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鉆井設(shè)備軸承失效形式及原因分析與判別
2013-07-26
顏剛1 段現(xiàn)軍2 谷尤勇3 楊斌1
（1.新疆澤普石油基地新海公司，新疆澤普 844804；2.新疆塔里木第三勘探公司，新疆塔里木 841000；3.重慶鉆井公司新疆指揮部，新疆輪臺(tái) 841600）
關(guān)鍵詞：鉆井設(shè)備；軸承；失效
石油鉆井設(shè)備主要用于鉆探地下地層、發(fā)現(xiàn)和開采地下的石油、天然氣、地下水和其它礦藏，其工作環(huán)境惡劣，負(fù)荷重、交變負(fù)荷大，對(duì)設(shè)備零部件的要求較高，一旦零部件發(fā)生故障，將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。而軸承是鉆井設(shè)備的主要旋轉(zhuǎn)支承零部件，對(duì)鉆井設(shè)備的正常運(yùn)行起著非常關(guān)鍵的作用，如果軸承過早損壞失效，應(yīng)采取相應(yīng)措施防止同類損壞繼續(xù)出現(xiàn)，以提高鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，延長維修周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)鉆井設(shè)備軸承的失效原因進(jìn)行分析與診斷對(duì)于設(shè)備的維修、保養(yǎng)、現(xiàn)場故障診斷、保證正常鉆井都有著較好的指導(dǎo)意義。
石油鉆井設(shè)備由于其工況的復(fù)雜性導(dǎo)致軸承失效形式的多樣性，軸承常見的失效形式主要有滾動(dòng)體與滾道剝落；滾動(dòng)體及滾道接觸邊緣剝落；受力表面較大面積壓光和微觀剝落；滾動(dòng)體和滾道嚴(yán)重污痕和變色；滾動(dòng)體和滾道產(chǎn)生橢圓形凹坑、平斑和腐蝕；滾道上出現(xiàn)劃痕、刻痕、凹痕和摩擦腐蝕；保持架嚴(yán)重磨損和斷裂；內(nèi)部游隙增加、表面變粗、微觀凹痕、磨損；滾動(dòng)體和滾道點(diǎn)蝕和銹蝕腐蝕；溫升、軸承變色、咬合燒傷；配合面上有銹蝕帶變色、發(fā)光及微振磨損；軸承圈與滾動(dòng)體裂紋；圓錐滾子軸承擋邊磨損過大。
1 常見失效形式及原因分析
1.1 滾動(dòng)體與滾道剝落原因分析
長時(shí)間重載持續(xù)性載荷加速導(dǎo)致疲勞損傷；兩支撐軸承座同心度差，對(duì)中不良導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生重載；長時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)增加應(yīng)力周期，加速表面疲勞；材質(zhì)問題或制造精度較差造成滾道粗糙或滾道表面硬度不夠過早產(chǎn)生疲勞；設(shè)計(jì)原因，承載能力不夠引起疲勞損傷。
此類失效主要發(fā)生在泥漿泵的曲軸支撐軸承和連桿軸承上，主要原因是波漿泵軸承長時(shí)間承受較變負(fù)荷以及泵體變形等原因所至。
1.2 滾動(dòng)體及滾道接觸邊緣剝落原因分析
負(fù)荷過重產(chǎn)生較大的軸向力使軸承滾動(dòng)體側(cè)移加速邊緣剝落；同一軸上兩支撐軸承座不同心導(dǎo)致軸承邊緣受重載，產(chǎn)生剝落。
此類失效主要出現(xiàn)在水龍頭負(fù)荷軸承19954上，由于水龍頭負(fù)荷軸承是推力圓錐滾子軸承，由于井下鉆具的全部負(fù)荷都施加在水龍頭負(fù)荷軸承上，導(dǎo)致滾動(dòng)體及滾道接觸邊緣負(fù)荷過大產(chǎn)生剝落。同時(shí)由于水龍頭扶正間隙過大導(dǎo)致負(fù)荷軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中使?jié)L動(dòng)體及滾道接觸邊緣產(chǎn)生較大的沖擊載荷，從而出現(xiàn)滾動(dòng)體及滾道接觸邊緣剝落。
