TDS-8SA頂驅(qū)裝置故障分析與診斷

于 濤，李明智，王杰群

（大連海洋大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

0 引言

我國(guó)從2013年起在海工裝備方面出大量訂單增長(zhǎng)，相比與上一年增長(zhǎng)了16%，排在世界第二位[1，2]，其中自升式鉆井平臺(tái)49座[3]。頂驅(qū)裝置作為海洋鉆井平臺(tái)的核心設(shè)備，具有造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，因此正確分析頂驅(qū)裝置發(fā)生故障的原因，有針對(duì)性地提出預(yù)防措施，減少事故的發(fā)生，及時(shí)有效的解決頂驅(qū)裝置故障，為安全生產(chǎn)提供保障。本文針對(duì)TDS-8SA頂驅(qū)裝置建立故障樹(shù)，分析故障的主次、因果，找出薄弱環(huán)節(jié)，為頂驅(qū)裝置的維護(hù)、保養(yǎng)、以及故障診斷提供指導(dǎo)性建議。

1 頂驅(qū)裝置故障診斷研究現(xiàn)狀

王勇勤[4]在《TDS-11SA頂驅(qū)裝置可靠性分析》中提出利用故障樹(shù)分析法結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助分析，在Visual C++開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)WINDOW系統(tǒng)下頂驅(qū)裝置失效概率計(jì)算程序，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)裝置的故障分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了條件?；暨B才[5]在《VARCO頂驅(qū)故障診斷專家系統(tǒng)的構(gòu)建》中提出對(duì)CLIPS和Visual C++的連接接口進(jìn)行研究，成功實(shí)現(xiàn)了知識(shí)編碼器和推理機(jī)的功能形成了基于Visual C++的專家故障診斷系統(tǒng)，針對(duì)用戶獲知的故障現(xiàn)象，快速定位出故障原因，提出相關(guān)解決辦法。杜磊[6]在《基于VC++的TDS故障診斷專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》中以TDS-11SA為例，運(yùn)用Visual C++編程語(yǔ)言程序，綜合知識(shí)庫(kù)與推理機(jī)，同時(shí)運(yùn)用知識(shí)庫(kù)管理系統(tǒng)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行添加，成功實(shí)現(xiàn)了TDS故障診斷專家系統(tǒng)，通過(guò)用戶提供的信息快速診斷出故障并給出相關(guān)建議。朱磊[7]在《基于故障樹(shù)技術(shù)的頂部驅(qū)動(dòng)裝置故障診斷軟件開(kāi)發(fā)》中以DQ70BSQQ頂部裝置模型，通過(guò)故障樹(shù)與診斷知識(shí)轉(zhuǎn)化的準(zhǔn)則，利用C#編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)管理模塊、診斷控制機(jī)模塊、授權(quán)登陸模塊和解釋模塊的編譯，對(duì)故障診斷軟件進(jìn)行模塊和界面整合，完成原型版本開(kāi)發(fā)。

2 TDS-8SA頂驅(qū)裝置事故致因分析

1）水龍頭-動(dòng)力系統(tǒng)。為頂驅(qū)裝置提供鉆井動(dòng)力，完成鉆桿的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程，根據(jù)水龍頭總管、鉆井馬達(dá)、剎車裝置、冷卻風(fēng)機(jī)、齒輪箱、潤(rùn)滑系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，分析水龍頭-動(dòng)力系統(tǒng)的故障。

2）鉆桿拆卸系統(tǒng)。鉆桿拆卸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成鉆桿的連接、拆卸過(guò)程，根據(jù)調(diào)換傾斜裝置、扭矩鉗、內(nèi)防噴器結(jié)特點(diǎn)，分析鉆桿拆卸系統(tǒng)故障。

3）導(dǎo)軌滑車系統(tǒng)。為頂驅(qū)和井架提供支撐，頂驅(qū)可以在井架上自由的移動(dòng)，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，工作特點(diǎn)等方面分析導(dǎo)軌滑車系統(tǒng)的故障。

