鉆井設(shè)備軸承損壞原因分析

趙軍岐，徐天寧

（長(zhǎng)慶鉆井工程總公司，陜西西安 710018）

0 引言

鉆井設(shè)備中所用軸承種類復(fù)雜，有深溝球軸承、調(diào)心球軸承、圓柱滾子軸承、推力滾子軸承等，有些軸承價(jià)值上萬(wàn)元人民幣，如F1300泥漿泵連桿軸承928/660.4、SL-250水龍頭負(fù)荷軸承9019456和ZP-520轉(zhuǎn)盤(pán)負(fù)荷軸承1684/650等。鉆井設(shè)備大多工作環(huán)境惡劣，且井下情況不同造成設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)設(shè)備可靠性要求極高，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，將帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益損失。而軸承作為鉆井設(shè)備主要旋轉(zhuǎn)支撐零件，對(duì)鉆井設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起著非常關(guān)鍵的作用。軸承在使用過(guò)程中由于本身質(zhì)量和外部條件的原因，其承載能力、旋轉(zhuǎn)精度和耐磨性能等會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)軸承的性能指標(biāo)低于使用要求而不能正常工作時(shí)，軸承就發(fā)生了故障甚至失效，軸承一旦發(fā)生失效等意外情況后，設(shè)備將會(huì)停轉(zhuǎn)，出現(xiàn)功能喪失等各種異?，F(xiàn)象，因此需要在短期內(nèi)查出發(fā)生的原因，并采取相應(yīng)的措施。長(zhǎng)慶鉆井工程總公司是鉆井設(shè)備專業(yè)修理單位，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，修理費(fèi)用中軸承更換的費(fèi)用占到了整個(gè)設(shè)備的40%～50%，甚至有些設(shè)備修理中主要是更換損壞的軸承。每年光軸承更換費(fèi)用就400～500萬(wàn)元人民幣。因此如果能采取一定措施提早預(yù)防軸承失效，或采取在軸承失效后采取相應(yīng)措施防止其他部件繼續(xù)損壞，以提高鉆井設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備使用時(shí)間，減少維修，提高經(jīng)濟(jì)效益。因此對(duì)鉆井設(shè)備軸承失效原因進(jìn)行深入分析與診斷對(duì)于提高設(shè)備可靠性，保證正常鉆井增加鉆井效益非常重要。

石油鉆井設(shè)備由于使用工況惡劣，導(dǎo)致軸承損壞的形式也是多種多樣的。軸承常見(jiàn)的損壞形式有滾動(dòng)體有麻點(diǎn)、脫落；軸承保持架損壞；滾動(dòng)體破裂；軸承內(nèi)外軌斷裂；軸承內(nèi)外軌有磨損嚴(yán)重有點(diǎn)蝕、凹痕等；軸承擋邊掉塊；軸承游隙過(guò)大等。資料表明，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中有70%的故障是由滾動(dòng)軸承引起的。

1 軸承常見(jiàn)的損壞形式

1.1 軸承內(nèi)外軌有磨損嚴(yán)重有點(diǎn)蝕、凹痕

出現(xiàn)這類現(xiàn)象的主要原因是軸承表面受到交變應(yīng)力的作用而產(chǎn)生的材料疲勞失效。接觸疲勞失效常見(jiàn)的形式是軸承疲勞剝落，軸承滾子和軌道表面有點(diǎn)蝕或麻點(diǎn)剝落（圖1）。如果嚴(yán)重的會(huì)向深層剝落，深層剝落是接觸疲勞失效的疲勞源。滾動(dòng)軸承受到過(guò)大的沖擊載荷或者靜載荷，或者因?yàn)闊嶙冃我痤~外的載荷，或者當(dāng)有高硬度的異物侵入時(shí)，都會(huì)在滾道表面形成凹痕或者劃痕。這將使?jié)L動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)和噪聲。而且，一旦產(chǎn)生上述凹痕，由此所引起的沖擊載荷可能還會(huì)進(jìn)一步引起附近表面的剝落。

圖1 軸承內(nèi)軌點(diǎn)蝕

1.2 磨損失效

由于鉆井設(shè)備大多在風(fēng)沙大自然工作環(huán)境惡劣的野外工作，難免設(shè)備潤(rùn)滑油中有雜質(zhì)等進(jìn)入軸承內(nèi)部。軸承工作表面之間擠入較硬的砂?；蛴操|(zhì)異物或金屬表面的磨損且接觸表面相對(duì)移動(dòng)而引起的磨損（圖2）。常在軸承工作表面造成數(shù)道拉傷。

