集成到頂驅本體上，液壓泵組、系統蓄能器、散熱器等都設置在地面，地面液壓站采用互為備份的雙液壓泵設計，單臺液壓泵電機功率為15 kW，液壓系統工作壓強設定為16 MPa，排量為40 L/min（圖5）。液壓站出端3 個接口（P、L、T）通過3 根兩段長度分別為50 m 和25 m 的管線，與頂驅本體液壓控制執行機構相連，出口端和中間連接口均采用快拔接頭。

圖5 北石DQ70BS 系列地面液壓站

液壓系統的控制閥組為疊加式集成閥組，安裝在本體閥塊上，固定于2 臺主電機之間（圖6）。主閥塊的3 個油口為P1 進油口、T1 回油口和L1 泄油口。PA、PB 端口連接2 只平衡油缸，BA、BB 端口連接1 只背鉗油缸，FA、FB 端口連接1 只內防噴器（也稱IBOP）油缸，SA、SB 端口連接4 只剎車油缸，HA、HB 端口連接1 只回轉頭（也稱旋轉頭）油缸，QA1、QB1、QA2、QB2 端口連接2 只傾斜液缸。

圖6 DQ70 系列疊加集成閥組

液壓系統設計相對簡單，故障分析相對容易，維修操作性較高。北石頂驅液壓泵與TDS-11SA 同樣采用斜盤式軸向高壓柱塞變量泵，液壓系統在正常工作時，液壓系統一直保持恒定壓力，不會出現TDS-11SA 的鋸齒狀周期壓力值，也不產生變量液壓泵加載和卸荷的明顯聲音。

4 北石DQ70BS 系列頂驅液壓系統低油壓故障分析

4.1 故障現象

某臺DQ70BSC 頂驅，司鉆在進行正常鉆井作業準備接立柱的時候，發現傾斜、背鉗等多個液壓執行功能消失，無法正常作業，沒有出現低油壓警報提示。現場工程師在進一步檢查中發現，頂驅主軸可以旋轉（北石頂驅旋轉頭采用雙負荷通道，在液壓油低油壓狀態下旋轉頭不會跟主軸一起轉動）；液壓執行機構全部不能工作，液壓站B 液壓泵一直維持運轉未停止，系統壓力表和B 泵壓力表顯示均為6 MPa，確認出現液壓系統低壓力故障。

4.2 故障分析及處理過程

首先確認是內泄還是外泄，再針對情況按先易后難原則進行排查。將液壓泵切換到A 泵運行后，液壓系統壓力表和A 泵壓力顯示仍為6 MPa，雙泵同時出現內泄低油壓故障的可能性較低，基本可以排除液壓泵內泄。為了進一步確定故障點是否在地面液壓站內，接著停泵泄壓后，拆出了液壓站出端的全部3 根去頂驅本體的液壓管線（P、L、T），再分別手動啟動A 和B 液壓泵，液壓系統壓強均能快速建壓到16 MPa 設定值，徹底排除變量泵及整個地面液壓站并非故障點。北石頂驅液壓系統的雙泵設計和地面液壓站出端快拔接頭結構設計，能容易且快速地判斷是否是液壓泵內泄或地面站部件造成的低油壓故障。

確定為外部泄漏后，重新接上液壓站出端3 根管線（P、L、T），帶上測溫槍等工具登上頂驅本體，對液壓控制閥組各閥組進行首次溫度測量，各閥塊溫度基本接近，沒有明顯溫度偏高的閥件。然后通知司鉆遠程啟動B 液壓泵，現場工程師在頂驅控制閥旁直接聽到了有液壓油溢流卸荷的尖銳聲音，再使用螺絲刀金屬端分別靠在各個控制閥件上，耳朵貼在螺絲刀絕緣端聽取各閥件工作聲音，當聽取PA 接口上方平衡系統溢流閥件時，能較明顯地聽出異常的溢流聲音，并伴有高頻的振動感（圖7）；僅幾分鐘時間后，測溫槍測出該閥塊比其他閥塊高出4～5 ℃，基本判斷平衡系統溢流閥塊為故障點。

圖7 DQ70BSC 頂驅平衡系統

停泵泄壓，準備拆除溢流閥進行更換時，突然發現溢流閥的調壓鎖緊帽松動，調壓螺栓處于可輕松旋動的狀態，懷疑該閥可能并沒有損壞，而只是因調壓螺栓松動改變了溢流壓力，于是直接將溢流閥調壓螺栓順時針調大最大值，通知地面重新啟動B液壓泵，在閥件處沒有聽到前期溢流卸荷的尖銳聲音，高頻振動感也消失，同時地面液壓站反饋液壓系統壓強恢復正常的16 MPa。現場工程師將測壓表接上平衡系統的壓力測試口，按照北石《頂部驅動鉆井裝置液壓手冊》里技術程序，重新將溢流閥調整到廠家設定的12.5 MPa，鎖緊調壓鎖緊帽，并對其他閥塊的鎖緊帽進行了檢查緊固。故障消除，恢復作業。

該案例屬于典型的外泄故障類型，因現場工程師對液壓系統的熟悉程度不夠，反復遠程溝通，造成較長時間的等停。

4.3 故障處理經驗提示

北石DQ70BS 系列頂驅液壓系統采用雙泵冗余設計，雙泵同時出現內泄損壞的可能性低，對液壓泵的內泄判斷起到非常快捷的幫助；通常可采用快速切換變量液壓泵進行泵內泄的判斷，再將地面液壓站出端快速拆除，快速對液壓站其他部件的故障進行判斷。如果故障點在液壓站，由于液壓站四面壁都能打開，維修很方便。

針對外泄故障點，建議采用集中對各回路部件測溫和聽取液壓溢流卸荷的聲音方式初步判斷，不需要再對各液壓回路壓力進行檢測。另據目前收集到的故障數據顯示，外泄的故障點相對集中在平衡系統溢流閥和本體上的液壓油加熱閥，一般為閥組發生了溢流即大流量卸壓。

液壓運行部件的磨損是漸變過程，技術人員平時要多觀察系統各壓力值變化，各部件的溫度、工作聲音的變化。本案例中低油壓故障不會是突發出現的，正常情況是調壓螺栓逐漸松動，系統壓力逐漸下降，直至在某個時刻發生較大幅度下降出現液壓功能消失，才將故障徹底暴露出現。在日常的巡查工作中，能及時發生故障苗頭，就可以在鉆井作業的空檔窗口期較從容地進行檢查處理，減少作業的停機時間。

5 結語

當出現液壓系統低油壓故障時，建議按先查內泄、后外泄，按先易后難的原則逐步縮小故障范圍；特殊情況也可例外，例如對液壓系統、部件工作狀態、易出現的故障點等情況很熟悉了解，頂驅又在恰當高度適合快速檢查時；外泄低壓力故障時，常伴隨著液壓油溫度異常升高和液壓閥件溢流卸荷異常聲音，這種現象對縮小故障范圍，快速查找故障點非常有用。無論是哪一種類型的液壓系統低壓力故障，只要現場人員保持分析和處理能力，不因涉及面廣，不能直接判斷具體故障回路而慌亂，就能一步縮小故障范圍，直至排除故障，恢復設備的正常工況。