1.3 受力表面較大面積壓光和微觀剝落原因分析
潤滑不良導(dǎo)致不能形成動(dòng)壓油膜；重載荷及對(duì)中不良導(dǎo)致工作面動(dòng)壓油膜破壞；制造精度較差，工作面粗糙造成表面動(dòng)壓油膜破壞。
此類失效主要出現(xiàn)在F320鉆機(jī)貓頭傳動(dòng)軸軸承3003722上，因該軸承潤滑很差，潤滑油很少，加上長時(shí)間承受較大的振動(dòng)載荷，導(dǎo)致該軸承過早損壞。
1.4 滾動(dòng)體和滾道嚴(yán)重污痕和變色原因分析
軸承對(duì)中不良引起軸承滾子滑動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)；載荷過輕、牽引不足導(dǎo)致滾動(dòng)體打滑；高速輕載時(shí)增加了打滑趨勢；軸承游隙過大，運(yùn)轉(zhuǎn)打滑。
此類失效主要表現(xiàn)在F320絞車、聯(lián)動(dòng)箱、貓頭等設(shè)備各傳動(dòng)軸支撐軸承上，因F320鉆機(jī)是原羅馬尼亞50~60年代的產(chǎn)品，到現(xiàn)在經(jīng)過長時(shí)間的使用維修，各設(shè)備殼體均嚴(yán)重變形，各軸平行度及支撐軸承座同心度差，導(dǎo)致此類軸承失效。各鉆井設(shè)備使用后期，因長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸承間隙過大，超期使用。
1.5 滾動(dòng)體和滾道產(chǎn)生橢圓形凹坑、平斑和腐蝕原因分析
負(fù)荷過重超過軸承靜承載能力；沖擊載荷造成永久性凹痕；由于工況復(fù)雜，軸承設(shè)計(jì)選型不正確，軸承抗腐蝕能力差。
此類失效主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)盤負(fù)荷軸承91682/800和防跳軸承1681/800上，由于轉(zhuǎn)盤負(fù)荷大，沖擊大，內(nèi)部經(jīng)常進(jìn)腐蝕性泥漿導(dǎo)致軸承失效。
1.6 滾道上出現(xiàn)劃痕、刻痕、凹痕和摩擦腐蝕原因分析：（1）包裝不當(dāng)，運(yùn)輸及裝卸過程中碰撞所至。（2）振動(dòng)及軸承間隙大，軸承內(nèi)部油膜阻尼少。（3）使用中操作不當(dāng)，粗暴處理導(dǎo)致?lián)p傷，此類失效主要表現(xiàn)在縮斷壽命。
此類失效主要表現(xiàn)在圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承中，因滾子軸承和圓錐滾子的內(nèi)外圈可以分離，在運(yùn)輸、裝卸、裝配和操作過程中碰撞造成軸承表面出現(xiàn)長劃痕、刻痕、凹痕；許多軸承使用后期，由于間隙過大及潤滑不良加速軸承摩擦腐蝕。
1.7 保持架嚴(yán)重磨損和斷裂原因分析
潤滑不良導(dǎo)致保持架引導(dǎo)面無油膜分離；速度過高導(dǎo)致保持架引導(dǎo)面承受離心力；軸承對(duì)中不良導(dǎo)致保持架受到破壞性載荷。
此類失效常見于轉(zhuǎn)盤負(fù)荷軸承、防跳軸承和水龍頭負(fù)荷軸承上，常因軸承進(jìn)腐蝕性泥漿以及高速旋轉(zhuǎn)所至。
1.8 內(nèi)部游隙增加、表面變粗、微觀凹痕、磨損原因分析
此類失效主要是軸承密封不嚴(yán)，軸承進(jìn)沙粒、灰塵及其它雜物，加速軸承磨損，軸承工作面變粗，出現(xiàn)微觀凹痕。
此類失效普遍存在于密封較差或工況惡劣的各類軸承中。
1.9 滾動(dòng)體和滾道點(diǎn)蝕和銹蝕腐蝕原因分析
軸承疲勞；潤滑不足或潤滑劑不良，油中腐蝕物和氧化物侵蝕滾道表面引起損傷；密封不嚴(yán)，腐蝕劑和水等損傷滾道表面；軸承中有電流通過，表面出現(xiàn)大量麻點(diǎn)。
此類失效普遍存在于鉆井設(shè)備各部位軸承中，特別是軸承使用后期。
1.10 溫升、軸承變色、咬合燒傷原因分析
軸承缺油，咬合燒傷，燒死；環(huán)境溫度過高，潤滑不足，潤滑劑不良導(dǎo)致軸承散熱差，運(yùn)轉(zhuǎn)中溫度升高軸承變色。
