顶驱常见故障分析

关于顶驱系统常见故障的分析

江苏石油勘探局钻井处50766JS队杨守生

摘要：

本文针对DQ50B-JH顶驱系统的结构特点，结合现场生产使用情况，对该系统电气部分和液压部分常见故障的现象特点、判断方法和维修方法分别进行讨论研究，并结合自身认识总结一套完整的实施方案。

关键词：顶驱系统，故障，判断，维修

引言：

顶驱由于其独特的结构特点和在钻井生产过程中表现出来的优越性，使其在现代钻井工程中被广泛使用。顶驱装置提高了操作机械化程度，加上与其配套的井口机械化，可大大减轻工人劳动强度，减少操作人员。并且可随时关闭内防喷阀，没有方钻杆等，增加了操作安全性。顶驱装置的配备实现了钻井自动化进程的阶段性发展，从世界钻井机械的发展趋势看，为适应钻井自动化的进一步需要，顶驱钻井装置将成为21世纪世界钻井机械发展的主要方向之一。

然而，由于顶驱的使用环境是在野外，在实际应用中，受周围的温度、湿度、振动、粉尘、腐蚀性气体等环境条件的影响，其性能会有一些变化。并且在钻井生产过程中会经常遇到突发的复杂情况，比如卡钻，扭矩突然增大等，再加上人员的误操作，难免会使顶驱的电气或者液压部分发生故障。当发生故障时能及时发现，并根据故障现象快速的判断故障点，及时排除故障，不仅能为恢复生产节约宝贵的时间，同时也能防止故障扩大带来更大的损失，所以掌握常见故障的现象及分析处理方法是不可或缺的一项基本技能。

一、电气部分常见故障分析

景宏顶驱电气系统组成主要包括进线电能功率分配保护系统，变频驱动系统和PLC综合控制系统。下面只对电能功率分配保护系统，变频驱动系统部分进行展开分析：

1、进线电能功率分配保护系统故障分析

该系统由进线柜承担，它主要有主空气开关（施耐德MT10N2），辅助动力变压器、控制变压器、继电器等组成。其主要故障现象如下：

1.1主断路器跳闸

A分析原因：

Ⅰ、三相电源缺相。

Ⅱ、出线端相间或对地短路。

Ⅲ、断路器测量机构故障。

Ⅳ、断路器执行机构故障。

B判断方法：

Ⅰ、用万用表测量三相进线电压，判断是否缺相，若缺相继续测量600V变压器二次侧输出电压，判断是否缺相，若不缺相则能判断出是哪一相电缆断路，若缺相，测量发电房输出端电压，判断是否缺相，若不缺相，则能判断出哪一相电缆断路或变压器哪相绕组断路。

Ⅱ、用绝缘电阻表（摇表）测量三相出线、辅助变压器和控制变压器的对地绝缘电阻和相间绝缘电阻，判断是否有无短路现象。

Ⅲ、拆除断路器的测量机构更换同型号新模块，判断是否是此处故障。

Ⅳ、拆除断路器的执行机构更换同型号新模块，判断是否是此处故障。

C维修方法：

Ⅰ、更换电缆或者变压器。

Ⅱ、对短路点进行绝缘处理或者更换电缆或变压器。

Ⅲ、更换新的测量模块。

Ⅳ、更换新的执行模块。

1.2断路器无法自动合闸

A分析原因：

Ⅰ、急停按钮没有复位。

Ⅱ、自动合闸蓄能电机损坏。

Ⅲ、控制变压器（600V变220V）损坏或无控制电压输入。

B判断方法

Ⅰ、查看急停按钮是否复位。

Ⅱ、利用蓄能手柄手动蓄能，看是否能合闸，若能合闸，则说明蓄能电机损坏。Ⅲ、用万用表交流档位测量控制变压器输入与输出端是否有电压输出，若有电压输出则说明是线路问题，否则为控制变压器故障。

C维修方法

Ⅰ、将急停按钮复位。

Ⅱ、更换蓄能电机或直接更换断路器。

Ⅲ、更换线路或更换控制变压器。

2、变频驱动系统故障分析[1]

该系统主要由变频器和交流变频电机组成.变频器由ABB公司生产，型号为ACS800；三相600V交流电进入变频器后，经整流逆变后,转换成可调的三相动力电源，经滤波器滤波用来驱动交流变频电机。交流变频电机为永济电机，功率为375KW，额定电流为465A。以下就变频器几个常见故障和主电机几个常见故障分别进行分析：

