胡曉（xiǎo）東　方賢圓

（順益體係（集團），廣東珠海　519020）

　　摘　要：本文（wén）對一起石油鑽機頂驅卡轉事故進行分析，發現主軸承潤滑（huá）不（bú）良是本（běn）次故障的直接原因。主軸承因潤滑失效（xiào），發熱磨損導致主（zhǔ）軸下沉。電機（jī）軸向尺（chǐ）寸誤差累積導致間隙量小，遇到主軸下沉或拉長軸向變形後摩擦（cā）。電機下端軸承內圈開裂，導致滾道（dào）跑偏以致機（jī）械密封徑向偏差並燒結卡死。
　　關鍵詞：石油鑽機（jī）；頂驅；主（zhǔ）軸承；機構優化；潤滑改（gǎi）良

　　0、背景介紹
　　由（yóu）中方提供核心設備的南美洲某（mǒu）石油開采（cǎi）項目現場出現頂驅主電機不轉的情況。用戶司（sī）鑽稱（chēng）頂驅在鑽進（jìn）時聽到砰的一聲響，隨後主電機即停止轉動，但頂驅扭矩卻升高。後試驗多次（cì）仍不得轉（zhuǎn）動。該井設計井深5400m，實際完（wán）成5168.2m，鑽具懸重約250t，轉（zhuǎn）速80~100rpm，環（huán）溫37℃。
　　檢查刹車鉗正常有（yǒu）效；旋轉頭能夠正常旋轉，且無下沉現象；排除電機故障。基本確定為頂驅的動力係統內部故障，頂驅下架解體（tǐ）檢查。
　　1、檢查情況
　　1.1電機下端蓋軸承損傷
　　（1）電（diàn）機（jī）下端蓋徑向軸承內圈開（kāi）裂；滾道內仍有（yǒu）油（yóu）脂（zhī），油脂狀態基本正常，如（rú）圖1所示。

圖1、軸承內圈開裂、滾道有（yǒu）油脂

　　（2）電機下端蓋機械密封環向下滑移錯位與（yǔ）上支撐（chēng）蓋接觸摩擦，兩零（líng）件（jiàn）均有高（gāo）溫發藍現象，如圖2所示。

圖2、密封環及支撐蓋高溫發藍（lán）

　　（3）電機下端蓋軸承上方機械密封環摩（mó）擦（cā）燒結並開裂，如圖3所示。

圖3、機械密封環摩擦燒結並開裂

　　1.2主軸承磨損嚴重
　　解體後發現主軸承磨損嚴重（chóng），軸承存在（zài）潤（rùn）滑不（bú）良現象：
　　（1）軸承滾子表麵無潤滑（huá）脂；
　　（2）擠出滾道的潤滑脂（zhī）發黑幹結；
　　（3）滾子表麵（miàn）點蝕/剝落；
　　（4）上下端蓋也存在不（bú）同程度的點蝕和凹坑。
　　如（rú）圖4、5、6所示。

