頂驅(qū)液壓系統(tǒng)常見故障分析與處理

王 磊，彭光杰，羅 輝

（中石化華東石油工程有限公司江蘇鉆井，江蘇揚州 225261）

0 引言

頂部驅(qū)動裝置是鉆井裝備的三大新技術(shù)之一。頂驅(qū)在公司海內(nèi)外各項目應用越來越廣泛，頂驅(qū)的液壓系統(tǒng)雖然是一個輔助系統(tǒng)，但是沒有它的可靠運行，頂驅(qū)就不能正常運行，所以對頂驅(qū)液壓系統(tǒng)的安全運行應該做到心中有數(shù)。結(jié)合現(xiàn)場多年頂驅(qū)使用維護經(jīng)驗，剖析頂驅(qū)液壓系統(tǒng)的工作原理以及故障處理方式方法。

1 頂驅(qū)液壓控制系統(tǒng)的組成

頂驅(qū)液壓控制系統(tǒng)的組成如下：①動力部分：液壓源用于將機械能轉(zhuǎn)換成液體壓力能，蓄能器作為緊急或輔助動力源；②控制部分：各類壓力、流量、方向等控制閥，用于實現(xiàn)對執(zhí)行元件的運動速度、方向、作用力等控制，也用于實現(xiàn)過載保護；③執(zhí)行部分：如液壓缸、液壓馬達等，用于將液體壓力能轉(zhuǎn)換成機械能；④輔助部分：管道、蓄能器、過濾器、油箱以及壓力表等；⑤控制閥組：主控制閥組分7 個控制系統(tǒng)，分別控制7 個執(zhí)行機構(gòu)。

頂驅(qū)的液壓控制系統(tǒng)分別由7 大液壓動作構(gòu)成：吊環(huán)傾斜系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、IBOP 系統(tǒng)、背鉗系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)鎖緊系統(tǒng)。DQ70 Ⅲ型頂驅(qū)液壓原理如圖1 所示。

圖1 DQ70 Ⅲ型頂驅(qū)液壓原理

2 頂驅(qū)液壓系統(tǒng)電路控制流程

頂部驅(qū)動鉆井裝置液壓系統(tǒng)主要的控制流程如下：操作者通過頂驅(qū)操作臺的控制旋鈕將控制指令傳到操作臺內(nèi)部PLC系統(tǒng)的DI 模塊，ET200 模塊通過通信電纜將控制指令傳遞至電控房內(nèi)PLC 系統(tǒng)的S7-300 CPU。PLC CPU 將信號處理后，通過DO 模塊給出執(zhí)行指令輸出信號。執(zhí)行指令信號通過頂驅(qū)的多芯電纜傳到頂驅(qū)本體的電磁閥。電磁閥件動作后液壓油將會驅(qū)動機械機構(gòu)，這樣一個完整的液壓動作就完成了，頂驅(qū)液壓動作控制流程如圖2 所示。

圖2 頂驅(qū)液壓動作控制流程

3 液壓動作操作中的常見錯誤及注意事項

頂驅(qū)液壓動作操作不當會對液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)有極大損害。列舉6 種在現(xiàn)場頂驅(qū)使用過程中出現(xiàn)的操作不當?shù)那闆r。

（1）使用絞車上提或者下放，嚴禁將吊環(huán)前傾或者后傾，在起下鉆作業(yè)過程中二層臺操作完成后，未將頂驅(qū)吊環(huán)中位，就下放鉆具，導致二層臺被吊環(huán)刮壞，造成嚴重事故。在立根鉆進完成后，未將頂驅(qū)吊環(huán)中位就上提頂驅(qū)，吊環(huán)油缸撞在頂驅(qū)導軌上，造成油缸和頂驅(qū)導軌的損壞。

（2）頂驅(qū)吊環(huán)傾斜油缸只能支撐3 t 的重量，過重會導致吊環(huán)傾斜油缸活塞損壞。在現(xiàn)場頂驅(qū)使用過程中，使用傾斜油缸拉鉆鋌的情況，會造成傾斜油缸活塞損壞。

（3）正常鉆進過程中盡量將液壓泵啟動，因為背鉗油缸有可能因為振動而伸出，磨壞鉗牙或鉆桿。使用頂驅(qū)背鉗上卸扣，操作背鉗松開旋鈕后，一定要等幾秒鐘（控制信號的傳遞和液壓動作的執(zhí)行需要時間），等背鉗完全松開后，才能上提頂驅(qū)，否者會造成背鉗內(nèi)部彈簧損壞，這種情況在現(xiàn)場頂驅(qū)使用過程中多次出現(xiàn)。

（4）維修頂驅(qū)液壓系統(tǒng)前一定要停頂驅(qū)液壓泵，并通過主閥島上的溢流閥將系統(tǒng)壓力卸掉，否則有可能造成人身傷害是設(shè)備損壞。但在現(xiàn)場頂驅(qū)使用過程中未將系統(tǒng)泄壓就進行檢修作業(yè)，造成的事故時有發(fā)生。

