胡曉東，方賢圓

（順益體系（集團(tuán)），廣東 珠海 519020）

石油鉆機(jī)頂驅(qū)卡轉(zhuǎn)故障分析及改進(jìn)

胡曉東，方賢圓

（順益體系（集團(tuán)），廣東 珠海 519020）

本文對一起石油鉆機(jī)頂驅(qū)卡轉(zhuǎn)事故進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)主軸承潤滑不良是造成故障的直接原因。主軸承因潤滑失效，導(dǎo)致發(fā)熱磨損主軸下沉。電機(jī)軸向尺寸誤差累積導(dǎo)致間隙量小，遇到主軸下沉或拉長軸向變形后摩擦。電機(jī)下端軸承內(nèi)圈開裂，導(dǎo)致滾道跑偏以致機(jī)械密封徑向偏差并燒結(jié)卡死。

石油鉆機(jī)；頂驅(qū)；主軸承；機(jī)構(gòu)優(yōu)化；潤滑改良

0 引言

由中方提供核心設(shè)備的南美洲某石油開采項(xiàng)目現(xiàn)場出現(xiàn)頂驅(qū)主電機(jī)不轉(zhuǎn)的情況。用戶司鉆稱頂驅(qū)在鉆進(jìn)時聽到“砰”的一聲響，隨后主電機(jī)即停止轉(zhuǎn)動，但頂驅(qū)扭矩卻升高。后試驗(yàn)多次仍不能轉(zhuǎn)動。該井設(shè)計(jì)井深5400m，實(shí)際完成5168.2m，鉆具懸重約250t，轉(zhuǎn)速80～100r/min，環(huán)溫37℃。

檢查剎車鉗正常有效；旋轉(zhuǎn)頭能夠正常旋轉(zhuǎn)，且無下沉現(xiàn)象；排除電機(jī)故障?；敬_定為頂驅(qū)的動力系統(tǒng)內(nèi)部故障，頂驅(qū)下架解體檢查。

1 檢查情況

1.1 電機(jī)下端蓋軸承損傷

（1）電機(jī)下端蓋徑向軸承內(nèi)圈開裂；滾道內(nèi)仍有油脂，油脂狀態(tài)基本正常，如圖1所示。

圖1 軸承內(nèi)圈開裂、滾道有油脂

（2）電機(jī)下端蓋機(jī)械密封環(huán)向下滑移錯位與上支撐蓋接觸摩擦，兩零件均有高溫發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，如圖2所示。

（3）電機(jī)下端蓋軸承上方機(jī)械密封環(huán)摩擦燒結(jié)并開裂，如圖3所示。

1.2 主軸承磨損嚴(yán)重

解體后發(fā)現(xiàn)主軸承磨損嚴(yán)重，軸承存在潤滑不良現(xiàn)象：

（1）軸承滾子表面無潤滑脂；

（2）擠出滾道的潤滑脂發(fā)黑干結(jié)；

（3）滾子表面點(diǎn)蝕/剝落；

（4）上下端蓋也存在不同程度的點(diǎn)蝕和凹坑。

如圖4、5、6所示。

圖2 密封環(huán)及支撐蓋高溫發(fā)藍(lán)

圖3 機(jī)械密封環(huán)摩擦燒結(jié)并開裂

圖4 滾道無油脂

圖5 滾子表面疲勞剝落

圖6 座片磨損，部分疲勞剝落

2 故障分析

2.1 電機(jī)下端軸承內(nèi)圈斷裂分析

軸承內(nèi)圈產(chǎn)生裂紋可能原因：

（1）材料缺陷 。軸承零件的微裂紋、縮孔、氣泡、大塊外來雜物、過熱組織及局部燒傷等缺陷在沖擊過載或劇烈振動時會在缺陷處引起斷裂。

（2）過載 。當(dāng)外加載荷超過材料強(qiáng)度極限而造成零件斷裂稱為過載斷裂。實(shí)際使用工況超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)造成的。

