振動診斷技術(shù)在鉆井泵故障診斷中的應(yīng)用

李大雙

（西部鉆探吐哈鉆井公司 機修廠，新疆 鄯善 838200）

0 引言

鉆井泵是油田重要的鉆井循環(huán)設(shè)備，由于鉆井過程中工況惡劣，鉆井泵經(jīng)常會出現(xiàn)液力端或動力端故障，影響整個鉆井作業(yè)。鉆井泵上零部件很多，出現(xiàn)故障的類型也呈多樣化和復(fù)雜化［1］，當(dāng)前對鉆井泵故障的診斷主要靠工程師的觀測與經(jīng)驗判斷，很難及時準(zhǔn)確地預(yù)測鉆井泵存在的風(fēng)險，發(fā)生故障時，往往也難以準(zhǔn)確判斷故障的類型與位置，這導(dǎo)致泵的工作效率低下，嚴(yán)重影響了鉆井作業(yè)。隨著隨鉆測量技術(shù)、粗糙集理論等的發(fā)展，對鉆井泵的故障監(jiān)測與診斷，亟需從簡單的人工監(jiān)測參數(shù)曲線和超閾值檢測等方式轉(zhuǎn)移到信號處理等更為先進的方式［2-4］。振動診斷技術(shù)通過監(jiān)測機械設(shè)備運行過程中的振動信號來判斷設(shè)備故障，是一種先進的診斷方法，本文探討了其在鉆井泵中的應(yīng)用。

1 鉆井泵故障分析

了解鉆井泵的結(jié)構(gòu)，對常見故障與產(chǎn)生原因進行分析和總結(jié)，這對確定傳感器的合理安裝位置、做好故障監(jiān)測與診斷都有重要意義。鉆井泵的結(jié)構(gòu)主要分液力端、動力端，本節(jié)分析了不同部位產(chǎn)生故障的情況。

1.1 液力端常見故障分析

液力端中易損件有：吸入、排出閥，密封高壓泥漿的鋼圈、橡膠墊和O形圈、虹套及活塞總成。在鉆井泵運轉(zhuǎn)時，由于沖擊和閥隙液體的高速反向流會對閥體或閥座造成沖蝕磨損；密封圈受到高壓泥漿的磨損可能會出現(xiàn)密封不嚴(yán)的情況；活塞在虹套內(nèi)做往復(fù)運動，受摩擦力和沖擊力的作用較大，且不容易散熱，易造成磨損。

1.2 動力端常見故障分析

鉆井泵的動力端主要包括主螺栓、軸承、齒輪、十字頭總成等。主螺栓和軸承承受了交變應(yīng)力的作用，會因應(yīng)力集中出現(xiàn)材料疲勞的破壞；大小齒輪是鉆井泵動力輸出的核心部件，在重載、高溫、潤滑失效等情況下，齒輪齒面出現(xiàn)膠合現(xiàn)象，引起齒面磨損，接觸點的應(yīng)力呈脈動循環(huán)變化，進而產(chǎn)生細(xì)小的疲勞裂紋，形成點蝕或變形；十字頭與導(dǎo)板直接接觸，受到的摩擦力較大，若有雜質(zhì)混入，極易造成十字頭與導(dǎo)板面磨損。

1.3 故障分級

根據(jù)故障的嚴(yán)重程度，將故障分為兩個等級，再制定出相應(yīng)的檢修方案。Ⅰ類故障是指故障非常嚴(yán)重，必須停產(chǎn)維修的，主要包括：主螺栓斷裂；吸入、排出閥彈簧斷裂；閥座與閥箱間刺漏；雜物卡住吸入或排除閥；大齒輪或傳動齒輪輪齒斷裂；軸承、軸承圈和滾柱斷裂；十字頭與導(dǎo)板間隙大于設(shè)計允許值等。II類故障是指輕微故障，可以使用一段時間后再維修的，主要有：齒輪明顯磨損變形；軸承磨損間隙增大；閥體和閥座明顯磨損；活塞嚴(yán)重偏磨虹套；十字頭與導(dǎo)板磨損間隙明顯增大等。

2 振動診斷技術(shù)的應(yīng)用步驟

2.1 振動診斷技術(shù)

機械設(shè)備在運行時一定會產(chǎn)生振動信號，正常工作時振動的頻域和時域都在一定范圍內(nèi)，特征值具有一定的規(guī)律，如果設(shè)備存在隱患或者已經(jīng)出現(xiàn)故障，其振動信號就出現(xiàn)異常，通過監(jiān)測設(shè)備的振動信號，根據(jù)波形分析法或者頻譜分析法來判斷其故障隱患和類型，從而制定出合理的檢修方案，這就是振動診斷技術(shù)。該技術(shù)可以實現(xiàn)對設(shè)備的在線監(jiān)測和實時診斷，是具有綜合性、智能性的先進故障診斷技術(shù)［5-6］。

