油田機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)研究

劉鑫

（大慶油田裝備制造集團(tuán)采油制造分公司，黑龍江 大慶 163000）

隨著科技的進(jìn)步，油田機(jī)械設(shè)備的種類日益增多，從而使其擁有了先進(jìn)的技術(shù)，但也具有了高溫高壓、鏈長(zhǎng)面廣、易燃易爆等特性，對(duì)油田生產(chǎn)的安全造成了極大的威脅。針對(duì)這些問(wèn)題，要求各石油企業(yè)加大對(duì)機(jī)械設(shè)備的綜合監(jiān)測(cè)力度，使有關(guān)技術(shù)人員能夠更好地了解和掌握機(jī)械的工作狀況，并能及時(shí)地檢測(cè)出機(jī)械的故障和安全隱患，針對(duì)具體的情況，采用相應(yīng)的對(duì)策，把安全隱患扼殺在搖籃中，以減少機(jī)械設(shè)備在使用中出現(xiàn)的故障問(wèn)題，并有效地降低機(jī)械設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

1 油田機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)概述

油田機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)、設(shè)備運(yùn)行狀況的診斷、機(jī)械設(shè)備的故障預(yù)防與處理是油田機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的重要內(nèi)容。其中，機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)是指在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由專業(yè)測(cè)定儀器來(lái)檢測(cè)機(jī)械的工作情況；而對(duì)機(jī)械設(shè)備的故障診斷，則是通過(guò)對(duì)機(jī)械測(cè)試結(jié)果進(jìn)行細(xì)致的分析，從而判斷機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)運(yùn)行是否正常。與此同時(shí)，針對(duì)油田機(jī)械設(shè)備的故障進(jìn)行相應(yīng)的處理與防范，主要是針對(duì)所診斷出的故障，采取相應(yīng)的對(duì)策，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題和故障進(jìn)行及時(shí)的修正和預(yù)防。

正常情況下，機(jī)械設(shè)備的處理通常包括設(shè)備調(diào)整、更換和檢修，而對(duì)機(jī)械設(shè)備故障的預(yù)防包括停機(jī)檢修、機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的全方位監(jiān)測(cè)等。

2 油田機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

2.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

該技術(shù)采用專用儀器對(duì)油田機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而判斷出其運(yùn)行狀態(tài)是否正常。對(duì)機(jī)械設(shè)備振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以獲得許多有關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況的數(shù)據(jù)。比如，鉆井機(jī)械的鉆頭、支座、機(jī)械接頭的監(jiān)測(cè)，能獲得最精確的數(shù)據(jù)。在振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)中，最主要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)就是振幅，振幅的物理表達(dá)可以分為三種：速度、位移、加速度，這三種物理量表示了振動(dòng)的速率、振動(dòng)的改變速度、振動(dòng)的變化距離。在不同的頻率和條件下，對(duì)機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測(cè)有明顯的影響，在600r/min或低于600r/min時(shí)，可以認(rèn)為是剛性失效，可采用位移監(jiān)測(cè)；當(dāng)機(jī)械轉(zhuǎn)速為600～120000r/min時(shí)，可以認(rèn)為是機(jī)械設(shè)備的疲勞失效，以速度監(jiān)測(cè)為主；當(dāng)機(jī)械轉(zhuǎn)速超過(guò)120000r/min時(shí)，其監(jiān)測(cè)的主要是慣性力失效，監(jiān)測(cè)方向?yàn)榧铀俣缺O(jiān)測(cè)。

在不同狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)，可以進(jìn)行內(nèi)況的分析，在進(jìn)行內(nèi)力分析時(shí)，采用振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。由于它所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)與速率有關(guān)，因此，可以很輕易地利用速度對(duì)內(nèi)力進(jìn)行分析，從而判斷機(jī)械設(shè)備的工作狀況是否穩(wěn)定。

2.2 噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)

