基于頂驅多種故障分析的設備維保探究

摘" " 要：頂驅是機電液一體化的鉆井設備，結構復雜，使用環境惡劣，其故障具有多樣性和突發性。由于頂驅在鉆井平臺運行中扮演著舉足輕重的角色，因此加強頂驅各項功能的監測，及時發現設備潛在問題，做到預防性維護就顯得極其重要。頂驅故障的解決過程牽涉到機械、電控、液壓等方面，屬綜合性邏輯推理分析，需提高對設備原理的認識。以頂驅工作原理的分析及國產北石頂驅在生產中典型故障的分析為依據，提出頂驅故障分析的種類、原則、方法，以及頂驅維護保養的重點，以便將來發生頂驅設備故障時能夠快速找到設備故障的原因，及時解決設備存在的故障問題。

關鍵詞：頂驅；電控；液壓；接近開關；上跳；故障分析

Equipment maintenance based on multiple fault analysis of top drive

LIANG Jiaxiang， CAO Xiqing， JIANG Hui， REN Xinwen

Drilling Branch of China Petroleum Offshore Engineering Company Limited， Tianjin 300451， China

Abstract：Top drive is a mechanical-electrical-hydraulic integrated drilling equipment with a complex structure. Used in harsh environments， the top drive encounters multiple and sudden failures. Due to the pivotal role of the top drive in the drilling platform， it is extremely important to enhance daily monitoring of its various functions for potential problem identification and preventive maintenance.The process of top drive failure solving is a comprehensive logic analysis， involving aspects including machinery， electronic control，and hydraulic pressure. Therefore， it requires a deeper understanding of the equipment principle. Based on the analysis of top driveworking principle and typical failures of Beijing Petroleum Machinery （BPM） top drive in operation， this paper put forward types， principles， and methods of top drive failure analysis， as well as key points of top drive maintenance to quickly find the cause and solution of equipment failure in the future.

Keywords：top drive; electronic control; hydraulic pressure; proximity switch; jump up; fault analysis

頂驅在生產過程中既高效又安全，既是生產的核心，同時也是鉆井平臺的關鍵設備。由于海上環境以及鉆井作業的特殊性，頂驅故障的出現往往有隱蔽性及突發性的特點。隨著設備的不斷改進和升級，在信號采集等方面更加全面，設備的動作邏輯能形成很好的閉環，這就為查找設備故障的原因提供了方便。某鉆井公司目前使用的頂驅有3種類型，分別是Canrig頂驅、國產北石頂驅DQ90BSC、NOV頂驅。雖然平臺使用的頂驅類型及廠家不一樣，但在結構、電控和液壓原理方面大同小異，邏輯控制上有一定的相通性。

1" " 頂驅DQ90BSC的結構及工作原理

如圖1所示，頂部驅動鉆井裝置在結構上主要由動力水龍頭、管道處理裝置、電氣傳動與控制系統、液壓傳動與控制系統、司鉆操作臺、單導軌與滑車、運移架等幾大部分組成[1]。

在控制上，頂驅可分為電氣控制系統（見圖2）和液壓系統（見圖3）。這兩大系統是相輔相成的。電氣控制系統包括交流變頻驅動系統和PLC/MCC系統，主要由變頻控制柜、PLC控制柜、操作控制臺、輔助控制臺、本體站、液壓源、動力電纜、控制電纜等幾大部分組成。其中司鉆操作臺給出命令后，經PLC柜處理，將指令輸出傳送至本體站及變頻器單元，實現對電磁閥及電機的驅動。總體來說，電氣控制系統好比人體的神經系統，主要作用在于信號的采集和指令的傳輸。

頂部驅動鉆井裝置是機電液一體化的鉆井設備，液壓系統是頂驅裝置的重要組成部分之一。液壓系統可以通過液壓動力源實現一系列的功能，除主旋轉由主電機驅動外，其他功能如上卸扣、吊環傾斜與回轉、IBOP打開與關閉、主電機制動、主體重量平衡等均由液壓傳動控制實現[2]。電控系統可以通過電磁閥的換向及其導通斷開，來控制液壓回路的工作，以實現各項液壓功能。如圖4所示，通過控制電磁換向閥，可以實現平衡液缸平衡狀態及上調狀態的切換，實現剎車的打開和剎車狀態的轉換。加強對頂驅裝置液壓系統的結構和工作原理的了解和認識，有助于工作人員正確地操作和維護液壓系統。

