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(shù)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(zé)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(jié)構(gòu)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(tǒng)的作用下根據(jù)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(xiàn)起升力增大超標(biāo),在處理起升力超標(biāo)的過程中,底座某一部位出現(xiàn)異響,之后其它部位陸續(xù)也出現(xiàn)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(guī)格鉆機底座也出現(xiàn)同樣問題,并且個別鉆機井架也出現(xiàn)起升異響。經(jīng)過分析及研究,雖然最終解決了起升力超標(biāo)的問題,但起升異響仍為棘手問題,必須盡快查明原因。

2 現(xiàn)場檢查

在井架、底座起升過程中,均存在孔、軸旋轉(zhuǎn)過程,異響產(chǎn)生在孔、軸旋轉(zhuǎn)部位。在發(fā)出異響的同時,銷軸出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)跳動,由銷軸連接的立柱、片架等部件出現(xiàn)振動現(xiàn)象。拆下銷軸,觀察發(fā)現(xiàn)孔、軸接觸表面均出現(xiàn)不同程度拉傷,如圖2所示。由于異響問題的出現(xiàn)嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)進(jìn)度,因此急需查找原因并解決這一問題,避免在后續(xù)產(chǎn)品中出現(xiàn)類似情況。

▲圖1 底座低位安裝

▲圖2 孔、軸表面拉傷

根據(jù)現(xiàn)場反饋,異響與架體振動同步發(fā)生,同時旋轉(zhuǎn)接觸表面出現(xiàn)不同程度的拉傷。結(jié)合現(xiàn)場拉傷情況,初步分析為孔、軸旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)黏滑效應(yīng)。黏滑效應(yīng)作為一種典型的摩擦現(xiàn)象,廣泛存在于各種相對運動之中,引發(fā)機械系統(tǒng)出現(xiàn)振顫,進(jìn)而產(chǎn)生刺耳噪聲。產(chǎn)生黏滑效應(yīng)的主要原因是孔、軸旋轉(zhuǎn)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(zhì)上是同一個問題,即在某些點上旋轉(zhuǎn)阻力增大。因此,處理異響問題歸結(jié)為兩方面,一是旋轉(zhuǎn)阻力增大,二是接觸表面拉傷。

3 旋轉(zhuǎn)阻力增大分析

基于理論計算分析,提升力主要由產(chǎn)品自身重力和旋轉(zhuǎn)阻力兩部分組成,產(chǎn)品自身重力固定不變,影響旋轉(zhuǎn)阻力的因素則較多。底座為平行四邊形結(jié)構(gòu),忽略鉆臺自身重力的影響,對立柱受力進(jìn)行簡化分析,如圖3所示。以基座上立柱旋轉(zhuǎn)孔中心為支點,轉(zhuǎn)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(zhì)心至支點距離為H,立柱中心線與水平方向夾角為θ,根據(jù)力矩平衡,可得:

FL=fr+GHcosθ

(1)

由此推導(dǎo)出提升力F與阻力f的關(guān)系為:

(2)

由于r遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàn)異響問題的鉆機都是常規(guī)產(chǎn)品,原理、機構(gòu)、材料等基本相同,在沒有重大設(shè)計結(jié)構(gòu)改動的情況下,旋轉(zhuǎn)點的理論摩擦阻力基本不變,阻力增大主要從制造因素進(jìn)行考慮。基于常規(guī)物理知識,與旋轉(zhuǎn)點摩擦阻力相關(guān)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(shù)。

旋轉(zhuǎn)點接觸面正壓力主要由兩方面構(gòu)成,一是設(shè)計結(jié)構(gòu)需要的理論正壓力,二是制造偏差造成的附加內(nèi)應(yīng)力。由于是常規(guī)產(chǎn)品,理論正壓力不變,因此主要對制造偏差造成的附加內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行排查。