圖4、滾道無油脂，擠出油脂發黑幹（gàn）結

圖5、滾子表麵疲勞剝落

圖6、座片磨損，部分疲勞剝落

　　2、故障分析
　　2.1電機下端軸承內圈斷（duàn）裂分析
　　軸承內圈產生裂紋的可能原因：
　　（1）材料缺陷（xiàn）
　　軸承零件的微裂紋、縮孔、氣泡、大塊外（wài）來雜物、過（guò）熱（rè）組織（zhī）及局部燒（shāo）傷等缺陷在（zài）衝擊過載或劇烈振動時會在缺陷處引起（qǐ）斷裂。
　　（2）過載
　　當外加載荷超過（guò）材料強度極限而造成零件斷裂稱為過（guò）載斷裂。實際使用工況超出設計標（biāo）準造成的。
　　（3）安裝不當
　　如果（guǒ）主（zhǔ）軸在安裝過程中，主軸軸心線的垂直差（chà）控（kòng）製的不好產（chǎn）生偏心，那麽電機軸承內外圈及滾動體就會受到周期性衝擊負荷，導致軸（zhóu）承（chéng）內圈斷（duàn）裂失效。另一個就（jiù）是軸承安裝間隙過小導致（zhì）軸承發熱卡死，卡死後電機依然運轉（zhuǎn）Z終憋裂內圈（quān）。從（cóng）主軸承套圈點蝕分布情（qíng）況看出，可能存在主軸垂直差不好（hǎo）造成偏載情況的產生，從現（xiàn）場聽到砰一（yī）聲巨響可（kě）能就是內圈斷（duàn）裂產生。
　　通常出現的（de）軸承斷裂失效大多數為（wéi）過（guò）載失效，過載原因主要是主機（jī）突發故障或安裝不當。
　　2.2主軸承產生點蝕、剝落分析（xī）
　　（1）軸承內部滾道（dào）潤滑油脂均被擠（jǐ）出；
　　（2）溢出油脂明顯發黑變硬，應為高溫氧化所致。
　　（3）滾動體存在帶狀點蝕（shí）現象（xiàng）；
　　（4）滾動體幹澀無明顯的成形油膜；
　　（5）軸承座片和軸片存（cún）在（zài）大量疲勞剝落；
　　（6）從主軸承蓋點蝕剝落的分布狀況（kuàng）可以看出存在偏載現象，如圖7所示。

圖7、座片帶狀疲勞剝落

　　軸（zhóu）承產生點蝕剝落的可能原（yuán）因：
　　（1）軸承在工作中承受的負荷過大，超過極限負荷。該（gāi）軸承額定動載荷400t（MAX），額（é）定靜載荷675t。實際鑽具（jù）懸（xuán）重約250t，未超過（guò）額（é）定載荷。
　　（2）安裝不當：軸承（chéng）在安裝時不到位或安裝傾斜，使軸承偏載等非（fēi）正常運轉。
　　（3）異物（wù）進入：有異物（wù）進入軸承，軸承在運轉（zhuǎn）時受卡（kǎ）阻。
　　（4）材質缺陷：材質本身存在冶煉及熱處理等缺陷。
　　（5）潤滑不良：潤滑（huá）劑失效或潤滑劑本（běn）身抗極壓（yā）性能達不到工況要求導（dǎo）致潤滑不良產生點蝕剝落現象。
　　（6）潤（rùn）滑方式：潤滑方式設計缺陷，導致潤滑點潤滑不足（zú）。

　　3、改進建議
　　本（běn）次故障直接原因是主軸承潤滑不良，潛在原（yuán）因是設備存（cún）在安裝偏差。即使下次（cì）安裝到位，如果沒有對主軸承進行潤滑改進，故障仍隨時會發生。因此就主（zhǔ）軸承潤滑（huá）方案改進提以下建議。
　　3.1主軸承機構優化建議
　　除了潤滑劑極壓性不足導致軸（zhóu）承潤滑不良外，該設備（bèi）還存在軸承的設計結構及潤滑方式不合理的因素（sù），導致滾子表麵潤（rùn）滑劑無法及時補充，出現潤滑不良，造（zào）成軸承損（sǔn）傷；

　　目前生產的額定動載荷250t及以（yǐ）下頂驅軸（zhóu）承結構如（rú）圖8所示，滾子之間（jiān）有保持架，軸承座片也有一定儲油結構。

圖8、250t及（jí）以下頂（dǐng）驅軸承

　　因此油脂保持效果（guǒ）良好，滾子表麵油膜能得到有效補充。使用效果如圖9所示（shì）。

圖9、250t及以下頂（dǐng）驅軸承（chéng）潤滑效果

　　400t及以上軸承（chéng）結構如圖10所示，保持架穿過滾子中心並沒有（yǒu）保持滾道油脂（zhī）的作用，座片是一個平麵也無（wú）儲油功能。該類（lèi）型軸承采用潤滑油潤滑更為合理（lǐ）。

