可靠性技术在钻井泵质量提升中的应用思考

王进全 曾兴昌 蒲容春

宝鸡石油机械有限责任公司 （陕西 宝鸡 721002）

钻井泵是石油钻机的核心设备，被称作钻机的“心脏”，为钻机的“血液”——泥浆的循环提供动力保障。其作用是:①及时带走岩屑清洗井底，防止卡钻；②平衡地层压力，稳定井壁，防止井塌、井喷和井漏；③为井下动力钻具传递动力，协助钻头破碎岩石，提高钻井效率；④冷却润滑钻头钻具等。事实表明，钻井泵质量是影响钻井效率最重要的因素，因钻井泵的可靠性低而频繁停机将大大降低钻井效率、增加钻井成本；因钻井泵的故障导致的意外停机停钻，往往会造成重大安全事故和经济损失。除了在功能和性能上达到钻井工艺要求外，钻井泵必须具备在恶劣环境下长时间连续工作的能力，即:具有高可靠性。

自钻井泵出现以来，可靠性问题始终是其最突出的质量问题,这主要与钻井泵恶劣的工况条件有关。一般而言，产品的质量特性包括性能、可靠性、经济性和安全性4个方面。性能是产品的技术指标，是出厂时（t=0）产品应具有的质量特性；可靠性指产品能够保持其出厂性能的时间或能力，是产品使用时（t>0）所表现出来的一种质量特性；经济性和安全性则往往与可靠性密切相关，因此，可靠性在产品质量特性中占据主导地位[1]。经过近40年的发展，钻井泵的性能参数已经完全能满足钻井工艺的要求，如何提高可靠性成为钻井泵最主要的研究课题。

1 钻井泵可靠性现状及特点

钻井泵分动力端和液力端两大部分:动力端主要由泵壳体、曲轴、连杆、十字头、人字齿轮等组成；液力端主要由泵头、缸套、活塞、阀总成、各种橡胶密封件等组成，液力端大部分零部件被定义为需定期更换的“易损件”。

经多年的质量攻关与改进，动力端的泵壳体、曲轴、连杆、十字头等零件发生故障的机率已经很低。常见的故障主要集中在运动关节部位，包括:轴承、人字齿轮、十字头导板、中间拉杆密封、主轴承压盖螺栓等，这些故障往往导致钻井泵出现异常响声、温升过高等综合性故障。轴承和人字齿轮作为通用、基础性零部件，其设计可靠性一般较高，额定寿命L10h（可靠度为90%的设计寿命）一般均大于20000h，某些厂家对用于海洋平台的钻井泵轴承和齿轮甚至要求L10h≥30000h，但实际使用时的可靠性往往达不到设计的水平。若以齿面发生较大面积的点蚀作为失效准则（比如点蚀面积达到百分之几），则大部分人字齿的可靠性寿命只有10000h左右。轴承的故障问题更为突出，某钻井公司对修理的18台钻井泵进行了统计，轴承故障占55.7%（表1）[2]。十字头导板被当作易损件，只要定期调整或更换，正常的磨损是允许的，但现实产品有时会出现严重磨损或拉伤的现象，这往往与制造质量差或润滑不良有关，对导板而言属于非正常寿命故障。中间拉杆密封失效快是钻井泵的另一个老大难问题，其导致喷淋液或泥浆进入泵壳体内污染润滑油，快速恶化轴承、人字齿、十字头与导板等处的润滑状况，加速它们的损坏，这种因密封失效导致的泄漏一开始不是很明显，因此往往不能及时引起使用者的注意。此外，动力端还偶然出现主轴承压盖螺栓断裂、人字齿齿根断裂、泵壳体局部裂纹等故障。

表1 2007年某井队钻井泵主要零部件故障统计表

相比之下，液力端零部件的可靠性要低得多。液力端缸套、活塞、阀总成、泵头、各种橡胶密封件等被定义“易损件”。常规易损件的正常寿命从几百小时到几千小时不等，使用中需要定期检查和更换。液力端常见的故障包括:缸套活塞磨损或偏磨、阀胶皮损坏、阀弹簧断裂、阀杆导向器脱落、阀体阀座损坏等、泵头与阀座锥面刺漏、空气包气囊损坏等。液力端易损件损坏往往引起振动、噪音、压力下降或大幅波动等，必须立即停泵检查和更换。

