主流顶驱液压系统低压力故障分析思路与案例_黄建国.pdf

设备管理与维修2023 2（上）2.4力矩报警压力（力矩）传感器是测量执行器力矩的部件。主要有压力盘、应变电阻、信号放大器组成。安装在电机轴上，执行器运行时，电机轴上力矩传感器会将电机运行时产生的力矩值经信号放大后，送到 CPU 中，于是执行器就可实时检测到输出力矩。当执行器的 SK1-2 与 SK1-3 无电压、运行力矩超过设定值，执行器停止运行，液晶显示屏显示“力矩报警”。连接力矩传感器与主板的 SK1 插头为 6 针，主板正面从右往左顺序编号，功能见表 3。检查这类型故障，应确认手动旋转阀门无过紧、粘住或卡住现象，用红外线设定器查看关阀/开阀力矩设定值是否过小。如果过小，需调整力矩设定值。用红外线设定器进入诊断菜单，查看压力传感器力矩 AD 值，传感器正常可观察到执行器力矩 AD值的变化。2.5堵转报警堵转报警原因：阀门、主板、电机、阀位传感器、电源板控制电路、接触器（固态继电器）故障都有可能导致执行器堵转报警。应首先确认阀门无卡住现象，执行器能运行。然后用红外设定器调出编码器诊断菜单，手动旋转手轮，应能观察到执行器编码器值有递增或递减，反之需更换阀位传感器。确认阀位传感器、电机绝缘及阻值正常，而执行器不运行。对开关型、调节型执行器分别测量电源板控制电路输出的 CC与 C1 或 C2 之间的电压应为 DC 24 V 或 AC 110 V。若电压正常则是接触器或固态继电器故障，反之是电源板或主板故障。3结束语电动执行器控制系统涉及机械、电子、通信、自动控制等技术领域，是集机械与智能控制于一体的高度集成化设备，故障复杂多变，对维护人员的技能要求高。本文基于 AUTORK 电动执行器维修案例，通过液晶显示屏故障警报提示、用红外线设定器进入诊断菜单、检测电路板接口电位 3 种方法，对执行器故障进行了系统分析，明确故障分析思路和故障处理步骤，为电动执行器故障维修提供新的参考思路。参考文献1王晓刚.AUTORK电动执行机构的应用维护 J.贵州化工，2012，37（1）：53-55.2杨卫东.智能电动执行器典型故障分析和处理 J.机电工程技术，2021，50（2）：234-236.3王云峰.成品油管道电动执行机构力矩故障分析及改进 J.管道技术与设备，2016（2）：21-23.4王学佳.浅谈电动球阀在珠海中山天然气管道的应用 J.化工管理，2018（17）：149.编辑张韵线号线色1红色2白色3黑色功能线号线色功能未使用4紫色温度保护输出DC 5 V5黄色力矩传感器信号输出0 V6紫色温度保护输出表 3力矩、温度保护 SK1 插头0引言顶驱驱动钻井装置（简称顶驱）的液压系统低压力故障属于偶发性故障，故障处理的平均时间较长，造成了钻井作业较长时间停机，有些甚至产生了较严重的工程复杂事件，揭示出部分现场工程师在处理液压系统低压力故障时欠缺经验，分析和处理能力有待提高。鉴于能找到的相关技术资料和参考文献较少，结合现场工作经历，选取 VARCO TDS-11SA 和北石 DQ70BS 系列顶驱进行分析，为工程技术人员相互交流提供个人的参考意见和故障处理借鉴。1VARCO TDS-11SA 顶驱液压系统简介TDS-11SA 液压系统集成在顶驱本体上，由液压泵、油箱、管路、控制阀组、滤芯、散热器、液压缸、液压马达等部件组成（图 1）。该系统动力源采用 1 台 10 马力（7.46 kW）电机同轴拖动 1 台变量液压泵和 1 台定量液压泵。定量泵的功能是驱动 1 台齿轮油润滑泵对齿轮传动系统进行润滑，并对液压油散热，其他液压功能均通过变量液压泵提供液压动力来实现。2 台液压泵的液主流顶驱液压系统低压力故障分析思路与案例黄建国（中国石油集团长城钻探工程有限公司顶驱技术分公司，北京100101）摘要：顶驱液压系统是顶驱实现工业自动化的重要执行系统，液压系统低压力故障会影响整个顶驱系统的正常功能，进而影响整个石油钻井现场的生产作业，造成严重的时效损失和经济损失，更可能造成工程复杂事件或事故。