喻修其，許臣之

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北廊坊 065201）

0 引言

隨著中國(guó)海洋石油總公司的日益發(fā)展和壯大，引入的新型鉆井平臺(tái)越來(lái)越多，而這些平臺(tái)的鉆井裝置絕大多數(shù)是NOV（National Oilwell Varco，國(guó)民油井華高）的設(shè)備。頂部驅(qū)動(dòng)（簡(jiǎn)稱頂驅(qū)）是海洋石油鉆井平臺(tái)的核心專業(yè)設(shè)備之一，一旦出現(xiàn)故障，將直接導(dǎo)致平臺(tái)停工停產(chǎn)，造成極大損失。某海洋鉆井平臺(tái)建造出廠后在渤海區(qū)域作業(yè)，在冬季低溫環(huán)境下，該平臺(tái)頂驅(qū)潤(rùn)滑油泵頻繁出現(xiàn)過(guò)載跳閘現(xiàn)象，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

1 設(shè)備異常現(xiàn)象

設(shè)備名稱：頂部驅(qū)動(dòng)（設(shè)備型號(hào)：NOV HPS 750-E-AC-KT）。故障現(xiàn)象：平臺(tái)建造出廠后，首次在渤海灣冬季低溫天氣作業(yè)期間，當(dāng)齒輪箱潤(rùn)滑油溫低于7 ℃時(shí)，油泵電機(jī)出現(xiàn)過(guò)載跳閘而停止運(yùn)轉(zhuǎn)（電機(jī)額定電流為6.32 A，系統(tǒng)檢測(cè)的油溫低于7 ℃時(shí)，油泵電機(jī)工作電流達(dá)到12 A）。該故障現(xiàn)象在頂部驅(qū)動(dòng)以往運(yùn)行過(guò)程中從未出現(xiàn)過(guò)。

2 設(shè)備潤(rùn)滑原理及工作特征

齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)工作原理如圖1 所示，齒輪箱內(nèi)的潤(rùn)滑油通過(guò)潤(rùn)滑油泵泵送到過(guò)濾器，再經(jīng)過(guò)冷卻器后通過(guò)噴嘴（節(jié)流孔）噴射到齒輪箱內(nèi)的齒輪嚙合面，起到清潔、潤(rùn)滑、冷卻的作用，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。根據(jù)設(shè)備廠家說(shuō)明書提供的數(shù)據(jù)，齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)正常工作時(shí)的主要參數(shù)和設(shè)定如下：正常情況油溫50～60 ℃，工作壓力要求0.2 MPa，油溫高于70 ℃時(shí)冷卻風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動(dòng)，低于60 ℃時(shí)風(fēng)機(jī)電機(jī)停止，冷卻器壓差高于0.22 MPa 后旁通閥開啟，過(guò)濾器壓差高于0.15 MPa 后旁通閥開啟，泵吸排壓差高于1 MPa 后安全閥動(dòng)作降壓。

圖1 齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)工作原理

3 油泵電機(jī)過(guò)載的理論分析

油泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺桿泵型號(hào)為SERRIMA GR40 SMT16B 1502 RF1S3，螺桿泵的理論排量可由式（1）計(jì)算：

其中，F(xiàn) 是泵缸的有效截面積，t 是螺桿螺紋的導(dǎo)程，n 是主動(dòng)螺桿的轉(zhuǎn)數(shù)。

螺桿泵的內(nèi)部泄漏量可由式（2）計(jì)算：

其中，α 是與螺桿直徑和有效長(zhǎng)度有關(guān)的系數(shù)，p 是泵的工作壓力，σ是所排送液體的黏度；m=0.3～0.5。

螺桿泵在壓送不同黏度的液體時(shí)，其排量會(huì)發(fā)生變化。排量和黏度的關(guān)系可由式（3）表示：

其中，Q1是黏度為σ1時(shí)的排量；Q2是黏度為σ2時(shí)的排量。

螺桿泵的功率：螺桿泵的軸功率一般為水功率、摩擦功率和泄漏損失功率這三部分的總和。水功率Nc 是指單位時(shí)間內(nèi)泵傳給液體的能量，也稱輸出功率，可用式（4）計(jì)算：

其中，P 是泵的排出壓力和吸入壓力之差，Q 是泵的實(shí)際排量。

由式（1）～式（4）可知，系統(tǒng)工作壓力過(guò)高、排量過(guò)大、泵送液體黏度過(guò)大等均可能造成過(guò)載現(xiàn)象。

4 原因分析

4.1 油品選用不當(dāng)

