鉆井泵是鉆機(jī)的心臟，是噴射鉆井提高鉆速、降低鉆井成本的關(guān)鍵設(shè)備。經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，三缸單作用鉆井泵以其無(wú)可比擬的優(yōu)越性能，已完全取代了雙缸雙作用鉆井泵。隨著高壓噴射鉆井、超深鉆井、海洋深水鉆井、大位移井和水平井的發(fā)展，推動(dòng)三缸泵正向著高壓(52～69MPa)、大功率(2237kW)和提高可靠性及持久性方向發(fā)展。三缸單作用鉆井泵具有功率大、壓力高、工作條件差等特點(diǎn)。鉆井泵損壞將導(dǎo)致鉆井工作停頓造成巨大損失。
目前三缸單作用鉆井泵工作狀態(tài)的好壞是依靠現(xiàn)場(chǎng)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷。通�，F(xiàn)場(chǎng)人員對(duì)液力端的故障較易判斷和維修，而動(dòng)力端由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、封閉嚴(yán)密和裝拆難度大，則難以進(jìn)行故障診斷和維修。因此，及時(shí)總結(jié)動(dòng)力端故障診斷工作，對(duì)于及時(shí)掌握鉆井泵工作狀態(tài)，保證鉆井工作的正常進(jìn)行，提高鉆井泵的現(xiàn)代化管理水平，變定期大修為按需維修，節(jié)約鉆井及維修成本，提高經(jīng)濟(jì)效益都具有十分重要的意義。
鉆井泵動(dòng)力端
主要部件的壽命預(yù)測(cè)
三缸單作用鉆井泵故障主要發(fā)生在動(dòng)力端的軸承、齒輪、十字頭。
軸承壽命預(yù)測(cè) 鉆井泵用軸承尺寸大，滾子數(shù)量多，且易損壞。因此軸承的維修和更換成了泥漿泵大修的主要任務(wù)。在安裝、潤(rùn)滑、維護(hù)正常的情況下，絕大多數(shù)軸承的破壞是疲勞破壞，因此，一般所說(shuō)的軸承壽命是指軸承的疲勞壽命。軸承在正常工作生極少的磨損顆粒，一旦發(fā)現(xiàn)大的疲勞磨粒產(chǎn)生，軸承也已經(jīng)進(jìn)入疲勞狀態(tài)。但是及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障的就可以采取控制措施并做好相應(yīng)維修準(zhǔn)備。
齒輪壽命預(yù)測(cè) 鉆井泵齒輪的常見(jiàn)故障有點(diǎn)蝕、銹蝕和機(jī)械劃傷等。由于齒輪的體積大、接觸面積大，一旦齒輪出現(xiàn)非正常磨損，潤(rùn)滑油中的鐵質(zhì)磨粒將大量增加，鐵元素含量也會(huì)大幅上升。理論上一般采取尺寸標(biāo)準(zhǔn)定義齒輪的失效，即當(dāng)齒輪的磨損間隙達(dá)到1mm時(shí)判定齒輪失效。但是在實(shí)際使用過(guò)程中，由于齒輪的銹蝕、膠合和斷齒等原因使齒輪磨損間隙在小于1mm時(shí)就已經(jīng)無(wú)法正常使用，因此齒輪的失效判定大都根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，然后結(jié)合齒輪磨損間隙變化作出。根據(jù)中石油川慶鉆探公司國(guó)際工程公司多年的鉆井泵維修經(jīng)驗(yàn)，提出了基于潤(rùn)滑油分析的齒輪壽命預(yù)測(cè)方法，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。
十字頭壽命預(yù)測(cè) 十字頭也是極易出現(xiàn)故障的部件，其最常見(jiàn)故障便是十字頭滑板拉傷和間隙不當(dāng)。由于十字頭部分的主要摩擦方式就是滑動(dòng)摩擦，因此在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，應(yīng)密切注意是否有嚴(yán)重滑動(dòng)磨粒出現(xiàn)。當(dāng)有少量嚴(yán)重滑動(dòng)磨粒出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢查機(jī)械潤(rùn)滑狀況和裝配情況。若嚴(yán)重滑動(dòng)磨粒數(shù)量有增加的趨勢(shì),就可判定滑板出現(xiàn)故障,必須停機(jī)檢修。當(dāng)嚴(yán)重滑動(dòng)磨粒大量出現(xiàn)時(shí)，即判定十字頭滑板部分失效。
鉆井泵動(dòng)力端
故障診斷及措施
一、鉆井泵響聲異常
診斷:正常情況下,泥漿泵的運(yùn)轉(zhuǎn)聲音平穩(wěn)、均勻;當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)聲音時(shí)高時(shí)低,不時(shí)伴有沉悶的沖擊聲和無(wú)規(guī)律的金屬敲擊聲時(shí),說(shuō)明泥漿泵的某一部位運(yùn)動(dòng)異常或是泥漿中含氣量大。
