液压故障分析法在海洋石油装备上的应用实例

安 璐

（中石化海洋石油工程有限公司上海钻井分公司，上海201206）

液压故障分析法在海洋石油装备上的应用实例

安 璐

（中石化海洋石油工程有限公司上海钻井分公司，上海201206）

从勘探三号钻井平台TDS-8SA型号顶驱出现一系列液压系统故障的实例分析，介绍了液压故障分析法在海洋石油装备上的应用，分享了其中的具体细节与技术问题，为今后海洋石油装备的液压故障解决提供借鉴。

液压系统；故障分析；故障排查；顶驱；调压阀

0 前言

随着液压技术在设备上的广泛应用，液压系统以其可靠性高、工作平稳、易于控制等优势，被越来越多地应用于海洋石油装备上，尤其是海上钻井平台高昂的作业成本，设备稳定性和其液压系统的安全运行，更是重中之重。但液压系统是一套复杂的集合体，它涉及机械、电气、液压等多个领域，且液压元件、机械部件与工作介质所组成的液压回路与机械传动完全不同，工作介质封闭在管路内，故液压故障具有隐蔽性、不确定性和多样性。因此液压系统一旦出现故障，排除起来比较麻烦。液压系统无法像机械系统一样用眼睛直观看到问题，所以要求技术人员具备较强的分析能力，从浅到深、从外到内，以图纸为依据，以液压故障分析法为工具，逐步找到问题所在。

1 液压系统故障概述

液压系统的主要参数由压力和流量构成，其故障主要有三类：压力异常、速度异常、动作异常。造成这三类故障的原因多种多样，液压冲击、液压卡紧、空穴和气蚀、温度升高、振动和噪声、执行器爬行、系统内漏等，都能造成整个系统故障[1]。液压系统主要由动力源、执行机构、控制单元和辅助部件构成，要了解液压系统故障的原因，首先要熟悉其原理、结构及其内在联系。有的故障通过调节参数就能解决，有的则需要修复或更换备件才能使用，有的则因为设计缺陷需要改进系统。液压系统出现故障后，可按照如下分析法进行解决：

1.1 简易判断法

简易判断法是最基本的方法，也是维修人员使用的主要方法，它是将看、问、听等直观方式结合，并依据个人经验对液压系统进行定性判断，例如液压泵站故障、液压管路泄露、液压机构断裂等。

1.2 系统分析法

液压系统的设计，以及元器件的设置，都有它的目的性，不论多复杂的液压系统，都是由多个功能单元集中构成，故每种故障都有各自的表现方式，熟悉整个液压系统是分析故障的基础，也是找到内在故障的基本方式。具体的做法就是根据故障所表现出的现象，将引起此故障的液压回路进行划分、分析，将可能引起此现象的液压元件进行修复或更换，直至将故障解决。此方式对维修人员有较高的要求，需要了解各个元件的功能和原理，摸透整个系统的运作方式，从而对故障现象进行科学分析和判断。

1.3 模块划分法

模块划分法是将整个液压系统分割成多个模块进行分析判断，从压力源、功能一、功能二到执行机构等，将复杂的大型液压系统划分割成小模块进行故障判断。例如：1）液压泵及主回路模块：检查电机、高压阀、主电磁阀、供油管路和回油管路、油箱、冷却器等；2）液压控制模块：检查调压阀、针阀、流量阀、单向阀、换向阀、泄压阀等；3）执行机构模块：检查储能器、液压油缸、液压马达、密封件、是否内漏等；4）各个功能模块：检查各种阀件、安全件、控制件等[2]。我们将整个液压系统分割成多个小模块，在模块内进行故障分析，将故障现象还原到每个功能体现上。虽然液压系统的故障多种多样，我们确定了哪个回路出现问题，就能采取适宜的方法进行解决。

