提高深海1.5 m浅钻的工作可靠性探索

孙大伟

(长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南长沙 410012)

0 引言

用于深海多金属富钴结壳勘探的深海1.5 m浅地层岩芯样钻机(简称深海浅钻)，一直是大洋科学考察的必备勘探设备，在大洋科学考察工作中发挥着极其重要的作用。大洋科学考察中若深海浅钻工作中出现故障，会对整个大洋航次的科考任务的顺利完成造成很大的影响，因此提高深海浅钻的工作可靠性十分重要。

1 深海浅钻系统简介

深海1.5 m浅地层岩芯取样钻机，用于4000 m以浅的海底硬质基岩和较大面积矿石的取样。作业时经铠装光纤动力缆施放至海底，通过所带摄像机观察海底状况，由甲板监控系统操作进行取样。

整个钻机系统包括高压供电系统子单元、图像传输与控制和视频监控系统子单元、液压系统子单元等。确保系统工作的可靠性，就要分析深海浅钻在作业条件下，各系统子单元产生故障的可能性，分析产生故障的原因，提出预防故障发生或者故障发生后的解决措施，从而提高整个系统工作的可靠性。

2 钻机高压供电系统可靠性分析

钻机高压供电系统是深海浅钻工作的基本保障，确保高压供电系统稳定运行主要是防止系统发生绝缘失效，系统高压部分的供电电压为2500 V，一旦绝缘失效，高压电对钻机系统造成的损伤是无法估量的。绝缘失效的表现形式为:

(1)绝缘表所测得的系统绝缘数值显示值稳定，但是数值低于20 MΩ，无法满足系统的绝缘要求;

(2)绝缘表所测系统绝缘数值忽高忽低不稳定。

造成绝缘失效的主要原因有:

(1)光电转接盒密封失效进水;

(2)光电转接盒内部的污染物颗粒过多;

(3)高压连接缆与变压器箱或光电转接盒连接，因为内部的卡簧安装误差导致密封失效进水;

(4)万米光纤缆因为钻机多次下水作业扭转导致光纤缆损伤，内部光纤缆进水，使系统绝缘失效。

针对以上可能造成绝缘失效的因素，为了增加高压系统工作的可靠性，所采取的措施应为:

(1)在设计之初，对于光电转接盒的密封采用如双O型圈密封等更高级别的密封方式，安装过程中注意控制O型圈的预紧压缩量为合适状态;

(2)装配光电转接盒之前，认真清洗盒体和端盖及内部所有元器件，同时保证内部的变压器油清洁;

(3)在安装与高压连接缆对应的变压器端和光电转接盒端的两个缆接头内部的卡簧时，要采用专用工具安装，防止其发生变形，影响装配质量，进而影响系统密封效果;

(4)造成万米铠装缆发生扭转的主要因素为下放和回收过程中，不可控制的海流冲击因素导致，所以为防止铠装缆发生过多扭转，应在四级海况或者以下方可进行浅钻作业，一旦发生铠装缆扭转导致缆损伤使绝缘失效时，应砍去已经损坏部分的缆，然后重新硫化铠装缆和承重头之间的连接，经拉力测试合格后，方可继续使用。

3 视频监控系统的工作可靠性分析

钻机在海底寻址和取芯钻进的过程都需要视频监控，确保视频监控系统的稳定工作对于提高取芯过程的效率和质量有着重要的意义，系统一旦出现故障则视频信号发生异常，影响钻机作业，视频信号异常表现为:

(1)视频信号不清晰，在屏幕上表现为白色带状线条或白色斑点;

(2)视频信号时有时无，间隔为几秒到几十秒;

(3)视频信号彻底中断，无法恢复。

造成视频信号异常的可能原因为:

(1)钻机多次作业造成的光纤衰减或者光电转接盒和控制桶中间的光纤缆接头松动造成的;

(2)控制桶内部电子元器件、电路板损伤或者内部接线松动断开。

为提高视频监控系统的稳定运行的可靠性，应采取如下的措施:

(1)设计之初应将光纤传输的通道设计成双通道互为备份的信号传输方式，一旦在用的光纤信号传输通道因光纤衰减发生信号异常，可立即更换备份光纤信号传输通道加以解决;

(2)在钻机使用过程中，应定期清洗光纤头和光纤连接缆，不用的光纤插头盖上堵帽做好保护;