2.2 診斷步驟

振動診斷技術(shù)在鉆井泵故障診斷時，如圖1所示，一般采取的步驟為：1）確定診斷范圍，對鉆井泵的各個零部件，特別是液力端和動力端容易出現(xiàn)故障的主要零部件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、連接關(guān)系、運行特性、工藝參數(shù)等充分掌握；2）選擇診斷方案，根據(jù)不同的診斷需要，可以制定出不同層次的診斷方案，如簡易診斷，主要是采用振動計、振動測量儀等儀器，采用有量綱幅域參數(shù)、無量綱幅域參數(shù)或者振動趨勢等方法，而精密振動診斷，則是采用振動信號分析儀和離線監(jiān)測與巡檢系統(tǒng)，采用時域分析或頻域分析的方法；3）安裝測量儀器，在確定診斷方案后選用相應(yīng)測量儀器安裝在鉆井泵需要監(jiān)測的零部件上，應(yīng)確保測量位置的合理性，并檢查其是否能正常運行；4）對測量數(shù)據(jù)進行判斷，通常采用標(biāo)準(zhǔn)識別法或者圖像識別法對設(shè)備的振動狀態(tài)進行判斷，標(biāo)準(zhǔn)識別法主要是將幅域參數(shù)、g/SE值、沖擊脈沖值等，與絕對標(biāo)準(zhǔn)、相對標(biāo)準(zhǔn)、類比標(biāo)準(zhǔn)等進行對比，圖像識別法則是將測量的頻譜（或波形）與同一工況下標(biāo)準(zhǔn)模式進行對比；5）作出判斷決策，通過對運行參數(shù)的識別，對鉆井泵的運行狀態(tài)做出判斷，并給出相應(yīng)的處理意見，如果鉆井泵存在的故障屬于II類故障，可以進一步監(jiān)測，使用一段時間后再進行維修；若屬于Ⅰ類故障，則需要立即停機修理；6）事后檢查驗證，振動診斷后還要向具體的故障修理人員了解故障的詳細(xì)情況，以驗證診斷結(jié)果是否準(zhǔn)確，從而能夠不斷改進診斷方法，使其更加準(zhǔn)確。

圖1 振動診斷步驟

3 故障診斷實例

因鉆井泵工作環(huán)境惡劣，齒輪是最重要的、也是最容易出現(xiàn)故障的零部件之一。本節(jié)以鉆井泵中某齒輪為例，分析了振動診斷技術(shù)在其故障診斷中的應(yīng)用。鉆井泵動力端上某齒輪的參數(shù)為：電動機額定轉(zhuǎn)速為500 r/min，小齒輪齒數(shù)為40，大齒輪齒數(shù)為150。在其上面安裝振動傳感器，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速為180 r/min時，測得大齒輪上的頻譜如圖2（a）所示，對頻譜進一步細(xì)化得到圖2（b）。

根據(jù)齒輪的運行參數(shù)已知，齒輪的嚙合頻率為（180/60）×40=120 Hz，大齒輪低速軸的頻率為 0.8 Hz，但在測試點的頻譜圖1（a）上卻沒出現(xiàn)嚙合頻率的峰值，而是在183Hz處出現(xiàn)最大峰值；觀察細(xì)化頻譜圖1（b）發(fā)現(xiàn)183Hz兩側(cè)有0.8Hz的邊頻帶，而0.8 Hz為低速軸的頻率。為了查找出現(xiàn)183Hz的原因，將運行轉(zhuǎn)速調(diào)至500 r/min，發(fā)現(xiàn)頻譜中仍有183 Hz的峰值，這說明183 Hz為大齒輪的固有頻率，大齒輪因存在嚴(yán)重故障而出現(xiàn)的固有頻率。停機檢查發(fā)現(xiàn)，大齒輪有3個齒頂嚴(yán)重凸起，其他的齒面嚴(yán)重磨損，出現(xiàn)凸凹不平的現(xiàn)象，認(rèn)為頻譜中183 Hz峰值是由其引起的。更換大齒輪后，再檢測時頻譜中異常峰值消失。這則實例說明，故障的實際情況與振動診斷結(jié)論具有一致性，振動診斷技術(shù)準(zhǔn)確性較好。

圖2

4 結(jié)語

作為油田鉆井開發(fā)過程不可或缺的一部分，鉆井泵起著舉足輕重的作用，而鉆井泵故障嚴(yán)重影響著生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。隨著測量技術(shù)、粗糙集理論及信息技術(shù)等的進步，振動診斷獲得了快速的發(fā)展。將振動診斷技術(shù)應(yīng)用在鉆井泵故障的診斷中，能夠?qū)︺@井泵的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，可以實時判斷設(shè)備運行是否存在異常，對其故障隱患進行早期預(yù)報，從而減少或避免事故的發(fā)生；當(dāng)故障出現(xiàn)時，采用振動診斷技術(shù)也能判斷故障的類型和位置，從而使維修人員能夠有針對性地修理故障，使鉆井泵能盡快恢復(fù)生產(chǎn)。振動診斷技術(shù)能夠提高鉆井泵故障診斷的自動化和智能化程度，具有高效、及時、準(zhǔn)確等優(yōu)點，具有一定的實際工程價值。

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