海洋固定模块钻机泥浆泵质量后评估分析

陈 涛

（中海石油（中国）有限公司南海东部深圳分公司，广东 深圳518067）

泥浆是钻完井的血液，泥浆泵是钻完井的心脏。泥浆泵故障会直接导致钻完井泥浆循环中止，如同人体血液循环中止会导致人死亡一样。如不能迅速恢复泥浆循环，将导致井壁失稳，引发井下事故，甚至井喷。泥浆泵的主要作用是将泥浆随钻头钻进注入井内，起着冷却钻头、清洗钻具、稳固井壁、驱动钻进，并将岩屑带回地面的作用。因此，泥浆泵运行的稳定性是钻完井施工时效和安全的关键因素。

在我国海洋石油工业早期，多采用进口设备，质量可靠，运行稳定。在国产设备替代的大背景下，从“十二五”规划开始，我国海洋石油平台逐步开始钻机装备的国产化，其中泥浆泵作为关键装备是最早大规模商业化的钻井装备，在最初应用期间，故障频发，给钻完井作业带来极大的安全隐患。

1 泥浆泵运行故障分析

在钻机的运行过程中，对每台设备都建立了维修档案，根据设备维修档案，对某新建固定平台的泥浆泵从投产到开发井完工间故障进行统计分析。影响到泥浆系统运行的故障14 次，其中电气故障4 次、机械损伤2 次、设备易损件损坏4 次、设备部件脱落3 次、电控故障1 次。从次数占比分析，电气故障和易损件较多，但是从故障导致泥浆泵损失时间来分析，机械损伤占关停时间的63%。故障占比次数见图1，故障损失占比时间见图2。由图可见，机械损伤的次数是泥浆泵损失时间的主要因素，减少机械损伤能有效提高泥浆泵的运行时效。

图1 故障占比次数

图2 故障损失占比时间

2 故障原因分析

按照电气故障，机械损伤，电控故障对该泥浆泵系统故障进行调查分析。

2.1 电气故障原因分析

泥浆泵因电气故障4 次，2#泥浆泵变频器跳闸、2#泥浆泵变频器进线断路器合不上闸、检修1#灌注泵司钻房远程启动失效、1#泥浆泵无法正常启动。造成原因均为电气元件接触不良或松动引起的故障。

为了方便维修，电气部分的控制回路、辅助回路、互锁回路或连锁回路等，其连接方式都设计为插接式或紧固式连接。时间长易形成插脚与底座接触夹片，不能接触或松动造成接触不良，应加强巡回检查易松动的电器元件或部件。

2.2 机械损伤故障分析

机械损伤2 次，一次是人字齿轮点蚀，一次是冷缸阀头刺漏，造成32 小时的关机抢修。

泥浆泵人字齿均存在不同程度点蚀现象，其中2#泥浆泵点蚀比1#、3#较为严重，并且2#泥浆泵传动小齿轮有一处蹦齿（指甲盖大小），点蚀实物见图3。

图3 人字齿点蚀

F-1600 泥浆泵齿轮是采用渐开线齿形，材质为中碳合金钢调质处理的中硬度齿面，泥浆泵投入工作的初期易发生点蚀现象。当齿轮承受的压力过大时，点蚀的面积会扩散到整个下齿面，大齿圈相比较小齿轮来说更加容易出现点蚀，当点蚀的范围扩散到整个下齿面时，点蚀的形状也发生很大改变。点蚀主要由齿轮的承载力决定，润滑油会一定程度地提高齿轮的承载力，但承载力超过齿轮的疲劳强度，润滑油就无法对齿面形成保护层，齿轮的工作面就开始出现点蚀的情况。疲劳强度较差的齿轮，当齿轮转动时会因为接触力的反复作用造成表面出现裂痕，在后期的工作中必然会出现点蚀，随着点蚀面积的不断扩大，就发展成为点蚀坑导致损坏齿轮面。

齿轮的润滑情况是造成人字齿点蚀的主要原因，左右两侧齿面受力不均，发生偏载，造成一侧齿面点蚀较明显；齿轮间歇的大小也会造成齿面点蚀，因齿轮间的间歇过小，润滑油无法在齿面之间形成保护膜，造成齿面金属直接接触，最终导致齿面出现点蚀的现象。

