可靠性技術(shù)在鉆井泵質(zhì)量提升中的應(yīng)用思考

王進全 曾興昌 蒲容春

寶雞石油機械有限責(zé)任公司 （陜西 寶雞 721002）

鉆井泵是石油鉆機的核心設(shè)備，被稱作鉆機的“心臟”，為鉆機的“血液”——泥漿的循環(huán)提供動力保障。其作用是:①及時帶走巖屑清洗井底，防止卡鉆；②平衡地層壓力，穩(wěn)定井壁，防止井塌、井噴和井漏；③為井下動力鉆具傳遞動力，協(xié)助鉆頭破碎巖石，提高鉆井效率；④冷卻潤滑鉆頭鉆具等。事實表明，鉆井泵質(zhì)量是影響鉆井效率最重要的因素，因鉆井泵的可靠性低而頻繁停機將大大降低鉆井效率、增加鉆井成本；因鉆井泵的故障導(dǎo)致的意外停機停鉆，往往會造成重大安全事故和經(jīng)濟損失。除了在功能和性能上達到鉆井工藝要求外，鉆井泵必須具備在惡劣環(huán)境下長時間連續(xù)工作的能力，即:具有高可靠性。

自鉆井泵出現(xiàn)以來，可靠性問題始終是其最突出的質(zhì)量問題,這主要與鉆井泵惡劣的工況條件有關(guān)。一般而言，產(chǎn)品的質(zhì)量特性包括性能、可靠性、經(jīng)濟性和安全性4個方面。性能是產(chǎn)品的技術(shù)指標，是出廠時（t=0）產(chǎn)品應(yīng)具有的質(zhì)量特性；可靠性指產(chǎn)品能夠保持其出廠性能的時間或能力，是產(chǎn)品使用時（t>0）所表現(xiàn)出來的一種質(zhì)量特性；經(jīng)濟性和安全性則往往與可靠性密切相關(guān)，因此，可靠性在產(chǎn)品質(zhì)量特性中占據(jù)主導(dǎo)地位[1]。經(jīng)過近40年的發(fā)展，鉆井泵的性能參數(shù)已經(jīng)完全能滿足鉆井工藝的要求，如何提高可靠性成為鉆井泵最主要的研究課題。

1 鉆井泵可靠性現(xiàn)狀及特點

鉆井泵分動力端和液力端兩大部分:動力端主要由泵殼體、曲軸、連桿、十字頭、人字齒輪等組成；液力端主要由泵頭、缸套、活塞、閥總成、各種橡膠密封件等組成，液力端大部分零部件被定義為需定期更換的“易損件”。

經(jīng)多年的質(zhì)量攻關(guān)與改進，動力端的泵殼體、曲軸、連桿、十字頭等零件發(fā)生故障的機率已經(jīng)很低。常見的故障主要集中在運動關(guān)節(jié)部位，包括:軸承、人字齒輪、十字頭導(dǎo)板、中間拉桿密封、主軸承壓蓋螺栓等，這些故障往往導(dǎo)致鉆井泵出現(xiàn)異常響聲、溫升過高等綜合性故障。軸承和人字齒輪作為通用、基礎(chǔ)性零部件，其設(shè)計可靠性一般較高，額定壽命L10h（可靠度為90%的設(shè)計壽命）一般均大于20000h，某些廠家對用于海洋平臺的鉆井泵軸承和齒輪甚至要求L10h≥30000h，但實際使用時的可靠性往往達不到設(shè)計的水平。若以齒面發(fā)生較大面積的點蝕作為失效準則（比如點蝕面積達到百分之幾），則大部分人字齒的可靠性壽命只有10000h左右。軸承的故障問題更為突出，某鉆井公司對修理的18臺鉆井泵進行了統(tǒng)計，軸承故障占55.7%（表1）[2]。十字頭導(dǎo)板被當作易損件，只要定期調(diào)整或更換，正常的磨損是允許的，但現(xiàn)實產(chǎn)品有時會出現(xiàn)嚴重磨損或拉傷的現(xiàn)象，這往往與制造質(zhì)量差或潤滑不良有關(guān)，對導(dǎo)板而言屬于非正常壽命故障。中間拉桿密封失效快是鉆井泵的另一個老大難問題，其導(dǎo)致噴淋液或泥漿進入泵殼體內(nèi)污染潤滑油，快速惡化軸承、人字齒、十字頭與導(dǎo)板等處的潤滑狀況，加速它們的損壞，這種因密封失效導(dǎo)致的泄漏一開始不是很明顯，因此往往不能及時引起使用者的注意。此外，動力端還偶然出現(xiàn)主軸承壓蓋螺栓斷裂、人字齒齒根斷裂、泵殼體局部裂紋等故障。