针对 VARCO TDS-11SA 和北石DQ70BS 系列主流顶驱液压系统的低压力故障，提出分析思路和处理案例。关键词：顶驱液压系统；低压力；分析思路；案例中图分类号：TE922文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.02.1848设备管理与维修2023 2（上）压管路各自独立，没有交集，共用 1 个油箱，由同 1 台电机拖动。整套系统液压有以下特点：结构非常紧凑；控制阀组采用集成液压阀块加插装阀组成；所有的氮气蓄能器均采用活塞式；设计较完善，可靠性较高；检维修空间小，修理困难。液压泵、插装控制阀、电磁阀等部件的工作原理、相关资料都可方便地进行查询。定量泵液压系统压强设定为 400 PSI（2.7 MPa），管路中包括液压泵、调压阀、液压马达（驱动齿轮油泵）、散热器等部件，设计为定压定排量，回路部件少，结构简单。顶驱电控报警系统中有 1 个低油压（也称油压丢失）的停机灯光指示报警装置，与该液压回路有关联。低油压报警是指齿轮油润滑喷淋管路压力低，除了与定量泵液压系统的压力和排量相关，也与齿轮油润滑回路的齿轮泵、齿轮油状态、滤芯状态、喷头等相关，但与变量泵为动力源的液压系统没有关联。变量液压泵为斜盘式轴向高压柱塞泵，液压系统工作压强设定为 2000 PSI（13.8 MPa）（图2）。当回路中各液压执行机构没有动作的时候，液压工作回路的压力约成锯齿状周期性变化，压强值在 17002000 PSI（11.713.8 MPa）变化（1 PSI=0.006 9 MPa，图 3）。变量泵的压强补偿值调整在 800 PSI（5.5 MPa），其中 PV 为变量泵输出端测试口压强，SA为UV1阀2#端口工作回路的压强。变量液压泵建压时间约为10 s，当工作回路压强达到2000 PSI（13.8 MPa），UV1 卸荷阀进入卸荷状态，液压泵出口 PV 压强下降至接近于 0，SA 口液压系统压强从 2000 PSI（13.8 MPa）在系统蓄能器的作用下缓慢下降，约 20 s 下降到 1700 PSI（11.7 MPa）时，卸荷阀停止卸荷，液压系统重新加载约 5 s 至 SA 口压强再次达到2000 PSI（13.8 MPa），UV1 阀再次进入 20 s 卸荷时间，周而复始形成锯齿状变化周期。特别说明，在钻台面上能十分清楚地听出变量泵加载和卸荷的周期变化声音；在顶驱控制房内通过辅助变频器的电流显示栏，也能观察到变量泵加载和卸荷时，对应的周期变化的电流值，加载时电流达到最大值，卸荷时电流最小。该套液压系统是陆地钻机现场设计复杂和精巧的液压系统，有很多值得学习借鉴的地方。2VARCO TDS-11SA 顶驱液压系统低油压故障分析2.1故障现象某台 TDS-11SA 从国内调整到海外进行作业不久，出现变量泵液压系统故障，液压工作回路的周期加载和卸荷的变化消失，从变量泵运行声音可以听出一直处于加载状态，控制房辅助变频器电流显示也超过平时最大值，顶驱的倾斜、旋转头、背钳等液压执行机构都不工作，功能消失；司钻控制台上的低油压报警系统没有报警，当缓慢旋转主轴时，旋转头总成跟随主轴一起转动。2.2故障分析及处理过程现场工程师先检查了电气控制系统 PLC（可编程逻辑控制图 1TDS-11SA 液压原理图 2VARCO TDS-11SA 系统压强设定图 3VARCO TDS-11SA 液压系统压强周期49设备管理与维修2023 2（上）器），没有发现异常，再结合所有液压功能消失现象，基本排除电气故障原因。登上顶驱本体，检测到 PV 和 SA 口压强均为9001000 PSI（6.26.9 MPa），确定属于低压力故障。从定量泵系统工作正常情况，可以排除电机拖动类故障。液压泵一直处于建压状态，此时的系统压强 9001000 PSI（6.26.9 MPa）更接近补偿压力，电流值超过平时最大值，也是正常现象，不能直接判断变量泵已经损坏。