海洋固定模塊鉆機泥漿泵質量后評估分析

陳 濤

（中海石油（中國）有限公司南海東部深圳分公司，廣東 深圳518067）

泥漿是鉆完井的血液，泥漿泵是鉆完井的心臟。泥漿泵故障會直接導致鉆完井泥漿循環中止，如同人體血液循環中止會導致人死亡一樣。如不能迅速恢復泥漿循環，將導致井壁失穩，引發井下事故，甚至井噴。泥漿泵的主要作用是將泥漿隨鉆頭鉆進注入井內，起著冷卻鉆頭、清洗鉆具、穩固井壁、驅動鉆進，并將巖屑帶回地面的作用。因此，泥漿泵運行的穩定性是鉆完井施工時效和安全的關鍵因素。

在我國海洋石油工業早期，多采用進口設備，質量可靠，運行穩定。在國產設備替代的大背景下，從“十二五”規劃開始，我國海洋石油平臺逐步開始鉆機裝備的國產化，其中泥漿泵作為關鍵裝備是最早大規模商業化的鉆井裝備，在最初應用期間，故障頻發，給鉆完井作業帶來極大的安全隱患。

1 泥漿泵運行故障分析

在鉆機的運行過程中，對每臺設備都建立了維修檔案，根據設備維修檔案，對某新建固定平臺的泥漿泵從投產到開發井完工間故障進行統計分析。影響到泥漿系統運行的故障14 次，其中電氣故障4 次、機械損傷2 次、設備易損件損壞4 次、設備部件脫落3 次、電控故障1 次。從次數占比分析，電氣故障和易損件較多，但是從故障導致泥漿泵損失時間來分析，機械損傷占關停時間的63%。故障占比次數見圖1，故障損失占比時間見圖2。由圖可見，機械損傷的次數是泥漿泵損失時間的主要因素，減少機械損傷能有效提高泥漿泵的運行時效。

圖1 故障占比次數

圖2 故障損失占比時間

2 故障原因分析

按照電氣故障，機械損傷，電控故障對該泥漿泵系統故障進行調查分析。

2.1 電氣故障原因分析

泥漿泵因電氣故障4 次，2#泥漿泵變頻器跳閘、2#泥漿泵變頻器進線斷路器合不上閘、檢修1#灌注泵司鉆房遠程啟動失效、1#泥漿泵無法正常啟動。造成原因均為電氣元件接觸不良或松動引起的故障。

為了方便維修，電氣部分的控制回路、輔助回路、互鎖回路或連鎖回路等，其連接方式都設計為插接式或緊固式連接。時間長易形成插腳與底座接觸夾片，不能接觸或松動造成接觸不良，應加強巡回檢查易松動的電器元件或部件。

2.2 機械損傷故障分析

機械損傷2 次，一次是人字齒輪點蝕，一次是冷缸閥頭刺漏，造成32 小時的關機搶修。

泥漿泵人字齒均存在不同程度點蝕現象，其中2#泥漿泵點蝕比1#、3#較為嚴重，并且2#泥漿泵傳動小齒輪有一處蹦齒（指甲蓋大小），點蝕實物見圖3。

圖3 人字齒點蝕

F-1600 泥漿泵齒輪是采用漸開線齒形，材質為中碳合金鋼調質處理的中硬度齒面，泥漿泵投入工作的初期易發生點蝕現象。當齒輪承受的壓力過大時，點蝕的面積會擴散到整個下齒面，大齒圈相比較小齒輪來說更加容易出現點蝕，當點蝕的范圍擴散到整個下齒面時，點蝕的形狀也發生很大改變。點蝕主要由齒輪的承載力決定，潤滑油會一定程度地提高齒輪的承載力，但承載力超過齒輪的疲勞強度，潤滑油就無法對齒面形成保護層，齒輪的工作面就開始出現點蝕的情況。疲勞強度較差的齒輪，當齒輪轉動時會因為接觸力的反復作用造成表面出現裂痕，在后期的工作中必然會出現點蝕，隨著點蝕面積的不斷擴大，就發展成為點蝕坑導致損壞齒輪面。

齒輪的潤滑情況是造成人字齒點蝕的主要原因，左右兩側齒面受力不均，發生偏載，造成一側齒面點蝕較明顯；齒輪間歇的大小也會造成齒面點蝕，因齒輪間的間歇過小，潤滑油無法在齒面之間形成保護膜，造成齒面金屬直接接觸，最終導致齒面出現點蝕的現象。

