提高深海1.5 m淺鉆的工作可靠性探索

孫大偉

(長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012)

0 引言

用于深海多金屬富鈷結殼勘探的深海1.5 m淺地層巖芯樣鉆機(簡稱深海淺鉆)，一直是大洋科學考察的必備勘探設備，在大洋科學考察工作中發揮著極其重要的作用。大洋科學考察中若深海淺鉆工作中出現故障，會對整個大洋航次的科考任務的順利完成造成很大的影響，因此提高深海淺鉆的工作可靠性十分重要。

1 深海淺鉆系統簡介

深海1.5 m淺地層巖芯取樣鉆機，用于4000 m以淺的海底硬質基巖和較大面積礦石的取樣。作業時經鎧裝光纖動力纜施放至海底，通過所帶攝像機觀察海底狀況，由甲板監控系統操作進行取樣。

整個鉆機系統包括高壓供電系統子單元、圖像傳輸與控制和視頻監控系統子單元、液壓系統子單元等。確保系統工作的可靠性，就要分析深海淺鉆在作業條件下，各系統子單元產生故障的可能性，分析產生故障的原因，提出預防故障發生或者故障發生后的解決措施，從而提高整個系統工作的可靠性。

2 鉆機高壓供電系統可靠性分析

鉆機高壓供電系統是深海淺鉆工作的基本保障，確保高壓供電系統穩定運行主要是防止系統發生絕緣失效，系統高壓部分的供電電壓為2500 V，一旦絕緣失效，高壓電對鉆機系統造成的損傷是無法估量的。絕緣失效的表現形式為:

(1)絕緣表所測得的系統絕緣數值顯示值穩定，但是數值低于20 MΩ，無法滿足系統的絕緣要求;

(2)絕緣表所測系統絕緣數值忽高忽低不穩定。

造成絕緣失效的主要原因有:

(1)光電轉接盒密封失效進水;

(2)光電轉接盒內部的污染物顆粒過多;

(3)高壓連接纜與變壓器箱或光電轉接盒連接，因為內部的卡簧安裝誤差導致密封失效進水;

(4)萬米光纖纜因為鉆機多次下水作業扭轉導致光纖纜損傷，內部光纖纜進水，使系統絕緣失效。

針對以上可能造成絕緣失效的因素，為了增加高壓系統工作的可靠性，所采取的措施應為:

(1)在設計之初，對于光電轉接盒的密封采用如雙O型圈密封等更高級別的密封方式，安裝過程中注意控制O型圈的預緊壓縮量為合適狀態;

(2)裝配光電轉接盒之前，認真清洗盒體和端蓋及內部所有元器件，同時保證內部的變壓器油清潔;

(3)在安裝與高壓連接纜對應的變壓器端和光電轉接盒端的兩個纜接頭內部的卡簧時，要采用專用工具安裝，防止其發生變形，影響裝配質量，進而影響系統密封效果;

(4)造成萬米鎧裝纜發生扭轉的主要因素為下放和回收過程中，不可控制的海流沖擊因素導致，所以為防止鎧裝纜發生過多扭轉，應在四級海況或者以下方可進行淺鉆作業，一旦發生鎧裝纜扭轉導致纜損傷使絕緣失效時，應砍去已經損壞部分的纜，然后重新硫化鎧裝纜和承重頭之間的連接，經拉力測試合格后，方可繼續使用。

3 視頻監控系統的工作可靠性分析

鉆機在海底尋址和取芯鉆進的過程都需要視頻監控，確保視頻監控系統的穩定工作對于提高取芯過程的效率和質量有著重要的意義，系統一旦出現故障則視頻信號發生異常，影響鉆機作業，視頻信號異常表現為:

(1)視頻信號不清晰，在屏幕上表現為白色帶狀線條或白色斑點;

(2)視頻信號時有時無，間隔為幾秒到幾十秒;

(3)視頻信號徹底中斷，無法恢復。

造成視頻信號異常的可能原因為:

(1)鉆機多次作業造成的光纖衰減或者光電轉接盒和控制桶中間的光纖纜接頭松動造成的;

(2)控制桶內部電子元器件、電路板損傷或者內部接線松動斷開。

為提高視頻監控系統的穩定運行的可靠性，應采取如下的措施:

(1)設計之初應將光纖傳輸的通道設計成雙通道互為備份的信號傳輸方式，一旦在用的光纖信號傳輸通道因光纖衰減發生信號異常，可立即更換備份光纖信號傳輸通道加以解決;

(2)在鉆機使用過程中，應定期清洗光纖頭和光纖連接纜，不用的光纖插頭蓋上堵帽做好保護;