在井場安裝過程中,出現(xiàn)異響問題的井架、底座未出現(xiàn)強力組裝現(xiàn)象,與其它常規(guī)產(chǎn)品沒有明顯區(qū)別,制造偏差沒有造成明顯附加內(nèi)應(yīng)力。為了驗證,在現(xiàn)場對每個旋轉(zhuǎn)點銷軸進(jìn)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(nèi)應(yīng)力存在。

對底座各組裝尺寸進(jìn)行復(fù)核,基座上各旋轉(zhuǎn)孔偏差、同軸度等均符合設(shè)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(jìn)行檢測,符合要求。對底座平行四邊形各邊平行度進(jìn)行檢測,也符合設(shè)計工藝要求。考慮到銷軸安裝過程順利,可以認(rèn)為附加內(nèi)應(yīng)力影響較小,不足以引起較大阻力導(dǎo)致卡阻。

為了進(jìn)一步排除局部內(nèi)應(yīng)力因素,將多個旋轉(zhuǎn)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(nèi)應(yīng)力,然后進(jìn)行一定高度起升,異響問題沒有消除。又逐個更換銷軸進(jìn)行試驗,均沒有明顯變化。由此可以認(rèn)為制造偏差導(dǎo)致的附加內(nèi)應(yīng)力不是造成旋轉(zhuǎn)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(xiàn)起升異響。由于井架體為對稱結(jié)構(gòu),旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu),也就不存在制造偏差導(dǎo)致起升過程不同步帶來的附加內(nèi)應(yīng)力。即使兩個井架支腳存在載荷不平均,兩個支腳也都發(fā)出異響,由此完全可以證明制造偏差導(dǎo)致的附加內(nèi)應(yīng)力與異響無關(guān)。

▲圖4 井架起升過程

出現(xiàn)異響問題的鉆機是常規(guī)產(chǎn)品,所用材料都是常規(guī)低合金結(jié)構(gòu)鋼,所以在不考慮材料、溫度等因素的情況下,摩擦因數(shù)主要與接觸面的粗糙度和潤滑情況有關(guān)。

潤滑問題較易觀察,對潤滑情況進(jìn)行檢查,出現(xiàn)問題的第一套鉆機旋轉(zhuǎn)部位沒有涂抹潤滑脂,有無潤滑脂摩擦因數(shù)相差較大,因此沒有涂抹潤滑脂會造成旋轉(zhuǎn)阻力增大。為了驗證,對所有旋轉(zhuǎn)點涂抹潤滑脂,重新進(jìn)行起升,發(fā)現(xiàn)異響并未消除,旋轉(zhuǎn)過程中仍然出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場涂抹潤滑脂不符合設(shè)計要求,圖紙要求旋轉(zhuǎn)點涂抹鋰基極壓潤滑脂,極壓潤滑脂具有相對較高的負(fù)荷承載能力,而現(xiàn)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(zhuǎn)點承受載荷較大,用普通潤滑脂會對潤滑造成影響。為了進(jìn)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(jìn)行井架、底座起升驗證,發(fā)現(xiàn)異響仍然沒有消除,由此可以認(rèn)為,潤滑因素不是引起旋轉(zhuǎn)點阻力增大并產(chǎn)生異響的主要原因,但是未按要求涂抹規(guī)定的潤滑脂肯定會造成旋轉(zhuǎn)阻力增大。

潤滑問題排除后,對接觸面粗糙度問題進(jìn)行分析。通過現(xiàn)場觀察,出現(xiàn)異響的各連接孔加工表面質(zhì)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(nèi)未進(jìn)入井場連接孔,發(fā)現(xiàn)孔加工質(zhì)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(jìn)行檢測。以其中一個孔為例,現(xiàn)場先用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量,內(nèi)徑尺寸公差為-0.22 mm,滿足設(shè)計要求,但接近極限值。又由專業(yè)的機加工檢驗人員用內(nèi)徑千分尺進(jìn)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(shè)計公差范圍。另外,孔圓柱度誤差較大,尺寸出現(xiàn)臺階變化,表面粗糙度也無法滿足設(shè)計要求。

