TDS-8SA顶驱装置故障分析与诊断

于 涛，李明智，王杰群

（大连海洋大学 船舶与海洋工程学院，辽宁 大连 116023）

0 引言

我国从2013年起在海工装备方面出大量订单增长，相比与上一年增长了16%，排在世界第二位[1，2]，其中自升式钻井平台49座[3]。顶驱装置作为海洋钻井平台的核心设备，具有造价昂贵、结构复杂等特点，因此正确分析顶驱装置发生故障的原因，有针对性地提出预防措施，减少事故的发生，及时有效的解决顶驱装置故障，为安全生产提供保障。本文针对TDS-8SA顶驱装置建立故障树，分析故障的主次、因果，找出薄弱环节，为顶驱装置的维护、保养、以及故障诊断提供指导性建议。

1 顶驱装置故障诊断研究现状

王勇勤[4]在《TDS-11SA顶驱装置可靠性分析》中提出利用故障树分析法结合计算机辅助分析，在Visual C++开发环境下开发WINDOW系统下顶驱装置失效概率计算程序，为进一步实现顶驱装置的故障分析系统的开发提供了条件。霍连才[5]在《VARCO顶驱故障诊断专家系统的构建》中提出对CLIPS和Visual C++的连接接口进行研究，成功实现了知识编码器和推理机的功能形成了基于Visual C++的专家故障诊断系统，针对用户获知的故障现象，快速定位出故障原因，提出相关解决办法。杜磊[6]在《基于VC++的TDS故障诊断专家系统开发》中以TDS-11SA为例，运用Visual C++编程语言程序，综合知识库与推理机，同时运用知识库管理系统对收集到的数据进行添加，成功实现了TDS故障诊断专家系统，通过用户提供的信息快速诊断出故障并给出相关建议。朱磊[7]在《基于故障树技术的顶部驱动装置故障诊断软件开发》中以DQ70BSQQ顶部装置模型，通过故障树与诊断知识转化的准则，利用C#编程语言实现知识库管理模块、诊断控制机模块、授权登陆模块和解释模块的编译，对故障诊断软件进行模块和界面整合，完成原型版本开发。

2 TDS-8SA顶驱装置事故致因分析

1）水龙头-动力系统。为顶驱装置提供钻井动力，完成钻杆的旋转钻进过程，根据水龙头总管、钻井马达、刹车装置、冷却风机、齿轮箱、润滑系统的工作特点，分析水龙头-动力系统的故障。

2）钻杆拆卸系统。钻杆拆卸的执行机构，完成钻杆的连接、拆卸过程，根据调换倾斜装置、扭矩钳、内防喷器结特点，分析钻杆拆卸系统故障。

3）导轨滑车系统。为顶驱和井架提供支撑，顶驱可以在井架上自由的移动，从结构强度，工作特点等方面分析导轨滑车系统的故障。

4）液压系统。为通过液压缸和液压马达实现顶驱装置在钻井、下钻、提钻过程中的机械动作，由于TDS-8SA顶驱装置没有自带的液压泵，依靠钻台液压站通过液压软管连接至顶驱装置提供液压源，因此不考虑液压站的故障因素，假定液压动力源无故障，从液压控制机构与执行机构故障进行分析。

3 顶驱装置故障树建立与分析

3.1 顶驱装置故障树

采用故障树分析法将TDS-8SA顶驱装置故障作为顶事件，针对设备运行与维修过程中出现的故障进行总结，查找顶事件发生的原因，从水龙头-动力系统、钻杆拆卸系统、导轨滑车系统和液压系统4个方面自上而下，对整个系统每一级进行分析，通过分析现有的数据总结的故障案例，提取出引起故障发生的相关因素，去寻找类似事故发生的有关因素，建立TDS-8SA顶驱装置故障树如图1所示，将系统的复杂关系直观的显示出来[8]。从而采取有效的防范措施，防止此类事故再次发生[9]。

3.2 顶驱装置故障树分析

H.A.Waston和D.F.Haasl在1961年首先提出了故障树分析法这一概念[10]。随后广泛的应用于航空航天、机械、电子等各个领域的故障诊断中。

故障树分析法是一种综合性的故障诊断方法，广泛应用于系统异常诊断[11]，是通过树状图的形式将系统故障显示出来，从开始选择顶事件、建立顶事件故障树、对整个故障树进行定性和定量分析[12]。对于TDS-8SA顶驱装置进行故障诊断，首先要熟悉顶驱装置的系统构造，其次选择顶驱装置故障作为顶事件并对顶事件进行故障分析，建立顶驱装置故障树，最后对故障点进行定量和定性分析。

在长期的实践下，每个施工单位都有自己独特的管理规定，在社会不断发展的现代，建筑企业的各项管理规定也在不断改进当中。对管理制度的优化可总结为以下几点：明确划分岗位职责，并根据岗位特点罗列出工作过程中的注意事项；管理部门内部划分精细，确保其功能全面，将施工过程纳入完整、系统的管理之下；根据施工特点，适当融入新型技术，进而提高建筑质量；总结以往施工的经验，有针对性的对管理制度进行改进；将各类技术进行分类管理，并完善相应的技术规范，将技术的优越性充分发挥出来。

