鉆機起升異響問題分析

□ 王海峰 □ 淮 超 □ 羅 軍 □ 張榮亮 □ 郭 銳

1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司 陜西寶雞 721002 2.西部鉆探吐哈鉆井公司 新疆鄯善 838200 3.寶雞石油機械有限責任公司 陜西寶雞 721002

1 問題情況

井架、底座作為鉆機的主體,是主要的承載部件。一般采用Κ型井架和旋升式或雙升式結構底座。底座采用低位安裝,如圖1所示。井架整體起升后,底座鉆臺可在起升系統的作用下根據平行四邊形原理由低位起升至工作位置。最初是某套鉆機底座在起升過程中出現起升力增大超標,在處理起升力超標的過程中,底座某一部位出現異響,之后其它部位陸續也出現不同程度的異響,并且異響過程伴隨架體振動。同時期,幾套其它規格鉆機底座也出現同樣問題,并且個別鉆機井架也出現起升異響。經過分析及研究,雖然最終解決了起升力超標的問題,但起升異響仍為棘手問題,必須盡快查明原因。

2 現場檢查

在井架、底座起升過程中,均存在孔、軸旋轉過程,異響產生在孔、軸旋轉部位。在發出異響的同時,銷軸出現旋轉跳動,由銷軸連接的立柱、片架等部件出現振動現象。拆下銷軸,觀察發現孔、軸接觸表面均出現不同程度拉傷,如圖2所示。由于異響問題的出現嚴重影響了產品質量及生產進度,因此急需查找原因并解決這一問題,避免在后續產品中出現類似情況。

▲圖1 底座低位安裝

▲圖2 孔、軸表面拉傷

根據現場反饋,異響與架體振動同步發生,同時旋轉接觸表面出現不同程度的拉傷。結合現場拉傷情況,初步分析為孔、軸旋轉過程中出現黏滑效應。黏滑效應作為一種典型的摩擦現象,廣泛存在于各種相對運動之中,引發機械系統出現振顫,進而產生刺耳噪聲。產生黏滑效應的主要原因是孔、軸旋轉過程中摩擦力不斷變化。由此可見,起升過程中的異響、振動問題實質上是同一個問題,即在某些點上旋轉阻力增大。因此,處理異響問題歸結為兩方面,一是旋轉阻力增大,二是接觸表面拉傷。

3 旋轉阻力增大分析

基于理論計算分析,提升力主要由產品自身重力和旋轉阻力兩部分組成,產品自身重力固定不變,影響旋轉阻力的因素則較多。底座為平行四邊形結構,忽略鉆臺自身重力的影響,對立柱受力進行簡化分析,如圖3所示。以基座上立柱旋轉孔中心為支點,轉軸阻力為f,銷軸半徑為r,立柱長度為L,起升時對立柱的提升力為F,立柱的重力為G,質心至支點距離為H,立柱中心線與水平方向夾角為θ,根據力矩平衡,可得:

FL=fr+GHcosθ

(1)

由此推導出提升力F與阻力f的關系為:

(2)

由于r遠遠小于L,f對F影響較小,甚至無法通過起升時的指重表直觀反映阻力,因此只能從其它方面分析阻力情況,同時也能證明提升力增大不是由阻力引起的。

▲圖3 立柱受力簡化分析

出現異響問題的鉆機都是常規產品,原理、機構、材料等基本相同,在沒有重大設計結構改動的情況下,旋轉點的理論摩擦阻力基本不變,阻力增大主要從制造因素進行考慮?；诔Ｒ幬锢碇R,與旋轉點摩擦阻力相關的因素主要有兩個,一個是接觸面正壓力,一個是接觸面摩擦因數。

旋轉點接觸面正壓力主要由兩方面構成,一是設計結構需要的理論正壓力,二是制造偏差造成的附加內應力。由于是常規產品,理論正壓力不變,因此主要對制造偏差造成的附加內應力進行排查。

在井場安裝過程中,出現異響問題的井架、底座未出現強力組裝現象,與其它常規產品沒有明顯區別,制造偏差沒有造成明顯附加內應力。為了驗證,在現場對每個旋轉點銷軸進行錘擊,銷軸移動順暢,沒有明顯的阻力,說明沒有明顯的附加內應力存在。

對底座各組裝尺寸進行復核,基座上各旋轉孔偏差、同軸度等均符合設計工藝要求。立柱整體由機床加工而成,尺寸由機床保證,相對比較精確。為了驗證,對立柱孔距進行檢測,符合要求。對底座平行四邊形各邊平行度進行檢測,也符合設計工藝要求?？紤]到銷軸安裝過程順利,可以認為附加內應力影響較小,不足以引起較大阻力導致卡阻。