2 液压系统不正常状态分析

本文以勘探三号钻井平台、型号为TDS-8SA的顶驱（图1）故障为例，对液压故障分析法在海洋石油装备上的应用做出分析。顶部驱动钻井装置（Top Drive System，简称“顶驱”）是当今钻井的前沿技术与装备，是近代钻井装备的三大技术成果之一。所谓顶驱，就是可以从井架空间上部直接旋转钻柱，并沿专用导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进、循环钻井液、接单根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作的钻井机械设备[3]。顶驱是钻井平台上最重要的设备之一，考虑到其单一性和不可替代性，它的作用对于整个钻井平台的生产作业不言而喻。由于海洋平台作业的特殊性，顶驱多使用国外进口的主流产品，其构造精密、液压系统复杂、机电液相结合，使得维修人员对其技术研究难度较大。任何大型液压系统，都是由无数小的液压模块组成，摸透整个系统的运作方式，就能运用液压故障分析法对高精密的海洋石油装备出现的液压系统故障进行攻克。

图1 TDS-8SA顶驱作业状态照片

2.1 故障现象

勘探三号平台在中国南海某海域进行钻井作业时，井队（顶驱使用者）突然发现TDS-8SA顶驱的旋转头反扭矩销子（Shotpin）（图3）插入齿轮盘孔中无法退出，旋转头无法转动。

经初步检查发现，顶驱主阀组处的控制扭力钳夹紧和反扭矩销子伸缩的电磁阀内有节流声音，且能感觉到油路接通。此时，初步预判断，可能电磁阀损坏，导致油路常开。随即更换电磁阀，试验后，问题仍然存在。

此后，经过来回动作IBOP（上考克）电磁阀的方式，销子慢慢缩回。试验背钳，问题仍未解决。之后又几次尝试性操作，主要问题体现如下：

1）反扭矩销子插入齿轮盘孔，无法自动缩回；

2）按“背钳”按钮时，顶驱无法自动完成对洞过程，但偶尔也能成功；

3）扭力钳基本不动作，偶尔会动作一下；

4）顶驱主阀组内有节流声音，主要来自扭力钳和反扭矩销控制电磁阀处。

随即决定将扭力钳电磁阀的电断掉，顶驱上卸扣时使用转盘锁或大钳作为背钳操作，进行正常作业，后期再寻找合适时机排除顶驱故障。

2.2 原理概述

我们先外观检查液压泵站、顶驱执行机构机械部分以及液压管路、管件等，均无异常。随即查询顶驱液压系统图纸，和此次故障相关部分的图纸主要如图2所示。

2.2.1 反扭矩销（Shot Pin）

如图3所示，反扭矩销固定于齿轮箱本体下部，由一个小油缸构成。在液压油的作用下，油缸伸出，反扭矩销插入旋转头齿轮盘转中，起到钻具上扭矩时反扭矩的作用。

2.2.2 反扭矩系统内的调压阀

从主图纸中截取反扭矩销及夹紧油缸相关部分如图4所示。在反扭矩销插入旋转头齿轮盘时，可能出现三种情况：未操作扭矩键、操作扭矩键但未对准孔、操作扭矩键且对准孔。在按下司钻室扭矩按钮后，电磁阀动作（如图4绿圈中所示），反扭矩销会动作向下，如果未对准孔，反扭矩销会缩回，然后电脉冲信号控制旋转头齿轮盘点动，反扭矩销会继续动作向下，直至对准并插入销孔中。由图4可以看出，反扭矩销系统内的调压阀是为了防止未对准销孔时，反扭矩销作用于齿轮盘上的压力过大，从而损伤齿轮盘。一般情况下，调压阀的压力应调节为400～450psi，系统压力为2000psi。

2.3 初步分析

后续几天，经过查阅大量TDS-8SA顶驱系统的操作说明及技术手册，以及技术人员共同讨论，结合上述现象，判断可能有以下几个方面的原因：

1）泵站供油压力不足；

2）顶驱液压油滤器堵塞，造成流量减少，反扭矩销运动速度变慢；

3）反扭矩销的油缸处有内漏现象；

4）回油不畅；

图2 TDS-8SA顶驱液压系统原理图（局部）[5]

图3 旋转头反扭矩销结构图[4]

图4 液压系统原理图中反扭矩销及夹紧油缸部分图纸截图[5]