通过求出最小割集的方法对顶驱装置故障树进行分析，故障树的每1个最小割集，代表一种状态的故障模式，只要有1个最小割集存在，系统就处于故障状态。

文中从顶驱装置故障树的最下层开始分析，通过逻辑“与”门和“或”门的运算法则，从底部向上，将中间事件的逻辑关系用底事件来表示，最后将顶事件表示出来，计算出顶驱装置全部最小割集，利用布尔代数法运算法则，进行简化，求出全部最小割集、最小径集。

3.3 计算顶驱装置机构重要度

在TDS-8SA顶驱装置的日常维护与使用中，导向滑轮磨损、液压缸故障、油泵滤芯堵塞、电机接地故障、换阀卡住、控制空气污染、密封损坏等81个底部事件重要度较大。由于故障的发生是不确定性的，应该严格按照日常的维护操作规程，对顶驱装置故障有针对性的预防，减少故障的发生。

4 工程案例与应用

4.1 根据故障树建立诊断分析图

顶驱装置系统复杂，其中液压系统、动力系统、钻杆拆卸系统、导轨滑车系统等多个部件由于工作环境恶劣，是故障诊断的重点考虑对象。文中结合顶驱装置实际运行状况对于刹车部件故障进行分析，发现其主要故障为空气压力低、刹车不动作、刹车不复位等症状。由于篇幅所限，文中以空气滤芯堵塞为例，引起刹车刹不住，导致顶驱装置故障，通过顶驱装置故障树理论，建立故障分析流程图，如图1所示。

图1 故障分析流程图

4.2 “空气滤芯堵塞”的故障分析

“空气滤芯堵塞”的故障现象：

空气系统作为顶驱装置刹车的主要控制系统，是保证顶驱正常工作的重要部分。在钻井作业中，通过控制空气的通断来控制刹车，由于TDS-8SA顶驱采用供气刹车的原理，空气压力低，导致刹车刹不住，顶驱在钻井作业中不能正常停止。

“空气滤芯堵塞”的原因：

1）空气脏。空气管路由于长期的使用过程中，管路内壁产生的腐蚀铁锈、脱落的油漆等，在空气系统使用过程中，随着空气的消耗，堵塞在滤芯当中，长时间积累，导致滤芯堵塞，空气不能通过。

2）空气中水含量高。冬季气温低，空压机压缩空气，产生一定的水，通过管理运输到滤芯，定期产生沉积，由于气温低，导致结冰，堵塞滤芯，导致空气系统不工作。

“空气滤芯堵塞”的故障诊断：

按照从简单到复杂、先外部后内部、先电气后机械、易损坏的部件优先考虑、尽可能少拆除零部件检查的故障诊断原则，按照定性分析的原则对顶驱装置故障树进行如下诊断分析。

1）用目测的方法首先检查钻杆拆卸系统、水龙头-动力系统、导轨滑车系统、液压系统功能情况。发现顶驱装置动力系统故障。

2）根据动力系统故障树，逐一进行排查，发现刹车系统系统故障。

3）观察到的现象是刹车系统刹不住，检查刹车系统刹不住的最小割，发现是由于空气压力过低导致刹车刹不住，检查滤芯，由于空气滤芯堵塞，导致空气压力过低，导致顶驱装置故障。

5 运用故障树法对顶驱装置故障原因分析的意义

1）故障树分析法是分析故障原因的重要方法，它既能找到故障的真正原因，又能找到潜在故障原因。并且显示出各事故原因与顶事件的逻辑关系，有些基本事件单独发生就能导致顶事件发生，有些基本事件同时发生才能导致顶事件发生，有助于定性分析顶驱装置故障发生的规律以及特点，从而制定出控制顶驱装置故障的可行性方案。

2）从故障树结构上分析出导致顶驱故障法的基本事件集合，通过求出最小割集和最小割集中基本事件的个数，判断出基本事件的重要程度，按照重要度大小对所有底事件进行排序，以便按照轻重缓急分别采取对策，从而安全、经济、有效的解决故障。也可以制定出TDS-8SA顶驱装置故障预防与诊断表，完善TDS-8SA顶驱装置在作业过程中的故障预防体系，有效的预防潜在故障的发生。

3）借助于故障树可以定量分析事故的发生概率，基于大量的统计数据可以得出各基本事件发生的概率，通过逻辑与门和逻辑或门，通过对基本事件的重要度进行计算，说明每个基本事件在系统中所占的重要程度，在顶驱装置发生故障时，可以对故障有针对性地进行检查，对顶驱装置的故障诊断具有一定的指导意义。

6 结语

故障树分析法具有逻辑表达性强、故障显示直观等优点，对TDS-8SA顶驱装置复杂的系统机构能够快速判断出可能导致顶驱装置的原因，便于分析。对于TDS-8SA顶驱装置系统零部件故障概率不好获取，无法计算出底部事件在顶事件顶驱装置故障中的重要度，难以进行定量分析。因此，通过TDS-8SA顶驱装置故障树定性分析和故障诊断基本原则相结合的方法对顶驱装置故障原因进行分析。对TDS-8SA顶驱装置采用故障树分析法，维修人员需要对顶驱装置有相应的专业知识和故障诊断实践经验，以及对于故障树分析法有一定了解。