深海浅钻运行故障与维护分析

杨志轩

(广州海洋地质调查局，广州 510760)

0 引言

深海浅钻(图1)一般装备于大型海洋科学考察船上，通过万米脐带缆进行可视遥控操作，从几千米深的海底定点钻取表层岩心，广泛应用于深海底矿产资源勘探、深海底地质调查等领域[1]。深海浅钻主要由机械结构、液压系统、高压供变电和通讯系统组成，各系统相互配合实现钻取硬质岩心的目的。由于自身灵巧轻便，操作简单，取心成功率高等优点，浅钻的海上生产应用率很高。浅钻是集多功能、多学科于一体的复杂系统，作业运行环境一般都在高压低温的深海底，所以在设备作业运行过程中容易出现各种各样的故障，直接影响海上生产的进度。为了降低深海浅钻在作业运行时的故障几率，应该由相关专业技术人员提前做好预防措施并能够对常见的故障进行分析和解决，切实提高深海浅钻的运行持续性和稳定性，实现高效率的海上作业。

图1 深海浅钻Fig.1 Deep seabed rock drill

1 深海浅钻运行故障特点

深海浅钻的作业运行条件比较特殊，一般都是在水深>1000 m的深海底进行作业。由于浅钻在高压低温的深海底作业运行，对集机、电、液、光等一体的深海浅钻系统协同配合要求很高，较容易发生故障。其中，机械结构、液压系统、高压供变电系统和通讯系统又是深海浅钻在实际应用中比较容易发生故障的部分。造成故障的因素有很多，对深海浅钻的使用和检修人员就有较高的综合技能要求，对出现的问题应能快速定位故障点，准确分析故障类型，提出合理的解决措施，减少维修时间。同时，分析及总结故障现象和故障特点，整理一套比较完善的应对方案，做好预防措施，降低浅钻作业运行故障率。

2 深海浅钻的常见故障

2.1 机械结构故障

钻机本体结构主要由机架、钻进系统与事故弃钻机构和钻具系统三部分组成。

机架为高强度钢框架结构，由底盘、下框架和上框架三部分组成。机架的主要作用是容纳和安装钻机内部各部件，并为内部各部件提供防碰撞保护[2]。浅钻在布放回收时，由于海况不佳导致摆荡会与船体甲板发生碰撞，在坐底时如果操作不慎会与深海底周围岩石发生碰撞。此外，钻机本体上所有部件均经螺栓连接安装于钻机底座上，各个紧固螺栓和焊接点腐蚀破损也可能造成机架的故障。

钻进系统与事故弃钻机构是由钻架带抛弃钻杆功能的钻进动力头、液压缸驱动钢丝绳倍程推进机构、钻孔冲洗机构等组成，是深海浅钻钻取岩心的主要执行机构。其主要故障点是液压缸驱动钢丝绳倍程推进机构在工作中由于卡顿、磨损等因素导致钢丝绳断裂；由于钻孔冲洗机构堵塞，造成钻孔排渣和冷却钻头作用失效，致使钻进系统失压，动力头卡阻等情况。

钻具系统在钻取岩心时最容易发生的故障就是卡钻。卡钻的一个主要原因是由于深海海底或者海山上由于具有一定的坡度，在支腿辅助也不能完全消除坡度对其影响时，下钻的过程中由于振动导致浅钻本体稍微移动，钻杆与钻孔外壁摩擦过大，位置偏移，造成卡钻现象甚至钻杆弯曲。另外，当动力头转速过低且钻进压力过大时也会造成卡钻现象。当钻进过程中遇到卡钻事故强力起拔时，如果起拔力超过80 kN，钻具仍未能从钻孔中拔出，可以利用钻具抛弃机构将钻具与钻进动力头脱离，丢弃钻具。待动力头回到最高位置时，开动绞车提起钻机，钻机即可以安全返回船上。钻头在钻进过程中不可避免地会产生磨损，多次下钻后需要检查是否需要更换钻头；当冲洗液流量压力下降或造成堵塞，冲洗机构的中心孔没有海水冷却或流量过小时，钻头与岩石接触部位温度迅速升高，造成烧钻的情况[3-5]。

2.2 液压系统故障

液压系统由液压站、液压控制阀箱、带压力补偿的油箱、液压管路和各液压执行机构等组成[6]，浅钻液压系统主要为钻进取心和螺旋桨定向提供动力来源[7]。深水高压电机是液压系统的动力源，浅钻运行时需要严格按照操作规程进行操作，在甲板调试时不得长时间运行电机，并且需要水冷降温。此外，深海浅钻液压系统还有以下几种常见故障：

(1)钻进系统等执行机构动作不流畅[8]。执行机构动作不流畅会影响浅钻的取心率，降低工作效率，这种情况可能是受到液压油黏度过高或过低的影响，也与由于工作负载过大导致执行机构中一些易损件发生磨损破坏有关。

(2)液压系统发生泄漏[9]。造成液压系统泄漏的原因有很多，浅钻主要以外泄漏的形式表现，密封件破损和老化是导致泄漏的主要原因。深海浅钻液压系统在空气中有时会很难发现泄漏问题，需要在系统压力较高时方能观察到系统的微渗现象，而当下放深度变深，各补偿器的液压油不足以在高压下保持液压系统油压平衡时，密封圈所受的压力变大，受损可能也就越大。