為了進一步排除局部內應力因素,將多個旋轉點中的某一個銷軸更換為直徑尺寸略小的銷軸,釋放局部點的內應力,然后進行一定高度起升,異響問題沒有消除。又逐個更換銷軸進行試驗,均沒有明顯變化。由此可以認為制造偏差導致的附加內應力不是造成旋轉阻力增大的主要因素。

井架起升過程如圖4所示。起升過程中,井架支腳處也出現起升異響。由于井架體為對稱結構,旋轉點只有兩個,載荷基本平均分布,因此不存在類似底座多組平行四邊形結構,也就不存在制造偏差導致起升過程不同步帶來的附加內應力。即使兩個井架支腳存在載荷不平均,兩個支腳也都發出異響,由此完全可以證明制造偏差導致的附加內應力與異響無關。

▲圖4 井架起升過程

出現異響問題的鉆機是常規產品,所用材料都是常規低合金結構鋼,所以在不考慮材料、溫度等因素的情況下,摩擦因數主要與接觸面的粗糙度和潤滑情況有關。

潤滑問題較易觀察,對潤滑情況進行檢查,出現問題的第一套鉆機旋轉部位沒有涂抹潤滑脂,有無潤滑脂摩擦因數相差較大,因此沒有涂抹潤滑脂會造成旋轉阻力增大。為了驗證,對所有旋轉點涂抹潤滑脂,重新進行起升,發現異響并未消除,旋轉過程中仍然出現卡阻現象。后經檢查發現,現場涂抹潤滑脂不符合設計要求,圖紙要求旋轉點涂抹鋰基極壓潤滑脂,極壓潤滑脂具有相對較高的負荷承載能力,而現場涂抹的是普通潤滑脂。石油鉆機屬于重型機械,井架、底座起升過程中,各旋轉點承受載荷較大,用普通潤滑脂會對潤滑造成影響。為了進一步驗證,將所有連接處潤滑脂均換為符合要求的鋰基極壓潤滑脂,重新進行井架、底座起升驗證,發現異響仍然沒有消除,由此可以認為,潤滑因素不是引起旋轉點阻力增大并產生異響的主要原因,但是未按要求涂抹規定的潤滑脂肯定會造成旋轉阻力增大。

潤滑問題排除后,對接觸面粗糙度問題進行分析。通過現場觀察,出現異響的各連接孔加工表面質量較差,如圖5所示。由圖5(a)可見加工表面刀痕明顯,用手觸摸凹凸感明顯,且孔表面銹跡明顯。檢查部分車間內未進入井場連接孔,發現孔加工質量同樣不理想,如圖5(b)所示。為了深入分析,對部分連接孔進行檢測。以其中一個孔為例,現場先用游標卡尺進行測量,內徑尺寸公差為-0.22 mm,滿足設計要求,但接近極限值。又由專業的機加工檢驗人員用內徑千分尺進行測量,在孔深度方向不同位置測量值差別較大,最大值為+0.34 mm,最小值為-0.32 mm,超出設計公差范圍。另外,孔圓柱度誤差較大,尺寸出現臺階變化,表面粗糙度也無法滿足設計要求。

▲圖5 連接孔加工表面質量

為了解決問題,安排操作人員對孔表面進行拋光處理,使孔表面粗糙度達到設計要求,涂抹潤滑脂,重新起升底座,異響消除。為了確保安全,對出現問題的鉆機連續起放兩次,未再出現異響,由此可以認為孔表面質量是旋轉點阻力增大的主要原因。

4 孔、軸表面拉傷分析

在處理起升異響過程中,產生異響的部位大部分都出現了孔、軸表面拉傷情況。根據前述分析,在旋轉點材料不變、受力情況不變、后期潤滑已經到位的情況下,孔、軸接觸表面還是出現拉傷?；瑒咏佑|表面拉傷主要與接觸應力有關,由于是常規產品,旋轉點的壓應力設計理論值未發生變化。從實際拉傷情況看,存在局部壓應力過大現象。表面壓應力取決于接觸面正壓力和接觸面積兩個因素,接觸面正壓力基本無變化,設計計算時按軸、孔全面積接觸進行理論計算,如果接觸面積減小,只能考慮制造偏差造成的孔、軸無法全面積接觸。