4）液壓系統(tǒng)。為通過(guò)液壓缸和液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)裝置在鉆井、下鉆、提鉆過(guò)程中的機(jī)械動(dòng)作，由于TDS-8SA頂驅(qū)裝置沒(méi)有自帶的液壓泵，依靠鉆臺(tái)液壓站通過(guò)液壓軟管連接至頂驅(qū)裝置提供液壓源，因此不考慮液壓站的故障因素，假定液壓動(dòng)力源無(wú)故障，從液壓控制機(jī)構(gòu)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障進(jìn)行分析。

3 頂驅(qū)裝置故障樹(shù)建立與分析

3.1 頂驅(qū)裝置故障樹(shù)

采用故障樹(shù)分析法將TDS-8SA頂驅(qū)裝置故障作為頂事件，針對(duì)設(shè)備運(yùn)行與維修過(guò)程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行總結(jié)，查找頂事件發(fā)生的原因，從水龍頭-動(dòng)力系統(tǒng)、鉆桿拆卸系統(tǒng)、導(dǎo)軌滑車系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)4個(gè)方面自上而下，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)每一級(jí)進(jìn)行分析，通過(guò)分析現(xiàn)有的數(shù)據(jù)總結(jié)的故障案例，提取出引起故障發(fā)生的相關(guān)因素，去尋找類似事故發(fā)生的有關(guān)因素，建立TDS-8SA頂驅(qū)裝置故障樹(shù)如圖1所示，將系統(tǒng)的復(fù)雜關(guān)系直觀的顯示出來(lái)[8]。從而采取有效的防范措施，防止此類事故再次發(fā)生[9]。

3.2 頂驅(qū)裝置故障樹(shù)分析

H.A.Waston和D.F.Haasl在1961年首先提出了故障樹(shù)分析法這一概念[10]。隨后廣泛的應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、電子等各個(gè)領(lǐng)域的故障診斷中。

故障樹(shù)分析法是一種綜合性的故障診斷方法，廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)異常診斷[11]，是通過(guò)樹(shù)狀圖的形式將系統(tǒng)故障顯示出來(lái)，從開(kāi)始選擇頂事件、建立頂事件故障樹(shù)、對(duì)整個(gè)故障樹(shù)進(jìn)行定性和定量分析[12]。對(duì)于TDS-8SA頂驅(qū)裝置進(jìn)行故障診斷，首先要熟悉頂驅(qū)裝置的系統(tǒng)構(gòu)造，其次選擇頂驅(qū)裝置故障作為頂事件并對(duì)頂事件進(jìn)行故障分析，建立頂驅(qū)裝置故障樹(shù)，最后對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定量和定性分析。

在長(zhǎng)期的實(shí)踐下，每個(gè)施工單位都有自己獨(dú)特的管理規(guī)定，在社會(huì)不斷發(fā)展的現(xiàn)代，建筑企業(yè)的各項(xiàng)管理規(guī)定也在不斷改進(jìn)當(dāng)中。對(duì)管理制度的優(yōu)化可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：明確劃分崗位職責(zé)，并根據(jù)崗位特點(diǎn)羅列出工作過(guò)程中的注意事項(xiàng)；管理部門內(nèi)部劃分精細(xì)，確保其功能全面，將施工過(guò)程納入完整、系統(tǒng)的管理之下；根據(jù)施工特點(diǎn)，適當(dāng)融入新型技術(shù)，進(jìn)而提高建筑質(zhì)量；總結(jié)以往施工的經(jīng)驗(yàn)，有針對(duì)性的對(duì)管理制度進(jìn)行改進(jìn)；將各類技術(shù)進(jìn)行分類管理，并完善相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，將技術(shù)的優(yōu)越性充分發(fā)揮出來(lái)。

