哈薩克斯坦XDEC- 16井隊(duì)頂驅(qū)機(jī)械事故及處理方法

孫飛（中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司國(guó)際工程公司，新疆 烏魯木齊830000）

1 頂驅(qū)機(jī)械故障分析

2012年8月27 日早晨5：00點(diǎn)，XDEC-16鉆井隊(duì)下鉆完畢，當(dāng)班副司鉆用頂驅(qū)上扣，上扣設(shè)定扭矩值23千牛米，屬正常上扣扭矩范圍。當(dāng)啟動(dòng)手輪準(zhǔn)備鉆進(jìn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)頂驅(qū)主軸不轉(zhuǎn)動(dòng)。立即對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的檢查，轉(zhuǎn)速顯示正常，直流電壓正常，但直流電流僅為8安，扭矩顯示為零，動(dòng)力系統(tǒng)不工作；液壓系統(tǒng)正常。與此同時(shí)將故障情況向我們進(jìn)行了匯報(bào)。

8 月27 日12 時(shí)到晚8 時(shí)，為避免發(fā)生井下事故，井隊(duì)將鉆具提至套管內(nèi)。為盡快查明故障原因，我們和XDEC-16隊(duì)的電氣工程師進(jìn)行分析會(huì)診。從控制系統(tǒng)入手，對(duì)頂驅(qū)的信號(hào)采集與傳遞、動(dòng)力的輸入與輸出，磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換與供給等工況逐項(xiàng)進(jìn)行了檢查排除，最后將問(wèn)題集中到頂驅(qū)主電機(jī)上。27日23：00點(diǎn)，我們打開(kāi)頂驅(qū)主電機(jī)檢查窗，檢查電機(jī)碳刷和勵(lì)磁線圈，試運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)頂驅(qū)的轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)正常，但主軸不工作。初步分析是頂驅(qū)電機(jī)軸出了問(wèn)題，使動(dòng)力不能輸出，導(dǎo)致主軸不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

28 日，我們打開(kāi)頂驅(qū)齒輪箱檢查傳動(dòng)部分的三個(gè)齒輪，發(fā)現(xiàn)頂驅(qū)電機(jī)軸與動(dòng)力輸出齒輪之間脫離。由于該傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)緊湊，所處位置難以拆卸，在現(xiàn)場(chǎng)維修非常困難。我們盡自己所能日夜不停地抓緊時(shí)間搶修，爭(zhēng)取使頂驅(qū)盡快恢復(fù)正常工作。

2 故障排除與頂驅(qū)修復(fù)

2.1 確定修復(fù)方案

結(jié)構(gòu)分析：主電機(jī)和本體之間靠螺絲鎖緊，相互之間不會(huì)發(fā)生位移；齒輪箱內(nèi)只是過(guò)橋齒輪固定在齒輪箱底面鋼板上，主動(dòng)齒輪底部懸空約距齒輪箱底面的高度20毫米，橫向距油底殼邊緣30毫米左右。以電機(jī)主動(dòng)齒輪中心線為界靠坡道方向，既無(wú)加強(qiáng)筋也無(wú)擋板，假如割焊，不會(huì)影響扭矩傳遞所需要的強(qiáng)度。

受力分析：電機(jī)的力矩由主動(dòng)齒輪通過(guò)過(guò)橋齒輪傳至頂驅(qū)主軸齒輪，而后由頂驅(qū)主軸輸出。頂驅(qū)主齒輪的力矩通過(guò)上下扶正軸承傳遞給機(jī)殼；電機(jī)齒輪的力矩通過(guò)主電機(jī)也傳遞到機(jī)殼；只有過(guò)橋齒輪所承受的傳遞力矩通過(guò)固定螺栓傳遞到齒輪箱油底殼上，因此只要不傷及過(guò)橋齒輪的加強(qiáng)筋，采取割焊的方法是可行的。

主動(dòng)齒輪內(nèi)孔的上半部分為錐形結(jié)構(gòu)，與主電機(jī)軸的錐形面靠預(yù)緊力相配合；內(nèi)孔的下半部分為圓柱形，直徑大于電機(jī)軸軸伸端外徑；錐形內(nèi)孔與圓柱形內(nèi)孔的界面高于電機(jī)錐形軸的臺(tái)階面。如果有鎖緊螺母，只能鎖定到錐形軸的臺(tái)階面，而對(duì)主動(dòng)齒輪起不到鎖緊的作用。因此，對(duì)主動(dòng)齒輪施加一定的預(yù)緊力后，再將其與電機(jī)軸焊接在一起，可以確保連接牢固，動(dòng)力傳遞穩(wěn)定。