此類失效常見于轉(zhuǎn)盤、水龍頭、泥漿泵等容易進(jìn)腐蝕泥漿的軸承中。
1.11 配合面上有銹蝕帶變色、發(fā)光及微振磨損原因分析
軸承中進(jìn)水或泥漿使軸承銹蝕變色；軸承裝配不當(dāng)，配合過松導(dǎo)致徐動(dòng)和微振腐蝕。
此類失效常見于轉(zhuǎn)盤、水龍頭、泥漿泵等容易進(jìn)腐蝕泥漿的軸承中。
1.12 軸承圈與滾動(dòng)體裂紋原因分析
裝配不當(dāng)，配合過緊使軸承圈產(chǎn)生裂紋；制造、材料不當(dāng)或熱處理不當(dāng)，使軸承產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，運(yùn)轉(zhuǎn)中裂紋；沖擊載荷導(dǎo)致軸承脆裂。
此類失效常見于沖擊振動(dòng)大的部位，如泥漿泵連桿軸承和十字頭軸承以及轉(zhuǎn)盤軸承。
1.13 圓錐滾子軸承擋邊磨損過大原因分析
裝配不當(dāng)，配合不正確使?jié)L子端部受載增加；設(shè)計(jì)不正確，控制端部游隙配合制定不正確或預(yù)加載荷不當(dāng)；潤滑不足，潤滑劑不良引起金屬滑動(dòng)接觸。
此類失效常見于天車軸承37961K、游車軸承37951K和水龍頭軸承19954等圓錐滾子軸承中。
2 軸承失效的判別
軸承失效時(shí)，其旋轉(zhuǎn)和支承工作性能將發(fā)生變化，常見的現(xiàn)場判別方式主要有：
（1）軸承運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲及振動(dòng)突然增大，或出現(xiàn)異常噪聲。
（2）軸承工作條件沒有改變，但軸承溫度突然升高，超過了允許范圍。
（3）軸承工作條件沒有改變，但軸承運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活，有沉重感甚至卡死。
總之，在判別軸承故障時(shí)，經(jīng)常要綜合根據(jù)振動(dòng)、聲音和溫度進(jìn)行判斷，對(duì)高精密設(shè)備有時(shí)還要借助先進(jìn)的診斷方法和頻普分析法，聲射分析法、油樣分析法以及其它振動(dòng)分析法等。
石油鉆井設(shè)備主要用于鉆探地下地層、發(fā)現(xiàn)和開采地下的石油、天然氣、地下水和其它礦藏，其工作環(huán)境惡劣，負(fù)荷重、交變負(fù)荷大，對(duì)設(shè)備零部件的要求較高，一旦零部件發(fā)生故障，將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。而軸承是鉆井設(shè)備的主要旋轉(zhuǎn)支承零部件，對(duì)鉆井設(shè)備的正常運(yùn)行起著非常關(guān)鍵的作用，如果軸承過早損壞失效，應(yīng)采取相應(yīng)措施防止同類損壞繼續(xù)出現(xiàn)，以提高鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性，延長維修周期，提高經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)鉆井設(shè)備軸承的失效原因進(jìn)行分析與診斷對(duì)于設(shè)備的維修、保養(yǎng)、現(xiàn)場故障診斷、保證正常鉆井都有著較好的指導(dǎo)意義。
石油鉆井設(shè)備由于其工況的復(fù)雜性導(dǎo)致軸承失效形式的多樣性，軸承常見的失效形式主要有滾動(dòng)體與滾道剝落；滾動(dòng)體及滾道接觸邊緣剝落；受力表面較大面積壓光和微觀剝落；滾動(dòng)體和滾道嚴(yán)重污痕和變色；滾動(dòng)體和滾道產(chǎn)生橢圓形凹坑、平斑和腐蝕；滾道上出現(xiàn)劃痕、刻痕、凹痕和摩擦腐蝕；保持架嚴(yán)重磨損和斷裂；內(nèi)部游隙增加、表面變粗、微觀凹痕、磨損；滾動(dòng)體和滾道點(diǎn)蝕和銹蝕腐蝕；溫升、軸承變色、咬合燒傷；配合面上有銹蝕帶變色、發(fā)光及微振磨損；軸承圈與滾動(dòng)體裂紋；圓錐滾子軸承擋邊磨損過大。
