頂驅(qū)主軸偶發(fā)性抖動(dòng)分析與處理

趙 偉 孫龍林

1.中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司勘探七號(hào) 上海 201208；

2.中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司總師辦 上海 201208

頂驅(qū)是海洋鉆井動(dòng)力源，一旦發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致鉆井無法繼續(xù)，而特殊井段長時(shí)間停轉(zhuǎn)極易造成井下復(fù)雜事故，因此需及時(shí)檢查、排除故障。某平臺(tái)頂驅(qū)使用過程中發(fā)生了主軸偶發(fā)性抖動(dòng)故障，雖然是偶發(fā)且未影響正常鉆進(jìn)，但可能是重大設(shè)備故障的苗頭。為此，平臺(tái)機(jī)械師通過細(xì)致排查，及時(shí)排除了故障點(diǎn)。

1 故障情況

2019 年7 月8 日，勘探七號(hào)平臺(tái)在進(jìn)行東海復(fù)測(cè)作業(yè)（類似劃眼下鉆）時(shí)，司鉆在卸開頂驅(qū)點(diǎn)spin in 給頂驅(qū)保護(hù)接頭涂油過程中，發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)后頂驅(qū)主軸高頻抖動(dòng)2s左右，之后恢復(fù)正常。與老式頂驅(qū)接甩鉆具的平衡液缸系統(tǒng)有所不同，此平臺(tái)是司鉆通過drillview 鉆井系統(tǒng)發(fā)送spin in 和spin out 指令，控制平衡系統(tǒng)自動(dòng)接甩鉆具，平衡控制和操作時(shí)間均由系統(tǒng)自動(dòng)控制，控制更精細(xì)，自動(dòng)化程度更高[1]。Spin in 旋扣，即頂驅(qū)以15r/ min 速度正轉(zhuǎn)，平衡液缸控制頂驅(qū)以一定速度緩慢接觸鉆桿，直到接扣且扭矩達(dá)到6.8kN·m 停止，用于接鉆具。Spin out 則相反，頂驅(qū)以15r/ min 的速度反轉(zhuǎn)，直至卸開鉆具。正常情況下，這兩種動(dòng)作都很柔和順暢，通過自動(dòng)控制最大限度保護(hù)鉆桿螺紋免受傷害。司鉆發(fā)現(xiàn)這一反?，F(xiàn)象后，立即通知機(jī)械師上鉆臺(tái)檢查，且在隨后再接卸頂驅(qū)時(shí)留意觀察并測(cè)試，發(fā)現(xiàn)spin in / spin out 時(shí)主軸抖動(dòng)現(xiàn)象均會(huì)偶爾發(fā)生，震動(dòng)時(shí)主軸抖動(dòng)頻率很高，但無明顯規(guī)律。

機(jī)械師對(duì)頂驅(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸節(jié)螺栓未松動(dòng)，緩沖橡膠塊無異常，頂驅(qū)齒輪箱油位正常，在旋轉(zhuǎn)時(shí)也未發(fā)現(xiàn)異常聲音（即便抖動(dòng)時(shí)也未發(fā)現(xiàn)異常聲響）。后續(xù)一段時(shí)間再未發(fā)現(xiàn)異常狀況[2]，遂要求司鉆使用中保持密切觀察，監(jiān)控扭矩、潤滑油溫等運(yùn)行參數(shù)，加強(qiáng)巡檢頻率。

2019 年7 月28 日，平臺(tái)作設(shè)備聯(lián)動(dòng)的準(zhǔn)備工作，在測(cè)試頂驅(qū)上、卸扣平衡油缸功能時(shí)又出現(xiàn)主軸抖動(dòng)現(xiàn)象，持續(xù)時(shí)間大約1 s 左右。然后測(cè)試spin in 功能，發(fā)現(xiàn)抖動(dòng)比之前頻繁，無論是上、卸鉆具還是空轉(zhuǎn)測(cè)試都出現(xiàn)抖動(dòng)。連續(xù)幾天反復(fù)測(cè)試檢查發(fā)現(xiàn)，抖動(dòng)現(xiàn)象時(shí)有時(shí)無，始終未能確定抖動(dòng)原因。后來機(jī)械師乘坐扶管臺(tái)，讓司鉆旋轉(zhuǎn)頂驅(qū)，用軸承聽診器仔細(xì)傾聽頂驅(qū)每道軸承、齒輪箱位置，均未聽到異常響聲[3]；用測(cè)溫槍檢查軸承、齒輪箱溫度，也未見明顯異常溫升[4-5]。因作業(yè)期間，無法全面排查，只能待井間再行檢查。

