頂驅液壓系統常見故障分析與處理

王 磊，彭光杰，羅 輝

（中石化華東石油工程有限公司江蘇鉆井，江蘇揚州 225261）

0 引言

頂部驅動裝置是鉆井裝備的三大新技術之一。頂驅在公司海內外各項目應用越來越廣泛，頂驅的液壓系統雖然是一個輔助系統，但是沒有它的可靠運行，頂驅就不能正常運行，所以對頂驅液壓系統的安全運行應該做到心中有數。結合現場多年頂驅使用維護經驗，剖析頂驅液壓系統的工作原理以及故障處理方式方法。

1 頂驅液壓控制系統的組成

頂驅液壓控制系統的組成如下：①動力部分：液壓源用于將機械能轉換成液體壓力能，蓄能器作為緊急或輔助動力源；②控制部分：各類壓力、流量、方向等控制閥，用于實現對執行元件的運動速度、方向、作用力等控制，也用于實現過載保護；③執行部分：如液壓缸、液壓馬達等，用于將液體壓力能轉換成機械能；④輔助部分：管道、蓄能器、過濾器、油箱以及壓力表等；⑤控制閥組：主控制閥組分7 個控制系統，分別控制7 個執行機構。

頂驅的液壓控制系統分別由7 大液壓動作構成：吊環傾斜系統、回轉系統、剎車系統、IBOP 系統、背鉗系統、平衡系統、回轉鎖緊系統。DQ70 Ⅲ型頂驅液壓原理如圖1 所示。

圖1 DQ70 Ⅲ型頂驅液壓原理

2 頂驅液壓系統電路控制流程

頂部驅動鉆井裝置液壓系統主要的控制流程如下：操作者通過頂驅操作臺的控制旋鈕將控制指令傳到操作臺內部PLC系統的DI 模塊，ET200 模塊通過通信電纜將控制指令傳遞至電控房內PLC 系統的S7-300 CPU。PLC CPU 將信號處理后，通過DO 模塊給出執行指令輸出信號。執行指令信號通過頂驅的多芯電纜傳到頂驅本體的電磁閥。電磁閥件動作后液壓油將會驅動機械機構，這樣一個完整的液壓動作就完成了，頂驅液壓動作控制流程如圖2 所示。

圖2 頂驅液壓動作控制流程

3 液壓動作操作中的常見錯誤及注意事項

頂驅液壓動作操作不當會對液壓系統的執行機構有極大損害。列舉6 種在現場頂驅使用過程中出現的操作不當的情況。

（1）使用絞車上提或者下放，嚴禁將吊環前傾或者后傾，在起下鉆作業過程中二層臺操作完成后，未將頂驅吊環中位，就下放鉆具，導致二層臺被吊環刮壞，造成嚴重事故。在立根鉆進完成后，未將頂驅吊環中位就上提頂驅，吊環油缸撞在頂驅導軌上，造成油缸和頂驅導軌的損壞。

（2）頂驅吊環傾斜油缸只能支撐3 t 的重量，過重會導致吊環傾斜油缸活塞損壞。在現場頂驅使用過程中，使用傾斜油缸拉鉆鋌的情況，會造成傾斜油缸活塞損壞。

（3）正常鉆進過程中盡量將液壓泵啟動，因為背鉗油缸有可能因為振動而伸出，磨壞鉗牙或鉆桿。使用頂驅背鉗上卸扣，操作背鉗松開旋鈕后，一定要等幾秒鐘（控制信號的傳遞和液壓動作的執行需要時間），等背鉗完全松開后，才能上提頂驅，否者會造成背鉗內部彈簧損壞，這種情況在現場頂驅使用過程中多次出現。

（4）維修頂驅液壓系統前一定要停頂驅液壓泵，并通過主閥島上的溢流閥將系統壓力卸掉，否則有可能造成人身傷害是設備損壞。但在現場頂驅使用過程中未將系統泄壓就進行檢修作業，造成的事故時有發生。