表1 2007年某井隊鉆井泵主要零部件故障統(tǒng)計表

相比之下，液力端零部件的可靠性要低得多。液力端缸套、活塞、閥總成、泵頭、各種橡膠密封件等被定義“易損件”。常規(guī)易損件的正常壽命從幾百小時到幾千小時不等，使用中需要定期檢查和更換。液力端常見的故障包括:缸套活塞磨損或偏磨、閥膠皮損壞、閥彈簧斷裂、閥桿導(dǎo)向器脫落、閥體閥座損壞等、泵頭與閥座錐面刺漏、空氣包氣囊損壞等。液力端易損件損壞往往引起振動、噪音、壓力下降或大幅波動等，必須立即停泵檢查和更換。

經(jīng)對鉆井泵進行故障樹分析（FTA），發(fā)現(xiàn)其故障模式多且相互關(guān)聯(lián)影響。統(tǒng)計分析鉆井泵整個服役期間的故障率，發(fā)現(xiàn)其對應(yīng)于“浴盆曲線”的早期故障、偶然期故障和耗損期故障均同時存在?？偨Y(jié)影響鉆井泵可靠性的主要形式及原因如下:

（1）制造質(zhì)量不高導(dǎo)致早期破壞。裝配工藝對鉆井泵的可靠性影響最大，包括:十字頭與上導(dǎo)板間隙、軸承裝配游隙、人字齒嚙合精度、人字齒徑向和軸向跳動等。泵殼體加工中重點需保證縱橫幾道孔的尺寸和形位公差，并且要從工藝上保證其能夠長久使用不變形。這些大的制造質(zhì)量問題以及其他一些看似細小的問題（如:清潔度、內(nèi)表面油漆等），往往大大降低鉆井泵的可靠性，表現(xiàn)為泵使用初期即出現(xiàn)各種故障。

（2）故障模式多、相互關(guān)聯(lián)影響，導(dǎo)致鉆井泵加速損壞。如:軸承游隙超差對人字齒嚙合精度的影響；中間拉桿密封失效對潤滑油品質(zhì)，進而對軸承、齒輪、十字頭等部位潤滑效果的影響；十字頭導(dǎo)板嚴重磨損對中間拉桿密封偏磨，以及對缸套活塞偏磨的影響等。

（3）疲勞、磨損、老化等耗損壽命。主要表現(xiàn)為通用、基礎(chǔ)性零部件和易損件的使用壽命往往達不到設(shè)計的可靠性水平。鉆井泵使用功率一般不超過設(shè)計功率的85%,即使如此,部分鉆井泵軸承和齒輪的使用壽命也遠達不到設(shè)計要求的20000～30000h。這與成本有關(guān)，也與國產(chǎn)通用件、標準件等基礎(chǔ)性產(chǎn)品的質(zhì)量水平有關(guān)。至于易損件，雖然可靠性在不斷提高，但是目前仍然是整個設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)，需持續(xù)提高。

2 可靠性技術(shù)在鉆井泵質(zhì)量提升中的應(yīng)用思考

可靠性技術(shù)是為適應(yīng)產(chǎn)品的高可靠性要求而發(fā)展起來的新興邊緣學(xué)科。它研究產(chǎn)品故障的原因、預(yù)防措施和消除辦法，以延長產(chǎn)品的使用壽命，降低維修費用，提高使用效益等[3]。按照日本工業(yè)標準JIS的定義，可靠性技術(shù)是以“賦予產(chǎn)品可靠性為目的的應(yīng)用科學(xué)與技術(shù)”。鉆井泵作為石油鉆機的核心設(shè)備，在設(shè)計、制造、使用和管理中全面引入可靠性技術(shù)很有必要。