2 處理方法

作業(yè)結(jié)束后，機(jī)械師進(jìn)行了全面排查。

（1）更換潤滑油濾器，將換下的過濾器破開濾網(wǎng)，觀察濾網(wǎng)是否有金屬粉末，未發(fā)現(xiàn)任何異常，說明運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)無異常磨損[6]。

（2）將百分表吸附于背鉗支架上，慢速轉(zhuǎn)動(dòng)頂驅(qū)，頂驅(qū)主軸擺動(dòng)最大0.1 mm，考慮到測(cè)量位置離軸承位置1.5 m，實(shí)際軸承擺動(dòng)量更小。拆除沖管，檢查主軸與鵝頸彎平行度和軸線度，發(fā)現(xiàn)均在正常范圍，結(jié)合過濾器的檢查情況，初步判斷軸承圓周方向無異常[7]。

（3）用千斤頂上頂主軸，測(cè)量軸向串動(dòng)，先在主軸向上施加力50 kN，串動(dòng)量0.25 mm；再增加至70 kN，串動(dòng)量0.27 mm，發(fā)現(xiàn)串動(dòng)量正常，軸承軸向正常[8-9]。

（4）將齒輪箱（上下軸承由齒輪箱68# 潤滑油強(qiáng)制潤滑）和Swivel（主推力軸承220# 飛濺潤滑）內(nèi)滑油排凈，觀察油樣，油質(zhì)正常未發(fā)現(xiàn)金屬粉末；拆除齒輪箱的3 個(gè)磁棒，未發(fā)現(xiàn)金屬粉末；打開齒輪箱觀察孔，仔細(xì)檢查大小傳動(dòng)齒輪，也未發(fā)現(xiàn)異常。

（5）綜合頂驅(qū)各項(xiàng)檢查指標(biāo)，初步判斷頂驅(qū)各運(yùn)轉(zhuǎn)部件正常，可以排除頂驅(qū)自身運(yùn)轉(zhuǎn)部件異常引起的抖動(dòng)。

（6）通過研究資料及現(xiàn)場(chǎng)檢查各運(yùn)轉(zhuǎn)件可能的擦碰點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)承載盤和管子處理器是最可能發(fā)生故障的點(diǎn)。正常情況下，如果管子處理器未承受任何重量，管子處理器通過碟簧支撐，與承重環(huán)之間有7～10mm 的間隙，如圖1所示。只有管子處理器承受的重量超過10t，將碟簧完全壓縮，管子處理器才會(huì)與承載盤接觸，將重量傳遞給承載盤，再通過主軸將負(fù)載傳遞給頂驅(qū)主推力軸承，此時(shí)頂驅(qū)主軸嚴(yán)禁旋轉(zhuǎn)。

圖1 承載盤間隙

(7) 管子處理器空載時(shí)，測(cè)量承重環(huán)與管子處理器間的間隙，發(fā)現(xiàn)最小處為0.2 mm、最大處0.3mm，說明承載碟簧已失去效用，無法支撐管子處理器重量。

(8) 拆檢碟簧，發(fā)現(xiàn)10 片碟簧損壞了7 片（圖2），僅3 片尚未損壞，致使管子處理器與承重環(huán)非常貼近但還存在一定間隙，正常情況不會(huì)干涉主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。但因間隙太小，在受震動(dòng)影響時(shí)，管子處理器與承載盤會(huì)擦碰一起，引起主軸抖動(dòng)。如繼續(xù)使用，剩余的3 片碟簧將會(huì)陸續(xù)失效，此時(shí)管子處理器在自重作用下與承載盤完全接觸，當(dāng)頂驅(qū)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，管子處理器會(huì)跟隨主軸旋轉(zhuǎn)，對(duì)鉆臺(tái)面人員、設(shè)備造成重大傷害。國外同類型設(shè)備發(fā)生過管子處理器隨主軸旋轉(zhuǎn)造成重大人員設(shè)備傷害的事故。