经对钻井泵进行故障树分析（FTA），发现其故障模式多且相互关联影响。统计分析钻井泵整个服役期间的故障率，发现其对应于“浴盆曲线”的早期故障、偶然期故障和耗损期故障均同时存在。总结影响钻井泵可靠性的主要形式及原因如下:

（1）制造质量不高导致早期破坏。装配工艺对钻井泵的可靠性影响最大，包括:十字头与上导板间隙、轴承装配游隙、人字齿啮合精度、人字齿径向和轴向跳动等。泵壳体加工中重点需保证纵横几道孔的尺寸和形位公差，并且要从工艺上保证其能够长久使用不变形。这些大的制造质量问题以及其他一些看似细小的问题（如:清洁度、内表面油漆等），往往大大降低钻井泵的可靠性，表现为泵使用初期即出现各种故障。

（2）故障模式多、相互关联影响，导致钻井泵加速损坏。如:轴承游隙超差对人字齿啮合精度的影响；中间拉杆密封失效对润滑油品质，进而对轴承、齿轮、十字头等部位润滑效果的影响；十字头导板严重磨损对中间拉杆密封偏磨，以及对缸套活塞偏磨的影响等。

（3）疲劳、磨损、老化等耗损寿命。主要表现为通用、基础性零部件和易损件的使用寿命往往达不到设计的可靠性水平。钻井泵使用功率一般不超过设计功率的85%,即使如此,部分钻井泵轴承和齿轮的使用寿命也远达不到设计要求的20000～30000h。这与成本有关，也与国产通用件、标准件等基础性产品的质量水平有关。至于易损件，虽然可靠性在不断提高，但是目前仍然是整个设备的薄弱环节，需持续提高。

2 可靠性技术在钻井泵质量提升中的应用思考

可靠性技术是为适应产品的高可靠性要求而发展起来的新兴边缘学科。它研究产品故障的原因、预防措施和消除办法，以延长产品的使用寿命，降低维修费用，提高使用效益等[3]。按照日本工业标准JIS的定义，可靠性技术是以“赋予产品可靠性为目的的应用科学与技术”。钻井泵作为石油钻机的核心设备，在设计、制造、使用和管理中全面引入可靠性技术很有必要。

2.1 可靠性设计

产品的可靠性首先是设计出来的，通过设计来奠定可靠性基础。可靠性设计的基本程序为:明确可靠性指标、建立整机可靠性模型、可靠性分配、可靠性分析、可靠性预测、设计评审、可靠性试验。对于新开发产品，应根据事先给定的可靠性指标，严格按照程序进行设计；对于目前已经定型的三缸钻井泵，可针对其易损件、通用基础件等薄弱环节进行可靠性设计，达到可靠性增长的目的。伴随着各种质量问题的不断出现和解决，应该说可靠性增长工作一直在进行，但是完全和严格地按照规定程序开展可靠性设计的产品或企业并不多，钻井泵的可靠性设计还需要加强。

首先，钻井泵设计应该设定明确的可靠性指标。如果整体指标难以设定，那么可以设定单一的或几个特征值构成的指标，可优先、重点考虑易损件和通用基础件。其次，应对可靠性指标的评定条件做出明确的规定，因为可靠性是相对规定的条件而言的。应对故障进行行业统一的定义和判定准则，明确其故障类别和性质，并加以区别对待。可靠性指标不同于一般的技术指标，其对产品的统计和抽样方法、数据本身的可靠性等均有特殊的要求，单个企业或部门都难以完成指标体系的建立和评定，应由行业或协会制定统一的规范和标准。

建立可靠性模型是钻井泵可靠性设计的另一项重要工作。可靠性模型是表达系统与各构成单元之间可靠性逻辑关系的图表或数学关系式，是进行可靠性分配、预测和分析的基础[3]。钻井泵故障模式复杂多样且相互关联影响，要建立整体的可靠性模型是十分困难的，这也是机械产品相对于电子产品难以深入开展可靠性设计的重要原因之一。

