頂驅主軸偶發性抖動分析與處理

趙 偉 孫龍林

1.中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司勘探七號 上海 201208；

2.中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司總師辦 上海 201208

頂驅是海洋鉆井動力源，一旦發生故障會導致鉆井無法繼續，而特殊井段長時間停轉極易造成井下復雜事故，因此需及時檢查、排除故障。某平臺頂驅使用過程中發生了主軸偶發性抖動故障，雖然是偶發且未影響正常鉆進，但可能是重大設備故障的苗頭。為此，平臺機械師通過細致排查，及時排除了故障點。

1 故障情況

2019 年7 月8 日，勘探七號平臺在進行東海復測作業（類似劃眼下鉆）時，司鉆在卸開頂驅點spin in 給頂驅保護接頭涂油過程中，發現啟動后頂驅主軸高頻抖動2s左右，之后恢復正常。與老式頂驅接甩鉆具的平衡液缸系統有所不同，此平臺是司鉆通過drillview 鉆井系統發送spin in 和spin out 指令，控制平衡系統自動接甩鉆具，平衡控制和操作時間均由系統自動控制，控制更精細，自動化程度更高[1]。Spin in 旋扣，即頂驅以15r/ min 速度正轉，平衡液缸控制頂驅以一定速度緩慢接觸鉆桿，直到接扣且扭矩達到6.8kN·m 停止，用于接鉆具。Spin out 則相反，頂驅以15r/ min 的速度反轉，直至卸開鉆具。正常情況下，這兩種動作都很柔和順暢，通過自動控制最大限度保護鉆桿螺紋免受傷害。司鉆發現這一反常現象后，立即通知機械師上鉆臺檢查，且在隨后再接卸頂驅時留意觀察并測試，發現spin in / spin out 時主軸抖動現象均會偶爾發生，震動時主軸抖動頻率很高，但無明顯規律。

機械師對頂驅運轉機構進行檢查發現，電動機聯軸節螺栓未松動，緩沖橡膠塊無異常，頂驅齒輪箱油位正常，在旋轉時也未發現異常聲音（即便抖動時也未發現異常聲響）。后續一段時間再未發現異常狀況[2]，遂要求司鉆使用中保持密切觀察，監控扭矩、潤滑油溫等運行參數，加強巡檢頻率。

2019 年7 月28 日，平臺作設備聯動的準備工作，在測試頂驅上、卸扣平衡油缸功能時又出現主軸抖動現象，持續時間大約1 s 左右。然后測試spin in 功能，發現抖動比之前頻繁，無論是上、卸鉆具還是空轉測試都出現抖動。連續幾天反復測試檢查發現，抖動現象時有時無，始終未能確定抖動原因。后來機械師乘坐扶管臺，讓司鉆旋轉頂驅，用軸承聽診器仔細傾聽頂驅每道軸承、齒輪箱位置，均未聽到異常響聲[3]；用測溫槍檢查軸承、齒輪箱溫度，也未見明顯異常溫升[4-5]。因作業期間，無法全面排查，只能待井間再行檢查。

2 處理方法

作業結束后，機械師進行了全面排查。

（1）更換潤滑油濾器，將換下的過濾器破開濾網，觀察濾網是否有金屬粉末，未發現任何異常，說明運轉系統無異常磨損[6]。

（2）將百分表吸附于背鉗支架上，慢速轉動頂驅，頂驅主軸擺動最大0.1 mm，考慮到測量位置離軸承位置1.5 m，實際軸承擺動量更小。拆除沖管，檢查主軸與鵝頸彎平行度和軸線度，發現均在正常范圍，結合過濾器的檢查情況，初步判斷軸承圓周方向無異常[7]。

（3）用千斤頂上頂主軸，測量軸向串動，先在主軸向上施加力50 kN，串動量0.25 mm；再增加至70 kN，串動量0.27 mm，發現串動量正常，軸承軸向正常[8-9]。

（4）將齒輪箱（上下軸承由齒輪箱68# 潤滑油強制潤滑）和Swivel（主推力軸承220# 飛濺潤滑）內滑油排凈，觀察油樣，油質正常未發現金屬粉末；拆除齒輪箱的3 個磁棒，未發現金屬粉末；打開齒輪箱觀察孔，仔細檢查大小傳動齒輪，也未發現異常。