分析及措施：泥漿中含氣量大的因素可以從泥漿檢測(cè)中得出結(jié)論,除此之外就是泥漿泵本身存在異常。主要原因是十字頭或?qū)О彘g隙大,導(dǎo)致響聲異常。磨損拉傷是指在較短時(shí)間內(nèi)(一般2h～3h)接觸面上出現(xiàn)深槽迅速失效的一種表現(xiàn)形式。從幾何形狀來(lái)看,全磨拉傷發(fā)生在導(dǎo)板和十字頭整個(gè)或3/4接觸面上,而偏磨發(fā)生在局部,特別是角部。從拉傷深度來(lái)看全磨溝槽較深一般在2～4mm,粗糙度在50～100μm,偏磨溝槽一般在1～2mm,粗糙度在25μm左右。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中,當(dāng)十字頭在曲軸的作用下在導(dǎo)板上平行滑動(dòng)時(shí),運(yùn)動(dòng)間隙超標(biāo)和潤(rùn)滑不良,會(huì)破壞滑塊間的油膜而干磨發(fā)出巨大聲音和大量的熱。嚴(yán)重的拉傷十字頭和導(dǎo)板,甚至缸套活塞。
所以，調(diào)節(jié)好十字頭間隙和提供可靠的潤(rùn)滑效果非常關(guān)鍵。十字頭間隙一般在0.25～0.50mm范圍內(nèi)。導(dǎo)板固定螺栓上緊扭矩為200～270N•m，同時(shí)十字頭和中心拉桿的同心度必須小于0.38mm，保證十字頭是在導(dǎo)板上作平行滑動(dòng)。
二、人字齒輪剝落
診斷:可以靜聽(tīng)動(dòng)力端運(yùn)轉(zhuǎn)聲音,正常情況是聲音均勻、平穩(wěn),如果異常,且異常聲音出現(xiàn)有一定規(guī)律,就說(shuō)明齒輪傳動(dòng)部分有問(wèn)題,必須停泵檢查。
分析及措施:齒輪齒面上有一些均勻的點(diǎn)蝕是正常的,但是點(diǎn)蝕逐漸擴(kuò)大,造成輪齒掉塊,就會(huì)因嚙合不好發(fā)出異常聲音,這種異常聲音出現(xiàn)有一定規(guī)律。造成輪齒掉塊因素是多方面的。主要因素是與齒的材質(zhì)有關(guān),如果材質(zhì)不達(dá)標(biāo),熱處理不過(guò)關(guān),就會(huì)造成齒輪耐磨性差,沖擊強(qiáng)度弱,使用時(shí)間不長(zhǎng)就出現(xiàn)齒面磨損呈研磨狀,繼續(xù)使用就會(huì)輪齒掉塊。其次，可能是曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)圓周跳動(dòng)量大引起的破壞性沖擊,齒根處產(chǎn)生較大彎曲應(yīng)力,再加上幾何形狀上存在應(yīng)力集中,使齒根處產(chǎn)生疲勞裂紋并逐步擴(kuò)展而斷裂。為減小沖擊,可采取選擇間隙在0.30～0.50mm范圍內(nèi)的支持軸承。為了提高齒輪的使用壽命,通常采用增大齒根過(guò)渡圓角,減小應(yīng)力集中;采用最合理的熱處理方法,使齒芯材料有足夠的韌性和硬度。達(dá)到齒面要硬,齒芯要韌。齒輪是整臺(tái)泵的核心,如果齒輪的剝落斷齒不及早排除,會(huì)導(dǎo)致軸承失效、殼體破裂、瓦蓋斷裂、螺栓切斷,最終整臺(tái)泵報(bào)廢。
三、主螺栓(瓦蓋螺栓)斷裂
診斷:如果主軸承座附近溫度偏高,而且動(dòng)力端聲音異常，必須停泵檢查。
分 析及措施:某公司鉆井現(xiàn)場(chǎng)從2006年9月～2007年9月1年時(shí)間已經(jīng)有4臺(tái)F-1000泵和2臺(tái)F-1300泵發(fā)生主螺栓斷裂事故,主螺栓斷裂直接引起曲軸支持軸承因固定不可靠而損傷,同時(shí)也損傷了母螺紋,使泵殼無(wú)法再使用;同時(shí)也可能引起十字頭偏磨等機(jī)械失效。經(jīng)過(guò)宏觀斷口、化學(xué)成分、力學(xué)性能和低倍組織金相分析,鉆井泵主軸承螺栓的斷裂主要是由彎曲疲勞及螺紋根部嚴(yán)重的應(yīng)力集中造成的疲勞破壞。為了提高主軸承螺栓抗疲勞破壞的能力,建議從以下五方面采取措施:
在加工時(shí)除按要求對(duì)螺紋根部實(shí)施滾壓強(qiáng)化外,還應(yīng)保證螺紋根部R=0.4mm圓角與螺紋良好過(guò)渡,消除應(yīng)力集中;主螺栓材料為40CrNiMoA，調(diào)質(zhì)處理硬度要求達(dá)到為305～336HBS,確保調(diào)質(zhì)處理后的鋼材性能。精車螺紋的刀具應(yīng)嚴(yán)格按圖紙要求進(jìn)行修磨,并用樣板進(jìn)行檢查;確保泵的地基堅(jiān)硬結(jié)實(shí), 水平度不大于3mm，主軸承蓋上螺栓位置處所在平面的平整;在使用一段時(shí)間后,應(yīng)檢查主螺栓是否有松動(dòng)，確保螺栓預(yù)緊力;保證泵兩個(gè)主軸承座同心度不大于 0.30mm。
根據(jù)以上原因分析及故障損壞統(tǒng)計(jì)(表2)可知，三缸單作用鉆井泵動(dòng)力端故障產(chǎn)生原因是多方面的，跟多數(shù)人管理技術(shù)水平、安裝、保養(yǎng)及操作人的素質(zhì)及重視成度有關(guān)。若能充分重視，則能夠?qū)€@井泵的平均修理間隔期時(shí)間延長(zhǎng)，使鉆井泵的可靠性和利用率得到大幅提高。
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