2.1变频器报直流母线欠电压故障（DC Undervolt）故障代码：3220

A分析原因：

Ⅰ、主电源缺相。

Ⅱ、熔断器熔断。

Ⅲ、整流桥内部故障。

B判断方法：

Ⅰ、主电源缺相判断方法参照上述断路器跳闸电源缺相判断方法（1.1）。

Ⅱ、用万用表二极管档测量各熔断器，由此判断出哪块熔断块已熔断。

Ⅲ、整流桥内部故障一般由整流二极管损坏所致，测量方法参照附件1。

C维修方法：

Ⅰ、更换新的电缆或者变压器。

Ⅱ、更换新的熔断块。

Ⅲ、更换新的整流二极管。

2.2变频器上电后，控制盘显示ACS800 TEMP，IGBT温度过高，故障代码：4210 A分析原因：

Ⅰ、周围环境温度过高，变频房室内制冷空调损坏。

Ⅱ、变频器自身散热风机损坏或散热片散热效果降低。

Ⅲ、电机功率超过单元功率。

B判断方法：

Ⅰ、检查变频房室内制冷空调运行状况，若运行良好，则检查空调制冷液看是否有制冷液泄露。

Ⅱ、检查变频器自身散热风机运行情况并查看散热片上灰尘附着情况。

Ⅲ、查看电机功率是否合适。但由于此套设备是配套设备，不会出现此情况。C维修方法：

Ⅰ、维修或更换空调机压缩电机，若电机良好则补充制冷液。

Ⅱ、维修或更换变频器自身风机，若风机良好则清理散热片上的灰尘，恢复其良好的散热性能。

Ⅲ、此故障出现时要确定变频器容量，并更换电机。

2.3变频器上电显示逆变单元中过高的输出电流不平衡，故障代码：2330

A原因分析：

Ⅰ、电机或者电缆出线出现单相接地故障或短路故障。

Ⅱ、逆变模块内部故障。

B判断方法：

Ⅰ、用绝缘电阻表分别测量电机与电缆出线三相的绝缘电阻和对地电阻，看是否有接地故障。

Ⅱ、此故障可能由于内部IGBT模块损坏所致，IGBT测量方法参照附件1。

C维修方法：

Ⅰ、更换电机或者对电缆进行绝缘处理。

Ⅱ、更换新的IGBT模块。

2.4变频器上电显示并行连接的逆变单元短路，故障代码：2340

A原因分析：

Ⅰ、电机电缆或者电机短路。

Ⅱ、变频器逆变模块内部故障。

B判断方法：

Ⅰ、用绝缘电阻表测量电机电缆和电机绕组三相之间的绝缘电阻，看是否有短路的地方。

Ⅱ、此故障可能由于内部IGBT模块损坏所致，IGBT测量方法参照附件1。

C维修方法：

Ⅰ、对电机电缆短路点进行绝缘处理或者更换新电机。

Ⅱ、更换新的IGBT模块。

2.5变频器上电或升速是就跳闸并报故障OVERCURRENT，故障代码：2310

A原因分析：

Ⅰ、电机扭矩给定太小。

Ⅱ、机械部位有卡位现象。

Ⅲ、电机电缆或电机绕组有短路点。

Ⅳ、电流检测模块损坏。

Ⅴ、逆变模块损坏。

Ⅵ、驱动模块损坏。

Ⅶ、变频器电机加速时间设置过短。

Ⅷ、变频器电流上限参数设置过小。

B判断方法：

Ⅰ、查看扭矩给定手轮的给定值。

Ⅱ、查看机械部位是否有卡位现象。

Ⅲ、用绝缘电阻表测量电机电缆和电机绕组是否有短路点。

Ⅳ、可以用备用电流检测模块试测此故障。

Ⅴ、此故障可能由于内部IGBT模块损坏所致，IGBT测量方法参照附件1。Ⅵ、此故障可能由于内部驱动板损坏所致，可简易检测驱动模块的输出。Ⅶ、参照变频器参数设置表查看变频器加速时间是否合理。