1 常見失效形式及原因分析
1.1 滾動(dòng)體與滾道剝落原因分析
長時(shí)間重載持續(xù)性載荷加速導(dǎo)致疲勞損傷；兩支撐軸承座同心度差，對(duì)中不良導(dǎo)致軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生重載；長時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)增加應(yīng)力周期，加速表面疲勞；材質(zhì)問題或制造精度較差造成滾道粗糙或滾道表面硬度不夠過早產(chǎn)生疲勞；設(shè)計(jì)原因，承載能力不夠引起疲勞損傷。
此類失效主要發(fā)生在泥漿泵的曲軸支撐軸承和連桿軸承上，主要原因是波漿泵軸承長時(shí)間承受較變負(fù)荷以及泵體變形等原因所至。
1.2 滾動(dòng)體及滾道接觸邊緣剝落原因分析
負(fù)荷過重產(chǎn)生較大的軸向力使軸承滾動(dòng)體側(cè)移加速邊緣剝落；同一軸上兩支撐軸承座不同心導(dǎo)致軸承邊緣受重載，產(chǎn)生剝落。
此類失效主要出現(xiàn)在水龍頭負(fù)荷軸承19954上，由于水龍頭負(fù)荷軸承是推力圓錐滾子軸承，由于井下鉆具的全部負(fù)荷都施加在水龍頭負(fù)荷軸承上，導(dǎo)致滾動(dòng)體及滾道接觸邊緣負(fù)荷過大產(chǎn)生剝落。同時(shí)由于水龍頭扶正間隙過大導(dǎo)致負(fù)荷軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中使?jié)L動(dòng)體及滾道接觸邊緣產(chǎn)生較大的沖擊載荷，從而出現(xiàn)滾動(dòng)體及滾道接觸邊緣剝落。
1.3 受力表面較大面積壓光和微觀剝落原因分析
潤滑不良導(dǎo)致不能形成動(dòng)壓油膜；重載荷及對(duì)中不良導(dǎo)致工作面動(dòng)壓油膜破壞；制造精度較差，工作面粗糙造成表面動(dòng)壓油膜破壞。
此類失效主要出現(xiàn)在F320鉆機(jī)貓頭傳動(dòng)軸軸承3003722上，因該軸承潤滑很差，潤滑油很少，加上長時(shí)間承受較大的振動(dòng)載荷，導(dǎo)致該軸承過早損壞。
1.4 滾動(dòng)體和滾道嚴(yán)重污痕和變色原因分析
軸承對(duì)中不良引起軸承滾子滑動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)；載荷過輕、牽引不足導(dǎo)致滾動(dòng)體打滑；高速輕載時(shí)增加了打滑趨勢；軸承游隙過大，運(yùn)轉(zhuǎn)打滑。
此類失效主要表現(xiàn)在F320絞車、聯(lián)動(dòng)箱、貓頭等設(shè)備各傳動(dòng)軸支撐軸承上，因F320鉆機(jī)是原羅馬尼亞50~60年代的產(chǎn)品，到現(xiàn)在經(jīng)過長時(shí)間的使用維修，各設(shè)備殼體均嚴(yán)重變形，各軸平行度及支撐軸承座同心度差，導(dǎo)致此類軸承失效。各鉆井設(shè)備使用后期，因長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致軸承間隙過大，超期使用。
1.5 滾動(dòng)體和滾道產(chǎn)生橢圓形凹坑、平斑和腐蝕原因分析
負(fù)荷過重超過軸承靜承載能力；沖擊載荷造成永久性凹痕；由于工況復(fù)雜，軸承設(shè)計(jì)選型不正確，軸承抗腐蝕能力差。
此類失效主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)盤負(fù)荷軸承91682/800和防跳軸承1681/800上，由于轉(zhuǎn)盤負(fù)荷大，沖擊大，內(nèi)部經(jīng)常進(jìn)腐蝕性泥漿導(dǎo)致軸承失效。
1.6 滾道上出現(xiàn)劃痕、刻痕、凹痕和摩擦腐蝕原因分析：（1）包裝不當(dāng)，運(yùn)輸及裝卸過程中碰撞所至。（2）振動(dòng)及軸承間隙大，軸承內(nèi)部油膜阻尼少。（3）使用中操作不當(dāng)，粗暴處理導(dǎo)致?lián)p傷，此類失效主要表現(xiàn)在縮斷壽命。
