提高深海1.5 m淺鉆的工作可靠性探索

孫大偉

(長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

用于深海多金屬富鈷結(jié)殼勘探的深海1.5 m淺地層巖芯樣鉆機(jī)(簡(jiǎn)稱深海淺鉆)，一直是大洋科學(xué)考察的必備勘探設(shè)備，在大洋科學(xué)考察工作中發(fā)揮著極其重要的作用。大洋科學(xué)考察中若深海淺鉆工作中出現(xiàn)故障，會(huì)對(duì)整個(gè)大洋航次的科考任務(wù)的順利完成造成很大的影響，因此提高深海淺鉆的工作可靠性十分重要。

1 深海淺鉆系統(tǒng)簡(jiǎn)介

深海1.5 m淺地層巖芯取樣鉆機(jī)，用于4000 m以淺的海底硬質(zhì)基巖和較大面積礦石的取樣。作業(yè)時(shí)經(jīng)鎧裝光纖動(dòng)力纜施放至海底，通過(guò)所帶攝像機(jī)觀察海底狀況，由甲板監(jiān)控系統(tǒng)操作進(jìn)行取樣。

整個(gè)鉆機(jī)系統(tǒng)包括高壓供電系統(tǒng)子單元、圖像傳輸與控制和視頻監(jiān)控系統(tǒng)子單元、液壓系統(tǒng)子單元等。確保系統(tǒng)工作的可靠性，就要分析深海淺鉆在作業(yè)條件下，各系統(tǒng)子單元產(chǎn)生故障的可能性，分析產(chǎn)生故障的原因，提出預(yù)防故障發(fā)生或者故障發(fā)生后的解決措施，從而提高整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。

2 鉆機(jī)高壓供電系統(tǒng)可靠性分析

鉆機(jī)高壓供電系統(tǒng)是深海淺鉆工作的基本保障，確保高壓供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行主要是防止系統(tǒng)發(fā)生絕緣失效，系統(tǒng)高壓部分的供電電壓為2500 V，一旦絕緣失效，高壓電對(duì)鉆機(jī)系統(tǒng)造成的損傷是無(wú)法估量的。絕緣失效的表現(xiàn)形式為:

(1)絕緣表所測(cè)得的系統(tǒng)絕緣數(shù)值顯示值穩(wěn)定，但是數(shù)值低于20 MΩ，無(wú)法滿足系統(tǒng)的絕緣要求;

(2)絕緣表所測(cè)系統(tǒng)絕緣數(shù)值忽高忽低不穩(wěn)定。

造成絕緣失效的主要原因有:

(1)光電轉(zhuǎn)接盒密封失效進(jìn)水;

(2)光電轉(zhuǎn)接盒內(nèi)部的污染物顆粒過(guò)多;

(3)高壓連接纜與變壓器箱或光電轉(zhuǎn)接盒連接，因?yàn)閮?nèi)部的卡簧安裝誤差導(dǎo)致密封失效進(jìn)水;

(4)萬(wàn)米光纖纜因?yàn)殂@機(jī)多次下水作業(yè)扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致光纖纜損傷，內(nèi)部光纖纜進(jìn)水，使系統(tǒng)絕緣失效。

針對(duì)以上可能造成絕緣失效的因素，為了增加高壓系統(tǒng)工作的可靠性，所采取的措施應(yīng)為:

(1)在設(shè)計(jì)之初，對(duì)于光電轉(zhuǎn)接盒的密封采用如雙O型圈密封等更高級(jí)別的密封方式，安裝過(guò)程中注意控制O型圈的預(yù)緊壓縮量為合適狀態(tài);

(2)裝配光電轉(zhuǎn)接盒之前，認(rèn)真清洗盒體和端蓋及內(nèi)部所有元器件，同時(shí)保證內(nèi)部的變壓器油清潔;

(3)在安裝與高壓連接纜對(duì)應(yīng)的變壓器端和光電轉(zhuǎn)接盒端的兩個(gè)纜接頭內(nèi)部的卡簧時(shí)，要采用專用工具安裝，防止其發(fā)生變形，影響裝配質(zhì)量，進(jìn)而影響系統(tǒng)密封效果;

(4)造成萬(wàn)米鎧裝纜發(fā)生扭轉(zhuǎn)的主要因素為下放和回收過(guò)程中，不可控制的海流沖擊因素導(dǎo)致，所以為防止鎧裝纜發(fā)生過(guò)多扭轉(zhuǎn)，應(yīng)在四級(jí)海況或者以下方可進(jìn)行淺鉆作業(yè)，一旦發(fā)生鎧裝纜扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致纜損傷使絕緣失效時(shí)，應(yīng)砍去已經(jīng)損壞部分的纜，然后重新硫化鎧裝纜和承重頭之間的連接，經(jīng)拉力測(cè)試合格后，方可繼續(xù)使用。

