頂部驅動潤滑油泵低溫過載故障分析及解決方案

喻修其，許臣之

（中海油田服務股份有限公司，河北廊坊 065201）

0 引言

隨著中國海洋石油總公司的日益發展和壯大，引入的新型鉆井平臺越來越多，而這些平臺的鉆井裝置絕大多數是NOV（National Oilwell Varco，國民油井華高）的設備。頂部驅動（簡稱頂驅）是海洋石油鉆井平臺的核心專業設備之一，一旦出現故障，將直接導致平臺停工停產，造成極大損失。某海洋鉆井平臺建造出廠后在渤海區域作業，在冬季低溫環境下，該平臺頂驅潤滑油泵頻繁出現過載跳閘現象，嚴重影響設備的正常運行。

1 設備異常現象

設備名稱：頂部驅動（設備型號：NOV HPS 750-E-AC-KT）。故障現象：平臺建造出廠后，首次在渤海灣冬季低溫天氣作業期間，當齒輪箱潤滑油溫低于7 ℃時，油泵電機出現過載跳閘而停止運轉（電機額定電流為6.32 A，系統檢測的油溫低于7 ℃時，油泵電機工作電流達到12 A）。該故障現象在頂部驅動以往運行過程中從未出現過。

2 設備潤滑原理及工作特征

齒輪箱潤滑系統工作原理如圖1 所示，齒輪箱內的潤滑油通過潤滑油泵泵送到過濾器，再經過冷卻器后通過噴嘴（節流孔）噴射到齒輪箱內的齒輪嚙合面，起到清潔、潤滑、冷卻的作用，以保證系統的正常運行。根據設備廠家說明書提供的數據，齒輪箱潤滑系統正常工作時的主要參數和設定如下：正常情況油溫50～60 ℃，工作壓力要求0.2 MPa，油溫高于70 ℃時冷卻風機電機啟動，低于60 ℃時風機電機停止，冷卻器壓差高于0.22 MPa 后旁通閥開啟，過濾器壓差高于0.15 MPa 后旁通閥開啟，泵吸排壓差高于1 MPa 后安全閥動作降壓。

圖1 齒輪箱潤滑系統工作原理

3 油泵電機過載的理論分析

油泵電機驅動的螺桿泵型號為SERRIMA GR40 SMT16B 1502 RF1S3，螺桿泵的理論排量可由式（1）計算：

其中，F 是泵缸的有效截面積，t 是螺桿螺紋的導程，n 是主動螺桿的轉數。

螺桿泵的內部泄漏量可由式（2）計算：

其中，α 是與螺桿直徑和有效長度有關的系數，p 是泵的工作壓力，σ是所排送液體的黏度；m=0.3～0.5。

螺桿泵在壓送不同黏度的液體時，其排量會發生變化。排量和黏度的關系可由式（3）表示：

其中，Q1是黏度為σ1時的排量；Q2是黏度為σ2時的排量。

螺桿泵的功率：螺桿泵的軸功率一般為水功率、摩擦功率和泄漏損失功率這三部分的總和。水功率Nc 是指單位時間內泵傳給液體的能量，也稱輸出功率，可用式（4）計算：

其中，P 是泵的排出壓力和吸入壓力之差，Q 是泵的實際排量。

由式（1）～式（4）可知，系統工作壓力過高、排量過大、泵送液體黏度過大等均可能造成過載現象。

4 原因分析

4.1 油品選用不當

設備操作說明書推薦油品為TEXACO SYNLUBE CLP 150 或SHELL TIWELA WA；設備廠家最新推薦油品已替換為TEXACO SYNLUBE WS 150；平臺當前使用的是SHELL TIVELA S150。經過和設備廠家聯系后得到確認：SHELL TIVELA S 150 雖然黏度稍低，但仍然是等于TEXACO SYNLUBE WS 150 的油品。相關油品特性和參數對比見表1。

表1 潤滑油品性能參數對比

由三種油品比較可看出，Shell Tivela S150 和Texaco Synlube CLP150 是相當的，Texaco SynlubeWS150 油品最好。平臺使用的油品雖然不是最佳，但仍然符合設備廠家的要求。

4.2 潤滑油品混合或污染變質

根據設備廠家的關于齒輪油換型的技術公告表明，由于某種原因，SYNLUBE CLP 150 已不再適用，并推薦油品為SYNLUBE WS 150。由于頂驅出廠時間較早，可能設備出廠時使用的仍是SYNLUBE CLP 150 油，但建造船廠調試設備時加裝的是Shell Tivela S150，存在兩種油品混合的情況。對齒輪箱油和庫存的新油Shell Tivela S150 進行取樣觀察，二者顏色相差較大（圖2）。為了進一步驗證油品是否變質、油品性能是否改變，將兩個油樣送基地檢測機構進行化驗分析，檢驗結果見表2。

表2 潤滑油品性能參數對比

圖2 潤滑油樣對比

檢測分析結果表明在用油品理化性能正常，排除油品變質的原因。

為了進一步驗證是否因油變質導致低溫過載的現象，利用作業間隙，將齒輪箱油換成新的Shell Tivela S150 后進行試驗，故障現象仍然存在，進一步排除了油品混合或變質的原因。

