TDS液压系统原理及故障分析

TDS-3S 顶部驱动液压系统原理及常见故障分析摘要：分析了南海六号使用的 TDS-3S 型顶部驱动液压动力站、平衡系统、直流马达对中系统、缷扣钳的基本工作原理；并结合实际工作经验，针对上述系统，就曾在南海六号平台多次出现的故障进行了总结、分析。关键词：顶部驱动 液压动力站 对中系统 平衡系统 缷扣钳 原理 故障 分析南海六号平台使用的由 VARCO 生产的 TDS-3S 型顶部驱动装置安装于1992 年。在管理该套系统的 12 年时间里，我通过统计发现顶部驱动故障多发生在该系统的液压系统部分的以下两个部分：1、 顶部驱动液压动力站，其两台柱塞泵可以单独或是同时使用。 （见附图一）2、 顶部驱动自身液压系统：主要包括直流马达对中系统；上缷扣时的自重平衡系统；缷扣钳总成。 （见附图二）顶部驱动液压站顶部驱动液压站正常工作压力为 160bar，最高工作压力 250bar，泵体最大承受压力 320bar，属于中高压系统，使用油料为茂名石化生产的 46无灰抗磨液压油。动力站的主要提供并保持整个液压系统正常工作所需要的压力，其排量随外界负荷的改变而改变。主要工作原理：两台恒压变量柱塞泵在排量调节机构内部的弹簧作用下，启动前液压泵处于最大排量状态；启动液压泵的瞬时，系统压力迅速上升；当系统压力上升到调压阀预先设定的压力即160bar 时，压力通过调压阀进入柱塞泵的排量调节机构 （在泵体上） ，克服 3排量调节机构的弹簧作用力，从而使柱塞与泵体的夹角变小而减小泵的排量，此时如果系统没有执行元件动作，柱塞泵仅保持补充系统内部泄漏的排量以维持系统的压力恒定；当外界执行元件动作时，系统压力发生变化，泵的排出端压力下降，排量调节机构的弹簧作用力大于液压的作用力，柱塞与泵体的夹角变大从而使得泵的排量排量变大以满足系统的需要。反之，与系统负荷减小相匹配，泵的排量同步变小。在保持正常的液压油污染控制（固体杂质控制、空气污染控制、水份污染控制）的基础上，常见故障及分析方法如下：系统油温过高，超过 65 摄氏度；排出压力达不到设计要求或是波动幅度大；排量无法满足系统需要导致执行元件动作缓慢： 感觉安全阀 后的管线温度来判断安全阀是否打开，调整提早打开 5的安全阀的设定值至 180bar；安全阀无法调整则检修或更换安全阀。 检查冷却油泵是否启动，冷却器的冷却水阀门是否打开。 检查排出端压力表指示，判断泵的压力调节阀 设定是否正常；重 6新调整调压阀 与安全阀 的设定值，使得安全阀的设定值超过调压阀 6 52530bar 左右。 如果调压阀调整无效，检修或更换该阀。 检查油泵的排量调节机构动作是否正常，限位螺杆是否调整合适，更换其老化漏油的密封。 检查油泵与排量调节机构动作是否一致来判断连接是否正常；检修油泵及油量调节装置，更换损坏件。附图一直流电机对中系统直流电机对中系统主要包括对中液缸 ，减压阀 ，储能瓶 ，储能瓶 7 17 35充气压力 900psi。对中液缸活塞杆端与顶部驱动框架相连，缸套端与顶部驱动齿轮箱下壳体相连。通过调整对中液缸活塞杆的伸缩量，来平衡由于直流电机重心与悬挂大钩不在同一条直线上形成的倾覆扭矩，使得顶部驱动的中心杆与井口在一条垂直与钻台的直线上，保证顶部驱动在作业过程中有轻微的晃动能够自动回中。常见故障及分析方法如下： 在调整液缸至正常位置后运行一段时间后，中心杆与井口产生偏移。此时启动液压泵检查液缸内部压力，正常值应为 1450psi 左右；如压力不正常则重新调整。起动液压泵后，调整减压阀 使得压力降低至活塞杆开始外伸，17然后反方向调整减压阀 使得活塞杆开始缩进，将两次所得的压力相加后除17以 2 所得至即为保持系统稳定所需设定压力。 正常钻井期间，如果顶部驱动晃动剧烈。此时检查调整对中液缸的两个节流阀的开度应为 11/2 圈左右，如果问题仍存在，则需要重新调整减压阀的压力至正常值。 在液压泵起动的情况下，中心杆与井口保持对中，当泵停止运转后两者产生偏移。此时检查减压阀后面的单流阀 即可。15平衡系统平衡系统主要包括两个平衡液缸 ，减压阀 ，储能瓶 。储能瓶的充 1 17 11气压力为 900psi。整套顶部驱动重量约 38,400 LBS，当接立柱时，平衡液缸回收承受顶部驱动部分重量约 37,590 LBS,使得作用在接头上的重量只有约 1810 LBS，从而避免了保护接头的过度磨损。主要故障常见于压力调整不当及因为单流阀 或液缸内漏使得液压泵停止运转时液缸活塞杆全部伸出，重新15调整系统压力及更换损坏部件即可。顶部驱动缷扣钳顶部驱动缷扣钳的主要作用是保证在 90 FT 的高度范围的任何高度正常连接、拆卸钻具，以卸钻具为例说明其工作原理：预先将手动换向阀手柄置于缷扣端；司钻按住按钮，电磁阀 导通，控制空气进入气液换向阀 的一端，控制25 23压力油进入液液控制换向阀 的一端，推动阀芯动作，压力进入提升液缸22活塞杆端，提升液缸收缩，提升缷扣钳，节流阀 控制提升速度；提升到 1 21位后系统压力升高到一定值，抱紧液缸前的顺序阀 2 打开，压力进入到19夹紧液缸 ，夹紧钻具；当夹紧液缸内压力上升到一定值后，抱紧液缸前顺 5序阀 1 打开，扭矩液缸按照预先设定的方向扭动钻具。松开按钮，电磁19阀 泄压，气液换向阀 在弹簧作用下复位，控制压力油进入液液控制25 23换向阀 的另一端，推动阀芯动作，抱紧液缸全速缩回，缷扣钳落下；抱紧22液缸回收到位后，系统压力上升到一定值后，循环顺序阀 3 打开，扭矩19液缸自动返回到起始位置；如此反复，直至缷扣到位为止。在整个系统中，缷扣时的压力为系统压力，上扣时根据实际情况通过调整减压阀 来设定上扣18扭矩。缷扣钳的常见故障及分析方法如下：缷扣钳无法完成整套流程或根本无法动作；缷扣钳完成一半动作后抱紧液缸仍然保持抱紧；缷扣钳无法正常提升；上扣过程系统减压阀无法达到设定压力。 检查系统管线是否接错，液压泵排出压力是否正常。 检查电磁阀 、气液控制阀 、液液控制阀 动作是否正常，