設(shè)備操作說(shuō)明書推薦油品為TEXACO SYNLUBE CLP 150 或SHELL TIWELA WA；設(shè)備廠家最新推薦油品已替換為TEXACO SYNLUBE WS 150；平臺(tái)當(dāng)前使用的是SHELL TIVELA S150。經(jīng)過(guò)和設(shè)備廠家聯(lián)系后得到確認(rèn)：SHELL TIVELA S 150 雖然黏度稍低，但仍然是等于TEXACO SYNLUBE WS 150 的油品。相關(guān)油品特性和參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 潤(rùn)滑油品性能參數(shù)對(duì)比

由三種油品比較可看出，Shell Tivela S150 和Texaco Synlube CLP150 是相當(dāng)?shù)模琓exaco SynlubeWS150 油品最好。平臺(tái)使用的油品雖然不是最佳，但仍然符合設(shè)備廠家的要求。

4.2 潤(rùn)滑油品混合或污染變質(zhì)

根據(jù)設(shè)備廠家的關(guān)于齒輪油換型的技術(shù)公告表明，由于某種原因，SYNLUBE CLP 150 已不再適用，并推薦油品為SYNLUBE WS 150。由于頂驅(qū)出廠時(shí)間較早，可能設(shè)備出廠時(shí)使用的仍是SYNLUBE CLP 150 油，但建造船廠調(diào)試設(shè)備時(shí)加裝的是Shell Tivela S150，存在兩種油品混合的情況。對(duì)齒輪箱油和庫(kù)存的新油Shell Tivela S150 進(jìn)行取樣觀察，二者顏色相差較大（圖2）。為了進(jìn)一步驗(yàn)證油品是否變質(zhì)、油品性能是否改變，將兩個(gè)油樣送基地檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行化驗(yàn)分析，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 潤(rùn)滑油品性能參數(shù)對(duì)比

圖2 潤(rùn)滑油樣對(duì)比

檢測(cè)分析結(jié)果表明在用油品理化性能正常，排除油品變質(zhì)的原因。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證是否因油變質(zhì)導(dǎo)致低溫過(guò)載的現(xiàn)象，利用作業(yè)間隙，將齒輪箱油換成新的Shell Tivela S150 后進(jìn)行試驗(yàn)，故障現(xiàn)象仍然存在，進(jìn)一步排除了油品混合或變質(zhì)的原因。

4.3 過(guò)濾器、呼吸孔臟堵

過(guò)濾器本身有0.15 MPa 的壓差旁通功能，如果臟堵應(yīng)處于旁通狀態(tài)，理論上不會(huì)造成憋壓情況?，F(xiàn)場(chǎng)拆檢過(guò)濾器未發(fā)現(xiàn)明顯臟堵，并將濾芯拆除后進(jìn)行試驗(yàn)，后將過(guò)濾器清洗后裝復(fù)再次試驗(yàn)，結(jié)果低溫過(guò)載現(xiàn)象并未消失。排除過(guò)濾器、呼吸孔臟堵的原因。

4.4 冷卻器臟堵或旁通閥故障

冷卻器本身有0.22 MPa 的壓差旁通功能，如果臟堵應(yīng)處于旁通狀態(tài)，理論上不會(huì)造憋壓情況。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，在電流為12 A 時(shí)壓力為0.5 MPa，電流為5.3 A 時(shí)壓力為0.6 MPa，如果冷卻器堵塞，應(yīng)當(dāng)在過(guò)載時(shí)壓力高，正常時(shí)壓力低，但實(shí)際情況相反，因此可排除冷卻器堵塞的可能性。

4.5 系統(tǒng)管路存在節(jié)流孔堵塞

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，潤(rùn)滑油管路在齒輪箱入口處通常設(shè)置節(jié)流孔調(diào)節(jié)到軸承的油壓，拆檢進(jìn)入齒輪箱處的一連接塊后發(fā)現(xiàn)孔眼直徑約8 mm，并無(wú)堵塞現(xiàn)象。排除節(jié)流孔臟堵的原因。

4.6 螺桿泵故障，安全閥設(shè)置不當(dāng)

螺桿泵是容積式泵，所有螺桿泵的管路系統(tǒng)都必須配備安全閥，以防外部管路堵塞后壓力升高導(dǎo)致電機(jī)過(guò)載。但從管路系統(tǒng)和泵的外觀檢查均未發(fā)現(xiàn)有安全閥，因此推斷在泵的內(nèi)部應(yīng)當(dāng)有安全閥。