2.1 可靠性設(shè)計

產(chǎn)品的可靠性首先是設(shè)計出來的，通過設(shè)計來奠定可靠性基礎(chǔ)?？煽啃栽O(shè)計的基本程序為:明確可靠性指標、建立整機可靠性模型、可靠性分配、可靠性分析、可靠性預(yù)測、設(shè)計評審、可靠性試驗。對于新開發(fā)產(chǎn)品，應(yīng)根據(jù)事先給定的可靠性指標，嚴格按照程序進行設(shè)計；對于目前已經(jīng)定型的三缸鉆井泵，可針對其易損件、通用基礎(chǔ)件等薄弱環(huán)節(jié)進行可靠性設(shè)計，達到可靠性增長的目的。伴隨著各種質(zhì)量問題的不斷出現(xiàn)和解決，應(yīng)該說可靠性增長工作一直在進行，但是完全和嚴格地按照規(guī)定程序開展可靠性設(shè)計的產(chǎn)品或企業(yè)并不多，鉆井泵的可靠性設(shè)計還需要加強。

首先，鉆井泵設(shè)計應(yīng)該設(shè)定明確的可靠性指標。如果整體指標難以設(shè)定，那么可以設(shè)定單一的或幾個特征值構(gòu)成的指標，可優(yōu)先、重點考慮易損件和通用基礎(chǔ)件。其次，應(yīng)對可靠性指標的評定條件做出明確的規(guī)定，因為可靠性是相對規(guī)定的條件而言的。應(yīng)對故障進行行業(yè)統(tǒng)一的定義和判定準則，明確其故障類別和性質(zhì)，并加以區(qū)別對待。可靠性指標不同于一般的技術(shù)指標，其對產(chǎn)品的統(tǒng)計和抽樣方法、數(shù)據(jù)本身的可靠性等均有特殊的要求，單個企業(yè)或部門都難以完成指標體系的建立和評定，應(yīng)由行業(yè)或協(xié)會制定統(tǒng)一的規(guī)范和標準。

建立可靠性模型是鉆井泵可靠性設(shè)計的另一項重要工作。可靠性模型是表達系統(tǒng)與各構(gòu)成單元之間可靠性邏輯關(guān)系的圖表或數(shù)學(xué)關(guān)系式，是進行可靠性分配、預(yù)測和分析的基礎(chǔ)[3]。鉆井泵故障模式復(fù)雜多樣且相互關(guān)聯(lián)影響，要建立整體的可靠性模型是十分困難的，這也是機械產(chǎn)品相對于電子產(chǎn)品難以深入開展可靠性設(shè)計的重要原因之一。

鉆井泵可靠性設(shè)計的方法很多，既可以是建立在概率統(tǒng)計理論基礎(chǔ)上的定量化設(shè)計方法 （概率設(shè)計法），也可以是其他一切以提高產(chǎn)品可靠性為目的的定性設(shè)計方法，如:模塊化設(shè)計、降額設(shè)計、冗余設(shè)計、防差錯設(shè)計等。鉆井泵作為相對復(fù)雜的機械產(chǎn)品，難以從整體上開展定量的可靠性設(shè)計，原因包括:故障模式復(fù)雜多樣，難以從整體上建立可靠性模型；故障分布不確定，正態(tài)、指數(shù)、威布爾分布等都有可能，再加上成本和時間原因?qū)е碌臉颖玖科毡椴蛔?，更加難以確定故障所服從的分布；機械產(chǎn)品可靠性設(shè)計所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏。鑒于此，鉆井泵的可靠性設(shè)計可采用整體設(shè)計定性、局部設(shè)計定量的辦法?？刹捎媚K化設(shè)計、防差錯設(shè)計等盡力切斷主要故障之間的關(guān)聯(lián)性，防止一部分零件的損壞引起另一部分的加速損壞；對關(guān)乎人員和設(shè)備安全的安全放噴裝置，可以使用冗余法設(shè)計機械和電子雙重保障系統(tǒng)。

CAD/CAE技術(shù)在鉆井泵可靠性設(shè)計中具有重要作用。目前的鉆井泵設(shè)計中，CAD技術(shù)應(yīng)用已較為普遍（包括二維、三維CAD等），有限元分析技術(shù)的應(yīng)用也越來越多。有限元分析可計算結(jié)構(gòu)對外部作用的靜態(tài)或動態(tài)響應(yīng)，分析對象可以是幾何不規(guī)則零件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、高度非線性材料等，因此在設(shè)計中被廣泛應(yīng)用，尤其是那些無可參考和類比的新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)設(shè)計。目前，鉆井泵有限元分析主要用于計算主承載件的強度、剛性、疲勞、穩(wěn)定性、振動等，雖然不能完全解決產(chǎn)品的可靠性和質(zhì)量問題，但是往往是產(chǎn)品設(shè)計中最需要關(guān)注的，因為主承載件的可靠性關(guān)系到人員和設(shè)備的安全，也是難以通過事后整改來提高的。近年來，基于可靠性設(shè)計理論的概率有限元分析理論和軟件發(fā)展較快，這為鉆井泵的定量可靠性設(shè)計提供了有力支持。

