楊志軒

(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510760)

0 引言

深海淺鉆(圖1)一般裝備于大型海洋科學(xué)考察船上，通過萬米臍帶纜進(jìn)行可視遙控操作，從幾千米深的海底定點(diǎn)鉆取表層巖心，廣泛應(yīng)用于深海底礦產(chǎn)資源勘探、深海底地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域[1]。深海淺鉆主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、高壓供變電和通訊系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)相互配合實(shí)現(xiàn)鉆取硬質(zhì)巖心的目的。由于自身靈巧輕便，操作簡(jiǎn)單，取心成功率高等優(yōu)點(diǎn)，淺鉆的海上生產(chǎn)應(yīng)用率很高。淺鉆是集多功能、多學(xué)科于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，作業(yè)運(yùn)行環(huán)境一般都在高壓低溫的深海底，所以在設(shè)備作業(yè)運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)各種各樣的故障，直接影響海上生產(chǎn)的進(jìn)度。為了降低深海淺鉆在作業(yè)運(yùn)行時(shí)的故障幾率，應(yīng)該由相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員提前做好預(yù)防措施并能夠?qū)ΤＲ姷墓收线M(jìn)行分析和解決，切實(shí)提高深海淺鉆的運(yùn)行持續(xù)性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高效率的海上作業(yè)。

圖1 深海淺鉆Fig.1 Deep seabed rock drill

1 深海淺鉆運(yùn)行故障特點(diǎn)

深海淺鉆的作業(yè)運(yùn)行條件比較特殊，一般都是在水深>1000 m的深海底進(jìn)行作業(yè)。由于淺鉆在高壓低溫的深海底作業(yè)運(yùn)行，對(duì)集機(jī)、電、液、光等一體的深海淺鉆系統(tǒng)協(xié)同配合要求很高，較容易發(fā)生故障。其中，機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、高壓供變電系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)又是深海淺鉆在實(shí)際應(yīng)用中比較容易發(fā)生故障的部分。造成故障的因素有很多，對(duì)深海淺鉆的使用和檢修人員就有較高的綜合技能要求，對(duì)出現(xiàn)的問題應(yīng)能快速定位故障點(diǎn)，準(zhǔn)確分析故障類型，提出合理的解決措施，減少維修時(shí)間。同時(shí)，分析及總結(jié)故障現(xiàn)象和故障特點(diǎn)，整理一套比較完善的應(yīng)對(duì)方案，做好預(yù)防措施，降低淺鉆作業(yè)運(yùn)行故障率。

2 深海淺鉆的常見故障

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)故障

鉆機(jī)本體結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架、鉆進(jìn)系統(tǒng)與事故棄鉆機(jī)構(gòu)和鉆具系統(tǒng)三部分組成。

機(jī)架為高強(qiáng)度鋼框架結(jié)構(gòu)，由底盤、下框架和上框架三部分組成。機(jī)架的主要作用是容納和安裝鉆機(jī)內(nèi)部各部件，并為內(nèi)部各部件提供防碰撞保護(hù)[2]。淺鉆在布放回收時(shí)，由于海況不佳導(dǎo)致擺蕩會(huì)與船體甲板發(fā)生碰撞，在坐底時(shí)如果操作不慎會(huì)與深海底周圍巖石發(fā)生碰撞。此外，鉆機(jī)本體上所有部件均經(jīng)螺栓連接安裝于鉆機(jī)底座上，各個(gè)緊固螺栓和焊接點(diǎn)腐蝕破損也可能造成機(jī)架的故障。

鉆進(jìn)系統(tǒng)與事故棄鉆機(jī)構(gòu)是由鉆架帶拋棄鉆桿功能的鉆進(jìn)動(dòng)力頭、液壓缸驅(qū)動(dòng)鋼絲繩倍程推進(jìn)機(jī)構(gòu)、鉆孔沖洗機(jī)構(gòu)等組成，是深海淺鉆鉆取巖心的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其主要故障點(diǎn)是液壓缸驅(qū)動(dòng)鋼絲繩倍程推進(jìn)機(jī)構(gòu)在工作中由于卡頓、磨損等因素導(dǎo)致鋼絲繩斷裂；由于鉆孔沖洗機(jī)構(gòu)堵塞，造成鉆孔排渣和冷卻鉆頭作用失效，致使鉆進(jìn)系統(tǒng)失壓，動(dòng)力頭卡阻等情況。