（3）安裝不當(dāng) 。如果主軸在安裝過程中，主軸軸心線的垂直差控制的不好產(chǎn)生偏心，那么電機(jī)軸承內(nèi)外圈及滾動體就會受到周期性沖擊負(fù)荷，導(dǎo)致軸承內(nèi)圈斷裂失效。另一個就是軸承安裝間隙過小導(dǎo)致軸承發(fā)熱卡死，卡死后電機(jī)依然運(yùn)轉(zhuǎn)最終憋裂內(nèi)圈。從主軸承套圈點(diǎn)蝕分布情況看出，可能存在主軸垂直差不好造成偏載情況的產(chǎn)生，從現(xiàn)場聽到砰一聲巨響可能就是內(nèi)圈斷裂產(chǎn)生。通常出現(xiàn)軸承斷裂失效大多數(shù)為過載失效，過載原因主要是主機(jī)突發(fā)故障或安裝不當(dāng)。

2.2 主軸承產(chǎn)生點(diǎn)蝕、剝落分析

（1）軸承內(nèi)部滾道潤滑油脂均被擠出。

（2）溢出油脂明顯發(fā)黑變硬，應(yīng)為高溫氧化所致。

（3）滾動體存在帶狀點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

（4）滾動體干澀無明顯的成形油膜。

（5）軸承座片和軸片存在大量疲勞剝落。

（6）從主軸承蓋點(diǎn)蝕剝落的分布狀況可以看出存在偏載現(xiàn)象，如圖7所示。

軸承產(chǎn)生點(diǎn)蝕剝落的可能原因：

（1）軸承在工作中承受的負(fù)荷過大，超過極限負(fù)荷。該軸承額定動載荷400t（MAX），額定靜載荷675t。實(shí)際鉆具懸重約250t，未超過額定載荷。

（2）安裝不當(dāng)：軸承在安裝時不到位或安裝傾斜，使軸承偏載等非正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）異物進(jìn)入：有異物進(jìn)入軸承，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時受卡阻。

（4）材質(zhì)缺陷：材質(zhì)本身存在冶煉及熱處理等缺陷。

（5）潤滑不良：潤滑劑失效或潤滑劑本身抗極壓性能達(dá)不到工況要求導(dǎo)致潤滑不良產(chǎn)生點(diǎn)蝕剝落現(xiàn)象。

（6）潤滑方式：潤滑方式設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致潤滑點(diǎn)潤滑不足。

圖7 座片帶狀疲勞剝落

3 改進(jìn)建議

本次故障直接原因是主軸承潤滑不良，潛在原因是設(shè)備存在安裝偏差。即使下次安裝到位，如果沒有對主軸承進(jìn)行潤滑改進(jìn)，故障仍隨時會發(fā)生。因此就主軸承潤滑方案改進(jìn)提以下建議。

3.1 主軸承機(jī)構(gòu)優(yōu)化建議

除了潤滑劑極壓性不足導(dǎo)致軸承潤滑不良外，該設(shè)備還存在軸承的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及潤滑方式不合理的因素，導(dǎo)致滾子表面潤滑劑無法及時補(bǔ)充，出現(xiàn)潤滑不良，造成軸承損傷。

目前生產(chǎn)的額定動載荷250t及以下頂驅(qū)軸承結(jié)構(gòu)如圖8所示，滾子之間有保持架，軸承座片也有一定儲油結(jié)構(gòu)。

圖8 250t及以下頂驅(qū)軸承

因此油脂保持效果良好，滾子表面油膜能得到有效補(bǔ)充。使用效果如圖9所示。

400t及以上軸承結(jié)構(gòu)如圖10所示，保持架穿過滾子中心并沒有保持滾道油脂的作用，座片是一個平面也無儲油功能。該類型軸承采用潤滑油潤滑更為合理。因此使用后軸承滾子表面幾乎無任何油脂殘留，如圖4所示。