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的工作可靠性分析

鉆機(jī)在海底尋址和取芯鉆進(jìn)的過(guò)程都需要視頻監(jiān)控，確保視頻監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定工作對(duì)于提高取芯過(guò)程的效率和質(zhì)量有著重要的意義，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障則視頻信號(hào)發(fā)生異常，影響鉆機(jī)作業(yè)，視頻信號(hào)異常表現(xiàn)為:

(1)視頻信號(hào)不清晰，在屏幕上表現(xiàn)為白色帶狀線條或白色斑點(diǎn);

(2)視頻信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)，間隔為幾秒到幾十秒;

(3)視頻信號(hào)徹底中斷，無(wú)法恢復(fù)。

造成視頻信號(hào)異常的可能原因?yàn)?

(1)鉆機(jī)多次作業(yè)造成的光纖衰減或者光電轉(zhuǎn)接盒和控制桶中間的光纖纜接頭松動(dòng)造成的;

(2)控制桶內(nèi)部電子元器件、電路板損傷或者內(nèi)部接線松動(dòng)斷開(kāi)。

為提高視頻監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性，應(yīng)采取如下的措施:

(1)設(shè)計(jì)之初應(yīng)將光纖傳輸?shù)耐ǖ涝O(shè)計(jì)成雙通道互為備份的信號(hào)傳輸方式，一旦在用的光纖信號(hào)傳輸通道因光纖衰減發(fā)生信號(hào)異常，可立即更換備份光纖信號(hào)傳輸通道加以解決;

(2)在鉆機(jī)使用過(guò)程中，應(yīng)定期清洗光纖頭和光纖連接纜，不用的光纖插頭蓋上堵帽做好保護(hù);

(3)在設(shè)計(jì)之初，選用更適于低溫、震動(dòng)等深海復(fù)雜環(huán)境下的控制桶內(nèi)部的元器件，控制桶內(nèi)部元器件與電路板之間的焊接或者線路焊接應(yīng)牢固、可靠。

(4)增加光纖連接纜與控制桶或者光電轉(zhuǎn)接盒連接的防松措施，如可設(shè)計(jì)特殊裝置或者在外部黏貼防水膠布等。

4 提高液壓系統(tǒng)工作可靠性的措施

液壓系統(tǒng)單元是整個(gè)鉆機(jī)系統(tǒng)的核心部分，液壓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是淺鉆順利工作的必要條件。深海鉆機(jī)因液壓系統(tǒng)故障表現(xiàn)的現(xiàn)象及產(chǎn)生原因如下。

(1)液壓系統(tǒng)壓力正常，鉆機(jī)動(dòng)作失效?？赡茉蛉缦?因?yàn)楹５椎匦螐?fù)雜，鉆機(jī)多次著底震動(dòng)導(dǎo)致控制桶內(nèi)部相應(yīng)的元器件損壞或者控制板損傷;鉆機(jī)長(zhǎng)期多次作業(yè)油液污染累積，使液壓油的清潔度過(guò)低，控制閥內(nèi)部污染顆粒過(guò)多，閥芯與閥體之間的運(yùn)動(dòng)副堵塞導(dǎo)致控制閥失效;在工作過(guò)程中，液壓油缸的活塞桿長(zhǎng)期裸露在外直接和環(huán)境接觸，難免將塵埃污物帶入液壓系統(tǒng)，加速密封元件和活塞桿等的劃傷和磨損，從而引起內(nèi)泄漏等，造成高低壓腔互通，最終導(dǎo)致油缸拉力或推力不足，另外液壓油的乳化也會(huì)使內(nèi)泄漏增大。

(2)鉆機(jī)動(dòng)作異常，例如在甲板控制單元控制界面點(diǎn)擊低壓推進(jìn)按鈕，卻發(fā)生了高速正傳。可能的原因是:鉆機(jī)長(zhǎng)期作業(yè)導(dǎo)致控制桶內(nèi)部的控制板或者繼電器等元器件損傷或電路板燒結(jié)短路。