現(xiàn)場(chǎng)利用間隙時(shí)間對(duì)該泵進(jìn)行拆檢并發(fā)現(xiàn)有一內(nèi)置安全閥（圖3），但未發(fā)現(xiàn)異常。手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)泵軸輕松自如，未發(fā)現(xiàn)泵有機(jī)械故障。原樣裝回泵后試驗(yàn)，過(guò)載現(xiàn)象仍然存在。

圖3 拆檢潤(rùn)滑油泵

為進(jìn)一步驗(yàn)證滑油泵安全閥的工作狀態(tài)是否正常，現(xiàn)場(chǎng)將泵拆開并將安全閥壓力調(diào)低（調(diào)節(jié)絲堵松1.5 圈）后測(cè)試，發(fā)現(xiàn)油溫在1.5 ℃以上時(shí)電流正常（調(diào)節(jié)安全閥前要7 ℃以上電流才正常），正常工作時(shí)油壓0.56 MPa；后將安全閥壓力進(jìn)一步調(diào)低（將調(diào)節(jié)絲堵松3.5 圈）后測(cè)試，不再有明顯變化，正常工作時(shí)油壓為0.43 MPa。通過(guò)測(cè)試，進(jìn)一步排除油泵機(jī)械故障的原因，調(diào)低泵的安全閥壓力后明顯改善了系統(tǒng)低溫工作效果，但仍然未能徹底解決問(wèn)題，主要測(cè)試監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)見表3。

表3 系統(tǒng)測(cè)試記錄

5 綜合分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)研究和測(cè)試分析，基本排除了系統(tǒng)本身機(jī)械故障。但事實(shí)上隨著溫度變化，系統(tǒng)在發(fā)生變化。根據(jù)對(duì)各種工況的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)現(xiàn)象值得探究。

過(guò)濾器濾芯拆除后，通常壓力會(huì)升高；隨著油溫逐漸升高，油壓也逐漸升高（分析認(rèn)為是濾器阻力和油黏度變化共同作用的結(jié)果）。

在調(diào)節(jié)油泵安全閥前，隨著油溫逐漸增加并達(dá)到6.5 ℃后，電流突然從11 A 降至5 A，而此時(shí)壓力增大。

在調(diào)低油泵安全閥后，隨著油溫逐漸增加并達(dá)到2 ℃后，電流便突然從11 A 降至5 A，而此時(shí)壓力增大。

因油的黏度隨溫度的升高是逐漸減小的，是不會(huì)突變的，如果僅僅考慮黏度影響的話，則電流也應(yīng)該是逐漸減少，不應(yīng)該出現(xiàn)突變情況。因此可以推理認(rèn)為出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是：隨著溫度的逐漸增加，油的黏度逐漸減小，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)某閥件或其他元件的狀態(tài)突然改變，使得電機(jī)從超載突然變?yōu)檎?。突變之后表壓增大，說(shuō)明發(fā)生突變的元件應(yīng)該是表前的濾器或泵，但檢查濾器和泵本身沒有機(jī)械問(wèn)題。

SERRIMA 廠家提供的該螺桿泵的參數(shù)及選型資料表明，GR40 SMT16B 1502 RF1S3 型螺桿泵適合的黏度為小于100 cSt，而目前NOV 廠家推薦選用的油品黏度為150 cSt，而適合150 cSt 黏度等級(jí)的泵型號(hào)應(yīng)該是GR40 SMT16B 1502 S1 RF1S3，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了該潤(rùn)滑油泵在低溫頻繁跳閘的原因是：螺桿泵的選型與油品不相配，導(dǎo)致在低溫情況下該系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

6 結(jié)論及解決方案

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)原理及其理論分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果，通過(guò)與設(shè)備廠家的溝通和研究，最終判斷出現(xiàn)系統(tǒng)低溫狀態(tài)突然過(guò)載的原因?yàn)槁輻U泵的選型與廠家推薦的油品不匹配引起，系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)上的缺陷。為保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行，建議采取以下措施用于臨時(shí)或永久解決該問(wèn)題。

（1）選用具有更好黏溫性的油品；如可將Shell Tivela S150 更換成具有更好低溫性能的潤(rùn)滑油，如Texaco Synlube WS 150。（此方案僅能在有限的溫度范圍內(nèi)改善設(shè)備工作狀況）。

（2）在泵的出口處增加一外置可調(diào)式安全閥（管系改造，時(shí)間和周期較長(zhǎng)）。

（3）將螺桿泵更換為GR40 SMT16B 1502 S1 RF1S3型或其他型式的輸油泵，以提升泵的低溫黏度適應(yīng)范圍。