Ⅷ、参照变频器参数设置表查看变频器电流上限值是否合理。

C维修方法：

Ⅰ、通过给定手轮加大电机转矩给定值。

Ⅱ、将机械部位卡位部位解卡。

Ⅲ、对电机电缆短路点进行绝缘处理或者更换新的电机。

Ⅳ、更换新的电流检测模块。

Ⅴ、更换新的IGBT模块。

Ⅵ、更换新的驱动模块。

Ⅶ、参照变频器参数设置表将电机加速时间调大。

Ⅷ、参照变频器参数设置表将电流上限值调大。

2.6顶驱主电机不能启动

A原因分析：

Ⅰ、速度手轮没有回零或者电位器损坏。

Ⅱ、急停按钮没有复位。

Ⅲ、通讯系统有问题。

Ⅳ、PLC的模块和背板总线虚接。

Ⅴ、风机未启动或者风压开关损坏。

Ⅵ、润滑泵未能正确启动或已损坏。

Ⅶ、制动按钮没有复位。

Ⅷ、电源相序不正确。

B判断方法：

Ⅰ、检查速度手轮是否回零，用万用表电阻档测量手轮电位器的电阻值，转动手轮看万用表示数是否有变化。

Ⅱ、查看急停按钮是否复位。

Ⅲ、用万用表二极管档测量通讯线路的通断情况，用万用表直流电压档测量PLC 模块的DI和DO模块是否正常。

Ⅳ、检查PLC模块背板线路是否有虚焊或断路现象。

Ⅴ、查看风机是否正常启动，用万用表直流电压档测量风压开关常开点是否能闭合。

Ⅵ、用绝缘电阻表测量润滑泵电机绕组的绝缘电阻，看电机是否被烧坏，若电机完好则说明定量泵已损坏。若判断定量泵未损坏，则测量润滑电机的电源电缆是否有电压输出。

Ⅶ、查看制动按钮是否复位。

Ⅷ、查看电源相序检测器是否有报警。

C维修方法：

Ⅰ、使手轮回零或者更换新的手轮电位器并置零。

Ⅱ、将急停按钮复位。

Ⅲ、更换新的通讯电缆，若PLC的DI、DO模块损坏则更换DI、DO模块。

Ⅳ、将PLC背板虚焊点或断路点重新接好或焊好。

Ⅴ、更换电机风机，若是风压开关问题则更换风压开关，若是线路问题，则更换新线路。

Ⅵ、更换新润滑泵电机或定量泵，若是线路问题，则更换新线路。

Ⅶ、将制动按钮复位。

Ⅷ、调换电源相序。

2.7风压开关，油压开关，编码器等传感器故障

A原因分析：

Ⅰ、24V供电电源损坏，无电压输出。24V供电线路断路，无电源供给。

Ⅱ、传感器本身已损坏。

Ⅲ、传感器信号传输线路有断点，或接头处接触不良。

B判断方法：

Ⅰ、用万用表直流电压档测量24V电源，看是否正常。用万用表二极管档测量供电线路的通断情况。

Ⅱ、在系统运行的情况下，可用万用表直流电压档测量传感器输出端，看是否有24V信号输出。

Ⅲ、用万用表二极管档测量线路的通断情况。

C维修方法：

Ⅰ、更换24V供电电源。若为线路问题则更换24V供电线路。

Ⅱ、更换新的传感器元件。风压开关故障在井队着急的情况下，将风压开关屏蔽即可。将电控房内风压开关的两根线找到直接短接即可。但是要经常注意风机的运行情况，以免电机烧毁，等有修理时间时，及时把风压开关修好或更换。压力开关可更换新的压力传感器。编码器故障在井队着急的情况下可通过选择开关选择编码器异常，待有时间时再更换新的编码器。

Ⅲ、更换新的线路。

二、液压部分常见故障分析[2]

DQ50B-JH型顶驱的液压系统包括主体重量平衡系统、刹车系统、旋转头回转系统、吊环倾斜系统、IBOP控制系统、液压吊卡、背钳系统。此系统可能出现的故障点比较多，下面先简要介绍一下故障判断的基本步骤。

液压故障判断步骤：

1、首先在司钻箱上打相应的液压动作，观察电磁阀是否有动作，以确认是电磁阀之后还是之前的故障，若电磁阀动作则应考虑为液压故障或是执行机构机械故障，若电磁阀不动作则进行下一项判断。

