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钻井机械故障诊断技术探讨
毕业设计（论文）
题目
钻井机械故障诊断技术探讨
年级专业
设计人
指导教师
评阅人
2011年12月29日
摘要
石油钻井机械设备是构成石油钻井生产的重要因素；机械设备在使用过程中，由于材料、工艺、环境条件和人为因素的影响，其零部件会逐渐地被磨损、变形、断裂、蚀损等。
随着零部件磨损程度的逐渐增大，设备的技术状态将会产生劣化，不可避免地将出现各种各样的故障，设备的功能和精度降低，甚至整机丧失使用价值。
保持现场机械设备经常处于良好的状态，提高利用率，延长使用寿命，是机械设备管理者追求的目标，也是企业提高经济效益的需要。
随着现代科技的不断发展，石油钻井机械设备中存在的问题都会得到一一的解决，不管是起升、循环还是旋转系统中的各个部件出现的故障都会得到很好的维护。
为将来我国的石油开采提供最好的钻井质量，争取减少钻井的成本，避免在钻井过程中不必要的钻井事故！
石油钻井机械设备对于石油工业的发展有着决定性的作用；本论文主要钻井机械的故障进行了探讨，钻井机械的研究范围相对而言比较的宽，所以，我主要研究的是钻机的故障诊断以及处理的一些措施。
石油钻机则是石油工业重要的机械设备。
对提高生产质量、竞争力、生产效率和可靠性有重要的意义。
开展钻机的故障诊断，对隐含的故障进行正确的早期诊断，并提出解决措施，对于减少和防止故障的发生，提高经济效益，起到极大地促进作用。
关键词：
钻井故障诊断故障排除管理方法
ABSTRACT
Oildrillingequipmentoildrillingandproductionconstitutesanimportantfactor;machineryandequipmentinuse,thematerials,technology,environmentalconditionsandhumanfactors,anditscomponentswillgraduallybeworn,deformation,fracture,erosion,etc..Withthegradualincreaseofwearparts,equipment,technologywillhaveastateofdeterioration,inevitably,variouskindsoffailures,equipmentfunctionsandreduceaccuracy,andevenlossofusevaluemachine.Fieldmachineryandequipmentregularlymaintainedingoodcondition,improveefficiency,extendtheservicelifeofmechanicalequipmentmanagerstopursuethegoalandtheneedforenterprisestoimproveeconomicefficiency.Withthecontinuousdevelopmentofmodernscienceandtechnology,oildrillingmachineryandequipmentproblemswillberesolvedonebyonein,whetheritislifting,cyclingorrotatingvariouspartsofthesystemmalfunctionwillbewellmaintained.China'soilexplorationforthefuturetoprovidethebestqualityofdrilling,aimedatreducingthecostofdrilling,thedrillingprocesstoavoidunnecessarydrillingaccident!