(3)在设计之初，选用更适于低温、震动等深海复杂环境下的控制桶内部的元器件，控制桶内部元器件与电路板之间的焊接或者线路焊接应牢固、可靠。

(4)增加光纤连接缆与控制桶或者光电转接盒连接的防松措施，如可设计特殊装置或者在外部黏贴防水胶布等。

4 提高液压系统工作可靠性的措施

液压系统单元是整个钻机系统的核心部分，液压系统稳定运行是浅钻顺利工作的必要条件。深海钻机因液压系统故障表现的现象及产生原因如下。

(1)液压系统压力正常，钻机动作失效。可能原因如下:因为海底地形复杂，钻机多次着底震动导致控制桶内部相应的元器件损坏或者控制板损伤;钻机长期多次作业油液污染累积，使液压油的清洁度过低，控制阀内部污染颗粒过多，阀芯与阀体之间的运动副堵塞导致控制阀失效;在工作过程中，液压油缸的活塞杆长期裸露在外直接和环境接触，难免将尘埃污物带入液压系统，加速密封元件和活塞杆等的划伤和磨损，从而引起内泄漏等，造成高低压腔互通，最终导致油缸拉力或推力不足，另外液压油的乳化也会使内泄漏增大。

(2)钻机动作异常，例如在甲板控制单元控制界面点击低压推进按钮，却发生了高速正传。可能的原因是:钻机长期作业导致控制桶内部的控制板或者继电器等元器件损伤或电路板烧结短路。

(3)油缸推进直线位移显示不准确，表现为两个方面:直线位移数值不发生变化，停留在某一数值;直线位移传感器反应延迟，出现数值“迟滞”于油缸动作现象。发生这种情况的原因有:钻机多次下水作业，位移传感器多次来回往复运动，由于机械磨损导致位移传感器磨损失效;推进油缸长期多次作业，密封失效进水，导致位移传感器失效。

以上3种故障在深海浅钻作业过程中发生的概率较大，液压系统累计污染导致清洁度下降;钻机元器件、零部件及密封件等因磨损等原因导致密封失效;控制桶内部元器件损伤等是造成故障发生的主要原因，因此应采取针对性的措施，提高深海浅钻液压系统工作的可靠性:

(1)在设计上采取措施保证油的清洁度，液压元件组装前必须进行严格清洗，必须通过过滤器向油箱加油，维修拆检液压元件时应在无尘区进行;

(2)系统油箱的吸油过滤器及压力过滤器及回油过滤器必须定期检查清洗或更换滤芯;

(3)定期检查更换液压油，换油时要清洗油箱并冲洗液压管道及元件;

(4)设计之初，对于关键部件如油缸等采用更适于海底复杂运行环境下的密封方式，同时选择密封件时要选用耐磨性等性能更为优良材料密封件;

(5)改善系统运行条件，对容易磨损的零部件进行定期润滑，减少摩擦，预防油缸内泄露。

(6)正确的装配密封件，装配前应仔细检查密封件看是否存在缺陷，装配时应在密封件表面涂少许液压油轻轻压入，需注意零件的锐边、毛刺等锋口划伤而失去密封作用，清洗时必须选用柴油，如用汽油会使密封件老化失去原有弹性从而失去密封效果;

(7)设计之初，对于控制桶内部的元器件选择时，应考虑如震动、低温等海底复杂环境对元器件造成的影响，同时焊接电路板与电子元器件连接时应焊接牢固。

5 其他影响钻机工作可靠性的因素

(1)卡簧与钻头选配不当导致取芯钻进速度过慢。卡簧自然状态下的内径应比钻头内径略大，卡簧和钻具在选配的时候应该遵守不完全互换性的原则，需要用游标卡尺测量后选配。

(2)钻机启动电流过大。钻机启动电流应低于50 A，但是在运行过程中，经常发现启动电流在160 A左右。出现这种情况的可能原因是:钻机由于下放和寻址的过程需要至少1 h左右的时间，海水温度较低导致液压油粘度增大，造成液压泵启动困难，使启动电流陡升。应对措施:数次短时间启动，以免烧坏电机，一般是启动几秒，不超过8 s，如果启动电流没有降低，立即关闭高压电源启动按钮，等待几秒再重新启动，直至启动电流正常。

［1］那继业，麻海滨，李红梅.液压系统的污染与控制［J］.包钢科技，2006(4).

［2］李良巧.产品可靠性基础［M］.北京:中国兵器质量与可靠性研究中心，2002.

［3］钟秉林，黄 仁.机械故障诊断学［M］北京:机械工业出版社，2006.