钻井泵可靠性设计的方法很多，既可以是建立在概率统计理论基础上的定量化设计方法 （概率设计法），也可以是其他一切以提高产品可靠性为目的的定性设计方法，如:模块化设计、降额设计、冗余设计、防差错设计等。钻井泵作为相对复杂的机械产品，难以从整体上开展定量的可靠性设计，原因包括:故障模式复杂多样，难以从整体上建立可靠性模型；故障分布不确定，正态、指数、威布尔分布等都有可能，再加上成本和时间原因导致的样本量普遍不足，更加难以确定故障所服从的分布；机械产品可靠性设计所需的基础数据缺乏。鉴于此，钻井泵的可靠性设计可采用整体设计定性、局部设计定量的办法。可采用模块化设计、防差错设计等尽力切断主要故障之间的关联性，防止一部分零件的损坏引起另一部分的加速损坏；对关乎人员和设备安全的安全放喷装置，可以使用冗余法设计机械和电子双重保障系统。

CAD/CAE技术在钻井泵可靠性设计中具有重要作用。目前的钻井泵设计中，CAD技术应用已较为普遍（包括二维、三维CAD等），有限元分析技术的应用也越来越多。有限元分析可计算结构对外部作用的静态或动态响应，分析对象可以是几何不规则零件、复杂结构系统、高度非线性材料等，因此在设计中被广泛应用，尤其是那些无可参考和类比的新产品、新结构设计。目前，钻井泵有限元分析主要用于计算主承载件的强度、刚性、疲劳、稳定性、振动等，虽然不能完全解决产品的可靠性和质量问题，但是往往是产品设计中最需要关注的，因为主承载件的可靠性关系到人员和设备的安全，也是难以通过事后整改来提高的。近年来，基于可靠性设计理论的概率有限元分析理论和软件发展较快，这为钻井泵的定量可靠性设计提供了有力支持。

2.2 制造可靠性

设计奠定可靠性基础，制造保证可靠性的实现，两者共同决定了产品出厂时的固有可靠性[3]。由于制造过程中存在着诸多不可靠性因素，钻井泵的设计可靠性转化为产品可靠性时往往会退化，因此，应高度重视制造过程中的可靠性问题。此外，目前严格按照程序进行可靠性设计的钻井泵产品不多，一些新型钻井泵还没有认真进行可靠性设计就投入研制或生产，这些设计上遗留的问题在制造和使用过程中将部分地得以暴露，因此，可靠性制造还有暴露设计缺陷、完善设计的作用。

可靠性制造应最大限度地排除和控制各种不可靠因素，最大限度地检验出不可靠因素所造成的缺陷。钻井泵属于小批量产品，制造过程中的自动化程度并不高，人员因素对可靠性制造的影响较大，因此，首先应加强人员、岗位的管理和培训，通过应知应会及工艺纪律的培训，提高操作者的责任心和纪律性。此外，还应加强设备、材料、工艺、工序、检验、筛选或排除早期故障、信息管理等。其中，应积极采用先进的加工设备和工艺，重点保障泵壳体上纵横几道孔的尺寸和形位公差，这样可以减小后续装配工序的难度和工作量，也可以降低今后钻井泵大修的难度——可维修性也是钻井泵重要的可靠性指标之一。影响钻井泵可靠性的关键工序为几道装配工艺，为保证装配工艺可靠性，可采用故障模式分析（FMEA）对关键工序进行分析。

2.3 可靠性试验

可靠性试验的功用很多，但钻井泵的可靠性试验主要用于测定易损件的使用寿命，其次用于暴露其他部位设计制造中的明显缺陷、排除早期故障。

无论如何加强质量管控，钻井泵设计和制造过程中的不可预知和不可靠因素始终是存在的，因此，可靠性试验对保障产品的可靠性来说是必须的。目前严格按照规定程序开展可靠性试验的不多，主要原因为:试验主要参与者需要学习和掌握抽样、概率等数理统计知识；试验需要花费很多的经费和时间，一般的企业难以承受。为了保障钻井泵的可靠性，企业应积极开展可靠性试验技术的研究，加大样机和产品可靠性试验的投入。