（5）綜合頂驅各項檢查指標，初步判斷頂驅各運轉部件正常，可以排除頂驅自身運轉部件異常引起的抖動。

（6）通過研究資料及現場檢查各運轉件可能的擦碰點，發現承載盤和管子處理器是最可能發生故障的點。正常情況下，如果管子處理器未承受任何重量，管子處理器通過碟簧支撐，與承重環之間有7～10mm 的間隙，如圖1所示。只有管子處理器承受的重量超過10t，將碟簧完全壓縮，管子處理器才會與承載盤接觸，將重量傳遞給承載盤，再通過主軸將負載傳遞給頂驅主推力軸承，此時頂驅主軸嚴禁旋轉。

圖1 承載盤間隙

(7) 管子處理器空載時，測量承重環與管子處理器間的間隙，發現最小處為0.2 mm、最大處0.3mm，說明承載碟簧已失去效用，無法支撐管子處理器重量。

(8) 拆檢碟簧，發現10 片碟簧損壞了7 片（圖2），僅3 片尚未損壞，致使管子處理器與承重環非常貼近但還存在一定間隙，正常情況不會干涉主軸運轉。但因間隙太小，在受震動影響時，管子處理器與承載盤會擦碰一起，引起主軸抖動。如繼續使用，剩余的3 片碟簧將會陸續失效，此時管子處理器在自重作用下與承載盤完全接觸，當頂驅主軸旋轉時，管子處理器會跟隨主軸旋轉，對鉆臺面人員、設備造成重大傷害。國外同類型設備發生過管子處理器隨主軸旋轉造成重大人員設備傷害的事故。

圖2 碟簧損壞示意

(9) 更換碟簧，將承重環與管子處理器間間隙調整至8 mm。后經多次spin in 和spin out 測試，再未出現主軸抖動現象。

3 總結

此次碟簧斷裂引起的抖動有一定的巧合，因尚有碟簧發揮作用，管子處理器未完全壓在承載環上，但間隙非常小，偶爾又會發生觸碰，所以會引起主軸偶發性抖動。如不及時處理，剩余完好的碟簧將很快斷裂，屆時管子處理器完全壓在承載盤上，一旦主軸旋轉管子處理器跟隨旋轉，可能會造成井口設備和工作人員重大傷害。為此，做以下幾點總結供參考：

3.1 管子處理器與碟簧間間隙檢查

廠家要求管子處理器與碟簧間間隙每半年檢查一次。故障排除后檢查頂驅保養記錄發現，前4 年檢查記錄均為8mm（資料要求7～10mm），一年前和半年前的數據分別為7.8mm 和7.5mm，當時以為是碟簧老化引起，且數據超過7mm 未予重視。現在看來，應該當時碟簧已開始損壞，且碟簧的損壞是加速度發展，失效碟簧越多，剩余碟簧失效越快。

3.2 碟簧更換過程需注意事項

（1）碟簧壓縮量與其承載力對應關系由廠家測算試驗獲得，但不會提供給客戶，特別是進口設備更不會提供，所以拆解之前需測量原始數據（圖3 中的H）。回裝后，此數據準確則能確保碟簧壓縮量與原始數據相符，若壓縮量不到位會導致下方卡箍無法安裝。

圖3 碟簧壓縮量測量示意圖

（2）碟簧必須全部更換。殘余碟簧雖未損壞，但已接近使用壽命，且承載力與新件有差距，不得混用。

（3）安裝時表面需涂抹一層薄薄的黃油，既可起到防腐作用，又能在壓縮過程中使碟簧間有相對位移，避免扭曲。

（4）碟簧包裹在護罩之內，拆解時發現其內部存滿積水，這加快了碟簧腐蝕。為防止積水，后續加工了幾個泄水孔。

（5）正常情況下，無法檢查碟簧狀況，只能根據管子處理器與承載盤的間隙判斷。一旦此數據發生變化，需加強檢查頻率，不能局限于廠家要求的半年一檢。

3.3 拓寬故障檢查思路

頂驅主軸抖動一般是由于自身傳動系統某部件故障引起，因此首先圍繞頂驅各部件排查。但本次故障最終確認是由于外界干擾引起，這提醒我們需拓寬故障檢查思路，及時排查故障隱患點，避免造成重大設備、人身傷害事故。

3.4 加強精細化管理

隨著勘探技術的發展，大位移、大角度斜井作業量逐漸增加，高溫高壓井作業也成為常態，設備的停轉極易造成井下復雜情況，對設備的管理提出了更高要求。因此，今后需對頂驅等主要鉆井設備進一步精細化管理，學習先進的設備管理體系和管理方法，在廠家資料維保要求的基礎上，根據實際使用狀況提高檢查頻率和質量，為安全高效的井下作業提供設備保障。