此類失效主要表現(xiàn)在圓柱滾子軸承和圓錐滾子軸承中，因滾子軸承和圓錐滾子的內(nèi)外圈可以分離，在運(yùn)輸、裝卸、裝配和操作過程中碰撞造成軸承表面出現(xiàn)長劃痕、刻痕、凹痕；許多軸承使用后期，由于間隙過大及潤滑不良加速軸承摩擦腐蝕。
1.7 保持架嚴(yán)重磨損和斷裂原因分析
潤滑不良導(dǎo)致保持架引導(dǎo)面無油膜分離；速度過高導(dǎo)致保持架引導(dǎo)面承受離心力；軸承對(duì)中不良導(dǎo)致保持架受到破壞性載荷。
此類失效常見于轉(zhuǎn)盤負(fù)荷軸承、防跳軸承和水龍頭負(fù)荷軸承上，常因軸承進(jìn)腐蝕性泥漿以及高速旋轉(zhuǎn)所至。
1.8 內(nèi)部游隙增加、表面變粗、微觀凹痕、磨損原因分析
此類失效主要是軸承密封不嚴(yán)，軸承進(jìn)沙粒、灰塵及其它雜物，加速軸承磨損，軸承工作面變粗，出現(xiàn)微觀凹痕。
此類失效普遍存在于密封較差或工況惡劣的各類軸承中。
1.9 滾動(dòng)體和滾道點(diǎn)蝕和銹蝕腐蝕原因分析
軸承疲勞；潤滑不足或潤滑劑不良，油中腐蝕物和氧化物侵蝕滾道表面引起損傷；密封不嚴(yán)，腐蝕劑和水等損傷滾道表面；軸承中有電流通過，表面出現(xiàn)大量麻點(diǎn)。
此類失效普遍存在于鉆井設(shè)備各部位軸承中，特別是軸承使用后期。
1.10 溫升、軸承變色、咬合燒傷原因分析
軸承缺油，咬合燒傷，燒死；環(huán)境溫度過高，潤滑不足，潤滑劑不良導(dǎo)致軸承散熱差，運(yùn)轉(zhuǎn)中溫度升高軸承變色。
此類失效常見于轉(zhuǎn)盤、水龍頭、泥漿泵等容易進(jìn)腐蝕泥漿的軸承中。
1.11 配合面上有銹蝕帶變色、發(fā)光及微振磨損原因分析
軸承中進(jìn)水或泥漿使軸承銹蝕變色；軸承裝配不當(dāng)，配合過松導(dǎo)致徐動(dòng)和微振腐蝕。
此類失效常見于轉(zhuǎn)盤、水龍頭、泥漿泵等容易進(jìn)腐蝕泥漿的軸承中。
1.12 軸承圈與滾動(dòng)體裂紋原因分析
裝配不當(dāng)，配合過緊使軸承圈產(chǎn)生裂紋；制造、材料不當(dāng)或熱處理不當(dāng)，使軸承產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，運(yùn)轉(zhuǎn)中裂紋；沖擊載荷導(dǎo)致軸承脆裂。
此類失效常見于沖擊振動(dòng)大的部位，如泥漿泵連桿軸承和十字頭軸承以及轉(zhuǎn)盤軸承。
1.13 圓錐滾子軸承擋邊磨損過大原因分析
裝配不當(dāng)，配合不正確使?jié)L子端部受載增加；設(shè)計(jì)不正確，控制端部游隙配合制定不正確或預(yù)加載荷不當(dāng)；潤滑不足，潤滑劑不良引起金屬滑動(dòng)接觸。
此類失效常見于天車軸承37961K、游車軸承37951K和水龍頭軸承19954等圓錐滾子軸承中。
2 軸承失效的判別
軸承失效時(shí)，其旋轉(zhuǎn)和支承工作性能將發(fā)生變化，常見的現(xiàn)場判別方式主要有：
（1）軸承運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲及振動(dòng)突然增大，或出現(xiàn)異常噪聲。
（2）軸承工作條件沒有改變，但軸承溫度突然升高，超過了允許范圍。
（3）軸承工作條件沒有改變，但軸承運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活，有沉重感甚至卡死。
總之，在判別軸承故障時(shí)，經(jīng)常要綜合根據(jù)振動(dòng)、聲音和溫度進(jìn)行判斷，對(duì)高精密設(shè)備有時(shí)還要借助先進(jìn)的診斷方法和頻普分析法，聲射分析法、油樣分析法以及其它振動(dòng)分析法等。
來源：《石油礦場機(jī)械》2006年第35卷
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