钻井泵的可靠性试验应注重对实际工作环境的模拟。石油钻机工作环境跨度大——从陆地到海洋、从沙漠到极地等，这对钻井泵适应环境的能力提出了很高的要求。钻井泵目前的批量和订单式（或半订单式）生产模式，使其难以做到完全的现场环境试验，但应尽可能地模拟现场环境，如:选择露天进行试验、建造温度和湿度可调的试验房等。2007年3～10月，宝鸡石油机械有限责任公司对F-2200HL高压钻井泵进行了模拟钻井工况试验，最终泵动力端的可靠性得到验证，液力端易损件的可靠性大幅度提高，完全达到了工业化应用的水平。本次试验选择在露天进行，历经整个炎热的夏季，是对钻井泵在湿热天气下可靠性的一次重要考验。不过，这种投入大、耗时长的专项试验在平时是不多见的，钻井泵的可靠性数据关键还要靠日常的积累。

2.4 使用可靠性

钻井泵出厂时的固有可靠性需要正确的使用、维护和保养来维持。其重要性和必要性在于:设计和制造所赋予的固有可靠性，在运输、储存、使用、维修过程中将不可避免地退化，需采取严格的措施来最大限度地加以防止；易损件的存在和各种故障之间关联影响的特点，使用户必须时刻关注钻井泵的运行状态，务必做到提前发现和解决问题。可靠性技术强调信息反馈和循环设计，无论是从掌握产品可靠性状况、改进和提高设计质量的角度，还是从服务客户、提高产品使用可靠性的角度出发，钻井泵生产厂家都应建立专门、专业的队伍，准确地掌握产品的可靠性状况，并及时反馈到设计和制造部门。

2.5 可靠性管理

可靠性管理是研究制定可靠性目标的实施计划，组织各种资源以较少的经费和时间实现产品的可靠性目标，建立数据收集和管理系统等[3]。钻井泵的可靠性管理贯穿于设计、制造、试验、运输、使用等各个阶段。

可靠性管理的良好实施必须依靠自上而下强有力的领导干预，或权威的国际、国家及行业标准的引导与约束。在全球石油、石化和天然气装备制造领域，API无疑最具影响力和权威性，钻井泵的可靠性设计、制造、试验、管理等可依据API SPEC Q1质量规范和API SPEC 7K标准。API SPEC Q1是一套以过程为基础的质量管理文件，其规定了石油、石化和天然气装备产品实现过程中的一般要求，包括建立质量管理体系等，最新版API SPEC Q1还加入了“顾客满意”的内容，引导制造者关注产品使用中的可靠性问题。API SPEC 7K对产品实现过程的“质量保证”提出了更加具体的要求，包括:设计、设计验证（包括可靠性试验等）、材料、焊接要求、质量控制等[3，4]。实践表明，API标准是一套行之有效的可靠性工程技术与管理方法的经验总结，在钻井泵及其他石油石化装备中都应该主动地贯彻和执行。

3 结论与建议

目前，钻井泵的可靠性水平整体上不高，尤其是国产轴承、齿轮、螺栓等通用基础性零部件可靠性低于进口优质产品，这与可靠性技术还没有在钻井泵设计、制造、试验、使用和管理中全面而深入地应用有很大关系。为此，应提高产品设计、制造及管理中的质量意识，加强可靠性技术知识的学习与应用，为钻井泵及其他石油石化装备的质量提升做出应有的贡献。

（1）国家、行业、协会等应着手建立钻井泵可靠性指标及其评定体系，制定行业统一的规范和标准。

（2）石油装备制造企业应建立完善的可靠性管理体系，逐步将钻井泵各项可靠性指标纳入质量管理和考核体系，这也适用于其他装备。

（3）管理者和员工应加强可靠性管理与工程技术知识的学习，为可靠性技术在钻井泵及其他石油装备中的应用储备知识和人才。

[1]刘斯明.浅谈我国机械设备的可靠性研究[J].中国工程设备,2006(5):6-8.

[2]陈阁,马云鹏,罗军，等.钻井泵主要故障诊断与分析[J].甘肃科技,2009,25(17):78-80.

[3]API SPEC Q1石油石化和天然气工业质量纲要规范[S].

[4]API SPEC 7K钻井和修井设备[S].