螺桿鉆具馬達總成失效原因分析及改進

劉社明 LIU She-ming

（中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077）

1 概述

螺桿鉆具是一種以鉆井液為動力，把液體壓力能轉為機械能的容積式井下動力鉆具。高壓鉆井液經旁通閥進入馬達，在馬達進出口處形成一定壓差推動轉子繞定子的軸線旋轉，并將扭矩和轉速通過萬向軸和傳動軸傳遞給鉆頭達到鉆進的目的。

螺桿鉆具也稱容積式馬達，整體長度約為4m-8m[1]，作為井下動力裝置，具有低轉速、大扭矩、大排量等優點，它可增加鉆頭扭矩和功率，提高進尺率，減少鉆桿和套管的磨損和損壞，而且可以準確進行定向、造斜，廣泛應用于直井、水平井、叢式井和修井作業[2]。實際使用過程中，為達到快速鉆進，經常使用帶彎角的螺桿鉆具，導致鉆壓升高、定轉子偏心、與井壁摩擦的作用下彎角處出現較大偏心并出現公轉，工作時承受著縱向、橫向、扭轉3個方向的作用力，復雜的力學環境導致多種形式的螺桿鉆具失效事故發生。主要失效形式有定子脫膠、定子殼體斷裂、轉子斷裂、萬向軸斷裂、傳動軸頂部脫扣、軸承擠毀、傳動軸下部斷裂等[3]。

馬達總成主要是由偏心螺旋體的螺桿（轉子）和呈螺旋面的襯套（定子）組成。定子是在鋼管內壁上壓注橡膠襯套而成[4]。橡膠內孔是具有一定幾何參數的螺旋。轉子是一根經過特殊工藝加工而且耐磨、抗腐蝕左旋螺桿。轉子與定子相互嚙合，是用兩者的導程差而形成的螺旋密封線，同時形成密封腔[5]。在高壓鉆井液的作用下，轉子在定子里的轉動，從而密封腔沿著軸向移動，不斷的生成與消失，完成其能量轉換。

圖2 馬達總成

2 馬達總成失效形式及原因分析

2.1 定子殼體在過載力作用下斷裂

原因分析：圖3可以看，螺桿上部接頭母扣端面存在嚴重損傷和凹陷情況，且外徑尺寸由原來的?89mm，扭脹為現在的?91.5mm，分析在施工過程中遇塌孔等特殊情況，螺桿扶正器部位遇卡，螺桿承載的推力和扭矩嚴重超出了自身的可承載彎扭矩能力。結合斷裂位置分析，該位置為整根定子的薄弱位置，在過載的推力和扭矩作用下，最終導致定子殼體相對薄弱位置產生斷裂。

圖3 定子管斷裂部位

2.2 定子殼體在機械外力作用下產生裂紋

原因分析：首先對管體裂縫周圍取點進行硬度測量，如圖4所示，技術要求硬度HB280-320，實測硬度均值HB296，符合技術要求。同時追溯同一批次材料加工的其他定子管體均未發現開裂問題。隨后對管體外觀檢測發現多處明顯的斜向劃傷痕跡，劃痕最深處約2mm，如圖5所示，同時對管體外徑進行了對比測量，遠離裂紋端處外徑實測?72.4mm，如圖6所示，靠近裂紋端外徑實測?73.4mm，如圖7所示，說明裂紋處附近管體已經發生擠壓膨脹。為了進一步落實斷裂的原因，對管體裂縫部位進行切片取樣，如圖8所示，通過觀察斷裂位置對應的定子內襯橡膠，可以觀察到該位置有明顯的磨損痕跡，如圖9所示，說明此位置橡膠產生形變，與轉子配合的過盈量增大而產生了加劇磨損現象。假設是殼體本身材質問題導致的裂紋，內襯橡膠不應該產生形變，從而也說明了殼體裂紋是受外力所致。通過上述測量數據及結合現場施工情況分析推測：螺桿在鉗牙未完全松開的情況下遭受到鉆機瞬間強大的推力及扭力作用或受外力鈍器所致的機械損傷，而產生崩開式裂紋。由圖4可以看到裂紋中間部位缺肉，該位置為崩開式裂紋的起點位置，裂紋由此位置向兩邊軸向延伸。

圖4 定子管裂縫部位

圖5 定子管劃傷部位

圖6 遠離裂紋端外徑實測

圖7 靠近裂紋端外徑實測

圖8 管體裂縫部位切片取樣

圖9 定子內襯橡膠磨損痕跡

2.3 定子殼體注膠孔位置斷裂

原因分析：斷裂位置均在馬達的后端，連接鉆頭端為前端，如圖10所示，馬達進行鉆進時，交變應力集中在后端部位。定子螺旋槽寬度較寬和槽底較薄，承載交變應力比較薄弱。注膠孔對稱分布在較薄位置造成斷裂。逆止閥公螺紋較厚，定子殼體母螺紋相對較薄，應力點在母螺紋根部，在交變力作用下，造成斷裂。