2、手动推动电磁阀阀芯，以确认是否为电磁阀发卡；若不发卡进行下一项判断。

3、打开司钻控制箱，扳动开关，观察相应的DI模块是否有输入，以确认是否为DI模块之

前的故障；若有输入则转为第6步，若无输入则进行下一项判断。

4、检查开关处24V是否正常。

5、检查DI模块相应的输入点处是否有24V，若此处有24V，则为DI模块故障。

6、一直打住该动作的开关，根据图纸，观察电控房内PLC处的DO模块是否有输出，若无输出则说明DO模块该点损坏，若有输出则进行下一项判断。

7、根据图纸，观察该动作相应的继电器是否动作，若有动作，则转第9步；若无动作则进行下一项判断。

8、测量相应继电器是否有24V输入，以确认是否为继电器本身损坏。

9、将司钻箱上该动作的开关复位，在端子排该动作的接线处测量电磁阀的电阻值（正常为50—60欧）；此处端子排的进出线都要测量。

10、在顶驱防爆接线箱内该动作的接线处测量电磁阀线圈的电阻值，若电缆损坏可进行跳线处理。

11、在电磁阀线圈接线处测量电磁阀线圈的电阻值，以确认是否为电磁阀线圈损坏。

根据液压故障判断步骤就几种常见故障展开分析：

1、背钳漏油

A原因分析：

Ⅰ、密封圈损坏。

B判断方法：

Ⅰ、打开背钳查看密封圈状况。

C维修方法：

Ⅰ、更换新的密封圈：将背钳管线卸下后用丝堵堵上，然后在井队人员配合下，将背钳拆下，将背钳的外端的螺丝一一松开，用起子慢慢敲开外端法兰，将背钳活塞卸下，这样就能看到是什么样的密封坏掉，根据情况更换密封，更换密封时，要将密封件用开水煮沸，3分钟即可，然后迅速更换。