2" " 北石頂驅DQ90BSC常見故障解析

2.1" " 頂驅鎖緊銷液壓缸及鎖緊銷接近開關故障

當鉆井工況需要拆卸頂驅保護接頭和鉆具之間的連接，或者更換保護接頭和上下IBOP時，就會涉及到頂驅上卸扣操作，司鉆操作“回轉頭鎖緊”選擇開關，將其轉到“鎖緊位”，回轉鎖緊指令信號送入PLC程序，根據程序設定，通過液壓閥組使回轉頭進行“微動”，同時鎖緊油缸驅動鎖緊銷（設定壓力為4 MPa）進行插孔動作，當鎖緊銷進入旋轉頭鎖孔后，接近開關進行檢測，2對常開接點閉合，輸出“低電位”，PLC接收到鎖緊反饋信號后，停止微轉，司鉆臺鎖緊指示燈亮起，司鉆同時按下“背鉗”和“上卸扣”，觀察扭矩表指示情況，確認是否卸扣成功，完成后將鎖緊開關轉至開位[3]。

A平臺北石頂驅鎖緊液壓缸損壞過兩次（見圖5），均是由于液壓缸內部液壓桿斷裂導致，液壓缸動作后不能將銷體收回。另外由于北石生產的回轉鎖緊油缸在尺寸上有少許的差異，在更換液壓油缸后，如果不能根據鎖緊油缸安裝接近開關的接近間隙，很容易造成接近開關的損壞。鑒于安裝槽深有誤差，每次更換后均須進行測量，并使間隙不大于3 mm。如近開關安裝槽深13.5 mm，需將傳感器留出大概10.5 mm的量，以實現功能且避免損壞設備。

A平臺現已對鎖緊液壓缸定期進行更換（更換周期為3個月），并定期檢查接近開關狀態，有效避免了類似情況的出現。

2.2" " 冬季背鉗不能完全夾緊故障

背鉗液壓系統由防爆電磁換向閥、單向液壓鎖及減壓閥三個單元組成，由減壓閥調節背鉗動作所需的力，單向液壓鎖使背鉗的卡瓦可以長時間停在任意位置，目的是在正常打鉆時讓卡瓦不外露，以防碰傷鉗牙。注意采用背鉗夾緊、崩扣或緊扣時，切勿忘記動作完畢后將背鉗從夾緊狀態轉換為松開狀態[4]。

圖6為A平臺頂驅背鉗電磁閥動作的邏輯。在梯形圖的下游和電磁閥并列輸出延時繼電器（T38 2S）。此時在滿足邏輯條件下，背鉗電磁閥打開，背鉗開始動作，嘗試夾緊管柱。

為了實現背鉗夾緊后主軸開始運轉，進行上卸扣操作，只有當延時2 s后（見圖7及圖8），主軸才開始運轉，進行上卸扣操作。冬季液壓油在極端寒冷的情況下，黏度增大，導致頂驅的各項液壓動作遲緩，特別是上卸扣操作，需要背鉗和主軸配合完成。在背鉗未完全夾緊的情況下進行上卸扣操作，易造成鉗牙的損壞。“中油海12”平臺就曾出現過冬天環境溫度過低，背鉗動作緩慢，鉗牙使用周期變短的情況。

為保證平臺冬季設備正常運轉，平臺應提前更換冬季液壓油。在極端條件下，如果出現該故障，可與北石公司溝通，將電機啟動邏輯風機停掉，當背鉗夾緊后再啟動，使主軸運轉，完成卸扣的應急操作。除此之外，應定期檢查背鉗油路的輸出壓力，一般背鉗系統閥塊設定在12 MPa。若壓力過低，鉗牙不能有效地卡緊鉆桿；若壓力過高，可能導致機械部件損壞，或者卡緊力太大，導致卡壞鉆桿。

2.3" " 頂驅平衡液缸上跳功能丟失故障

平衡系統是頂驅裝置重要的輔助系統之一，由減壓溢流閥、轉換板二個單元及與之相連的蓄能器組件組成，蓄能器組件由板式溢流閥、單向閥及蓄能器組成，見圖4、圖9。平衡系統的主要作用在于平衡本體重量，其功能相當于大鉤補償彈簧，保護絲扣在上卸扣時不至于磨損。減壓溢流閥的作用在于調節平衡油缸的工作壓力與本體重量相適應；溢流閥起安全保護作用，防止沖擊負荷，蓄能器起緩沖減振作用[5]。