2.2 制造可靠性

設(shè)計奠定可靠性基礎(chǔ)，制造保證可靠性的實現(xiàn)，兩者共同決定了產(chǎn)品出廠時的固有可靠性[3]。由于制造過程中存在著諸多不可靠性因素，鉆井泵的設(shè)計可靠性轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品可靠性時往往會退化，因此，應(yīng)高度重視制造過程中的可靠性問題。此外，目前嚴格按照程序進行可靠性設(shè)計的鉆井泵產(chǎn)品不多，一些新型鉆井泵還沒有認真進行可靠性設(shè)計就投入研制或生產(chǎn)，這些設(shè)計上遺留的問題在制造和使用過程中將部分地得以暴露，因此，可靠性制造還有暴露設(shè)計缺陷、完善設(shè)計的作用。

可靠性制造應(yīng)最大限度地排除和控制各種不可靠因素，最大限度地檢驗出不可靠因素所造成的缺陷。鉆井泵屬于小批量產(chǎn)品，制造過程中的自動化程度并不高，人員因素對可靠性制造的影響較大，因此，首先應(yīng)加強人員、崗位的管理和培訓(xùn)，通過應(yīng)知應(yīng)會及工藝紀律的培訓(xùn)，提高操作者的責(zé)任心和紀律性。此外，還應(yīng)加強設(shè)備、材料、工藝、工序、檢驗、篩選或排除早期故障、信息管理等。其中，應(yīng)積極采用先進的加工設(shè)備和工藝，重點保障泵殼體上縱橫幾道孔的尺寸和形位公差，這樣可以減小后續(xù)裝配工序的難度和工作量，也可以降低今后鉆井泵大修的難度——可維修性也是鉆井泵重要的可靠性指標之一。影響鉆井泵可靠性的關(guān)鍵工序為幾道裝配工藝，為保證裝配工藝可靠性，可采用故障模式分析（FMEA）對關(guān)鍵工序進行分析。

2.3 可靠性試驗

可靠性試驗的功用很多，但鉆井泵的可靠性試驗主要用于測定易損件的使用壽命，其次用于暴露其他部位設(shè)計制造中的明顯缺陷、排除早期故障。

無論如何加強質(zhì)量管控，鉆井泵設(shè)計和制造過程中的不可預(yù)知和不可靠因素始終是存在的，因此，可靠性試驗對保障產(chǎn)品的可靠性來說是必須的。目前嚴格按照規(guī)定程序開展可靠性試驗的不多，主要原因為:試驗主要參與者需要學(xué)習(xí)和掌握抽樣、概率等數(shù)理統(tǒng)計知識；試驗需要花費很多的經(jīng)費和時間，一般的企業(yè)難以承受。為了保障鉆井泵的可靠性，企業(yè)應(yīng)積極開展可靠性試驗技術(shù)的研究，加大樣機和產(chǎn)品可靠性試驗的投入。

鉆井泵的可靠性試驗應(yīng)注重對實際工作環(huán)境的模擬。石油鉆機工作環(huán)境跨度大——從陸地到海洋、從沙漠到極地等，這對鉆井泵適應(yīng)環(huán)境的能力提出了很高的要求。鉆井泵目前的批量和訂單式（或半訂單式）生產(chǎn)模式，使其難以做到完全的現(xiàn)場環(huán)境試驗，但應(yīng)盡可能地模擬現(xiàn)場環(huán)境，如:選擇露天進行試驗、建造溫度和濕度可調(diào)的試驗房等。2007年3～10月，寶雞石油機械有限責(zé)任公司對F-2200HL高壓鉆井泵進行了模擬鉆井工況試驗，最終泵動力端的可靠性得到驗證，液力端易損件的可靠性大幅度提高，完全達到了工業(yè)化應(yīng)用的水平。本次試驗選擇在露天進行，歷經(jīng)整個炎熱的夏季，是對鉆井泵在濕熱天氣下可靠性的一次重要考驗。不過，這種投入大、耗時長的專項試驗在平時是不多見的，鉆井泵的可靠性數(shù)據(jù)關(guān)鍵還要靠日常的積累。