(3)执行机构运动中跳动、振动或爬行现象。此故障是指液压缸在低速下运动时产生时断时续的运动现象，爬行现象的实质是当一物体在滑动面的做低速相对运动时，在一定条件下产生的停止与滑动相交替的现象，是一种不连续的振动[10]。浅钻出现此类故障的主要原因是液压系统中混入了空气，造成执行机构反应迟缓、动作不正常现象，影响了液压系统的稳定性和可靠性，甚至会缩短液压元件的寿命。故在对液压系统进行充油时，需注意进行排气措施，防止混入过多的空气。

2.3 高压供变电和通讯系统故障

深海浅钻的高压供变电和通讯系统通过光电复合缆传输和控制。高压供变电系统原理是船电经甲板变压器升压，通过光电复合缆传输至光电盒的三相高压交流电，首先经过浸油压力平衡式降压变压器降压，一路经接触器供给主电机，一路经降压后为水下计算机控制系统、各种电子模块、传感器、电磁液压阀、照明灯、摄像头等提供所需的电力。通讯系统是通过水下电子舱内的光端机与甲板单元控制器上光端机实现摄像头视频信号传输。这两部分任何一部分出现故障，在甲板的操作系统都无法正常运行。

2.3.1 高压供变电故障

浅钻上的电力要准确输送至符合相应额定电压工作需求的元器件上，就需要运用高低压的变电措施进行电压转变。在实际工作中，在这一过程中可能出现的变压器故障和绝缘故障[11]。

变压器存在三相电不平衡，会增加电能损耗，影响水下电机的效率，危害用电设备的安全运行[12]。

三相电经过变压器升压传输至浅钻上用以减少在脐带缆上的损耗，绝缘电阻过低会导致设备出现异常，绝缘故障时有发生，耐压密封舱内进水、高压击穿(图2)等是事故的诱因。高压击穿常发生在光电盒内，当处于浸油压力平衡的光电盒内存在金属小颗粒未清理干净，或者三相电中任何一相的绝缘漆包线被划伤，有破损现象，且又和光电盒内壁相接触时，高压电流容易击穿电缆，绝缘故障发生率相对较高。

图2 高压击穿Fig.2 High-pressure breakdown

2.3.2 通讯故障

深海浅钻通过光电复合缆内的光纤传输信号至上位机操控室建立联系，通过浅钻本体上的摄像头可以随时全方位监控浅钻姿态、地形特点、底流状态和动作执行情况等。

造成通讯故障的原因包括：①由于浅钻在下放的过程中会受到不同的压力，当光电盒补偿器油不能及时供给到光电盒时，压力失衡，造成内部光纤的挤压或者端子的松动，或者布放入水时速度过快，光电盒产生剧烈振动，从而导致光电盒光纤断路；②水上水下光端机信号故障，收和发信号的光端机出现通讯不稳定情况；③光纤连接缆老化衰减；④耐压电子舱内进水。

3 深海浅钻的维护措施

(1)甲板调试。入水前需对设备在甲板上进行功能性调试，设备的每个动作每个流程都要做到顺畅流利，严禁带着问题下水作业，调试时一人在操控室远程操作浅钻，至少一人在室外检查浅钻的动作执行情况和设备整体运行状态。

(2)入水前检查。设备入水前需先对设备进行甲板模拟演示，确定设备运行正常，特别时第一次入水时，需严格按照要求检查，确认执行动作正常、通讯正常、接插件水密缆拧紧和各传感器正常以及各个补偿器油位正常等。

(3)进行站位海试演练。进行浅钻大型航次和重要的航次任务前，时间充裕时建议对深海浅钻进行一次海试演练，进行5～10个站位的完整取心流程的模拟演练，可以针对设备运行状况进行全方位的了解和彻底的检查，为后续实际任务顺利完成提供保障。

(4)出水后检查。设备回收甲板后，确认液压系统各执行机构无泄漏；检查补偿器弹簧松紧程度；检查钻机各处机械连接，紧固所有螺栓连接部位；检查各处水密接插件有无松动；用淡水冲洗供水系统水泵内部存留海水，防止钻机放置时间过长水泵堵塞。

(5)钻具、钻头及卡簧卡座的拆装。取心后，取出样品需拆卸钻头、取下岩心管后，在分离卡簧卡座时注意尽量不要损坏卡簧卡座，拆卸完毕，清水冲洗钻具各部件，卡簧座涂抹黄油；岩心内管组件组装时，注意钻杆内管与上部接头之间应转动灵活，否则应用油清洗；安装内管拔岩心卡环，要保证锥度小头朝下；调节内管与接头之间螺母，使内管出口处离钻头内台阶有5 mm左右的距离[13]。

4 结语

深海浅钻是海洋矿产资源勘探和环境区域调查的重要调查设备，为了减少浅钻故障对海上生产造成不利影响，提高深海浅钻作业的连续性和稳定性，在海上作业时间紧任务重的条件下，快速排查原因和解决故障问题就显得格外重要，对专业技术人员快速定位故障的能力提高了要求。为减少深海浅钻运行故障几率，维护保养是必不可少的操作，也是延长海上连续工作时间和设备保障的重要前提。