Oildrillingmachineryandequipmentfortheoilindustryhaveadecisiverole;thepaperdrillingmachinefailureswerediscussed,thescopeofstudythedrillingmachineisrelativelywide,somymainrigisthestudyoffaultdiagnosisandtreatmentSomeofthemeasures.Oilrigisanimportantoilindustrymachineryandequipment.Toimproveproductionquality,competitiveness,productivityandreliabilityimportant.Faultdiagnosiscarriedoutdrillingontheimpliedrightofearlydiagnosisoffaultsandproposedsolutionsforreducingandpreventingtheoccurrenceoffailuresandimproveeconomicefficiency,playasignificantroleinpromoting
Keywords:
Troubleshootingdrillingmanagementfaultdiagnosis
1.钻井机械设备使用中出现的故障种类及后果
钻机是钻井机械设备中所占的比例最大的，也是必不可少的。
而钻井机械设备的故障大部分就出现在钻机的设备中，所以钻机是我们的主要研究对象！
1.1机械设备常见故障
1.1.1损坏型故障
如断裂、开裂、点蚀、烧蚀、变形、拉伤、龟裂、压痕等；
1.1.2退化型故障
如老化、变质、剥落、异常磨损等；
1.1.3松脱型故障
如松动、脱落等；
1.1.4失调型故障
如压力过高或过低、行程失调、间隙过大或过小、干涉等；
1.1.5堵塞与渗漏型故障
如堵塞、漏水、漏气、渗油等；
1.1.6性能衰退或功能失效型故障
如功能失效、性能衰退、过热等。
以上是故障类型，由于钻井机械的研究范围比较的大，下面我们就以钻机为标准，仔细的研究！
首先我们研究的是钻机的组成和作用。
钻机属于重型矿业机械，是有多种机器设备组成的、具有多种联合工作的机组。
为了满足钻井工艺要求，整套钻机必须具备下列八大系统：
旋转系统、循环系统设备、起升系统设备、动力驱动系统设备、传动系统设备、控制系统和监测显示仪表、钻机机座、辅助设备。
旋转系统主要有常规钻机配备有转盘和水龙头，顶驱动钻机配备有顶驱钻井装置。
旋转设备的作用：
带动钻具旋转，并带动钻头破碎岩屑。
钻机配备有全套钻井液的循环设备，循环系统设备主要有如钻井泵、地面高压管汇钻井液净化及调配装置（固控设备）等。
循环系统的作用：
及时清洗井底、携带岩屑、保护井壁。
当采用井下动力钻具钻进时，该系统提供高压钻井液，以驱动井下涡轮钻具或螺杆钻具。
起升系统设备有钻井绞车、辅助刹车、游动系统（钢丝绳、天车、游车、大钩和井架）成。
另外还有用于起下操作的井口工具及机械化设备，如吊环、吊卡、卡瓦动力大钳或“铁钳工”、立根移动机构等。
起升系统设备作用：
起下钻具、下套管，控制钻压、及钻头等。
动力驱动系统设备可是内燃机，也可是交流、直流电动机。
动力驱动系统设备作用：
为钻井设备的各个工作机组及其它辅助机组（如空气压缩机）提供动力。
对于内燃机驱动的传动系统设备主要由减速机构，并车机构，转向、倒转及变速机构，以及液力传动装置组成。
传动系统设备作用：
连接动力机和工作机，实现驱动设备到工作机组的能量传递、分配及运动方式的转换。