（5）頂驅自動防噴器關閉前必須要保證泥漿泵停止工作且立管內的壓力降至0。頂驅自動防噴器的承壓機構在閥芯下部，用以封住井下鉆具內壓力。在自動防噴器閥芯上部沒有承壓裝置。故開泵過程中關閉自動防噴器會導致自動防噴器損壞。

（6）吊環回轉操作與吊環傾斜操作互鎖。進行吊環回轉操作時，吊環傾斜操作無效；進行吊環傾斜操作時，吊環回轉操作無效（兩功能同時操作存在極大的危險性）。進行吊環傾斜之后如要進行吊環回轉操作必須使吊環先中位。

4 頂驅液壓控制系統故障處理方法及分類

頂驅有7 個液壓動作系統，吊環傾斜系統、回轉系統、剎車系統、IBOP 系統、背鉗系統、平衡系統、回轉鎖緊系統。其中任意一個液壓動作失靈，都將造成生產的停怠，而各個液壓動作均涉及到電控、液壓、機械3 個方面，液壓動作故障處理的關鍵在于快速判斷故障來源，然后鎖定故障點所在。結合頂驅使用經驗對頂驅故障進行如下的分類（圖3）。

圖3 頂驅液壓故障分類

4.1 全部液壓動作失靈

（1）液壓源系統故障：液壓泵故障、液壓系統壓力值設置過低、系統存在溢流等。

（2）通信或電路故障：PLC 通信故障、24 V 電磁閥電源故障等。

4.2 單個液壓動作失靈

（1）電路控制類故障：PLC 輸入或輸出點故障、控制線路存在斷點或者虛接、反饋信號異常、電磁閥損壞等。

（2）液壓控制類故障：控制閥件閥芯阻卡、液壓管線存在泄漏、液壓元件損壞、控制油缸存在內泄、控制壓力值設置錯誤。

（3）機械類故障：控制本體故障、控制對象存在阻卡等。

5 頂驅液壓控制系統故障處理實例

5.1 頂驅液壓動作全部失靈故障實例

故障現象：搬遷安裝完畢后，調試頂驅時，所有液壓動作全部失靈。

原因分析：由于是所有液壓動作都沒有，沒有必要一個回路一個回路地檢查，大致能判斷故障可能存在于液壓泵未運行或者液壓系統壓力值不對、PLC 通信異常導致控制系統失靈。可能的故障點如下：①PLC 通信異常；②司控臺24 V 電源故障；③電磁閥24 V 供電故障；④液壓泵電機斷路器；⑤液壓泵電機接觸器；⑥信號纜24 V 公共線斷路；⑦液壓泵電機損壞；⑧液壓系統壓力值異常。

處理過程：首先啟動頂驅液壓泵，觀察液壓泵電機運轉情況，檢測液壓系統壓力值，為14 MPa；通過手動點動各個液壓動作電磁閥，均有動作，基本將故障點鎖定在電控系統；到電控房內綜合控制柜檢查PLC 系統通信正常，24 V 供電均正常，將PLC 系統斷電，測量各個電磁閥絕緣電阻均為無窮大，檢查多芯控制電纜及插頭均正常。判斷為頂驅本體接線盒內給電磁閥供電的24 V 公共線斷路，打開頂驅接線盒檢查，發現24 V 公共線從頂驅上接線盒端子排上脫落（搬遷過程中，顛簸導致電源線掉落）（圖4），從新接好后故障排除，同時緊固接線盒內線路，防止類似故障再次發生。

圖4 頂驅本體接線盒24 V 公共線

5.2 電控類故障實例

（1）故障一：頂驅背鉗無動作。

故障原因分析：只是背鉗無動作，而其他液壓動作正常。可以從背鉗的電路控制回路、及背鉗的液壓回路查找故障原因。可能的故障點如下：①操作箱背鉗控制旋鈕失靈；②司鉆控制臺數字量輸入模塊或控制線路虛接；③電控房PLC 數字量輸出模塊或線路虛接；④接近開關損壞；⑤中間繼電器損壞；⑥頂驅本體電磁閥信號線。