2、背钳无动作

A原因分析：

Ⅰ、指令未到达CPU。

Ⅱ、电磁阀发卡。

Ⅲ、电磁阀未供电。

Ⅳ、电控房到顶驱段的电缆断路。

Ⅴ、背钳的减压溢流阀损坏。

B判断方法：

Ⅰ、检查PLC通讯线路，检查方法参照电气部分通讯线路故障检查方法。

Ⅱ、电磁阀故障判断方法参照上述液压故障判断步骤。

Ⅲ、检查给电磁阀供电的24V供电电源，和电源线路。检查方法参照电气部分24V电源检查方法。（2.7）

Ⅳ、用万用表二极管档测量电控房到顶驱段的电缆的通断情况。

Ⅴ、检查减压溢流阀，看是否有明显的损坏。

C维修方法：

Ⅰ、更换通讯模块或电缆。

Ⅱ、更换同型号电磁阀，更换方法参照附件2。

Ⅲ、更换24V电源或电源线路。

Ⅳ、更换电控房到顶驱段的电缆。

Ⅴ、更换减压溢流阀。

3、倾斜油缸只向前动作正常，无向后动作

A原因分析：

Ⅰ、电磁阀卡或损坏。

Ⅱ、没有24V点输出，继电器损坏。

Ⅲ、电控房到电磁阀线路问题。

Ⅳ、回程油路溢流阀发卡或损坏。

Ⅴ、油缸内泄。

Ⅵ、油缸缸体变形。

B判断方法：

Ⅰ、电磁阀故障判断方法参照上述液压故障判断步骤。

Ⅱ、检查给电磁阀供电的24V供电电源，和电源线路。检查方法参照电气部分24V电源检查方法（2.7）。

Ⅲ、用万用表二极管档测量电控房到电磁阀段的电缆的通断情况

Ⅳ、检查减压溢流阀。

Ⅴ、检查油缸密封情况。

Ⅵ、观察油缸缸体外形，以判断是否变形。

C维修方法：

Ⅰ、更换同型号电磁阀，更换方法参照附件2。

Ⅱ、更换24V供电电源或更换电源线缆。

Ⅲ、更换电控房到电磁阀段的电缆。

Ⅳ、更换油缸密封圈。

Ⅴ、更换油缸缸体。

3、回转头动作缓慢

A原因分析：

Ⅰ、液压油不干净，阻尼孔堵塞。

Ⅱ、液压马达溢流阀压力设定值不够或损坏。

Ⅲ、液压马达内泄或损坏。

Ⅳ、液压油内有气穴。

Ⅴ、电路出现虚接，电压达不到24V。

B判断方法：

Ⅰ、查看液压油看是否有较大铁屑或尘粒，查看定阻尼看是否有堵住现象。Ⅱ、查看液压马达溢流阀压力设定值，测试溢流阀功能状况。

Ⅲ、查看液压马达密封不封的密封状况，测试液压马达性能状况。

Ⅳ、检测液压油品质。

Ⅴ、用万用表二极管档测试24V输电线路，并查看线路接头部分接触情况。C维修方法：

Ⅰ、更换液压油，疏通定阻尼。添加新液压油应用专用加油小车进行添加。Ⅱ、调整液压马达溢流阀压力设定值，或更换溢流阀。

Ⅲ、更换液压马达密封圈，或更换液压马达。

Ⅳ、更换液压油。添加新液压油应用专用加油小车进行添加。

Ⅴ、重新连接虚接部分，使电路联通良好。

5、顶驱背钳夹不住钻具

A原因分析：

Ⅰ、司钻房按钮损坏。

Ⅱ、控制信号没有到达电控房。

Ⅲ、背钳夹紧放松没有24V电输出。

Ⅳ、背钳夹紧线路断路或虚接。

B判断方法：

Ⅰ、旋动司钻房按钮，用万用表直流电压档测量有没有电压信号输出。

Ⅱ、此故障是通讯故障，判断方法参照电气部分通讯故障判断方法。

Ⅲ、用万用表直流电压档测量24V电源看是否损坏，若电源是好的则用万用表二极管档测量线路的通断情况。

Ⅳ、用万用表二极管档测量背钳夹紧线路断路，看是否有断点或虚焊，然后打开接线箱测量是否为电磁阀本体线路脱落。

C维修方法：

Ⅰ、更换司钻房按钮。

Ⅱ、更换通讯电缆或通讯模块。

Ⅲ、更换24V电源或电源线路电缆。

Ⅳ、重新连接断点或虚接点。

三、总结：

根据自己在这一段时间对景宏顶驱的认识和了解，参考部分文献，总结出上述一些常见故障及其解决方法。由于自己本身接触顶驱系统时间不长，所以认识有限，在上述内容上还存在缺陷，希望在各位老师及师兄的指导下，能更加完善。参考文献：

[1] 黄勇王杰变频器的常见故障及对策上海交通大学电气工程系:41～43

[2]姜继海主编液压与气压传动高等教育出版社2002：131～169

附件：

1、IGBT故障测量方法

将数字万用表拨到二极管测试档，测试IGBT模块C1.E1、C2.E2之间以及栅极G与 E1、E2之间正反向二极管特性，来判断IGBT模块是否完好。

将负载侧U、V、W相的导线拆除，使用二极管测试档，红表笔接P(集电极C1)，黑表笔依次測U、V、W(发射极E1)，万用表显示数值为最大；将表笔反过来，黑表笔接P，红表笔測U、V、W，万用表显示数值为400左右。再将红表笔接N(发射极E2)，黑表笔測U、V、W，万用表显示数值为400左右；黑表笔接N，红表笔測U、V、W(集电极C2)，万用表显示数值为最大。各相之间的正反向特性

应相同，若出现差别说明IGBT模块性能变差，应予更换。IGBT模块损坏时，只有击穿短路情况出现。

3

4

IGBT模块U V W

附图整流逆变模块

红、黑两表笔分别测栅极G与发射极E之间的正反向特性，万用表两次所测的数值都为最大，这时可判定IGBT模块门极正常。如果有数值显示，则门极性能变差，此模块应更换。当正反向测试结果为零时，说明所检测的一相门极已被击穿短路。门极损坏时电路板保护门极的稳压管也将击穿损坏。

2、更换电磁阀的方法

1、准备好需更换的电磁阀，放在干净的位置。

2、将液压泵关闭，系统油压卸掉，电磁阀供电关闭。

3、用扳手电磁阀两端的供电接头松开，再用起子把接线头松开。（如果是不明白线路的人员，在拆卸线路时需将线路做上标记）

4、再将需更换的电磁阀的4个固定阀块上的螺丝卸掉，取下损坏的电磁阀。

5、将准备好的电磁阀先用4个固定阀块上的螺丝固定好，注意电磁阀的正反。

6、再将接线头的线路接好，用玻璃胶密封好，把电磁阀两端的供电接头上紧。

7、打开电磁阀供电电源，恢复系统压力，打开液压泵检查电磁阀是否工作。