控制系统是钻机自动化程度高低的一个重要标志，整套钻机配备有各种控制装置，常用的有机械控制、气控、电控、液控、和电液气混合控制。
现代钻机还配备有各种钻井仪表及随钻测量系统（MWD）。
控制系统作用：
指挥各机组协调的进行工作。
钻机机座是钻机组成部分之一，包括钻台底座和机房底座。
钻机机座作用：
用于安装设备，方便钻井设备的移动。
成套钻机必须具有供气设备、辅助发电设备、井口防喷设备、钻鼠洞设备与辅助起重设备，在寒冷的地带钻井时还应必须配备保温设备。
辅助设备作用：
保证选景工作的顺利进行。
1.2造成的故障后果
1.2.1隐蔽性故障后果
隐蔽性故障没有直接的影响，但它有可能导致严重的、经常是灾难性的多重故障后果；
1.2.2安全性和环境性后果
如果故障会造成人员伤亡，就具有安全性后果；如果由于故障导致企业违反了行业、地方、国家或国际的环境标准，则故障具有环境性后果；
1.2.3使用性后果
如果故障影响生产，就认为具有使用性后果；
1．2.4非使用性后果
划分到这一类里的是明显功能故障，它们既不影响安全也不影响生产，它只涉及直接维修费用。
2.机械设备故障的排除及维修
2.1机械设备故障的排除
对于机械设备，一要尽可能减少零部件的磨损，预防故障的产生；二要灵活运用修理方法，不断探索和研究新的维修方法。
石油钻井机械设备维修，由于有配件、材料、吊装设备等的困难，要求维修人员充分发挥聪明才智来尽快解除故障。
例：
传动系统的故障排除（以阿里森传动箱为例）
首先工作前的检查：
a.检查有无漏油，观察所有油管、塞子、软管及变速箱和冷却器上的管接头。
油管接头漏油可能是由于固定螺栓松动或垫片失效，紧固所有漏油的螺栓、塞子和接头。
b.用油尺检查传动箱，油面高度是否满足要求c.检查控制拉杆和拉线的状况。
上述工作完成后，进行空运转试验，一切正常后，方可进行正常工作。
其次挂合装置的操作：
挂合或脱开挂合系统，应在发动机置空挡或熄火后，进行挂合和脱开后把定位销插好，用弹簧卡将定位销卡牢固。
然后是观察：
观察变速箱油压表指示是否正常；
最后是故障排除：
a.运转以前。
排除故障是必须把发动机和变速箱看作一个整体，仔细研究各部件和液压系统的说明和工作原理将有助于判断故障原因。
b.在运转过程中检查。
如果上述检查没有发现故障原因，而且设备可以运转，则必须进一步检查故障。
为了彻底试验车装变速箱，不许确认发动机运转正常，变速箱油位正确。
c.从设备上卸下以后。
在从设备上卸下以前如不能查出变速箱的故障，可将变速箱从设备上卸下装在试验台上检查。
在各种变速箱试验时，应特别注意正确的油平面和正确调整连杆。
d.障障排除
表2-1故障排除表
故障现象
故障原因
排除方法
变速箱过热
（1）油面过高或过低
（2）挂的档位太高
（3）设备超载
（4）发动机冷却液过热
（5）漏油
（6）冷却水水面低
（1）加油或放油使油面至正常油面
（2）提前换人抵挡
（3）减载
（4）排除发动机过热
（5）检查变速箱和外部油管，排除漏油
（6）补充水、检查漏水
油中冒气
（1）油的型号不正确
（2）油面过低或过高
（3）油泵吸入空气
（4）油中有水
（1）换正确型号的油
（2）加油或放油使油面至正常油面
（3）检查油泵螺栓和垫子
（4）检查水的来源，清洗
油污染
油中有冷却液
检查，更换新油
离合器接合慢
（1）油面低
（2）油产生泡沫
（3）活塞密封环磨损
（4）油温低
（1）加油至正确油面
（2）见“油中冒气”排除
（3）大修变速箱
（4）使用推荐用油，必要时预热油
设备动力和加速不足
（1）变矩器有故障
（2）发动机有故障
（3）油中有气体
（4）液力减速器部分气作用
（5）手动换挡阀位置不正确
（1）大修变矩器
（2）检查发动机
（3）见“油中冒气”排除
（4）检查连杆
（5）检查连杆
变矩器失速时发动机转速高
（1）油平面低
（2）离合器打滑，而主压力正常
