石油鉆機頂驅卡轉故障分析及改進

胡曉東，方賢圓

（順益體系（集團），廣東 珠海 519020）

石油鉆機頂驅卡轉故障分析及改進

胡曉東，方賢圓

（順益體系（集團），廣東 珠海 519020）

本文對一起石油鉆機頂驅卡轉事故進行分析，發現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，導致發熱磨損主軸下沉。電機軸向尺寸誤差累積導致間隙量小，遇到主軸下沉或拉長軸向變形后摩擦。電機下端軸承內圈開裂，導致滾道跑偏以致機械密封徑向偏差并燒結卡死。

石油鉆機；頂驅；主軸承；機構優化；潤滑改良

0 引言

由中方提供核心設備的南美洲某石油開采項目現場出現頂驅主電機不轉的情況。用戶司鉆稱頂驅在鉆進時聽到“砰”的一聲響，隨后主電機即停止轉動，但頂驅扭矩卻升高。后試驗多次仍不能轉動。該井設計井深5400m，實際完成5168.2m，鉆具懸重約250t，轉速80～100r/min，環溫37℃。

檢查剎車鉗正常有效；旋轉頭能夠正常旋轉，且無下沉現象；排除電機故障。基本確定為頂驅的動力系統內部故障，頂驅下架解體檢查。

1 檢查情況

1.1 電機下端蓋軸承損傷

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

圖1 軸承內圈開裂、滾道有油脂

（2）電機下端蓋機械密封環向下滑移錯位與上支撐蓋接觸摩擦，兩零件均有高溫發藍現象，如圖2所示。

（3）電機下端蓋軸承上方機械密封環摩擦燒結并開裂，如圖3所示。

1.2 主軸承磨損嚴重

解體后發現主軸承磨損嚴重，軸承存在潤滑不良現象：

（1）軸承滾子表面無潤滑脂；

（2）擠出滾道的潤滑脂發黑干結；

（3）滾子表面點蝕/剝落；

（4）上下端蓋也存在不同程度的點蝕和凹坑。

如圖4、5、6所示。

圖2 密封環及支撐蓋高溫發藍

圖3 機械密封環摩擦燒結并開裂

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 電機下端軸承內圈斷裂分析

軸承內圈產生裂紋可能原因：

（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 。當外加載荷超過材料強度極限而造成零件斷裂稱為過載斷裂。實際使用工況超出設計標準造成的。

（3）安裝不當 。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生偏心，那么電機軸承內外圈及滾動體就會受到周期性沖擊負荷，導致軸承內圈斷裂失效。另一個就是軸承安裝間隙過小導致軸承發熱卡死，卡死后電機依然運轉最終憋裂內圈。從主軸承套圈點蝕分布情況看出，可能存在主軸垂直差不好造成偏載情況的產生，從現場聽到砰一聲巨響可能就是內圈斷裂產生。通常出現軸承斷裂失效大多數為過載失效，過載原因主要是主機突發故障或安裝不當。

2.2 主軸承產生點蝕、剝落分析

（1）軸承內部滾道潤滑油脂均被擠出。

（2）溢出油脂明顯發黑變硬，應為高溫氧化所致。

（3）滾動體存在帶狀點蝕現象。

（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）從主軸承蓋點蝕剝落的分布狀況可以看出存在偏載現象，如圖7所示。

軸承產生點蝕剝落的可能原因：

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

（2）安裝不當：軸承在安裝時不到位或安裝傾斜，使軸承偏載等非正常運轉。

（3）異物進入：有異物進入軸承，軸承在運轉時受卡阻。

（4）材質缺陷：材質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不到工況要求導致潤滑不良產生點蝕剝落現象。

（6）潤滑方式：潤滑方式設計缺陷，導致潤滑點潤滑不足。

圖7 座片帶狀疲勞剝落

3 改進建議

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

3.1 主軸承機構優化建議

除了潤滑劑極壓性不足導致軸承潤滑不良外，該設備還存在軸承的設計結構及潤滑方式不合理的因素，導致滾子表面潤滑劑無法及時補充，出現潤滑不良，造成軸承損傷。

目前生產的額定動載荷250t及以下頂驅軸承結構如圖8所示，滾子之間有保持架，軸承座片也有一定儲油結構。

圖8 250t及以下頂驅軸承

因此油脂保持效果良好，滾子表面油膜能得到有效補充。使用效果如圖9所示。

400t及以上軸承結構如圖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及以下頂驅軸承潤滑效果

圖10 400t及以上頂驅軸承

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

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

（3）軸承座片位置安裝溫度傳感器，實時監控軸承運行狀態。

（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，單純缺油引起的失效，那先溢出的應該是紅色油脂，當主軸承潤滑不夠時才發生逐漸高溫氧化再溢出少部分黑色變質油脂。實際上全部是黑色油脂，如圖12所示。

頂驅主軸承的工況特點及潤滑建議：

圖12 主軸承溢出油脂顏色

（1）重載，有沖擊負荷。建議潤滑劑四球焊接負荷＞380kgf，在重載和有沖擊負荷的工況下，摩擦副表面處于邊界潤滑狀態，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，可以增強潤滑劑的抗重載能力，并起到應急潤滑作用。

（2）溫度范圍廣，環境溫度-40～60℃，實際工作溫度-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油。

（3）環境惡劣，露天環境，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，露天水汽環境不易乳化，高溫穩定性好不易變稀流失。

（4）長效潤滑，加脂周期達到1年甚至2年以上，期間無需再潤滑。

4 結語

通過對大型頂驅卡轉事故分析得知，該設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計缺陷導致了主軸承損傷進而引發連鎖反應最終卡轉。本文建議一方面改進主軸承潤滑密封機構，另一方面針對頂驅這類大型重載設備設計時，在潤滑劑選擇上也需要根據實際情況做相應調整，不能隨意參照一般重載設備的潤滑標準，否則油膜強度無法滿足軸承滾動/滑動摩擦副的極壓性要求。

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

[2] 汪德濤.潤滑技術手冊[M].北京：機械工業出版社，1998,335～409.

[3]劉澤九.滾動軸承應用手冊[M].北京：機械工業出版社，2006,1045～1066.

[4]胡邦喜.設備潤滑基礎[M].北京:冶金工業出版社，2002,197～332.

TG333.1

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1671-0711（2016）12（上）-0053-03