齒輪在工作時受力不均勻也是導致出現點蝕的重要原因，造成工作時受力不均勻包括：

（1）泥漿泵裝配造成的精度誤差大，導致內部結構存在軸向力間歇，齒輪在轉動時脫離了中心軌跡，加大了載荷作用側的摩擦力。

（2）人字齒自身的加工精度誤差，會直接導致齒輪工作面受力不均。

（3）泥漿泵在外載荷以及慣性的作用下齒輪的工作面變形，齒輪的工作位置以及齒輪軸的剛性變化導致側轉。

針對齒輪點蝕情況，廠家對2#、3#泥漿泵對大齒輪用小磨頭進行高點修復，然后用油石對每個齒面進行研磨；小齒輪清理高點進行修復，然后用油石對每個齒面進行研磨修復。修復后均可以正常使用并觀察點蝕狀況。

三臺泥漿泵總共五處冷缸、閥座外側出現刺痕，其中兩處冷缸、閥座均有刺痕，其余三處只有冷缸存在刺痕（如圖4、圖5）。刺痕均發生在閥座與冷缸的接觸面，未貫穿冷缸接觸面，刺痕未向壓力方向傳遞的痕跡。

圖4 冷缸刺痕

圖5 缸體刺痕

對進行閥座錐度幾何測量、基體化學成分分析、外壁滲碳層厚度、非金屬夾雜物、顯微組織分析（如圖6）、表面及芯部硬度、工作面異常處形貌、形成機理分析。閥座粘連部位附近滲碳層存在洼陷孔洞是冷缸閥座刺痕原因，表面滲碳層受到硬度高于滲碳層的外來異物損傷，破壞了配合密封錐面的完整性；導致在運行過程中，閥座與液缸配合錐面不能完全貼合，加之閥座的硬度遠遠高于液缸的硬度，當閥座的工作面與液缸相互產生相對滑動摩擦時，外來異物與閥座、液缸的破損金屬共同作用使液缸配合錐面造成損傷，形成了閥座上肉眼可見的粘連條帶。惡性循環，進一步影響配合面貼合度，最終導致配合錐面失效。

圖6 閥座粘連部位光學照片分析圖

2.3 傳動控制系統故障原因分析

傳動控制系統故障2 次，2#泥漿泵變頻器跳閘故障、1#泥漿泵B 變頻器通信故障。欠電壓是指工頻下交流電壓方根值降低，小于額定值的10%，并且持續時間已經超過1 分鐘以上的變化現象，引起欠電壓的事件與過電壓相反，我們用的變頻器屬于交-直-交變頻器三相電源經過整流器得到直流電，通過直流母線向逆變器供電。整流后的母線電壓應該是約等于進線電壓的1.35 倍，為了保護變頻器，在母線電壓過低時，變頻器會報欠壓故障，并封鎖逆變器脈沖輸出。這是保護變頻器器件不受損壞的一個重要而且必要的方法，這個故障也是不能被屏蔽的。直流母線欠電壓的原因：

（1）供電線路本身的電壓不穩定；電網質量不好，大型設備大電機的啟動造成瞬間電壓跌落等，在進線端加裝穩壓裝置達到穩定電壓的目的。

（2）電路負載工作電流大，在電機加速時電動機從變頻器獲得電能，并轉化成動能，如果加速時間短加速度很高，那么母線電壓會被很快拉低，而造成欠電壓故障時，可以設定延長加速時間，有DIP 技術控制器的，要降低系統響應延長濾波時間等。

（3）供電線路存在短路、缺相或控制線路問題。

（4）變壓器容量不足或電容器組的某個電容斷開和蓄能不足等出現故障。

3 結論

泥漿泵是洋模塊鉆井設備八大件的核心裝備，是最早國產化和大規模商業化的設備，能滿足作業需求，解決了卡脖子的問題，但在設計和制造方面還有一定的缺陷，有較大的質量提高空間。從質量后評估的結果來看，機械損傷是導致設備損失時間的最主要原因，若能降低機械損傷故障，將大大提高泥漿泵運行時效。一些非關鍵部件的配件質量不高，雖然不影響運行時效，但不停地更換和修理為現場帶來不必要的作業安全風險。在后續的建造過程中，應重點關注泥漿泵本體和旋轉件的材料和潤滑方案的優化選型。在維保過程中，應注意泥漿泵的密封面清潔，及時清理摩擦面的雜質。