(3)油缸推進(jìn)直線位移顯示不準(zhǔn)確，表現(xiàn)為兩個(gè)方面:直線位移數(shù)值不發(fā)生變化，停留在某一數(shù)值;直線位移傳感器反應(yīng)延遲，出現(xiàn)數(shù)值“遲滯”于油缸動(dòng)作現(xiàn)象。發(fā)生這種情況的原因有:鉆機(jī)多次下水作業(yè)，位移傳感器多次來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于機(jī)械磨損導(dǎo)致位移傳感器磨損失效;推進(jìn)油缸長(zhǎng)期多次作業(yè)，密封失效進(jìn)水，導(dǎo)致位移傳感器失效。

以上3種故障在深海淺鉆作業(yè)過(guò)程中發(fā)生的概率較大，液壓系統(tǒng)累計(jì)污染導(dǎo)致清潔度下降;鉆機(jī)元器件、零部件及密封件等因磨損等原因?qū)е旅芊馐?控制桶內(nèi)部元器件損傷等是造成故障發(fā)生的主要原因，因此應(yīng)采取針對(duì)性的措施，提高深海淺鉆液壓系統(tǒng)工作的可靠性:

(1)在設(shè)計(jì)上采取措施保證油的清潔度，液壓元件組裝前必須進(jìn)行嚴(yán)格清洗，必須通過(guò)過(guò)濾器向油箱加油，維修拆檢液壓元件時(shí)應(yīng)在無(wú)塵區(qū)進(jìn)行;

(2)系統(tǒng)油箱的吸油過(guò)濾器及壓力過(guò)濾器及回油過(guò)濾器必須定期檢查清洗或更換濾芯;

(3)定期檢查更換液壓油，換油時(shí)要清洗油箱并沖洗液壓管道及元件;

(4)設(shè)計(jì)之初，對(duì)于關(guān)鍵部件如油缸等采用更適于海底復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境下的密封方式，同時(shí)選擇密封件時(shí)要選用耐磨性等性能更為優(yōu)良材料密封件;

(5)改善系統(tǒng)運(yùn)行條件，對(duì)容易磨損的零部件進(jìn)行定期潤(rùn)滑，減少摩擦，預(yù)防油缸內(nèi)泄露。

(6)正確的裝配密封件，裝配前應(yīng)仔細(xì)檢查密封件看是否存在缺陷，裝配時(shí)應(yīng)在密封件表面涂少許液壓油輕輕壓入，需注意零件的銳邊、毛刺等鋒口劃傷而失去密封作用，清洗時(shí)必須選用柴油，如用汽油會(huì)使密封件老化失去原有彈性從而失去密封效果;

(7)設(shè)計(jì)之初，對(duì)于控制桶內(nèi)部的元器件選擇時(shí)，應(yīng)考慮如震動(dòng)、低溫等海底復(fù)雜環(huán)境對(duì)元器件造成的影響，同時(shí)焊接電路板與電子元器件連接時(shí)應(yīng)焊接牢固。

5 其他影響鉆機(jī)工作可靠性的因素

(1)卡簧與鉆頭選配不當(dāng)導(dǎo)致取芯鉆進(jìn)速度過(guò)慢。卡簧自然狀態(tài)下的內(nèi)徑應(yīng)比鉆頭內(nèi)徑略大，卡簧和鉆具在選配的時(shí)候應(yīng)該遵守不完全互換性的原則，需要用游標(biāo)卡尺測(cè)量后選配。

(2)鉆機(jī)啟動(dòng)電流過(guò)大。鉆機(jī)啟動(dòng)電流應(yīng)低于50 A，但是在運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)電流在160 A左右。出現(xiàn)這種情況的可能原因是:鉆機(jī)由于下放和尋址的過(guò)程需要至少1 h左右的時(shí)間，海水溫度較低導(dǎo)致液壓油粘度增大，造成液壓泵啟動(dòng)困難，使啟動(dòng)電流陡升。應(yīng)對(duì)措施:數(shù)次短時(shí)間啟動(dòng)，以免燒壞電機(jī)，一般是啟動(dòng)幾秒，不超過(guò)8 s，如果啟動(dòng)電流沒(méi)有降低，立即關(guān)閉高壓電源啟動(dòng)按鈕，等待幾秒再重新啟動(dòng)，直至啟動(dòng)電流正常。

［1］那繼業(yè)，麻海濱，李紅梅.液壓系統(tǒng)的污染與控制［J］.包鋼科技，2006(4).

［2］李良巧.產(chǎn)品可靠性基礎(chǔ)［M］.北京:中國(guó)兵器質(zhì)量與可靠性研究中心，2002.

［3］鐘秉林，黃 仁.機(jī)械故障診斷學(xué)［M］北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.