▲圖5 連接孔加工表面質(zhì)量

為了解決問題,安排操作人員對孔表面進(jìn)行拋光處理,使孔表面粗糙度達(dá)到設(shè)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(xiàn)問題的鉆機連續(xù)起放兩次,未再出現(xiàn)異響,由此可以認(rèn)為孔表面質(zhì)量是旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生異響的部位大部分都出現(xiàn)了孔、軸表面拉傷情況。根據(jù)前述分析,在旋轉(zhuǎn)點材料不變、受力情況不變、后期潤滑已經(jīng)到位的情況下,孔、軸接觸表面還是出現(xiàn)拉傷?；瑒咏佑|表面拉傷主要與接觸應(yīng)力有關(guān),由于是常規(guī)產(chǎn)品,旋轉(zhuǎn)點的壓應(yīng)力設(shè)計理論值未發(fā)生變化。從實際拉傷情況看,存在局部壓應(yīng)力過大現(xiàn)象。表面壓應(yīng)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(shè)計計算時按軸、孔全面積接觸進(jìn)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(jù)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(dǎo)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(dǎo)致接觸表面局部壓應(yīng)力過大。在旋轉(zhuǎn)時,壓應(yīng)力較大部分就可能產(chǎn)生拉傷現(xiàn)象。

在處理過程中,將銷軸拆下后發(fā)現(xiàn)孔表面有很多黑點,也存在部分紅色銹跡。對黑點進(jìn)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(jīng)產(chǎn)生銹蝕,且安裝時并沒有按要求對孔表面進(jìn)行清理,導(dǎo)致銹層夾在孔、軸之間,使孔、軸接觸面積減小。在孔、軸旋轉(zhuǎn)過程中,銹層在高壓作業(yè)下發(fā)生脫離,產(chǎn)生細(xì)小顆粒,形成研磨效應(yīng),造成孔、軸表面拉傷現(xiàn)象。

同時還發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致旋轉(zhuǎn)過程中表面拉傷。但是有毛刺的孔較少,且產(chǎn)生異響的孔很多都沒有毛刺存在,由此可以認(rèn)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(jù)上述分析,現(xiàn)場處理時,最先只是對拉傷表面進(jìn)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(chǎn)生異響。去除銷軸后查看,發(fā)現(xiàn)又在其它部位產(chǎn)生新的拉傷。反復(fù)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(fù)起放兩次進(jìn)行驗證,沒有產(chǎn)生異響及新的拉傷現(xiàn)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(yīng)力過大。孔表面銹蝕與加工粗糙同時存在,并且每個孔的加工質(zhì)量及銹蝕情況均不同,孔加工表面質(zhì)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(jié)

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

通常,在油漆作業(yè)前需要對孔加工表面進(jìn)行涂潤滑脂保護(hù),防止被涂漆。由于缺乏這一工序,且現(xiàn)場未做出相應(yīng)補救措施,導(dǎo)致孔加工表面產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象,加劇孔、軸表面的拉傷,進(jìn)而產(chǎn)生大面積起升異響問題。

通過前述分析,可以得出結(jié)論,起升異響是孔、軸旋轉(zhuǎn)卡阻產(chǎn)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(yīng)力過大,產(chǎn)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(yīng)對措施

針對前述原因,采取以下相應(yīng)的措施:

(1)加強加工質(zhì)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(dá)到設(shè)計要求;

(2)車間制造過程中清除孔內(nèi)雜物,并進(jìn)行涂油脂防護(hù),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(jié)束語

針對鉆機起升異響問題,根據(jù)分析總結(jié),采取了相應(yīng)措施?，F(xiàn)場嚴(yán)格按照要求進(jìn)行生產(chǎn),并對后續(xù)生產(chǎn)的鉆機進(jìn)行跟蹤驗證。經(jīng)驗證,二十多套鉆機未再出現(xiàn)起升異響及表面拉傷現(xiàn)象。