2.4 使用可靠性

鉆井泵出廠時的固有可靠性需要正確的使用、維護和保養(yǎng)來維持。其重要性和必要性在于:設(shè)計和制造所賦予的固有可靠性，在運輸、儲存、使用、維修過程中將不可避免地退化，需采取嚴格的措施來最大限度地加以防止；易損件的存在和各種故障之間關(guān)聯(lián)影響的特點，使用戶必須時刻關(guān)注鉆井泵的運行狀態(tài)，務(wù)必做到提前發(fā)現(xiàn)和解決問題?？煽啃约夹g(shù)強調(diào)信息反饋和循環(huán)設(shè)計，無論是從掌握產(chǎn)品可靠性狀況、改進和提高設(shè)計質(zhì)量的角度，還是從服務(wù)客戶、提高產(chǎn)品使用可靠性的角度出發(fā)，鉆井泵生產(chǎn)廠家都應(yīng)建立專門、專業(yè)的隊伍，準確地掌握產(chǎn)品的可靠性狀況，并及時反饋到設(shè)計和制造部門。

2.5 可靠性管理

可靠性管理是研究制定可靠性目標的實施計劃，組織各種資源以較少的經(jīng)費和時間實現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性目標，建立數(shù)據(jù)收集和管理系統(tǒng)等[3]。鉆井泵的可靠性管理貫穿于設(shè)計、制造、試驗、運輸、使用等各個階段。

可靠性管理的良好實施必須依靠自上而下強有力的領(lǐng)導(dǎo)干預(yù)，或權(quán)威的國際、國家及行業(yè)標準的引導(dǎo)與約束。在全球石油、石化和天然氣裝備制造領(lǐng)域，API無疑最具影響力和權(quán)威性，鉆井泵的可靠性設(shè)計、制造、試驗、管理等可依據(jù)API SPEC Q1質(zhì)量規(guī)范和API SPEC 7K標準。API SPEC Q1是一套以過程為基礎(chǔ)的質(zhì)量管理文件，其規(guī)定了石油、石化和天然氣裝備產(chǎn)品實現(xiàn)過程中的一般要求，包括建立質(zhì)量管理體系等，最新版API SPEC Q1還加入了“顧客滿意”的內(nèi)容，引導(dǎo)制造者關(guān)注產(chǎn)品使用中的可靠性問題。API SPEC 7K對產(chǎn)品實現(xiàn)過程的“質(zhì)量保證”提出了更加具體的要求，包括:設(shè)計、設(shè)計驗證（包括可靠性試驗等）、材料、焊接要求、質(zhì)量控制等[3，4]。實踐表明，API標準是一套行之有效的可靠性工程技術(shù)與管理方法的經(jīng)驗總結(jié)，在鉆井泵及其他石油石化裝備中都應(yīng)該主動地貫徹和執(zhí)行。

3 結(jié)論與建議

目前，鉆井泵的可靠性水平整體上不高，尤其是國產(chǎn)軸承、齒輪、螺栓等通用基礎(chǔ)性零部件可靠性低于進口優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，這與可靠性技術(shù)還沒有在鉆井泵設(shè)計、制造、試驗、使用和管理中全面而深入地應(yīng)用有很大關(guān)系。為此，應(yīng)提高產(chǎn)品設(shè)計、制造及管理中的質(zhì)量意識，加強可靠性技術(shù)知識的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，為鉆井泵及其他石油石化裝備的質(zhì)量提升做出應(yīng)有的貢獻。

（1）國家、行業(yè)、協(xié)會等應(yīng)著手建立鉆井泵可靠性指標及其評定體系，制定行業(yè)統(tǒng)一的規(guī)范和標準。

（2）石油裝備制造企業(yè)應(yīng)建立完善的可靠性管理體系，逐步將鉆井泵各項可靠性指標納入質(zhì)量管理和考核體系，這也適用于其他裝備。

（3）管理者和員工應(yīng)加強可靠性管理與工程技術(shù)知識的學(xué)習(xí)，為可靠性技術(shù)在鉆井泵及其他石油裝備中的應(yīng)用儲備知識和人才。

[1]劉斯明.淺談我國機械設(shè)備的可靠性研究[J].中國工程設(shè)備,2006(5):6-8.

[2]陳閣,馬云鵬,羅軍，等.鉆井泵主要故障診斷與分析[J].甘肅科技,2009,25(17):78-80.

[3]API SPEC Q1石油石化和天然氣工業(yè)質(zhì)量綱要規(guī)范[S].

[4]API SPEC 7K鉆井和修井設(shè)備[S].