鉆井設備軸承損壞原因分析

趙軍岐，徐天寧

（長慶鉆井工程總公司，陜西西安 710018）

0 引言

鉆井設備中所用軸承種類復雜，有深溝球軸承、調心球軸承、圓柱滾子軸承、推力滾子軸承等，有些軸承價值上萬元人民幣，如F1300泥漿泵連桿軸承928/660.4、SL-250水龍頭負荷軸承9019456和ZP-520轉盤負荷軸承1684/650等。鉆井設備大多工作環境惡劣，且井下情況不同造成設備超負荷運轉。對設備可靠性要求極高，一旦設備出現故障，將帶來較大的經濟效益損失。而軸承作為鉆井設備主要旋轉支撐零件，對鉆井設備的正常運轉起著非常關鍵的作用。軸承在使用過程中由于本身質量和外部條件的原因，其承載能力、旋轉精度和耐磨性能等會發生變化。當軸承的性能指標低于使用要求而不能正常工作時，軸承就發生了故障甚至失效，軸承一旦發生失效等意外情況后，設備將會停轉，出現功能喪失等各種異常現象，因此需要在短期內查出發生的原因，并采取相應的措施。長慶鉆井工程總公司是鉆井設備專業修理單位，根據統計，修理費用中軸承更換的費用占到了整個設備的40%～50%，甚至有些設備修理中主要是更換損壞的軸承。每年光軸承更換費用就400～500萬元人民幣。因此如果能采取一定措施提早預防軸承失效，或采取在軸承失效后采取相應措施防止其他部件繼續損壞，以提高鉆井設備運轉的可靠性，延長設備使用時間，減少維修，提高經濟效益。因此對鉆井設備軸承失效原因進行深入分析與診斷對于提高設備可靠性，保證正常鉆井增加鉆井效益非常重要。

石油鉆井設備由于使用工況惡劣，導致軸承損壞的形式也是多種多樣的。軸承常見的損壞形式有滾動體有麻點、脫落；軸承保持架損壞；滾動體破裂；軸承內外軌斷裂；軸承內外軌有磨損嚴重有點蝕、凹痕等；軸承擋邊掉塊；軸承游隙過大等。資料表明，在旋轉機械中有70%的故障是由滾動軸承引起的。

1 軸承常見的損壞形式

1.1 軸承內外軌有磨損嚴重有點蝕、凹痕

出現這類現象的主要原因是軸承表面受到交變應力的作用而產生的材料疲勞失效。接觸疲勞失效常見的形式是軸承疲勞剝落，軸承滾子和軌道表面有點蝕或麻點剝落（圖1）。如果嚴重的會向深層剝落，深層剝落是接觸疲勞失效的疲勞源。滾動軸承受到過大的沖擊載荷或者靜載荷，或者因為熱變形引起額外的載荷，或者當有高硬度的異物侵入時，都會在滾道表面形成凹痕或者劃痕。這將使滾動軸承運轉時產生劇烈的振動和噪聲。而且，一旦產生上述凹痕，由此所引起的沖擊載荷可能還會進一步引起附近表面的剝落。

圖1 軸承內軌點蝕

1.2 磨損失效

由于鉆井設備大多在風沙大自然工作環境惡劣的野外工作，難免設備潤滑油中有雜質等進入軸承內部。軸承工作表面之間擠入較硬的砂?；蛴操|異物或金屬表面的磨損且接觸表面相對移動而引起的磨損（圖2）。常在軸承工作表面造成數道拉傷。

圖2 軸承內軌磨損嚴重

1.3 腐蝕失效

鉆井設備工況復雜，在鉆井過程中不可避免的要接觸到水以及腐蝕性介質等，如泥漿泵在工作過程中不可避免的要接觸到化學泥漿，泥漿中還有酸堿等腐蝕性藥品。如果進入鉆井泵軸承內部會使軸承生銹和腐蝕。泥漿泵的大連桿軸承中進入了泥漿造成軸承損壞（圖3）。

圖3 進入泥漿的軸承

1.4 軸承軌道或擋邊斷裂失效

軸承軌道斷裂失效的主要原因是軸承本身缺陷、過載沖擊載荷導致軸承脆裂、或軸承中有異物進入造成斷裂失效。此類失效常見于沖擊振動大的部位。水龍頭負荷軸承（圖4）、泥漿泵連桿軸承和十字頭軸承的軌道負荷過重造成軌道斷裂（圖5）。

1.5 軸承軌道單側擋邊位置剝落

軌道單側極限位置剝落主要表現在軸承彈子軌道與擋邊交界處有嚴重在裝配過程中要確保軸承安裝到位或將自右側軸承外圈配合改為間隙配合（圖6），當軸承過載時軸承得到補償。

1.6 軸承燒損

由于潤滑不良或潤滑油不符合要求（圖7），以及軸承間隙調的過小，軸承工作時迅速發熱，在短短幾十分鐘內工作表面因受高溫而退火，如果不及時發現軸承內軌將膠合在軸上，軸承滾動體及保持架將散架。所謂膠合是指一個表面的金屬粘附到另一表面的現象。在潤滑不良，高速重載的情況下，由于摩擦發熱，滾動軸承零件可能在極短的時間內達到很高的溫度，從而導致表面損傷及損壞。

2 軸承常見故障的檢測

不通過拆卸檢查即可識別或預測軸承運轉中的故障，這對提高鉆井設備的可靠性和經濟型是十分重要的。

圖4 失效的水龍頭軸承

圖5 軌道斷裂的泥漿泵軸承

（1）通過軸承運轉的聲音來判斷軸承是否損壞。用聽音器或起子貼在軸承外殼來判斷軸承運轉過程中的聲音是否正常。滾動體在滾道上滾動時一種滑溜的輕聲，是軸承的基本聲。但聲音的大小與滾動軸承的結構有關，球軸承小，滾子軸承大。輕系列軸承小，重系列軸承大。如果軸承軌道有磨損或麻點，軸承在運轉過程中會有異響和有規律的跳動聲。

（2）通過專用軸承振動儀來識別。軸承如果有滾動體表皮剝落、壓痕、銹蝕、裂紋等現象都會在運轉過程中反映出來，通過振動測試分析儀可測出振動的大小，通過頻率分析推斷出異常的具體情況。

圖6 單側擋邊脫落的軸承

圖7 燒損的軸承

（3）通過軸承的工作溫度來辨別。軸承在運轉過程中會產生一定的溫升，但是如果潤滑良好這個溫度會恒定。如果因潤滑不良或軸承安裝不合適都會引起軸承溫度急劇上升，會出現異常高溫。這是必須停止運轉采取必要防范措施查明發熱原因。軸承引起高溫的原因有：潤滑不足，潤滑劑中含有雜質，負載過大，軸承損壞，間隙不足及油封摩擦產生的高溫。