A平臺頂驅在更換后，不再具有上跳功能，需要根據說明書進行平衡壓力和上調壓力的設定。平衡閥組中的減壓閥對次級回路有減壓功能，用于調節平衡油缸執行機構所需的7～8 MPa壓力。溢流閥用于調定上跳壓力，設定值為12 MPa。防爆電磁球閥的作用是切換是/否上跳的狀態，得電為上跳狀態，失電為平衡狀態。蓄能器組件中的板式溢流閥對系統起安全保護作用，其調節壓力為12.5～13 MPa。

圖10、圖11為上跳閥動作的前置邏輯，所以在調整上跳壓力時，將上跳閥開關置于上跳位，并且需要將速度手輪歸零，轉向位于中位，模式為鉆井模式。在這樣的前提條件下，才能實現上跳閥的動作。由圖10可見，當反向旋扣、正向旋扣及卸扣時，上跳才能動作。與北石公司溝通對上跳功能程序進行改動，2019年之前，在上扣和卸扣動作時均有上跳功能；2019年以后進行了調整，只有卸扣時才有上跳功能。

3" " 故障類型及分析方法

在鉆井生產過程中，頂驅一直處于高負荷狀態，加之頂驅結構復雜，牽涉的設備元器件復雜多樣。對頂驅日常多種故障進行分析和研究，能更好地減少設備故障率，以及發現問題后快速地解決。通過對以上典型故障的分析可以發現，在運行過程中，因疲勞損傷、磨損、操作不當等原因，將導致頂驅故障不同程度地影響機械設備正常功能的實現，造成生命財產或者經濟效益損失。因此，及時發現故障、找出故障原因并排除重大故障非常重要。隨著時間的推移，設備各部件之間相互作用，會引起機械運動狀態變化，隨著這些狀態的變化，也會產生相應的振動、聲音、溫度的變化[6]。

3.1" " 故障診斷

設備故障診斷主要包括兩個方面：初級層面的故障診斷，該診斷主要針對設備功能進行分析。對設備的運行狀態做出迅速而有效的評價結論，以及找出故障診斷中判定為“異常”的機械設備[6]。

在日常生產中，設備的巡檢、參數的監測包括電機軸承溫度、電機電流、頂驅轉速扭矩，以及各個液壓動作的過程等，這些參數可以很直觀地體現出設備的運行狀態，反映出其可能存在的問題。現今設備大部分具有WinCC和PLC的頂驅監控系統，其功能全面，人機界面友好，且具有很好的靈活性和擴展性。監控系統實現了頂驅、液壓、整流等參數的顯示、記錄、報警和存檔，有效提高了企業的勞動生產率、經濟效益、自動化程度，同時降低了操作人員的勞動強度，也便于隨時掌握設備的實時狀態，及時發現設備潛在問題[7]。前述頂驅背鉗不能完全夾緊，導致鉗牙損壞事故，就是通過觀察設備的功能狀態，發現并解決設備故障問題的實例。通過日常巡檢，發現設備的異常和隱患，能很好地做到預防性維護，大大減少設備的故障率。

深層次診斷[3]是由機械故障診斷專門技術人員實施的高級故障診斷，主要功能是對采用初級故障診斷技術判定為“異常”的機械設備，進行專門的、細致的分析，進一步縮小范圍，查出故障的原因，給出故障的發展趨勢及影響程度等，為故障的排除、修復等方面提供決策依據。WINCC和PLC的監控系統的報警記錄和存檔功能，在深層次分析診斷時起到了很好作用，便于分析了解設備故障產生的邏輯因果和發生過程。另外需要技術人員對液壓系統工作原理以及設備機械結構有很深的認識，可以通過原理分析出設備可能存在的故障點。另一比較重要的方面是，通過PLC程序可以了解各個動作的執行邏輯，以及各個液壓元件的功能和作用；能合理地使用測壓工具對液壓系統進行檢查，不只是通過邏輯進行推理，也是現場解決問題快速有效的方法。鎖緊銷液壓缸及鎖緊銷接近開關故障的現象很明顯，出現鎖緊銷不能鎖緊或不能打開的故障。此時可以通過測壓工具測量電磁閥的測壓點，判斷電磁閥是否正常動作，還可進一步判斷液壓缸和接近開關的狀態是否完好。