（5）頂驅(qū)自動防噴器關(guān)閉前必須要保證泥漿泵停止工作且立管內(nèi)的壓力降至0。頂驅(qū)自動防噴器的承壓機構(gòu)在閥芯下部，用以封住井下鉆具內(nèi)壓力。在自動防噴器閥芯上部沒有承壓裝置。故開泵過程中關(guān)閉自動防噴器會導致自動防噴器損壞。

（6）吊環(huán)回轉(zhuǎn)操作與吊環(huán)傾斜操作互鎖。進行吊環(huán)回轉(zhuǎn)操作時，吊環(huán)傾斜操作無效；進行吊環(huán)傾斜操作時，吊環(huán)回轉(zhuǎn)操作無效（兩功能同時操作存在極大的危險性）。進行吊環(huán)傾斜之后如要進行吊環(huán)回轉(zhuǎn)操作必須使吊環(huán)先中位。

4 頂驅(qū)液壓控制系統(tǒng)故障處理方法及分類

頂驅(qū)有7 個液壓動作系統(tǒng)，吊環(huán)傾斜系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、IBOP 系統(tǒng)、背鉗系統(tǒng)、平衡系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)鎖緊系統(tǒng)。其中任意一個液壓動作失靈，都將造成生產(chǎn)的停怠，而各個液壓動作均涉及到電控、液壓、機械3 個方面，液壓動作故障處理的關(guān)鍵在于快速判斷故障來源，然后鎖定故障點所在。結(jié)合頂驅(qū)使用經(jīng)驗對頂驅(qū)故障進行如下的分類（圖3）。

圖3 頂驅(qū)液壓故障分類

4.1 全部液壓動作失靈

（1）液壓源系統(tǒng)故障：液壓泵故障、液壓系統(tǒng)壓力值設(shè)置過低、系統(tǒng)存在溢流等。

（2）通信或電路故障：PLC 通信故障、24 V 電磁閥電源故障等。

4.2 單個液壓動作失靈

（1）電路控制類故障：PLC 輸入或輸出點故障、控制線路存在斷點或者虛接、反饋信號異常、電磁閥損壞等。

（2）液壓控制類故障：控制閥件閥芯阻卡、液壓管線存在泄漏、液壓元件損壞、控制油缸存在內(nèi)泄、控制壓力值設(shè)置錯誤。

（3）機械類故障：控制本體故障、控制對象存在阻卡等。

5 頂驅(qū)液壓控制系統(tǒng)故障處理實例

5.1 頂驅(qū)液壓動作全部失靈故障實例

故障現(xiàn)象：搬遷安裝完畢后，調(diào)試頂驅(qū)時，所有液壓動作全部失靈。

原因分析：由于是所有液壓動作都沒有，沒有必要一個回路一個回路地檢查，大致能判斷故障可能存在于液壓泵未運行或者液壓系統(tǒng)壓力值不對、PLC 通信異常導致控制系統(tǒng)失靈。可能的故障點如下：①PLC 通信異常；②司控臺24 V 電源故障；③電磁閥24 V 供電故障；④液壓泵電機斷路器；⑤液壓泵電機接觸器；⑥信號纜24 V 公共線斷路；⑦液壓泵電機損壞；⑧液壓系統(tǒng)壓力值異常。

處理過程：首先啟動頂驅(qū)液壓泵，觀察液壓泵電機運轉(zhuǎn)情況，檢測液壓系統(tǒng)壓力值，為14 MPa；通過手動點動各個液壓動作電磁閥，均有動作，基本將故障點鎖定在電控系統(tǒng)；到電控房內(nèi)綜合控制柜檢查PLC 系統(tǒng)通信正常，24 V 供電均正常，將PLC 系統(tǒng)斷電，測量各個電磁閥絕緣電阻均為無窮大，檢查多芯控制電纜及插頭均正常。判斷為頂驅(qū)本體接線盒內(nèi)給電磁閥供電的24 V 公共線斷路，打開頂驅(qū)接線盒檢查，發(fā)現(xiàn)24 V 公共線從頂驅(qū)上接線盒端子排上脫落（搬遷過程中，顛簸導致電源線掉落）（圖4），從新接好后故障排除，同時緊固接線盒內(nèi)線路，防止類似故障再次發(fā)生。

圖4 頂驅(qū)本體接線盒24 V 公共線

5.2 電控類故障實例

（1）故障一：頂驅(qū)背鉗無動作。

故障原因分析：只是背鉗無動作，而其他液壓動作正常。可以從背鉗的電路控制回路、及背鉗的液壓回路查找故障原因?？赡艿墓收宵c如下：①操作箱背鉗控制旋鈕失靈；②司鉆控制臺數(shù)字量輸入模塊或控制線路虛接；③電控房PLC 數(shù)字量輸出模塊或線路虛接；④接近開關(guān)損壞；⑤中間繼電器損壞；⑥頂驅(qū)本體電磁閥信號線。