液压系统不能建压的故障可能原因有：液压泵故障，俗称内泄；外部故障，俗称外泄。在不能直接判断故障点的情况下，按照先易后难的原则缩小故障范围。由于变量液压泵出端通过 1 根管线直接进入了液压阀块总成，插装阀之间管路都集成在阀块内部，对液压泵的内泄判断带来操作困难。现场首先对外部可能故障点进行了检查，通过对插装阀和执行液缸进行测温和液压流体声音是否正常进行初步检查，没有发现异常情况；再更换了 RV1 和 UV1 阀，且把 2 个阀都调整到最大设定值，故障现象没有发生变化，初步排除外泄故障。这 2 步检查过程相对简单，可操作强，所耗时间也不太长。对变量泵内泄不能建压的检查相对困难一些，由于现场当时没有储备变量泵配件，无法直接采用换泵的处理方式。在紧急采购变量泵的同时，现场为了确定变量泵就是故障点，加工了液压转换接头等小工具，断开了变量泵输出连接的外部回路，并接上测压表，启动变量泵，发现压力仍然不能建压，变量泵被确定就是故障点。更换变量泵的操作过程比较困难也耗时较长，现场在等待采购期间，将整个液压泵组（变量泵、定量泵和电机总成）都从顶驱上拆除到地面，打散总成，做好变量泵更换前的准备。再对变量泵进行了拆解，进一步发现变量泵铜质配油盘已经磨损出许多不规则沟槽，确定损坏，是故障真正的引发点。现场在采购的新泵到货后，在地面将电机、变量泵和定量泵组装成总成，装回到顶驱本体上，按照 VARCO 服务手册顺利完成了系统的建压和调整，故障解除恢复作业。该案例属于典型的内泄故障类型，由于配件储备和维修操作较困难，造成了较长时间的等停。2.3故障的真实原因液压系统的运动部件，包括液压泵、控制阀组和执行机构在使用过程中，都会产生磨损，在正常情况下，这种磨损是逐步发生且不断发展的。液压部件失效是一个逐步发生、发展的过程，查找液压泵突然失效的原因，为以后的工作提供经验教训。调查结果显示，现场在安装顶驱时犯了一个低级错误：非专业人员用手提桶加油时，没有按要求从加油口加油，而是从放油口反向加油，把油桶内的杂质保留在了液压泵一侧，造成了变量泵的非正常磨损（图 4）。据统计数据分析，有 70%80%的液压系统故障引发原因是液压油的污染所致，保持油品的清洁和可靠的过滤，是保证液压系统各部件减少磨损失效的最有效措施。加油或换油过程需要保持油品清洁，同时必须将油可靠过滤后再加入到油箱内；进行液压系统维修时，也需要保持液压部件、系统管路在拆卸和安装过程中的清洁。3北石 DQ70BS 系列顶驱液压系统简介DQ70BS 系列顶驱液压系统没有全部集成到顶驱本体上，液压泵组、系统蓄能器、散热器等都设置在地面，地面液压站采用互为备份的双液压泵设计，单台液压泵电机功率为15 kW，液压系统工作压强设定为 16 MPa，排量为 40 L/min（图 5）。液压站出端 3 个接口（P、L、T）通过 3 根两段长度分别为 50 m 和25 m 的管线，与顶驱本体液压控制执行机构相连，出口端和中间连接口均采用快拔接头。液压系统的控制阀组为叠加式集成阀组，安装在本体阀块上，固定于 2 台主电机之间（图 6）。主阀块的 3 个油口为 P1 进油口、T1 回油口和 L1 泄油口。PA、PB 端口连接 2 只平衡油缸，BA、BB 端口连接1 只背钳油缸，FA、FB 端口连接 1 只内防喷器（也称 IBOP）油缸，SA、SB 端口连接 4 只刹车油缸，HA、HB 端口连接 1 只回转头（也称旋转头）油缸，QA1、QB1、QA2、QB2 端口连图 4TDS-11SA 放油口位置图 5北石 DQ70BS 系列地面液压站图 6DQ70 系列叠加集成阀组50设备管理与维修2023 2（上）接 2 只倾斜液缸。液压系统设计相对简单，故障分析相对容易，维修操作性较高。北石顶驱液压泵与 TDS-11SA 同样采用斜盘式轴向高压柱塞变量泵，液压系统在正常工作时，液压系统一直保持恒定压力，不会出现 TDS-11SA 的锯齿状周期压力值，也不产生变量液压泵加载和卸荷的明显声音。4北石 DQ70BS 系列顶驱液压系统