通過(guò)求出最小割集的方法對(duì)頂驅(qū)裝置故障樹(shù)進(jìn)行分析，故障樹(shù)的每1個(gè)最小割集，代表一種狀態(tài)的故障模式，只要有1個(gè)最小割集存在，系統(tǒng)就處于故障狀態(tài)。

文中從頂驅(qū)裝置故障樹(shù)的最下層開(kāi)始分析，通過(guò)邏輯“與”門和“或”門的運(yùn)算法則，從底部向上，將中間事件的邏輯關(guān)系用底事件來(lái)表示，最后將頂事件表示出來(lái)，計(jì)算出頂驅(qū)裝置全部最小割集，利用布爾代數(shù)法運(yùn)算法則，進(jìn)行簡(jiǎn)化，求出全部最小割集、最小徑集。

3.3 計(jì)算頂驅(qū)裝置機(jī)構(gòu)重要度

在TDS-8SA頂驅(qū)裝置的日常維護(hù)與使用中，導(dǎo)向滑輪磨損、液壓缸故障、油泵濾芯堵塞、電機(jī)接地故障、換閥卡住、控制空氣污染、密封損壞等81個(gè)底部事件重要度較大。由于故障的發(fā)生是不確定性的，應(yīng)該嚴(yán)格按照日常的維護(hù)操作規(guī)程，對(duì)頂驅(qū)裝置故障有針對(duì)性的預(yù)防，減少故障的發(fā)生。

4 工程案例與應(yīng)用

4.1 根據(jù)故障樹(shù)建立診斷分析圖

頂驅(qū)裝置系統(tǒng)復(fù)雜，其中液壓系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、鉆桿拆卸系統(tǒng)、導(dǎo)軌滑車系統(tǒng)等多個(gè)部件由于工作環(huán)境惡劣，是故障診斷的重點(diǎn)考慮對(duì)象。文中結(jié)合頂驅(qū)裝置實(shí)際運(yùn)行狀況對(duì)于剎車部件故障進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要故障為空氣壓力低、剎車不動(dòng)作、剎車不復(fù)位等癥狀。由于篇幅所限，文中以空氣濾芯堵塞為例，引起剎車剎不住，導(dǎo)致頂驅(qū)裝置故障，通過(guò)頂驅(qū)裝置故障樹(shù)理論，建立故障分析流程圖，如圖1所示。

圖1 故障分析流程圖

4.2 “空氣濾芯堵塞”的故障分析

“空氣濾芯堵塞”的故障現(xiàn)象：

空氣系統(tǒng)作為頂驅(qū)裝置剎車的主要控制系統(tǒng)，是保證頂驅(qū)正常工作的重要部分。在鉆井作業(yè)中，通過(guò)控制空氣的通斷來(lái)控制剎車，由于TDS-8SA頂驅(qū)采用供氣剎車的原理，空氣壓力低，導(dǎo)致剎車剎不住，頂驅(qū)在鉆井作業(yè)中不能正常停止。

“空氣濾芯堵塞”的原因：

1）空氣臟?？諝夤苈酚捎陂L(zhǎng)期的使用過(guò)程中，管路內(nèi)壁產(chǎn)生的腐蝕鐵銹、脫落的油漆等，在空氣系統(tǒng)使用過(guò)程中，隨著空氣的消耗，堵塞在濾芯當(dāng)中，長(zhǎng)時(shí)間積累，導(dǎo)致濾芯堵塞，空氣不能通過(guò)。

2）空氣中水含量高。冬季氣溫低，空壓機(jī)壓縮空氣，產(chǎn)生一定的水，通過(guò)管理運(yùn)輸?shù)綖V芯，定期產(chǎn)生沉積，由于氣溫低，導(dǎo)致結(jié)冰，堵塞濾芯，導(dǎo)致空氣系統(tǒng)不工作。

“空氣濾芯堵塞”的故障診斷：

按照從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、先外部后內(nèi)部、先電氣后機(jī)械、易損壞的部件優(yōu)先考慮、盡可能少拆除零部件檢查的故障診斷原則，按照定性分析的原則對(duì)頂驅(qū)裝置故障樹(shù)進(jìn)行如下診斷分析。