故障處理過程：首先手動點動背鉗夾緊電磁閥，動作正常，初步判斷為電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障。檢查司鉆控制臺旋鈕正常、控制臺數(shù)字量輸入模塊輸入信號正常。到電控房內(nèi)綜合控制柜內(nèi)檢查，操作臺操作背鉗夾緊旋鈕，中間繼電器沒有得電，于是用多用表歐姆擋檢查電磁閥電阻正常，說明控制線路及控制線路上接插件正常。判斷為控制電控閥數(shù)字量輸出模塊控制背鉗的點燒毀或者是接近開關(guān)損壞，檢查PLC 系統(tǒng)數(shù)字量輸入模塊發(fā)現(xiàn)頂驅(qū)本體上接近開關(guān)無信號反饋（模塊中I1.4 指示燈不亮），將故障點鎖定在接近開關(guān)。由于現(xiàn)場無配件，為保證現(xiàn)場生產(chǎn)的正常進行，于是將接近開關(guān)做短接處理，處理過程如下：在PLC 控制柜內(nèi)，將X1：32（I1.4）電纜線接到X1：10（+L02）端子（從端子排上端跳線），觀察DI 模塊的I1.4 指示燈亮起，證明已經(jīng)短接成功。之后更換接近開關(guān)后，功能恢復。PLC 數(shù)字量模塊如圖5 所示。

圖5 PLC 數(shù)字量模塊

（2）故障二：頂驅(qū)回轉(zhuǎn)頭逆時針旋轉(zhuǎn)動作時有時無。

故障原因分析：頂驅(qū)回轉(zhuǎn)頭逆時針旋轉(zhuǎn)無動作，需要先確定是機械故障還是液壓故障，再進一步鎖定故障點。可能的故障點如下：①操作箱回轉(zhuǎn)頭逆時針旋轉(zhuǎn)控制旋鈕失靈；②司鉆控制臺回轉(zhuǎn)頭逆時針旋轉(zhuǎn)數(shù)字量輸入模塊或控制線路虛接；③電控房回轉(zhuǎn)頭逆時針旋轉(zhuǎn)PLC 數(shù)字量輸出模塊或線路虛接；④多芯電纜存在虛接或斷點；⑤回轉(zhuǎn)頭液壓馬達存在內(nèi)泄。

故障處理過程：首先在回轉(zhuǎn)頭逆時針旋轉(zhuǎn)無動作時，手動點動電磁閥閥芯，回轉(zhuǎn)頭有動作，說明機械及液壓控制均不存在問題。通過操作旋鈕控制旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)，電磁閥芯無動作，將故障點鎖定在電控上面。檢查操作箱PLC 的DI 模塊輸入點正常；檢查電控房綜合柜內(nèi)PLC 的DO 模塊輸出點及中間繼電器也正常；將多芯電纜插頭重新插拔后，故障還是存在。將多芯電纜中回轉(zhuǎn)頭順、逆時針控制信號線對調(diào)，回轉(zhuǎn)頭逆時針旋轉(zhuǎn)功能恢復，而順時針旋轉(zhuǎn)功能丟失，判斷多芯控制電纜中逆時針旋轉(zhuǎn)控制電纜存在斷點，使用多芯電纜中備用控制電纜替換原逆時針旋轉(zhuǎn)控制電纜后，回轉(zhuǎn)頭逆時針旋轉(zhuǎn)功能恢復，故障得以解決。

頂驅(qū)液壓動作電控類故障點很多，容易存在于液壓控制系統(tǒng)中（圖6）?？梢宰裱鞒蹋▓D7）逐一追蹤液壓動作電磁閥24 V控制電源，能較快鎖定故障點?？蓮碾娍胤績?nèi)綜合柜中PLC 系統(tǒng)中的DO 模塊輸出點有無輸出來進行判斷，比較直觀也比較快捷。背鉗夾緊和回轉(zhuǎn)頭鎖緊這兩個液壓動作存在邏輯關(guān)系，只有回轉(zhuǎn)頭鎖緊后，接近開關(guān)將鎖緊信號傳遞到PLC 系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)才能給出背鉗夾緊指令，接近開關(guān)故障率也較高，處理背鉗夾緊動作故障，要注意排查接近開關(guān)是否正常工作。