根據前述分析,孔的圓柱度誤差較大,孔表面刀痕明顯,孔徑尺寸存在臺階變化,導致孔徑尺寸較小部分先與銷軸接觸,孔徑較大部分與軸無法接觸,造成孔與軸無法全面積接觸,使接觸面積減小,導致接觸表面局部壓應力過大。在旋轉時,壓應力較大部分就可能產生拉傷現象。

在處理過程中,將銷軸拆下后發現孔表面有很多黑點,也存在部分紅色銹跡。對黑點進行分析,推測為潤滑脂與鐵銹在高壓下的混合物。沒有承受高壓的部分紅色銹跡仍然存在,說明在銷軸安裝前,孔表面已經產生銹蝕,且安裝時并沒有按要求對孔表面進行清理,導致銹層夾在孔、軸之間,使孔、軸接觸面積減小。在孔、軸旋轉過程中,銹層在高壓作業下發生脫離,產生細小顆粒,形成研磨效應,造成孔、軸表面拉傷現象。

同時還發現在一些孔的加工過程中存在未清理毛刺、飛邊情況,如圖6所示。在銷軸安裝過程中,部分毛刺和飛邊被擠入孔、軸之間,也會造成接觸面積減小,導致旋轉過程中表面拉傷。但是有毛刺的孔較少,且產生異響的孔很多都沒有毛刺存在,由此可以認為毛刺未清理有一定概率造成孔、軸拉傷,但并不是孔、軸拉傷的主要原因。

▲圖6 孔加工飛邊

根據上述分析,現場處理時,最先只是對拉傷表面進行拋光處理,去除拉傷表面高點及毛刺,重新安裝后起升,架體依然產生異響。去除銷軸后查看,發現又在其它部位產生新的拉傷。反復處理多次,直至將孔表面全部拋光,去除明顯臺階,并將孔表面黑點清除,露出金屬光澤,起升異響才徹底消除。反復起放兩次進行驗證,沒有產生異響及新的拉傷現象,驗證前述分析正確,拉傷的主要原因是接觸面積減小造成局部壓應力過大?？妆砻驿P蝕與加工粗糙同時存在,并且每個孔的加工質量及銹蝕情況均不同,孔加工表面質量差、銹蝕、安裝時未清理是造成拉傷的主要因素。毛刺清理不干凈有一定概率造成表面拉傷,但不是主要因素。

5 分析總結

在整個處理過程中,每套鉆機的異響現象各不相同,有的鉆機一次起升就發出異響,有的鉆機起升沒有異響但下放時產生異響,有的鉆機二次起升時產生異響,有的鉆機起放多次后才發出異響,異響與孔、軸表面拉傷幾乎同時存在。上述現象都與孔加工表面質量及銹蝕情況不同有關,加工表面質量越差,旋轉阻力越大,產生異響越早。加工表面質量較好的孔,旋轉阻力不大,早期不會發出起升異響,隨著起放過程使表面產生拉傷,表面拉傷進一步增大旋轉阻力,當旋轉阻力達到一定程度后,發出異響。

通常,在油漆作業前需要對孔加工表面進行涂潤滑脂保護,防止被涂漆。由于缺乏這一工序,且現場未做出相應補救措施,導致孔加工表面產生銹蝕現象,加劇孔、軸表面的拉傷,進而產生大面積起升異響問題。

通過前述分析,可以得出結論,起升異響是孔、軸旋轉卡阻產生振動引起的,影響因素如下:

(1)制造偏差造成的孔、軸接觸不均勻,接觸面局部壓應力過大,產生接觸面拉傷;

(2)鐵屑和銹蝕等造成孔、軸表面拉傷;

(3)組裝時銷軸與孔間的潤滑不足,未涂抹潤滑脂,或涂抹的潤滑脂為非極壓潤滑脂。

6 應對措施

針對前述原因,采取以下相應的措施:

(1)加強加工質量控制,毛刺必須清理干凈,尤其是加強對孔、軸表面粗糙度,以及形位公差等的控制,必須達到設計要求;

(2)車間制造過程中清除孔內雜物,并進行涂油脂防護,防止孔表面銹蝕;

(3)組裝過程中按要求將孔表面清理干凈,并涂抹極壓潤滑脂,保證潤滑充分。

7 結束語

針對鉆機起升異響問題,根據分析總結,采取了相應措施?，F場嚴格按照要求進行生產,并對后續生產的鉆機進行跟蹤驗證。經驗證,二十多套鉆機未再出現起升異響及表面拉傷現象。