鉆具系統(tǒng)在鉆取巖心時(shí)最容易發(fā)生的故障就是卡鉆?？ㄣ@的一個(gè)主要原因是由于深海海底或者海山上由于具有一定的坡度，在支腿輔助也不能完全消除坡度對(duì)其影響時(shí)，下鉆的過程中由于振動(dòng)導(dǎo)致淺鉆本體稍微移動(dòng)，鉆桿與鉆孔外壁摩擦過大，位置偏移，造成卡鉆現(xiàn)象甚至鉆桿彎曲。另外，當(dāng)動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速過低且鉆進(jìn)壓力過大時(shí)也會(huì)造成卡鉆現(xiàn)象。當(dāng)鉆進(jìn)過程中遇到卡鉆事故強(qiáng)力起拔時(shí)，如果起拔力超過80 kN，鉆具仍未能從鉆孔中拔出，可以利用鉆具拋棄機(jī)構(gòu)將鉆具與鉆進(jìn)動(dòng)力頭脫離，丟棄鉆具。待動(dòng)力頭回到最高位置時(shí)，開動(dòng)絞車提起鉆機(jī)，鉆機(jī)即可以安全返回船上。鉆頭在鉆進(jìn)過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生磨損，多次下鉆后需要檢查是否需要更換鉆頭；當(dāng)沖洗液流量壓力下降或造成堵塞，沖洗機(jī)構(gòu)的中心孔沒有海水冷卻或流量過小時(shí)，鉆頭與巖石接觸部位溫度迅速升高，造成燒鉆的情況[3-5]。

2.2 液壓系統(tǒng)故障

液壓系統(tǒng)由液壓站、液壓控制閥箱、帶壓力補(bǔ)償?shù)挠拖洹⒁簤汗苈泛透饕簤簣?zhí)行機(jī)構(gòu)等組成[6]，淺鉆液壓系統(tǒng)主要為鉆進(jìn)取心和螺旋槳定向提供動(dòng)力來源[7]。深水高壓電機(jī)是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源，淺鉆運(yùn)行時(shí)需要嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，在甲板調(diào)試時(shí)不得長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行電機(jī)，并且需要水冷降溫。此外，深海淺鉆液壓系統(tǒng)還有以下幾種常見故障：

(1)鉆進(jìn)系統(tǒng)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作不流暢[8]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作不流暢會(huì)影響淺鉆的取心率，降低工作效率，這種情況可能是受到液壓油黏度過高或過低的影響，也與由于工作負(fù)載過大導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)中一些易損件發(fā)生磨損破壞有關(guān)。

(2)液壓系統(tǒng)發(fā)生泄漏[9]。造成液壓系統(tǒng)泄漏的原因有很多，淺鉆主要以外泄漏的形式表現(xiàn)，密封件破損和老化是導(dǎo)致泄漏的主要原因。深海淺鉆液壓系統(tǒng)在空氣中有時(shí)會(huì)很難發(fā)現(xiàn)泄漏問題，需要在系統(tǒng)壓力較高時(shí)方能觀察到系統(tǒng)的微滲現(xiàn)象，而當(dāng)下放深度變深，各補(bǔ)償器的液壓油不足以在高壓下保持液壓系統(tǒng)油壓平衡時(shí)，密封圈所受的壓力變大，受損可能也就越大。

(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中跳動(dòng)、振動(dòng)或爬行現(xiàn)象。此故障是指液壓缸在低速下運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生時(shí)斷時(shí)續(xù)的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，爬行現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是當(dāng)一物體在滑動(dòng)面的做低速相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在一定條件下產(chǎn)生的停止與滑動(dòng)相交替的現(xiàn)象，是一種不連續(xù)的振動(dòng)[10]。淺鉆出現(xiàn)此類故障的主要原因是液壓系統(tǒng)中混入了空氣，造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)反應(yīng)遲緩、動(dòng)作不正?，F(xiàn)象，影響了液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，甚至?xí)s短液壓元件的壽命。故在對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行充油時(shí)，需注意進(jìn)行排氣措施，防止混入過多的空氣。

2.3 高壓供變電和通訊系統(tǒng)故障

深海淺鉆的高壓供變電和通訊系統(tǒng)通過光電復(fù)合纜傳輸和控制。高壓供變電系統(tǒng)原理是船電經(jīng)甲板變壓器升壓，通過光電復(fù)合纜傳輸至光電盒的三相高壓交流電，首先經(jīng)過浸油壓力平衡式降壓變壓器降壓，一路經(jīng)接觸器供給主電機(jī)，一路經(jīng)降壓后為水下計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、各種電子模塊、傳感器、電磁液壓閥、照明燈、攝像頭等提供所需的電力。通訊系統(tǒng)是通過水下電子艙內(nèi)的光端機(jī)與甲板單元控制器上光端機(jī)實(shí)現(xiàn)攝像頭視頻信號(hào)傳輸。這兩部分任何一部分出現(xiàn)故障，在甲板的操作系統(tǒng)都無法正常運(yùn)行。

2.3.1 高壓供變電故障

淺鉆上的電力要準(zhǔn)確輸送至符合相應(yīng)額定電壓工作需求的元器件上，就需要運(yùn)用高低壓的變電措施進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)變。在實(shí)際工作中，在這一過程中可能出現(xiàn)的變壓器故障和絕緣故障[11]。