1）用目測(cè)的方法首先檢查鉆桿拆卸系統(tǒng)、水龍頭-動(dòng)力系統(tǒng)、導(dǎo)軌滑車系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)功能情況。發(fā)現(xiàn)頂驅(qū)裝置動(dòng)力系統(tǒng)故障。

2）根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)故障樹(shù)，逐一進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)剎車系統(tǒng)系統(tǒng)故障。

3）觀察到的現(xiàn)象是剎車系統(tǒng)剎不住，檢查剎車系統(tǒng)剎不住的最小割，發(fā)現(xiàn)是由于空氣壓力過(guò)低導(dǎo)致剎車剎不住，檢查濾芯，由于空氣濾芯堵塞，導(dǎo)致空氣壓力過(guò)低，導(dǎo)致頂驅(qū)裝置故障。

5 運(yùn)用故障樹(shù)法對(duì)頂驅(qū)裝置故障原因分析的意義

1）故障樹(shù)分析法是分析故障原因的重要方法，它既能找到故障的真正原因，又能找到潛在故障原因。并且顯示出各事故原因與頂事件的邏輯關(guān)系，有些基本事件單獨(dú)發(fā)生就能導(dǎo)致頂事件發(fā)生，有些基本事件同時(shí)發(fā)生才能導(dǎo)致頂事件發(fā)生，有助于定性分析頂驅(qū)裝置故障發(fā)生的規(guī)律以及特點(diǎn)，從而制定出控制頂驅(qū)裝置故障的可行性方案。

2）從故障樹(shù)結(jié)構(gòu)上分析出導(dǎo)致頂驅(qū)故障法的基本事件集合，通過(guò)求出最小割集和最小割集中基本事件的個(gè)數(shù)，判斷出基本事件的重要程度，按照重要度大小對(duì)所有底事件進(jìn)行排序，以便按照輕重緩急分別采取對(duì)策，從而安全、經(jīng)濟(jì)、有效的解決故障。也可以制定出TDS-8SA頂驅(qū)裝置故障預(yù)防與診斷表，完善TDS-8SA頂驅(qū)裝置在作業(yè)過(guò)程中的故障預(yù)防體系，有效的預(yù)防潛在故障的發(fā)生。

3）借助于故障樹(shù)可以定量分析事故的發(fā)生概率，基于大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得出各基本事件發(fā)生的概率，通過(guò)邏輯與門和邏輯或門，通過(guò)對(duì)基本事件的重要度進(jìn)行計(jì)算，說(shuō)明每個(gè)基本事件在系統(tǒng)中所占的重要程度，在頂驅(qū)裝置發(fā)生故障時(shí)，可以對(duì)故障有針對(duì)性地進(jìn)行檢查，對(duì)頂驅(qū)裝置的故障診斷具有一定的指導(dǎo)意義。

6 結(jié)語(yǔ)

故障樹(shù)分析法具有邏輯表達(dá)性強(qiáng)、故障顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)TDS-8SA頂驅(qū)裝置復(fù)雜的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)能夠快速判斷出可能導(dǎo)致頂驅(qū)裝置的原因，便于分析。對(duì)于TDS-8SA頂驅(qū)裝置系統(tǒng)零部件故障概率不好獲取，無(wú)法計(jì)算出底部事件在頂事件頂驅(qū)裝置故障中的重要度，難以進(jìn)行定量分析。因此，通過(guò)TDS-8SA頂驅(qū)裝置故障樹(shù)定性分析和故障診斷基本原則相結(jié)合的方法對(duì)頂驅(qū)裝置故障原因進(jìn)行分析。對(duì)TDS-8SA頂驅(qū)裝置采用故障樹(shù)分析法，維修人員需要對(duì)頂驅(qū)裝置有相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)和故障診斷實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及對(duì)于故障樹(shù)分析法有一定了解。