拆除管子處理系統(tǒng)（背鉗與旋轉(zhuǎn)齒盤(pán)）；拆除通風(fēng)管道的出風(fēng)口。

拆除油底殼上的過(guò)橋齒輪，以方便檢修。

在齒輪箱油底殼上、主電機(jī)齒輪下方割一條焊縫，以便修復(fù)主電機(jī)齒輪。

對(duì)主電機(jī)齒輪施以3000 牛頓的預(yù)緊力，然后與主電機(jī)軸點(diǎn)焊。

將油底殼焊縫補(bǔ)焊，恢復(fù)拆除的附件。

2.2 頂驅(qū)維修中幾點(diǎn)說(shuō)明

經(jīng)查詢(xún)，主電機(jī)軸和齒輪之間是靠預(yù)緊力配合的，并無(wú)背冒限位，之所以會(huì)造成兩者之間的滑脫，是頂驅(qū)制造上的缺陷。

如果用常規(guī)維修辦法進(jìn)行修理，必須在拆除管子處理系統(tǒng)后，再拆除頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)管匯，旋轉(zhuǎn)管匯是頂驅(qū)的核心技術(shù)，安裝時(shí)需要420℃的恒溫?zé)嵫b，在井隊(duì)根本就不具備這樣的維修條件，因此，要想恢復(fù)頂驅(qū)工作，最好的辦法是運(yùn)回美國(guó)進(jìn)廠維修，否則必須采取割焊的方法。

頂驅(qū)割焊之前，已經(jīng)向項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)作了匯報(bào)，我們無(wú)須征得生產(chǎn)廠家的同意。

修復(fù)頂驅(qū)采取的有關(guān)措施只能加強(qiáng)頂驅(qū)的功能，而不會(huì)影響其性能的發(fā)揮，也不可能由此引發(fā)其他故障。

割焊的齒輪箱是不承壓部件，對(duì)頂驅(qū)沒(méi)有任何損壞。

2.3 頂驅(qū)故障排除分析過(guò)程

拆除管子處理機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)管匯之間的固定螺栓及其相連的液壓管線，放掉平衡油缸的液壓油，將吊環(huán)座置于旋轉(zhuǎn)管匯外筒的底端，然后拆掉大齒盤(pán)的固定螺栓，使管子處理系統(tǒng)整體下移8英寸。

拆除通風(fēng)系統(tǒng)出風(fēng)口和保護(hù)架底部護(hù)欄，預(yù)留出足夠的維修空間。

齒輪箱油底殼上拆除過(guò)橋齒輪。發(fā)現(xiàn)主動(dòng)齒輪從電機(jī)軸上滑脫后，落在過(guò)橋齒輪固定螺栓的加強(qiáng)筋上，用手可以摸到電機(jī)軸輸出端的螺紋。于是懷疑是主動(dòng)齒輪的鎖緊螺母松掉了，后來(lái)采取了用水沖、用氣吹、鐵絲勾、磁鐵吸等種種辦法，也沒(méi)有找到鎖緊螺母。

最終確認(rèn)，主動(dòng)齒輪和電機(jī)軸之間只靠錐面間的預(yù)緊力配合，并無(wú)鎖緊螺母固定。

2.4 頂驅(qū)故障修復(fù)過(guò)程分析

由于傳動(dòng)系統(tǒng)之間結(jié)構(gòu)十分緊湊，從過(guò)橋齒輪孔的邊緣無(wú)法對(duì)主動(dòng)齒輪施力或修復(fù)。沿主動(dòng)齒輪的中心線橫向割開(kāi)齒輪箱油底殼的下端鋼板。為了不影響齒輪箱的強(qiáng)度，在氣割過(guò)程中，割縫小心地避開(kāi)了過(guò)橋齒輪的加強(qiáng)筋以及油底殼擋板等附件。

制作模具，使用井隊(duì)游錘在主動(dòng)齒輪的下端對(duì)其施加3 噸的預(yù)緊力；然后沿齒輪與電機(jī)軸的接合處焊接。

割除的油底殼鋼板用螺栓固定就位后，重新補(bǔ)焊好。清除焊渣后，先后用水、氣清潔齒輪箱，然后將拆除的部件重新裝回。

柴油循環(huán)清洗齒輪箱2小時(shí)。放干柴油，加入60升新齒輪油，更換過(guò)濾器。

8 月30 日19 點(diǎn)完成頂驅(qū)修復(fù)工作，開(kāi)機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)，空載運(yùn)行一切正常；用背鉗夾住保護(hù)接頭，使用JS1控制鈕上扣，使扭矩值達(dá)到35千牛米，頂驅(qū)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，交付井隊(duì)使用。

2.5 修復(fù)后頂驅(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)使用情況

9月1日凌晨，井隊(duì)下鋼齒鉆頭入井鉆進(jìn)（上一個(gè)牙輪鉆頭的30多顆牙齒全部磨掉，另外，井底還有金屬落物）。剛剛修復(fù)的頂驅(qū)經(jīng)受了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，當(dāng)時(shí)鉆速70RPM，鉆壓20 噸，鉆井設(shè)定扭矩15千牛米。惡劣的井底條件導(dǎo)致頂驅(qū)憋跳十分嚴(yán)重，平均每隔一個(gè)小時(shí)，就會(huì)造成一次頂驅(qū)憋停。