變壓器存在三相電不平衡，會(huì)增加電能損耗，影響水下電機(jī)的效率，危害用電設(shè)備的安全運(yùn)行[12]。

三相電經(jīng)過變壓器升壓傳輸至淺鉆上用以減少在臍帶纜上的損耗，絕緣電阻過低會(huì)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)異常，絕緣故障時(shí)有發(fā)生，耐壓密封艙內(nèi)進(jìn)水、高壓擊穿(圖2)等是事故的誘因。高壓擊穿常發(fā)生在光電盒內(nèi)，當(dāng)處于浸油壓力平衡的光電盒內(nèi)存在金屬小顆粒未清理干凈，或者三相電中任何一相的絕緣漆包線被劃傷，有破損現(xiàn)象，且又和光電盒內(nèi)壁相接觸時(shí)，高壓電流容易擊穿電纜，絕緣故障發(fā)生率相對(duì)較高。

圖2 高壓擊穿Fig.2 High-pressure breakdown

2.3.2 通訊故障

深海淺鉆通過光電復(fù)合纜內(nèi)的光纖傳輸信號(hào)至上位機(jī)操控室建立聯(lián)系，通過淺鉆本體上的攝像頭可以隨時(shí)全方位監(jiān)控淺鉆姿態(tài)、地形特點(diǎn)、底流狀態(tài)和動(dòng)作執(zhí)行情況等。

造成通訊故障的原因包括：①由于淺鉆在下放的過程中會(huì)受到不同的壓力，當(dāng)光電盒補(bǔ)償器油不能及時(shí)供給到光電盒時(shí)，壓力失衡，造成內(nèi)部光纖的擠壓或者端子的松動(dòng)，或者布放入水時(shí)速度過快，光電盒產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，從而導(dǎo)致光電盒光纖斷路；②水上水下光端機(jī)信號(hào)故障，收和發(fā)信號(hào)的光端機(jī)出現(xiàn)通訊不穩(wěn)定情況；③光纖連接纜老化衰減；④耐壓電子艙內(nèi)進(jìn)水。

3 深海淺鉆的維護(hù)措施

(1)甲板調(diào)試。入水前需對(duì)設(shè)備在甲板上進(jìn)行功能性調(diào)試，設(shè)備的每個(gè)動(dòng)作每個(gè)流程都要做到順暢流利，嚴(yán)禁帶著問題下水作業(yè)，調(diào)試時(shí)一人在操控室遠(yuǎn)程操作淺鉆，至少一人在室外檢查淺鉆的動(dòng)作執(zhí)行情況和設(shè)備整體運(yùn)行狀態(tài)。

(2)入水前檢查。設(shè)備入水前需先對(duì)設(shè)備進(jìn)行甲板模擬演示，確定設(shè)備運(yùn)行正常，特別時(shí)第一次入水時(shí)，需嚴(yán)格按照要求檢查，確認(rèn)執(zhí)行動(dòng)作正常、通訊正常、接插件水密纜擰緊和各傳感器正常以及各個(gè)補(bǔ)償器油位正常等。

(3)進(jìn)行站位海試演練。進(jìn)行淺鉆大型航次和重要的航次任務(wù)前，時(shí)間充裕時(shí)建議對(duì)深海淺鉆進(jìn)行一次海試演練，進(jìn)行5～10個(gè)站位的完整取心流程的模擬演練，可以針對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行全方位的了解和徹底的檢查，為后續(xù)實(shí)際任務(wù)順利完成提供保障。

(4)出水后檢查。設(shè)備回收甲板后，確認(rèn)液壓系統(tǒng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)無泄漏；檢查補(bǔ)償器彈簧松緊程度；檢查鉆機(jī)各處機(jī)械連接，緊固所有螺栓連接部位；檢查各處水密接插件有無松動(dòng)；用淡水沖洗供水系統(tǒng)水泵內(nèi)部存留海水，防止鉆機(jī)放置時(shí)間過長(zhǎng)水泵堵塞。

(5)鉆具、鉆頭及卡簧卡座的拆裝。取心后，取出樣品需拆卸鉆頭、取下巖心管后，在分離卡簧卡座時(shí)注意盡量不要損壞卡簧卡座，拆卸完畢，清水沖洗鉆具各部件，卡簧座涂抹黃油；巖心內(nèi)管組件組裝時(shí)，注意鉆桿內(nèi)管與上部接頭之間應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，否則應(yīng)用油清洗；安裝內(nèi)管拔巖心卡環(huán)，要保證錐度小頭朝下；調(diào)節(jié)內(nèi)管與接頭之間螺母，使內(nèi)管出口處離鉆頭內(nèi)臺(tái)階有5 mm左右的距離[13]。

4 結(jié)語(yǔ)

深海淺鉆是海洋礦產(chǎn)資源勘探和環(huán)境區(qū)域調(diào)查的重要調(diào)查設(shè)備，為了減少淺鉆故障對(duì)海上生產(chǎn)造成不利影響，提高深海淺鉆作業(yè)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，在海上作業(yè)時(shí)間緊任務(wù)重的條件下，快速排查原因和解決故障問題就顯得格外重要，對(duì)專業(yè)技術(shù)人員快速定位故障的能力提高了要求。為減少深海淺鉆運(yùn)行故障幾率，維護(hù)保養(yǎng)是必不可少的操作，也是延長(zhǎng)海上連續(xù)工作時(shí)間和設(shè)備保障的重要前提。