（3）油产生泡沫
（1）加油至正确油面
（2）大修变速箱，更换离合器活塞密封环或离合器片
（3）见“油中冒气”排除
变矩器失速时发动机转速低
（1）发动机输出扭矩低
（2）变矩器的元件发生干扰
（3）变速箱的油温未达到工作温度
（1）调控发动机，检查输出扭矩
（2）失速时检查噪声；必要时大修变矩器
（3）预热变速箱至71-93摄氏度
变矩器出口压力低
（1）油平面低
（2）油管漏油
（3）吸油滤网堵塞
（4）油泵有故障
（5）油中产生泡沫
（1）加油至正确油面
（2）检查漏油，排除漏油
（3）清洗滤网堵塞
（4）修理或更换油泵总成
（5）见“油中冒气”排除
主压力低
（1）油面低
（2）液压系统漏油
（3）主调压阀油故障
（4）输入油泵磨损
（5）吸油滤网堵塞
（6）油泵吸油端进入空气
（1）加油至正确油面
（2）检查外部漏油处；检查各档位、确定内部漏油处
（3）大修阀总成
（4）修理或更换油泵总成
（5）清洗吸油滤网
（6）检查油泵，排除漏气
2.2机械设备故障的维修
2.2.1零件修理法
采用机械加工、焊接、研磨等方法快速修复损坏的零件。
例如一台输送泵，料斗的搅拌轴因磨损严重突然不能工作，配件一时又难以买来。
这种情况下，可将搅拌轴拆下，采用堆焊及车床加工的方法，迅速恢复机械的作业，同时也节省了资金；
2.2.2零件换用或替代修理法
用完好备件替换已经损坏的配件，在大修及现场维修时均可采用。
同时可以充分利用身边材料，替代机械设备已经损坏的零部件。
如用普通钢板制作的垫片代替缺损的垫圈，用塑料布代替水泵中密封的石棉绳等，可临时解决应急维修的需要；
2.2.3零件弃置法
对已经产生故障的零部件，将管路或电路连接起来，快速恢复机械设备作业。
例：
石油钻井泥浆泵的维修方法
图2-1石油钻井泥浆泵示意图
首先介绍的是泥浆泵的工作原理：
泥浆泵是石油钻井过程中，向钻孔输送泥浆或水等冲洗液的机械。
它的作用是钻井时将泥浆随着钻头的钻进注入井下，起着冷却钻头、清洗钻具、固着井壁、驱动钻进，并将打钻后的岩屑带回地面的作用。
在常用的正循环钻探中，泥浆泵将地表冲洗介质─清水、泥浆或聚合物冲洗液在一定的压力下，经过高压软管﹑水龙头及钻杆柱中心孔直送钻头的底端，以达到冷却钻头、将切削下来的岩屑清除并输送到地表的目的。
常用的泥浆泵是活塞式或柱式的，由动力机带动泵的曲轴回转，曲轴通过十字头再带动活塞或柱塞在泵缸中做往复运动。
在吸入和排出阀的交替作用下，实现压送与循环冲洗的目的。
其次是泥浆泵常见故障分析与维护:
a.叶轮与口环。
泥浆泵叶轮的叶片大多因为气蚀或吸入固体物、金属杂质等受到损坏。
口环（又称密封环）的磨损一般是因为安装中穿量不当造成，也有因叶轮背帽松动而造成的。
若口环磨损重，应更换叶轮；若口环磨损较轻，可进行修复。
b.平衡装置。
平衡盘与平衡环磨损过多（一般为超过2mm）或凸凹不平时，先补焊或研磨泵壳上的凹槽，并在平衡环与泵壳结合面处加1块3mm厚的聚四氟乙烯垫片。
这样，既消除了补焊后手工研磨造成的平面板凹凸不平，垫片材料又软硬适中。
磨损过多时应更换新的平衡环和平衡盘。
c.机械密封。
机械密封有一对垂直于旋转轴线的端面，该端面在流体压力及补偿机械外弹力的作用下，依赖辅助密封的配合与另一端保持贴合，并相对滑动，从而防止流体泄漏。
机械密封渗漏的比例占全部维修泵渗漏的50%以上，机械密封的运行好坏直接影响到泵的正常运行。
机械密封渗漏会导致泵转子轴向窜动量大，辅助密封与轴的过盈量增大，动环不能在轴上灵活移动。
在泵翻转，动、静环磨损后得不到补偿位移。
在装配机械密封时，轴的轴向窜动量应当小于0.1mm，辅助密封与轴的过盈量应适中，在保证径向密封的同时，还要保证动环装配后能在轴上灵活移动（把动环压向弹簧能自由弹回来）。
d.泵轴。
泵轴是转子的核心零件，其上装有叶轮、轴套，在泵体中高速旋转。