圖9 250t及以下頂驅(qū)軸承潤滑效果

圖10 400t及以上頂驅(qū)軸承

由此，我們建議：（1）加強(qiáng)主軸承下端密封，減少油脂從座片和主軸之間動密封出泄漏。

（2）安裝加脂設(shè)備，人工或者自動加脂設(shè)備定期補(bǔ)加油脂，避免出現(xiàn)軸承缺油情況。

（3）軸承座片位置安裝溫度傳感器，實(shí)時監(jiān)控軸承運(yùn)行狀態(tài)。

（4）增加油脂填充量，油脂填充位置建議高于軸承軸片高度，如圖11所示。

圖11 主軸承潤滑方式優(yōu)化示意

3.2 主軸承潤滑劑改良建議

從潤滑角度分析，目前存在潤滑劑極壓性不足問題。主軸承使用美孚SHC 220，四球焊接載荷250kgf，滿足一般工況極壓性能要求。如果在潤滑性滿足要求情況下，單純?nèi)庇鸵鸬氖?，那先溢出的?yīng)該是紅色油脂，當(dāng)主軸承潤滑不夠時才發(fā)生逐漸高溫氧化再溢出少部分黑色變質(zhì)油脂。實(shí)際上全部是黑色油脂，如圖12所示。

頂驅(qū)主軸承的工況特點(diǎn)及潤滑建議：

圖12 主軸承溢出油脂顏色

（1）重載，有沖擊負(fù)荷。建議潤滑劑四球焊接負(fù)荷＞380kgf，在重載和有沖擊負(fù)荷的工況下，摩擦副表面處于邊界潤滑狀態(tài)，此時要求潤滑劑具有良好的極壓性能。含石墨、二硫化鉬等固體潤滑劑成分，可以增強(qiáng)潤滑劑的抗重載能力，并起到應(yīng)急潤滑作用。

（2）溫度范圍廣，環(huán)境溫度-40～60℃，實(shí)際工作溫度-35～120℃。 低溫啟動力矩不能過大，對油脂低溫流動性要求；異常高溫時，要求油脂具有良好的抗氧化性。建議選用全合成的最好是全氟聚醚基礎(chǔ)油。

（3）環(huán)境惡劣，露天環(huán)境，存在大量水汽、粉塵、曝曬等影響。推薦選擇聚脲基、PTFE等稠化劑類型抗水性突出，露天水汽環(huán)境不易乳化，高溫穩(wěn)定性好不易變稀流失。

（4）長效潤滑，加脂周期達(dá)到1年甚至2年以上，期間無需再潤滑。

4 結(jié)語

通過對大型頂驅(qū)卡轉(zhuǎn)事故分析得知，該設(shè)備故障除了安裝存在一定偏差外，核心部件主軸承的潤滑密封設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致了主軸承損傷進(jìn)而引發(fā)連鎖反應(yīng)最終卡轉(zhuǎn)。本文建議一方面改進(jìn)主軸承潤滑密封機(jī)構(gòu)，另一方面針對頂驅(qū)這類大型重載設(shè)備設(shè)計(jì)時，在潤滑劑選擇上也需要根據(jù)實(shí)際情況做相應(yīng)調(diào)整，不能隨意參照一般重載設(shè)備的潤滑標(biāo)準(zhǔn)，否則油膜強(qiáng)度無法滿足軸承滾動/滑動摩擦副的極壓性要求。

[1]孫慶群.石油生產(chǎn)及鉆采機(jī)械概論[M].北京:中國石化出版社，2011,35～135.

[2] 汪德濤.潤滑技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998,335～409.

[3]劉澤九.滾動軸承應(yīng)用手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006,1045～1066.

[4]胡邦喜.設(shè)備潤滑基礎(chǔ)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2002,197～332.

TG333.1

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1671-0711（2016）12（上）-0053-03