3.2" " 故障類型

由于頂驅的元件在運行中會產生故障，而且往往是不同類型的故障，因此首先要找出系統中各機構有可能發生的故障及其類型，找出每種類型故障對鄰近子系統的影響，以及對系統的最終影響，并且要提出控制這些影響的措施[6]。從以往的經驗來看，設備故障有很大一部分是出現在外部傳感器上，導致設備失去了感知，不能監測到實時的反饋信號，如頂驅電機的編碼器損壞會導致轉速的采集丟失。對于執行機構故障，液壓系統中影響執行機構工作的主要部件是機械結構液壓缸，以及執行原件電磁閥等。據平臺頂驅故障統計情況，頂驅故障一般為液壓執行機構和各種傳感器故障，其中傳感器故障可以在加強設備監控的情況下進行應急處理，而對于執行機構則只能搶修設備。

發生故障的機理十分復雜，故障類型多樣，一個系統往往不止有一種故障類型。掌握設施的故障類型需要大量的經驗，特別是要利用故障類型、影響分析來積累經驗[6]。為此平臺方現在對設備出現的任何故障現象原理及分析過程進行存檔記錄，便于統計設備故障發生的頻率和季節環境及工況的關系。據統計，海上平臺頂驅一般在夏季或者長時間不使用的情況下，會出現頂驅絕緣低的故障。冬季和頂驅轉速超過120 r/min時，軸承易出現問題。這些經驗可以在很大程度上提高維保的針對性，以便采取相應的措施杜絕或減緩故障發生的頻率。

3.3" " 分析步驟

對于故障的分析，一般包括以下兩個方面。

第一，掌握和了解對象系統。首先要深入了解系統，熟悉系統的工作原理、工作過程，同時確定分析的詳細程度，要正確區分故障現象和故障原因，實際過程中這兩方面容易混在一起，難于分辨。分析故障原因時，可以從內因和外因兩個方面著手[6]。如頂驅平衡液缸的上跳功能失效，不能上跳是設備呈現的故障現象。在解析時，應該了解上跳功能實現的具體過程，以及現在不能上跳的原因。平衡液缸不能上跳的原因，是電磁閥不能正常工作，或者是上跳壓力設定不合理。另外，還需確定以下方面：一是要了解設備的工作流程和操作流程，如前面所述，要充分了解設備各項動作的基本原理，這樣可以在整體上對設備有一個清晰的認識；二是對象系統不止包括液壓系統，還包括電氣系統，小到邏輯程序，大到機械結構，都要對故障類型進行分析，應對故障類型進行正確的判斷，判斷設備故障是電氣故障還是機械故障，電氣故障是在傳感器上還是在電路控制上，機械故障是發生在液壓系統中還是存在于機械結構中。

第二，故障發生后，應快速判斷出該故障引發的一系列問題。有沒有應急措施，在保障設備正常運行的情況下，爭取合適的時間進行搶修。如必須立刻進行搶修，應考慮怎么做才能合理快速地解決問題。

4" " 結束語

頂驅是機電液一體化的鉆井設備，結構復雜，使用環境惡劣，故障具有多樣性和突發性。由于其在鉆井平臺的生產中扮演著舉足輕重的角色，因此加強日常頂驅各項功能的監測，及時發現設備潛在問題，做到預防性維護極其重要。頂驅故障的解決過程牽涉到機電液各方面，是一項綜合性的邏輯推理分析，需提高對設備原理的認識。本文以頂驅工作原理的研究、北石頂驅在生產中典型故障的分析為依據，提出頂驅故障分析的種類、原則、方法，以及頂驅維護保養的重點，以便將來在發生頂驅設備故障時能夠快速找到故障的原因，并及時解決設備的故障問題。

參考文獻

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[5]" 范閃. 頂驅液壓系統的設計與研究[D]. 廣州：華南理工大學，2012.

[6]" 霍連才. VARCO頂驅故障診斷專家系統的構建[D]. 東營：中國石油大學（華東），2010.

[7]" 范永強. 基于WinCC及PLC在鉆井頂驅監控系統中的應用[J]. 中國新技術新產品，2010（18）：39.

作者簡介：

梁甲祥（1985—），男，天津人，工程師，2008年畢業于中國石油大學（華東）電氣工程及其自動化專業，現從事鉆井平臺電氣設備管理和維保工作。Email：405525870@qq.com

編輯：林" " 鮮