故障處理過程：首先手動點動背鉗夾緊電磁閥，動作正常，初步判斷為電控系統出現故障。檢查司鉆控制臺旋鈕正常、控制臺數字量輸入模塊輸入信號正常。到電控房內綜合控制柜內檢查，操作臺操作背鉗夾緊旋鈕，中間繼電器沒有得電，于是用多用表歐姆擋檢查電磁閥電阻正常，說明控制線路及控制線路上接插件正常。判斷為控制電控閥數字量輸出模塊控制背鉗的點燒毀或者是接近開關損壞，檢查PLC 系統數字量輸入模塊發現頂驅本體上接近開關無信號反饋（模塊中I1.4 指示燈不亮），將故障點鎖定在接近開關。由于現場無配件，為保證現場生產的正常進行，于是將接近開關做短接處理，處理過程如下：在PLC 控制柜內，將X1：32（I1.4）電纜線接到X1：10（+L02）端子（從端子排上端跳線），觀察DI 模塊的I1.4 指示燈亮起，證明已經短接成功。之后更換接近開關后，功能恢復。PLC 數字量模塊如圖5 所示。

圖5 PLC 數字量模塊

（2）故障二：頂驅回轉頭逆時針旋轉動作時有時無。

故障原因分析：頂驅回轉頭逆時針旋轉無動作，需要先確定是機械故障還是液壓故障，再進一步鎖定故障點。可能的故障點如下：①操作箱回轉頭逆時針旋轉控制旋鈕失靈；②司鉆控制臺回轉頭逆時針旋轉數字量輸入模塊或控制線路虛接；③電控房回轉頭逆時針旋轉PLC 數字量輸出模塊或線路虛接；④多芯電纜存在虛接或斷點；⑤回轉頭液壓馬達存在內泄。

故障處理過程：首先在回轉頭逆時針旋轉無動作時，手動點動電磁閥閥芯，回轉頭有動作，說明機械及液壓控制均不存在問題。通過操作旋鈕控制旋轉頭旋轉，電磁閥芯無動作，將故障點鎖定在電控上面。檢查操作箱PLC 的DI 模塊輸入點正常；檢查電控房綜合柜內PLC 的DO 模塊輸出點及中間繼電器也正常；將多芯電纜插頭重新插拔后，故障還是存在。將多芯電纜中回轉頭順、逆時針控制信號線對調，回轉頭逆時針旋轉功能恢復，而順時針旋轉功能丟失，判斷多芯控制電纜中逆時針旋轉控制電纜存在斷點，使用多芯電纜中備用控制電纜替換原逆時針旋轉控制電纜后，回轉頭逆時針旋轉功能恢復，故障得以解決。

頂驅液壓動作電控類故障點很多，容易存在于液壓控制系統中（圖6）。可以遵循流程（圖7）逐一追蹤液壓動作電磁閥24 V控制電源，能較快鎖定故障點。可從電控房內綜合柜中PLC 系統中的DO 模塊輸出點有無輸出來進行判斷，比較直觀也比較快捷。背鉗夾緊和回轉頭鎖緊這兩個液壓動作存在邏輯關系，只有回轉頭鎖緊后，接近開關將鎖緊信號傳遞到PLC 系統，PLC系統才能給出背鉗夾緊指令，接近開關故障率也較高，處理背鉗夾緊動作故障，要注意排查接近開關是否正常工作。

圖6 電磁閥

圖7 電控類故障排查流程

5.3 液壓類故障實例

故障現象：回轉頭轉速慢。

故障原因分析：回轉頭有動作，只是轉速緩慢，說明電磁閥沒有問題，可以排除電控類故障，將故障鎖定在液壓和機械方面。可能的故障點如下：①RDDA LAN 壓力值設置低；②回轉頭液壓馬達內泄；③回轉頭存在阻卡。