5）反扭矩销油路上的调压阀需要调节。

在上述故障判断的基础下，我们初步制定下一步的计划。首先检查液压泵站，检查其工作情况和油压；其次检查顶驱液压油滤器情况，判断是否需要清洗；最后需要用测试表测量液压图纸上A2,Z2,C5,G2,E2几个点的压力变化，来作为分析最可能原因的依据。其中，A2表示将销子缩回时的压力，Z2表示销子插入时的压力，C5为销子没对准孔时卸压口的压力，G2为扭力钳打开的压力，E2为扭力钳动作时的压力。压力变化分为三个阶段：电磁阀无动作、电磁阀动作但孔没对准、电磁阀动作且孔对准。

2.4 测量数据

在随后的初步检查中，我们发现液压泵站并无异常，且诸如铁钻工等的其他同管路液压设备均使用正常，否定上述第1）条判断；

其次，检查顶驱液压油滤器，显示为“clean”状态，否定上述第2）条判断；

最后，对顶驱液压系统进行测量，数据如表1所示。

根据测试结果，可推测上述第4）条不满足，排除；推测3）最后考虑。其中C5点15 kg∕cm2这个值和理论不符，和上述第5）条存在关系，需要着重分析如下两个液压元件，如图5、图6。

图5 背钳控制液压阀[5]

表1 故障时顶驱液压系统各相关检测点压力值

图6 反扭矩销液缸[5]

2.5 后期分析

随后分析上述两个液压元件的原理，参考前期测量的数据，理论上应该一目了然。图5中3点处的压力必须大于4点处的压力时，1点才会向2点供油；图6中，当活塞在完全伸出之前的任何一个位置，A点和C点都是导通的，而当活塞完全伸出后，A点和C点断开，B点和C连通。我们需要分析为何不操作扭矩按钮、电磁阀不动作时C5点压力为15 kg∕cm2，分析得出图7的反扭矩销子调压阀被击穿时（或因为脏堵而造成调压阀无法完全关闭等），C点可向B点供油，此时会显示有压力，或出现15 kg∕cm2这个值，正常状态C5应为缓慢增加至2000psi（140 kg∕cm2），如图7所示。

图7 反扭矩调压阀[5]

根据上述分析，我们更换反扭矩销子调压阀后，整个系统恢复正常。

另外正常后的压力理论上应为表2中数据。

表2 正常后顶驱液压系统各相关检测点压力值

在更换反扭矩销子调压阀后，对上述测量点进行实地校核，A2、Z2、C5、G2、E2点测量结果和上述表中数值基本一致，验证了液压理论图。

3 结语

本文结合液压系统在海洋石油装备上的实际案例，阐述了整个故障的发生、原因以及解决问题的过程，给予相关从业者一定的参考与借鉴。液压故障的分析与处理是一个逐步排查的过程，只要了解液压系统的原理，看懂液压图纸，掌握各模块的功能和参数，了解各部件的性能和工作顺序，并在日常工作中不断积累经验，就能通过液压故障分析法解决所有故障难题，不断提升自身的维修技能。

[1]史纪定，嵇光国.液压系统故障诊断与维修技术[M].北京：机械工业出版社，1990.

[2]陆望龙.实用液压机械故障排除与修理大全[M].长沙：湖南科技出版社，2007.

[3]陈朝达.顶部驱动钻井系统[M].北京：石油工业出版社，2000.

[4]KELLSTROM J,SHUMSKIB.TDS-8SA Top Drive System Owner's Manual D811000702-MAN-001 Volume 1[M].NATIONAL OILWELL VARCO，2008.

[5]KELLSTROM J,SHUMSKIB.TDS-8SA Top Drive System Owner's Manual D811000702-MAN-001 Volume 2[M].NATIONAL OILWELL VARCO，2008.

TE95

A

1673-2928（2018）02-0029-05

D01:10.19329/j.cnki.1673-2928.2018.02.008

2017-09-26

安璐（1983-），男，甘肃天水人，中石化海洋石油工程有限公司工程师，主要从事海洋石油钻井平台设备与物资管理工作。

郝安林）