圖10、400t及以上頂驅軸承

　　因此使用後軸承滾子（zǐ）表麵幾乎無任何油（yóu）脂殘留，如圖4所示。
　　由此，我們建議：
　　（1）加強主軸承下端密封（fēng），減少油脂從座片和主軸之間動密封出泄露；
　　（2）安裝加脂（zhī）設備，人工或者（zhě）自（zì）動加脂設備定期補（bǔ）加油脂，避免出現軸承缺油（yóu）情況；
　　（3）軸承座片位置安裝溫度傳感器，實時監控軸承運行狀態（tài）；
　　（4）增加油脂填充量，油（yóu）脂填充（chōng）位置建議高於軸承軸片高度。
　　如圖11所示（shì）。

圖11、主軸承潤滑方式優化示意

　　3.2主軸承潤滑劑改良建議
　　從（cóng）潤（rùn）滑角度分析，目（mù）前存在潤（rùn）滑劑極壓性不（bú）足問（wèn）題。主軸承使用美孚SHC220，四球（qiú）焊接載荷250kgf，滿足一般工況極壓性能要求。
　　如果在（zài）潤滑性滿足要求情況下，單純缺油引起的失效，那先（xiān）溢出的應該是紅色油脂，當主軸承潤滑不夠時才發生逐漸高溫氧化再溢（yì）出少部分黑色變質油脂。實際上全部是黑色油脂，如圖12所示。

圖（tú）12、主軸承溢出油脂顏色

　　頂驅主軸承的工況特點及潤滑建（jiàn）議（yì）：
　　（1）重載，有衝擊負荷。建議潤滑劑四球焊接負荷＞380kgf，在重載和有衝擊負荷的工（gōng）況（kuàng）下，摩擦副（fù）表麵處（chù）於邊界潤滑狀態，此時要求潤滑（huá）劑具有良好的極壓性（xìng）能。含石墨、二硫化鉬等固體潤（rùn）滑劑成分，可以增強潤滑劑的抗（kàng）重載（zǎi）能力，並起到應急潤滑作用。
　　（2）溫度範圍廣，環（huán）境（jìng）溫度-40℃~60℃，實際工作溫（wēn）度-35℃~120℃。低溫啟動力矩不能（néng）過大，對油脂低溫流動性要（yào）求；異（yì）常高溫時，要求油脂（zhī）具有良好的抗氧化性（xìng）。建議（yì）選用全合成的Z好是全氟聚醚基礎油。
　　（3）環境惡劣，露天環境，存在大量水汽、粉塵、曝曬等影響。推（tuī）薦（jiàn）選擇聚脲基、PTFE等稠化劑類型抗水性（xìng）突（tū）出，露天水汽環境（jìng）不（bú）易乳（rǔ）化，高溫穩定性好不易變稀流失。
　　（4）長效潤滑，加脂周期達到一年甚至兩年以（yǐ）上，期間無需再潤滑。

　　4、結語
　　通過（guò）對大型頂驅卡轉事故分析得（dé）知，該設備故障（zhàng）除了安裝存在一定偏差外（wài），核心部件主軸承的潤滑密封設計缺陷導致了主軸承損傷進（jìn）而引發連鎖（suǒ）反（fǎn）應Z終（zhōng）卡轉。本（běn）文建議一方麵改進主（zhǔ）軸承潤滑密封機構，另一方麵針對頂驅這類大型重載設備設計時，在潤滑劑選擇上也需要根（gēn）據實際情況做相應調（diào）整，不能隨意參照（zhào）一般重載設備的潤滑標準，否則油膜強度無法滿足（zú）軸承滾動/滑動摩擦副的極壓性要求。正如軸承承載能力（lì）的提（tí）高，並不是簡單通過體積的增加實現，同時也（yě）要增強其材質的抗疲勞強度等性能。

　　參考文獻：
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來源：《中國設備工程》2016年第17期