9 月2 日下磨鞋，9月3日下打撈桶，9月4日換牙輪鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)，在這3天的鉆井過(guò)程中，鉆進(jìn)設(shè)定扭矩值13千牛米，因工況不穩(wěn)每日都有憋停記錄。

9 月5 日15 點(diǎn)，在距完鉆井深只剩30 米時(shí)，突然發(fā)生卡鉆事故，頂驅(qū)憋停，當(dāng)時(shí)鉆井設(shè)定扭矩值15千牛米。在接下來(lái)的處理事故過(guò)程中，扭矩值上調(diào)到20 千牛米，上提重量230 噸。震擊過(guò)程中，一邊上提，一邊轉(zhuǎn)動(dòng)頂驅(qū)，達(dá)到設(shè)定值后，頂驅(qū)不斷憋停報(bào)警。

目前，事故正在處理過(guò)程中，頂驅(qū)還沒(méi)有出現(xiàn)不正常情況，我們輪流在鉆臺(tái)值班，觀察記錄頂驅(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

3 振擊器使用后頂驅(qū)運(yùn)作的檢查

振擊器是所有鉆機(jī)都普遍存在的一種工具。當(dāng)振擊器在實(shí)際使用的過(guò)程中超出頂驅(qū)的使用范圍，頂驅(qū)必須被卸掉。當(dāng)使用安裝振擊器之后的頂驅(qū)，現(xiàn)場(chǎng)頂驅(qū)操作者的責(zé)任心和細(xì)心是非常重要的。

頂驅(qū)的安全檢查是操作人員和井隊(duì)非常明確的責(zé)任，必須嚴(yán)格檢查下列部位，特別是振擊之后的頂驅(qū)檢查。

（1）檢查連接滑塊螺栓、鉸鏈銷(xiāo)擋板、檢查插銷(xiāo)擋板是否在位。

（2）管子處理器檢查保護(hù)銷(xiāo)、導(dǎo)軌螺栓是否完好。

（3）檢查鉸鏈銷(xiāo)擋板螺栓、夾鉗螺栓、鉗牙擋板螺栓、扭矩背鉗固定螺栓、夾鉗彈簧插銷(xiāo)是否松動(dòng)。

（4）檢查提升液缸/扭矩管、IBOP液缸懸掛螺母是否安全。

（5）檢查管子處理器/旋轉(zhuǎn)頭掛鉤銷(xiāo)、對(duì)扣引鞋固定器、提升液缸止動(dòng)管的銷(xiāo)釘/開(kāi)尾銷(xiāo)、扭矩背鉗螺栓、夾緊液缸活塞固定的U 形夾、夾鉗液缸鉸鏈銷(xiāo)/固定器、吊夾連接夾鉗的U-形夾/開(kāi)尾銷(xiāo)、旋轉(zhuǎn)頭鎖緊柄上的鎖緊桿、曲柄銷(xiāo)是否完好。

3.1 IBOP執(zhí)行機(jī)構(gòu)

檢查IBOP曲柄裝配螺栓、滾子裝配螺栓、檢查驅(qū)動(dòng)手柄銷(xiāo)子是否完好。

3.2 電機(jī)外罩/主軸裝置

檢查接線盒固定螺栓是否松動(dòng)，檢查接線盒底座、風(fēng)機(jī)底座固定螺栓是否完好，檢查蓄能器夾緊螺栓是否可靠和鎖緊，熱交換器固定螺栓、平衡器液缸銷(xiāo)子、平衡器聯(lián)接環(huán)、電機(jī)電樞位置是否居中、TDS 底部齒輪箱、檢查壓力過(guò)濾器引罩是否完好、重新上緊沖管填料盒和支承螺母、主軸裝置是否固定。

3.3 扭矩反作用梁

檢查本體升降部分固定螺母是否可靠，旋轉(zhuǎn)頭處的扭矩反作用梁/固定銷(xiāo)，本體提升部分耐磨導(dǎo)桿是否可靠并鎖緊。

3.4 吊環(huán)

檢查鉤環(huán)、本體提升機(jī)構(gòu)的連接螺栓、吊環(huán)基座、停止調(diào)節(jié)銷(xiāo)釘或鎖緊螺母、樞銷(xiāo)和開(kāi)尾銷(xiāo)、用于中間停止的電纜裝置、吊環(huán)連接銷(xiāo)釘與開(kāi)尾銷(xiāo)和開(kāi)槽螺母間的連接、吊卡連接夾緊U形螺栓螺母是否可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

這次頂驅(qū)出現(xiàn)如此嚴(yán)重的事故與8月25日井下卡鉆、井隊(duì)采用振擊器振擊有很大關(guān)系，因此振擊器振擊對(duì)頂驅(qū)造成的傷害是巨大的，后續(xù)需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)于應(yīng)用振擊器后的頂驅(qū)觀察，及時(shí)了解頂驅(qū)的狀況，減少此類(lèi)事故的發(fā)生。