泵轴弯曲、轴承座与泵轴的同轴度偏差会造成叶轮、导叶轮、泵壳、密封环及轴套的磨损，使泵体振动加大，轴向推力也增大，平衡盘与平衡座发生摩擦。
只要泵轴不产生裂纹和严重的表面磨损或弯曲都可修复使用。
轴的弯曲量不能超过0.06mm，大于该值时应校直，用螺旋压力机不加热进行校直。
e.轴承温度。
造成轴承温升过高而烧坏轴承的因素有：
平衡鼓平衡轴向力效果不好，残余轴向力过大引起轴承负荷过大；润滑油不合格，油量不足或油腔内有铁屑等杂质进入轴承；泵轴承角度误差过大，使轴承负荷加大；轴承间隙不足或轴承内外圈交叉定位，造成内外圈错位，使负荷增大。
f.转子轴向窜动量。
当泵装配完毕后，要对转子的整体窜量进行测量。
先不安装平衡盘，在安装平衡盘处装一轴套并用锁紧螺母将其和各级转子一起锁紧为一个刚体，先将转子推向吸入方向，使得叶轮与泵体两者的密封环靠近，用深度尺测出轴肩到泵体某一平面的距离a。
然后将转子拉向排出侧，使得叶轮后盖靠近导叶，测量此时的距离为b，a-b即为泵的总窜量。
测量出总窜量后，将其与泵说明书给出的窜量值进行比较，如果测量值大于给出值1mm，则应更换磨损叶轮。
若轴向窜动量大时，允许在平衡盘与平衡环之间加一表面光洁、厚度均匀的调整垫调整。
g.联轴器间隙。
在泥浆泵运转过程中，随着平衡盘的磨损，转子会不断向吸入口侧移动，因此检修时应对联轴器的间隙进行适当调整。
考虑到泵轴受热膨胀的影响，根据检修相关标准规定，联轴器的间隙应比其规定值大2～3mm。
然后是维修注意事项：
a.开泵前。
先应避免频繁倒泵，在开泵及倒泵过程中，要防止泵的汽化。
当被输送的高温液体突然进入多级泵冷态泵体时，泵体的温度会发生很大变化，由于受热不均、热变形的不统一导致泵体和转子部件变形，而耐磨部件间本身只有很小的缝隙，从而导致不正常的接触。
在这种情况下，启动泵时流量不足，会造成平衡盘与平衡座、机械密封的动环与静环之间无法形成液膜而发生摩擦损伤。
因此，当泵用于输送高温液体时，在启动之前须充分暖泵，只有泵体温度达到一致时才能启动泵。
在冷态下紧急启动多级泵是不允许的。
b.运行中。
靠平衡盘、平衡鼓等泵内平衡机构平衡轴向力的泥浆泵，平衡装置内有平衡液体流出，平衡液体通过平衡管接至泵的进口端。
为保证泵正常运行，必须注意:
①平衡管绝对不允许堵塞；②平衡管内发生结垢应及时清洗、疏通；③平衡管高压侧需加装压力表，以监测平衡管出口压力。
在多级泵运行中应注意对泵的温升、振动、声音等的检查。
为保护泵免受非正常损坏，必要时对泵的轴向力、温升、振动等设置联锁，超过设定值时自动停泵。
c.停泵后。
当泥浆泵较长时间停止工作时，叶轮和转子的重量使泵轴在1个方向上受力，容易造成轴弯曲。
应定期盘泵，每次按同一方向将轴转动120°。
对备用的泥浆泵，如出口阀关闭不严，出口管道内的高温介质会倒流回泵内，致使停转的泵轴上下部位受热不均，导致泵轴弯曲。
因此备用的泥浆泵也应定期盘泵。
d.拆装与维修。
在装配泥浆泵前必须做好准备工作，装配人员必须熟悉泵的结构、了解装配顺序和装配方法，准备好装配所需要的工具、量具等。
各零部件要清洗干净，磨损件按要求修理好。
之后对零件进行预装配性检查。
e.预装配性检查。
对多级泵，应预先组装转子部分（包括叶轮、叶轮挡套或叶轮轮毂和平衡盘等），以检查转子的同心度（不大于0.05mm）、偏斜度和叶轮出口之间的距离。
将叶轮、叶轮挡套和平衡盘装于校正好的泵轴上，用轴套锁紧后安装在车床顶尖或支承在V形铁（或轴瓦）上。
3.机械设备中钻机故障的原因分析
机械设备故障85%以上是由磨损产生的。
解决零部件的磨损，除了采用优良的材料，选择先进的制造工艺、设计合理的机械结构外，最重要的一点就是保证机械的合理润滑，还需要操作人员的细心操作等。
保证机械的合理润滑。
机械设备的故障50%以上是由润滑不良引起的。