故障處理過程：旋轉頭能正常盤動，排除回轉頭存在阻卡。操作旋轉頭控制旋鈕，觀察本體電磁閥上閥芯，順、逆時針均有動作，進一步確定電控部分無故障。檢查RDDA LAN 壓力，在10 MPa 左右，壓力設定不存在問題。通過主閥島上的泄壓閥將系統壓力卸掉。拆掉電磁閥，檢查放置于電磁閥P 口和T 口的阻尼器，發現阻尼器存在嚴重變形，更換阻尼器后頂驅回轉頭轉速正常（圖8）。阻尼器的作用在于控制流量，進而控制回轉頭轉速，而該系統的壓力值較大（10 MPa），長時間的沖刷造成阻尼器變形，導致該故障。

5.4 機械類故障實例

（1）故障一：頂驅自動防噴器關閉不嚴，試壓不過關。

故障原因分析：頂驅自動防噴器能夠關閉，只是關閉不嚴，可以排除電控類故障，需要在液壓和機械方面找原因。可能的故障點如下：①PRDB LAN 壓力值設置低；②自動防噴器油缸內泄；③自動防噴器油缸位置不正確，導致關閉行程不夠；④自動防噴器滑套及曲柄存在磨損；⑤自動防噴器內部球閥及密封損壞。

故障處理過程：檢查PRDB LAN 壓力值，壓力值正常。檢查自動防噴器油缸位置正常，自動防噴器關閉行程足夠。更換全新的自動防噴器滑套及曲柄，自動防噴器還是關閉不嚴，將故障點鎖定在自動防噴器，更換自動防噴器后，試壓正常。拆解更換下來的自動防噴器，發現內部的密封件已經損壞，該井使用的是油基泥漿，加上泵壓、泥漿溫度較高，加劇自動防噴器內部密封件的損壞。操作者在關閉自動防噴器前，一定要保證泥漿泵停止工作且立管內的壓力降至0，否則會造成自動防噴器的損壞。

（2）故障二：頂驅液壓盤剎剎車能力不足。

故障原因分析：需要從機、電、液3 個方面進行考慮，需要先確定是機械故障還是液壓故障，然后再逐一鎖定故障點。可能的故障點如下：①剎車片磨損嚴重；②剎車片被油污染；③剎車間隙不對稱；④剎車鉗體復位彈簧老化；⑤剎車液壓系統壓力過低；⑥電磁閥不工作；⑦液壓管線有漏點。

故障處理過程：由于是在處理井下復雜情況，頻繁使用頂驅液壓盤剎釋放反扭矩，出現剎車能力不足的情況，基本可以確定剎車片磨損嚴重造成剎車能力不足。檢查后發現剎車片磨損嚴重，更換剎車片后剎車能力恢復。

故障處理總結：頂驅液壓盤剎為靜剎車，若使用其釋放反扭矩會加劇剎車片的磨損，故在使用其釋放反扭矩后，必須要立即檢查剎車片和鉗體。在正常使用情況下，必須每月檢查剎車片磨損情況。某鉆井公司出現過未及時檢查剎車片磨損情況導致頂驅剎車油缸、剎車盤磨損嚴重，剎車油缸卡住剎車盤，頂驅主電機旋轉導致過熱，剎車油缸起火，造成嚴重后果。所以一定要及時檢查剎車片磨損情況。

6 結束語

在日常工作中，應做好頂驅液壓系統的維護檢查工作，定期更換液壓油及油濾；定期檢查液壓系統壓力和儲能器壓力，壓力值不符合標準時應及時調整；保證加油器具及液壓油的純凈，做好基礎的維護工作能夠有效的降低故障率。操作技能也至關重要，必須要按照正確的操作規程進行操作，避免因操作失誤而造成故障。操作人員對頂驅液壓系統控制原理要熟悉，一旦出現故障，不要慌張，按照所述的方法，逐步縮小故障點的范圍，進而找出故障點進行相應處理。