圖1 螺桿鉆具

圖10 注膠孔斷裂位置

2.4 轉子斷裂失效

原因分析：螺桿鉆具馬達總成外管從扶正器前端接頭公扣處斷裂，轉子從萬向軸連接處斷裂，判斷是給進壓力偏大，螺桿鉆具卡鉆，導致扭矩過大、超過轉子機械強度導致斷裂失效。

3 改進措施

螺桿鉆具馬達總成最常見的失效主要是定子殼體機械損傷、轉子機械損傷。通過對機械損傷的原因深入分析研究，從設計改進、材料升級、工藝優化等方面提出優化建議。

3.1 設計改進

加大定子殼體有效厚度來提高抗交變力：定子內孔由62改為60，外徑由82加厚至86，殼體厚度增加提高抗沖擊力；外徑螺旋槽由2線螺旋升級為3線圓弧螺旋槽，提高排屑能力；外螺旋槽避開兩端螺紋位置，增加母螺紋強度。如圖12所示。

圖12 定子設計改進前后對比圖

在定子兩端母螺紋增加與公螺紋配合的點設置應力分散臺肩，使螺紋應力分散到殼體非螺紋位置,從而能提高螺紋抗交變力，同時適當加大公螺紋的孔徑，使公母螺紋受理均勻，如圖13所示。

圖13 定子母螺紋優化前后對比圖

3.2 提高材料等級

圖11 轉子斷裂位置

鋼材中化學成分中硫使鋼熱脆，磷使鋼冷脆。降低有害成分含量以保證鋼材的強度。普通鋼的硫、磷含量高，硫含量≦0.055%，磷含量≦0.045%；優質鋼的硫、磷含量均≦0.04%；高級優質鋼硫含量≦0.03%，磷含量≦0.035%。將定子殼體材料牌號35CrMo由改為42CrMoA，可以有效降低硫、磷含量，42CrMoA的機械強度、抗拉強度較35CrMo均有所增加，如表1所示。顆粒度、金相組織、非金屬夾雜物等方面也有顯著的改善，GB/T3077-2015合金結構鋼標準。

表1 機械強度對比

3.3 優化加工工藝

定子殼體由熱軋管料優化升級為實心圓鋼鉆孔加工，可以消除熱軋管料內外表面缺陷，殼體壁厚更加均勻，直線度有所提升，提高定子殼體的力學性能穩定性。升級定子內壁注膠方式，由傳統定子殼體工藝孔壓注橡膠改為通過注膠工裝進行水平注膠，滿足注膠質量的情況下減少工藝孔數量。

3.4 熟知使用注意事項，加強人員培訓

螺桿鉆具使用時注意事項：①運輸過程或者鉆具長時間擱置時，封閉鉆具兩端，用護帽保護兩端螺紋，防止煤渣、巖屑等雜質進入鉆具內部，對定子橡膠、密封件等造成腐蝕；②鉆具使用前注入清水，確保正常運轉后，空轉幾分鐘，確保馬達內部干凈無雜質且鉆速正常后，才可使用；③施工過程中，合理控制鉆具鉆速，不能瞬間急速提高鉆速，避免因馬達總成內部進入雜質，導致定轉子嚙合受限，導致馬達制動，應在進尺一段距離后，擇機沖孔，避免馬達內部吸入雜質制動；④接續鉆桿時，應該先緩慢排出鉆具內沖洗液，防止雜質倒吸進行馬達總成部位，接續鉆桿后，加入少量潤滑液，確保馬達內部充分潤滑。

加強操作人員使用螺桿鉆具培訓，提高操作人員操作技能及對應故障的能力：①螺桿鉆具作為井下較復雜的動力鉆具，操作人員必須對螺桿鉆具的工作原理、結構形式有深入的了解，能夠嚴格按照螺桿鉆具操作規程施工；②施工作業前，編制經過技術論證的鉆進計劃，施工人員結合作業環境、施工煤層硬度情況、鉆孔直徑及配套鉆頭、泥漿泵工作壓力進行科學施工；③施工人員具備排除常見故障的能力，例如出現鉆具憋壓制動，施工人員應立刻降低壓力，或者立即停止作業，避免馬達總成中進入煤渣、巖屑等損壞定子內壁橡膠；④復合鉆進時，對螺桿鉆具的磨損較大，應該根據施工情況綜合考量，避免加快進尺導致馬達總成失效；⑤螺桿鉆具使用完畢后，應該及時排除馬達內部泥漿液，用清水將內部煤渣、巖屑等沖洗干凈，加注潤滑油，確保馬達總成內部干凈、潤滑；超過三天未使用，應該向螺桿鉆具內部注入潤滑油，現場具備條件，可以對螺桿鉆具各部件進行充分潤滑后，對鉆具兩端進行封閉，做好螺紋保護。

4 總結

螺桿鉆具馬達總成的失效原因與鉆進環境、鉆井液性能、鉆井軌跡、鉆進參數、鉆進工藝、操作人員熟練度等密切相關，本文通過對螺桿鉆具馬達總成在鉆進施工中常見失效現象的原因分析，從設計改進、材料升級、工藝優化、人員培訓等方面提出有效改進措施，對提高螺桿鉆具使用壽命提供依據。