由于机械设备各零部件配合的精密性，良好的润滑可以保持其正常的工作间隙和适宜的工作温度，防止灰尘等杂质进入机械内部，从而降低零件的磨损，减少机械故障。
正确合理的润滑是减少机械故障的有效措施之一。
为此，一是要合理使用润滑剂，根据机械结构的不同，选用不同的润滑剂类别，按照环境和季节的不同，选择合适的润滑剂牌号。
不可任意替代，更不可使用伪劣产品；二是要经常检查润滑剂的数量和质量，数量不足要补充，质量不佳要及时更换。
细心合理地操作机械。
作为机械操作人员，启动机械前均应检查冷却液及机油是否够量，不足要及时补充后再启动机械。
机械启动后要进入低速预热阶段，待冷却液及机油达到规定温度后，再开始工作，严禁低温下进行超负荷运转。
操作人员在机械运行中，要经常检查各种温度表的数值，发现问题及时解决后再工作。
在操作机械设备时，要注意不能在超过机械所能承受的最大负荷下工作，保证机械处于较为平稳的负荷变动，防止发动机、工作装置的大起大落，降低机械的磨损，减少故障的产生。
3.1钻机常见故障机理分析
钻井过程中石油钻机的工作条件十分恶劣，常常会出现种种故障。
比如钻机常见的故障就有：
传动系统故障、绞车故障、钻井泵故障；柴油机故障等。
钻机是石油企业生产的关键设备，稍微不慎都会面临停产威胁，如何维护好钻机一直是企业关注的重点。
由于钻机成本较高，所以备件较少。
一旦发生故障，修复时间很长，费用很高，损失较大。
所以，研究故障产生机理具有非常重要的意义。
下面本文就钻机常见的一些故障的机理进行分析。
3.1.1传动系统常见故障机理分析
3.1.1.1联动机支承轴承温度过高
症状：
联动机在运转中，个别支承轴承发热，而且轴承两侧端盖没有挤出新的润滑脂。
分析：
根据上述情况，该轴承保养方面存在疑点，很可能是很长时间没有注润滑油。
原因：
轴承缺乏油脂
症状：
在搬家或调试联动机转动皮带张紧度后，靠近皮带轮的支承轴承发热。
分析：
联动机传动皮带绷得太紧，使支承轴承受到较大的径向力，增加了摩擦力，引起温度升高。
原因：
转动皮带绷得太紧
症状：
联动机运转中，支承轴承发烧，而且发出响声，轴承座附近挤出大量油脂，并有金属粉末。
分析：
由于保持架损坏，使轴承温度升高，运动体的撞击发出异常的响声。
原因：
轴承磨损损坏
症状：
在保养完轴承后，联动机在运转过程中温度升高。
分析：
润滑油内含有杂物，打入轴承后，使轴承运转时，摩擦力增加，温度较高
原因：
轴承内有杂物
3.1.1.2联动机振动严重
症状：
联动机运转时，上下两部分都振动，随绞车负荷的突然变化而变化。
分析：
绞车于机房的1号联动机通过链条连在一起，当绞车挂合气胎离合器时链条突然旋转而产生振动，另外，在工作状态中机房设备本身也产生振动。
因此，机房和钻台设备运转时，共同产生一定振动，联动机压板螺栓长时间在振动的环境中机会越来越松，使联动机振动加剧。
原因：
联动机压板螺母松动
症状：
联动机运转时，整个联动机和机房底座同时出现较大颤动。
分析：
由于机房底座摆在水泥基墩上，水泥基墩在摆放时，地面软硬不一，或各基墩不在同一平面上，都会造成机房底座局部悬空；另外各块机房底座又没有搭扣螺栓联成一体，在这种情况下引起联动机产生较大振动。
原因：
机房底座固定或摆放不牢靠
症状：
联动机上部分出现较大振动。
分析：
在安装联动机传动皮带时，没有装调整垫片，使离合器两侧的传动轴不同心，造成联动机振动较大。
原因：
联动机离合器安装不同心
症状：
柴油机与对应的联动机一同出现较大震颤。
分析：
柴油机输入法兰与联动机减速箱出现较大的安装误差，使万向轴产生较大的径向力，在该力的作用下，联动机和柴油机均出现较大的振动。
原因：
万向轴与联动机安装误差太大
症状：
联
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