圖2 碟簧損壞示意

(9) 更換碟簧，將承重環(huán)與管子處理器間間隙調(diào)整至8 mm。后經(jīng)多次spin in 和spin out 測(cè)試，再未出現(xiàn)主軸抖動(dòng)現(xiàn)象。

3 總結(jié)

此次碟簧斷裂引起的抖動(dòng)有一定的巧合，因尚有碟簧發(fā)揮作用，管子處理器未完全壓在承載環(huán)上，但間隙非常小，偶爾又會(huì)發(fā)生觸碰，所以會(huì)引起主軸偶發(fā)性抖動(dòng)。如不及時(shí)處理，剩余完好的碟簧將很快斷裂，屆時(shí)管子處理器完全壓在承載盤上，一旦主軸旋轉(zhuǎn)管子處理器跟隨旋轉(zhuǎn)，可能會(huì)造成井口設(shè)備和工作人員重大傷害。為此，做以下幾點(diǎn)總結(jié)供參考：

3.1 管子處理器與碟簧間間隙檢查

廠家要求管子處理器與碟簧間間隙每半年檢查一次。故障排除后檢查頂驅(qū)保養(yǎng)記錄發(fā)現(xiàn)，前4 年檢查記錄均為8mm（資料要求7～10mm），一年前和半年前的數(shù)據(jù)分別為7.8mm 和7.5mm，當(dāng)時(shí)以為是碟簧老化引起，且數(shù)據(jù)超過7mm 未予重視?，F(xiàn)在看來，應(yīng)該當(dāng)時(shí)碟簧已開始損壞，且碟簧的損壞是加速度發(fā)展，失效碟簧越多，剩余碟簧失效越快。

3.2 碟簧更換過程需注意事項(xiàng)

（1）碟簧壓縮量與其承載力對(duì)應(yīng)關(guān)系由廠家測(cè)算試驗(yàn)獲得，但不會(huì)提供給客戶，特別是進(jìn)口設(shè)備更不會(huì)提供，所以拆解之前需測(cè)量原始數(shù)據(jù)（圖3 中的H）。回裝后，此數(shù)據(jù)準(zhǔn)確則能確保碟簧壓縮量與原始數(shù)據(jù)相符，若壓縮量不到位會(huì)導(dǎo)致下方卡箍無法安裝。

圖3 碟簧壓縮量測(cè)量示意圖

（2）碟簧必須全部更換。殘余碟簧雖未損壞，但已接近使用壽命，且承載力與新件有差距，不得混用。

（3）安裝時(shí)表面需涂抹一層薄薄的黃油，既可起到防腐作用，又能在壓縮過程中使碟簧間有相對(duì)位移，避免扭曲。

（4）碟簧包裹在護(hù)罩之內(nèi)，拆解時(shí)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存滿積水，這加快了碟簧腐蝕。為防止積水，后續(xù)加工了幾個(gè)泄水孔。

（5）正常情況下，無法檢查碟簧狀況，只能根據(jù)管子處理器與承載盤的間隙判斷。一旦此數(shù)據(jù)發(fā)生變化，需加強(qiáng)檢查頻率，不能局限于廠家要求的半年一檢。

3.3 拓寬故障檢查思路

頂驅(qū)主軸抖動(dòng)一般是由于自身傳動(dòng)系統(tǒng)某部件故障引起，因此首先圍繞頂驅(qū)各部件排查。但本次故障最終確認(rèn)是由于外界干擾引起，這提醒我們需拓寬故障檢查思路，及時(shí)排查故障隱患點(diǎn)，避免造成重大設(shè)備、人身傷害事故。

3.4 加強(qiáng)精細(xì)化管理

隨著勘探技術(shù)的發(fā)展，大位移、大角度斜井作業(yè)量逐漸增加，高溫高壓井作業(yè)也成為常態(tài)，設(shè)備的停轉(zhuǎn)極易造成井下復(fù)雜情況，對(duì)設(shè)備的管理提出了更高要求。因此，今后需對(duì)頂驅(qū)等主要鉆井設(shè)備進(jìn)一步精細(xì)化管理，學(xué)習(xí)先進(jìn)的設(shè)備管理體系和管理方法，在廠家資料維保要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際使用狀況提高檢查頻率和質(zhì)量，為安全高效的井下作業(yè)提供設(shè)備保障。