齿轮在工作时受力不均匀也是导致出现点蚀的重要原因，造成工作时受力不均匀包括：

（1）泥浆泵装配造成的精度误差大，导致内部结构存在轴向力间歇，齿轮在转动时脱离了中心轨迹，加大了载荷作用侧的摩擦力。

（2）人字齿自身的加工精度误差，会直接导致齿轮工作面受力不均。

（3）泥浆泵在外载荷以及惯性的作用下齿轮的工作面变形，齿轮的工作位置以及齿轮轴的刚性变化导致侧转。

针对齿轮点蚀情况，厂家对2#、3#泥浆泵对大齿轮用小磨头进行高点修复，然后用油石对每个齿面进行研磨；小齿轮清理高点进行修复，然后用油石对每个齿面进行研磨修复。修复后均可以正常使用并观察点蚀状况。

三台泥浆泵总共五处冷缸、阀座外侧出现刺痕，其中两处冷缸、阀座均有刺痕，其余三处只有冷缸存在刺痕（如图4、图5）。刺痕均发生在阀座与冷缸的接触面，未贯穿冷缸接触面，刺痕未向压力方向传递的痕迹。

图4 冷缸刺痕

图5 缸体刺痕

对进行阀座锥度几何测量、基体化学成分分析、外壁渗碳层厚度、非金属夹杂物、显微组织分析（如图6）、表面及芯部硬度、工作面异常处形貌、形成机理分析。阀座粘连部位附近渗碳层存在洼陷孔洞是冷缸阀座刺痕原因，表面渗碳层受到硬度高于渗碳层的外来异物损伤，破坏了配合密封锥面的完整性；导致在运行过程中，阀座与液缸配合锥面不能完全贴合，加之阀座的硬度远远高于液缸的硬度，当阀座的工作面与液缸相互产生相对滑动摩擦时，外来异物与阀座、液缸的破损金属共同作用使液缸配合锥面造成损伤，形成了阀座上肉眼可见的粘连条带。恶性循环，进一步影响配合面贴合度，最终导致配合锥面失效。

图6 阀座粘连部位光学照片分析图

2.3 传动控制系统故障原因分析

传动控制系统故障2 次，2#泥浆泵变频器跳闸故障、1#泥浆泵B 变频器通信故障。欠电压是指工频下交流电压方根值降低，小于额定值的10%，并且持续时间已经超过1 分钟以上的变化现象，引起欠电压的事件与过电压相反，我们用的变频器属于交-直-交变频器三相电源经过整流器得到直流电，通过直流母线向逆变器供电。整流后的母线电压应该是约等于进线电压的1.35 倍，为了保护变频器，在母线电压过低时，变频器会报欠压故障，并封锁逆变器脉冲输出。这是保护变频器器件不受损坏的一个重要而且必要的方法，这个故障也是不能被屏蔽的。直流母线欠电压的原因：

（1）供电线路本身的电压不稳定；电网质量不好，大型设备大电机的启动造成瞬间电压跌落等，在进线端加装稳压装置达到稳定电压的目的。

（2）电路负载工作电流大，在电机加速时电动机从变频器获得电能，并转化成动能，如果加速时间短加速度很高，那么母线电压会被很快拉低，而造成欠电压故障时，可以设定延长加速时间，有DIP 技术控制器的，要降低系统响应延长滤波时间等。

（3）供电线路存在短路、缺相或控制线路问题。

（4）变压器容量不足或电容器组的某个电容断开和蓄能不足等出现故障。

3 结论

泥浆泵是洋模块钻井设备八大件的核心装备，是最早国产化和大规模商业化的设备，能满足作业需求，解决了卡脖子的问题，但在设计和制造方面还有一定的缺陷，有较大的质量提高空间。从质量后评估的结果来看，机械损伤是导致设备损失时间的最主要原因，若能降低机械损伤故障，将大大提高泥浆泵运行时效。一些非关键部件的配件质量不高，虽然不影响运行时效，但不停地更换和修理为现场带来不必要的作业安全风险。在后续的建造过程中，应重点关注泥浆泵本体和旋转件的材料和润滑方案的优化选型。在维保过程中，应注意泥浆泵的密封面清洁，及时清理摩擦面的杂质。