(3)在設計之初，選用更適于低溫、震動等深海復雜環境下的控制桶內部的元器件，控制桶內部元器件與電路板之間的焊接或者線路焊接應牢固、可靠。

(4)增加光纖連接纜與控制桶或者光電轉接盒連接的防松措施，如可設計特殊裝置或者在外部黏貼防水膠布等。

4 提高液壓系統工作可靠性的措施

液壓系統單元是整個鉆機系統的核心部分，液壓系統穩定運行是淺鉆順利工作的必要條件。深海鉆機因液壓系統故障表現的現象及產生原因如下。

(1)液壓系統壓力正常，鉆機動作失效?？赡茉蛉缦?因為海底地形復雜，鉆機多次著底震動導致控制桶內部相應的元器件損壞或者控制板損傷;鉆機長期多次作業油液污染累積，使液壓油的清潔度過低，控制閥內部污染顆粒過多，閥芯與閥體之間的運動副堵塞導致控制閥失效;在工作過程中，液壓油缸的活塞桿長期裸露在外直接和環境接觸，難免將塵埃污物帶入液壓系統，加速密封元件和活塞桿等的劃傷和磨損，從而引起內泄漏等，造成高低壓腔互通，最終導致油缸拉力或推力不足，另外液壓油的乳化也會使內泄漏增大。

(2)鉆機動作異常，例如在甲板控制單元控制界面點擊低壓推進按鈕，卻發生了高速正傳?？赡艿脑蚴?鉆機長期作業導致控制桶內部的控制板或者繼電器等元器件損傷或電路板燒結短路。

(3)油缸推進直線位移顯示不準確，表現為兩個方面:直線位移數值不發生變化，停留在某一數值;直線位移傳感器反應延遲，出現數值“遲滯”于油缸動作現象。發生這種情況的原因有:鉆機多次下水作業，位移傳感器多次來回往復運動，由于機械磨損導致位移傳感器磨損失效;推進油缸長期多次作業，密封失效進水，導致位移傳感器失效。

以上3種故障在深海淺鉆作業過程中發生的概率較大，液壓系統累計污染導致清潔度下降;鉆機元器件、零部件及密封件等因磨損等原因導致密封失效;控制桶內部元器件損傷等是造成故障發生的主要原因，因此應采取針對性的措施，提高深海淺鉆液壓系統工作的可靠性:

(1)在設計上采取措施保證油的清潔度，液壓元件組裝前必須進行嚴格清洗，必須通過過濾器向油箱加油，維修拆檢液壓元件時應在無塵區進行;

(2)系統油箱的吸油過濾器及壓力過濾器及回油過濾器必須定期檢查清洗或更換濾芯;

(3)定期檢查更換液壓油，換油時要清洗油箱并沖洗液壓管道及元件;

(4)設計之初，對于關鍵部件如油缸等采用更適于海底復雜運行環境下的密封方式，同時選擇密封件時要選用耐磨性等性能更為優良材料密封件;

(5)改善系統運行條件，對容易磨損的零部件進行定期潤滑，減少摩擦，預防油缸內泄露。

(6)正確的裝配密封件，裝配前應仔細檢查密封件看是否存在缺陷，裝配時應在密封件表面涂少許液壓油輕輕壓入，需注意零件的銳邊、毛刺等鋒口劃傷而失去密封作用，清洗時必須選用柴油，如用汽油會使密封件老化失去原有彈性從而失去密封效果;

(7)設計之初，對于控制桶內部的元器件選擇時，應考慮如震動、低溫等海底復雜環境對元器件造成的影響，同時焊接電路板與電子元器件連接時應焊接牢固。

5 其他影響鉆機工作可靠性的因素

(1)卡簧與鉆頭選配不當導致取芯鉆進速度過慢?？ɑ勺匀粻顟B下的內徑應比鉆頭內徑略大，卡簧和鉆具在選配的時候應該遵守不完全互換性的原則，需要用游標卡尺測量后選配。

(2)鉆機啟動電流過大。鉆機啟動電流應低于50 A，但是在運行過程中，經常發現啟動電流在160 A左右。出現這種情況的可能原因是:鉆機由于下放和尋址的過程需要至少1 h左右的時間，海水溫度較低導致液壓油粘度增大，造成液壓泵啟動困難，使啟動電流陡升。應對措施:數次短時間啟動，以免燒壞電機，一般是啟動幾秒，不超過8 s，如果啟動電流沒有降低，立即關閉高壓電源啟動按鈕，等待幾秒再重新啟動，直至啟動電流正常。

［1］那繼業，麻海濱，李紅梅.液壓系統的污染與控制［J］.包鋼科技，2006(4).

［2］李良巧.產品可靠性基礎［M］.北京:中國兵器質量與可靠性研究中心，2002.

［3］鐘秉林，黃 仁.機械故障診斷學［M］北京:機械工業出版社，2006.