圖2 軸承內(nèi)軌磨損嚴(yán)重

1.3 腐蝕失效

鉆井設(shè)備工況復(fù)雜，在鉆井過(guò)程中不可避免的要接觸到水以及腐蝕性介質(zhì)等，如泥漿泵在工作過(guò)程中不可避免的要接觸到化學(xué)泥漿，泥漿中還有酸堿等腐蝕性藥品。如果進(jìn)入鉆井泵軸承內(nèi)部會(huì)使軸承生銹和腐蝕。泥漿泵的大連桿軸承中進(jìn)入了泥漿造成軸承損壞（圖3）。

圖3 進(jìn)入泥漿的軸承

1.4 軸承軌道或擋邊斷裂失效

軸承軌道斷裂失效的主要原因是軸承本身缺陷、過(guò)載沖擊載荷導(dǎo)致軸承脆裂、或軸承中有異物進(jìn)入造成斷裂失效。此類失效常見(jiàn)于沖擊振動(dòng)大的部位。水龍頭負(fù)荷軸承（圖4）、泥漿泵連桿軸承和十字頭軸承的軌道負(fù)荷過(guò)重造成軌道斷裂（圖5）。

1.5 軸承軌道單側(cè)擋邊位置剝落

軌道單側(cè)極限位置剝落主要表現(xiàn)在軸承彈子軌道與擋邊交界處有嚴(yán)重在裝配過(guò)程中要確保軸承安裝到位或?qū)⒆杂覀?cè)軸承外圈配合改為間隙配合（圖6），當(dāng)軸承過(guò)載時(shí)軸承得到補(bǔ)償。

1.6 軸承燒損

由于潤(rùn)滑不良或潤(rùn)滑油不符合要求（圖7），以及軸承間隙調(diào)的過(guò)小，軸承工作時(shí)迅速發(fā)熱，在短短幾十分鐘內(nèi)工作表面因受高溫而退火，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)軌將膠合在軸上，軸承滾動(dòng)體及保持架將散架。所謂膠合是指一個(gè)表面的金屬粘附到另一表面的現(xiàn)象。在潤(rùn)滑不良，高速重載的情況下，由于摩擦發(fā)熱，滾動(dòng)軸承零件可能在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到很高的溫度，從而導(dǎo)致表面損傷及損壞。

2 軸承常見(jiàn)故障的檢測(cè)

不通過(guò)拆卸檢查即可識(shí)別或預(yù)測(cè)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中的故障，這對(duì)提高鉆井設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)型是十分重要的。

圖4 失效的水龍頭軸承

圖5 軌道斷裂的泥漿泵軸承

（1）通過(guò)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音來(lái)判斷軸承是否損壞。用聽(tīng)音器或起子貼在軸承外殼來(lái)判斷軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的聲音是否正常。滾動(dòng)體在滾道上滾動(dòng)時(shí)一種滑溜的輕聲，是軸承的基本聲。但聲音的大小與滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)有關(guān)，球軸承小，滾子軸承大。輕系列軸承小，重系列軸承大。如果軸承軌道有磨損或麻點(diǎn)，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)有異響和有規(guī)律的跳動(dòng)聲。

（2）通過(guò)專用軸承振動(dòng)儀來(lái)識(shí)別。軸承如果有滾動(dòng)體表皮剝落、壓痕、銹蝕、裂紋等現(xiàn)象都會(huì)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中反映出來(lái)，通過(guò)振動(dòng)測(cè)試分析儀可測(cè)出振動(dòng)的大小，通過(guò)頻率分析推斷出異常的具體情況。

圖6 單側(cè)擋邊脫落的軸承

圖7 燒損的軸承

（3）通過(guò)軸承的工作溫度來(lái)辨別。軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的溫升，但是如果潤(rùn)滑良好這個(gè)溫度會(huì)恒定。如果因潤(rùn)滑不良或軸承安裝不合適都會(huì)引起軸承溫度急劇上升，會(huì)出現(xiàn)異常高溫。這是必須停止運(yùn)轉(zhuǎn)采取必要防范措施查明發(fā)熱原因。軸承引起高溫的原因有：潤(rùn)滑不足，潤(rùn)滑劑中含有雜質(zhì)，負(fù)載過(guò)大，軸承損壞，間隙不足及油封摩擦產(chǎn)生的高溫。