圖6 電磁閥

圖7 電控類故障排查流程

5.3 液壓類故障實例

故障現(xiàn)象：回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速慢。

故障原因分析：回轉(zhuǎn)頭有動作，只是轉(zhuǎn)速緩慢，說明電磁閥沒有問題，可以排除電控類故障，將故障鎖定在液壓和機械方面?？赡艿墓收宵c如下：①RDDA LAN 壓力值設(shè)置低；②回轉(zhuǎn)頭液壓馬達內(nèi)泄；③回轉(zhuǎn)頭存在阻卡。

故障處理過程：旋轉(zhuǎn)頭能正常盤動，排除回轉(zhuǎn)頭存在阻卡。操作旋轉(zhuǎn)頭控制旋鈕，觀察本體電磁閥上閥芯，順、逆時針均有動作，進一步確定電控部分無故障。檢查RDDA LAN 壓力，在10 MPa 左右，壓力設(shè)定不存在問題。通過主閥島上的泄壓閥將系統(tǒng)壓力卸掉。拆掉電磁閥，檢查放置于電磁閥P 口和T 口的阻尼器，發(fā)現(xiàn)阻尼器存在嚴重變形，更換阻尼器后頂驅(qū)回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速正常（圖8）。阻尼器的作用在于控制流量，進而控制回轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速，而該系統(tǒng)的壓力值較大（10 MPa），長時間的沖刷造成阻尼器變形，導致該故障。

5.4 機械類故障實例

（1）故障一：頂驅(qū)自動防噴器關(guān)閉不嚴，試壓不過關(guān)。

故障原因分析：頂驅(qū)自動防噴器能夠關(guān)閉，只是關(guān)閉不嚴，可以排除電控類故障，需要在液壓和機械方面找原因?？赡艿墓收宵c如下：①PRDB LAN 壓力值設(shè)置低；②自動防噴器油缸內(nèi)泄；③自動防噴器油缸位置不正確，導致關(guān)閉行程不夠；④自動防噴器滑套及曲柄存在磨損；⑤自動防噴器內(nèi)部球閥及密封損壞。

故障處理過程：檢查PRDB LAN 壓力值，壓力值正常。檢查自動防噴器油缸位置正常，自動防噴器關(guān)閉行程足夠。更換全新的自動防噴器滑套及曲柄，自動防噴器還是關(guān)閉不嚴，將故障點鎖定在自動防噴器，更換自動防噴器后，試壓正常。拆解更換下來的自動防噴器，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部的密封件已經(jīng)損壞，該井使用的是油基泥漿，加上泵壓、泥漿溫度較高，加劇自動防噴器內(nèi)部密封件的損壞。操作者在關(guān)閉自動防噴器前，一定要保證泥漿泵停止工作且立管內(nèi)的壓力降至0，否則會造成自動防噴器的損壞。

（2）故障二：頂驅(qū)液壓盤剎剎車能力不足。

故障原因分析：需要從機、電、液3 個方面進行考慮，需要先確定是機械故障還是液壓故障，然后再逐一鎖定故障點?？赡艿墓收宵c如下：①剎車片磨損嚴重；②剎車片被油污染；③剎車間隙不對稱；④剎車鉗體復位彈簧老化；⑤剎車液壓系統(tǒng)壓力過低；⑥電磁閥不工作；⑦液壓管線有漏點。

故障處理過程：由于是在處理井下復雜情況，頻繁使用頂驅(qū)液壓盤剎釋放反扭矩，出現(xiàn)剎車能力不足的情況，基本可以確定剎車片磨損嚴重造成剎車能力不足。檢查后發(fā)現(xiàn)剎車片磨損嚴重，更換剎車片后剎車能力恢復。

故障處理總結(jié)：頂驅(qū)液壓盤剎為靜剎車，若使用其釋放反扭矩會加劇剎車片的磨損，故在使用其釋放反扭矩后，必須要立即檢查剎車片和鉗體。在正常使用情況下，必須每月檢查剎車片磨損情況。某鉆井公司出現(xiàn)過未及時檢查剎車片磨損情況導致頂驅(qū)剎車油缸、剎車盤磨損嚴重，剎車油缸卡住剎車盤，頂驅(qū)主電機旋轉(zhuǎn)導致過熱，剎車油缸起火，造成嚴重后果。所以一定要及時檢查剎車片磨損情況。

6 結(jié)束語

在日常工作中，應做好頂驅(qū)液壓系統(tǒng)的維護檢查工作，定期更換液壓油及油濾；定期檢查液壓系統(tǒng)壓力和儲能器壓力，壓力值不符合標準時應及時調(diào)整；保證加油器具及液壓油的純凈，做好基礎(chǔ)的維護工作能夠有效的降低故障率。操作技能也至關(guān)重要，必須要按照正確的操作規(guī)程進行操作，避免因操作失誤而造成故障。操作人員對頂驅(qū)液壓系統(tǒng)控制原理要熟悉，一旦出現(xiàn)故障，不要慌張，按照所述的方法，逐步縮小故障點的范圍，進而找出故障點進行相應處理。