4.3 過濾器、呼吸孔臟堵

過濾器本身有0.15 MPa 的壓差旁通功能，如果臟堵應處于旁通狀態，理論上不會造成憋壓情況。現場拆檢過濾器未發現明顯臟堵，并將濾芯拆除后進行試驗，后將過濾器清洗后裝復再次試驗，結果低溫過載現象并未消失。排除過濾器、呼吸孔臟堵的原因。

4.4 冷卻器臟堵或旁通閥故障

冷卻器本身有0.22 MPa 的壓差旁通功能，如果臟堵應處于旁通狀態，理論上不會造憋壓情況。根據測試數據分析，在電流為12 A 時壓力為0.5 MPa，電流為5.3 A 時壓力為0.6 MPa，如果冷卻器堵塞，應當在過載時壓力高，正常時壓力低，但實際情況相反，因此可排除冷卻器堵塞的可能性。

4.5 系統管路存在節流孔堵塞

根據以往經驗，潤滑油管路在齒輪箱入口處通常設置節流孔調節到軸承的油壓，拆檢進入齒輪箱處的一連接塊后發現孔眼直徑約8 mm，并無堵塞現象。排除節流孔臟堵的原因。

4.6 螺桿泵故障，安全閥設置不當

螺桿泵是容積式泵，所有螺桿泵的管路系統都必須配備安全閥，以防外部管路堵塞后壓力升高導致電機過載。但從管路系統和泵的外觀檢查均未發現有安全閥，因此推斷在泵的內部應當有安全閥。

現場利用間隙時間對該泵進行拆檢并發現有一內置安全閥（圖3），但未發現異常。手動轉動泵軸輕松自如，未發現泵有機械故障。原樣裝回泵后試驗，過載現象仍然存在。

圖3 拆檢潤滑油泵

為進一步驗證滑油泵安全閥的工作狀態是否正常，現場將泵拆開并將安全閥壓力調低（調節絲堵松1.5 圈）后測試，發現油溫在1.5 ℃以上時電流正常（調節安全閥前要7 ℃以上電流才正常），正常工作時油壓0.56 MPa；后將安全閥壓力進一步調低（將調節絲堵松3.5 圈）后測試，不再有明顯變化，正常工作時油壓為0.43 MPa。通過測試，進一步排除油泵機械故障的原因，調低泵的安全閥壓力后明顯改善了系統低溫工作效果，但仍然未能徹底解決問題，主要測試監控數據見表3。

表3 系統測試記錄

5 綜合分析

根據現場研究和測試分析，基本排除了系統本身機械故障。但事實上隨著溫度變化，系統在發生變化。根據對各種工況的測試數據進行綜合分析，發現以下兩個現象值得探究。

過濾器濾芯拆除后，通常壓力會升高；隨著油溫逐漸升高，油壓也逐漸升高（分析認為是濾器阻力和油黏度變化共同作用的結果）。

在調節油泵安全閥前，隨著油溫逐漸增加并達到6.5 ℃后，電流突然從11 A 降至5 A，而此時壓力增大。

在調低油泵安全閥后，隨著油溫逐漸增加并達到2 ℃后，電流便突然從11 A 降至5 A，而此時壓力增大。

因油的黏度隨溫度的升高是逐漸減小的，是不會突變的，如果僅僅考慮黏度影響的話，則電流也應該是逐漸減少，不應該出現突變情況。因此可以推理認為出現這一現象的原因是：隨著溫度的逐漸增加，油的黏度逐漸減小，當達到一定程度時會引起系統某閥件或其他元件的狀態突然改變，使得電機從超載突然變為正常。突變之后表壓增大，說明發生突變的元件應該是表前的濾器或泵，但檢查濾器和泵本身沒有機械問題。

SERRIMA 廠家提供的該螺桿泵的參數及選型資料表明，GR40 SMT16B 1502 RF1S3 型螺桿泵適合的黏度為小于100 cSt，而目前NOV 廠家推薦選用的油品黏度為150 cSt，而適合150 cSt 黏度等級的泵型號應該是GR40 SMT16B 1502 S1 RF1S3，從而進一步驗證了該潤滑油泵在低溫頻繁跳閘的原因是：螺桿泵的選型與油品不相配，導致在低溫情況下該系統無法正常工作。

6 結論及解決方案

通過對系統原理及其理論分析，并結合現場的各項測試結果，通過與設備廠家的溝通和研究，最終判斷出現系統低溫狀態突然過載的原因為螺桿泵的選型與廠家推薦的油品不匹配引起，系統存在設計上的缺陷。為保障系統的正常運行，建議采取以下措施用于臨時或永久解決該問題。

（1）選用具有更好黏溫性的油品；如可將Shell Tivela S150 更換成具有更好低溫性能的潤滑油，如Texaco Synlube WS 150。（此方案僅能在有限的溫度范圍內改善設備工作狀況）。

（2）在泵的出口處增加一外置可調式安全閥（管系改造，時間和周期較長）。

（3）將螺桿泵更換為GR40 SMT16B 1502 S1 RF1S3型或其他型式的輸油泵，以提升泵的低溫黏度適應范圍。