噪聲監(jiān)測(cè)技術(shù)利用機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的聲音信息，并對(duì)其進(jìn)行分析，以判斷其工作狀態(tài)。根據(jù)不同的運(yùn)行情況和差異性環(huán)境，對(duì)不同噪音監(jiān)測(cè)狀況也是不同的。如果將機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸至試驗(yàn)室，利用精密儀器進(jìn)行測(cè)試，得出的結(jié)果是最精確的。不過(guò)，通常情況下，都在工作環(huán)境中進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在不影響周圍環(huán)境時(shí)，可以采用常規(guī)聲級(jí)測(cè)量?jī)x，如果是在不確定的情況下，噪聲干擾比較大，設(shè)備自身的噪聲不穩(wěn)定，則應(yīng)使用積分式聲級(jí)測(cè)試儀，對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行多次測(cè)試，保證測(cè)量的精確性。這種技術(shù)在在機(jī)械設(shè)備工作時(shí)會(huì)受到很大的擾動(dòng)，因此，其準(zhǔn)確率不高，但該技術(shù)易于使用，價(jià)格低廉。它可以用作日常監(jiān)測(cè)和其他方法的補(bǔ)充。

2.3 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)在機(jī)械設(shè)備中，如壓力管線等機(jī)械設(shè)備的壓力監(jiān)測(cè)上有著很大優(yōu)越性，它的作用是評(píng)估結(jié)構(gòu)整體的完整性。國(guó)內(nèi)各大石油企業(yè)及有關(guān)科研機(jī)構(gòu)均采用了大量的聲發(fā)射儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)在油田應(yīng)用中迅速發(fā)展。該技術(shù)在壓力監(jiān)測(cè)上有著巨大的優(yōu)越性，可以精確地監(jiān)測(cè)定位，并且因?yàn)槠髽I(yè)和科研機(jī)構(gòu)的大量投資，降低了監(jiān)測(cè)的成本費(fèi)用。此外，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)持續(xù)時(shí)間更短，不會(huì)對(duì)設(shè)備造成任何的干擾，可以將經(jīng)濟(jì)損失降到最低。

2.4 超聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)

超聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)在工業(yè)中的一個(gè)非常關(guān)鍵的用途就是超聲探傷。這里所討論的超聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)主要集中在超聲波測(cè)量上。在石油工業(yè)中，超聲波測(cè)量有著廣泛的運(yùn)用。例如，油罐內(nèi)的液面高度測(cè)量、鉆井測(cè)量、井架厚度測(cè)量、流量檢定等。由于該技術(shù)不會(huì)受到容器內(nèi)部的水漬和污物的干擾，所以該測(cè)量方式具有快速、準(zhǔn)確、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。與其他的液位測(cè)量技術(shù)相比，超聲波液位技術(shù)具有許多優(yōu)越性，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的定點(diǎn)、持續(xù)監(jiān)測(cè)，又可以為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制等提供所需信號(hào)。超聲波測(cè)量方法適用于高溫、高壓、防爆等特定環(huán)境中，由于其不會(huì)受到流體物理特性的干擾，因而對(duì)其自適應(yīng)能力較強(qiáng)。

2.5 溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)

溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)平時(shí)也較為常見，一般溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)都是用監(jiān)測(cè)器觸碰被監(jiān)測(cè)物體，然后再用導(dǎo)線連接到計(jì)算機(jī)上，根據(jù)監(jiān)測(cè)器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，但這樣做的弊端也很大。即在大型機(jī)械中，因距離過(guò)長(zhǎng)造成的信號(hào)較弱，會(huì)使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果偏差較大。在某些封閉的環(huán)境下，是無(wú)法被監(jiān)測(cè)的。但由于油田機(jī)械設(shè)備規(guī)模較大，采用常規(guī)的溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)已不能滿足要求。針對(duì)油田機(jī)械設(shè)備監(jiān)測(cè)，采用無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)儀，能夠很好地處理以上問(wèn)題。但其存在著一定缺點(diǎn)，因此，要在實(shí)踐中進(jìn)行多次測(cè)量以減小其誤差。

3 油田機(jī)械設(shè)備故障診斷技術(shù)分析

3.1 油液分析技術(shù)

油液分離技術(shù)是一項(xiàng)綜合技術(shù)。它不僅可以有效地監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用壽命，而且還可以維護(hù)設(shè)備，尤其是在油田鉆井中對(duì)齒輪組等機(jī)械設(shè)備的故障診斷，具有很大的優(yōu)越性。油液分析技術(shù)、磨粒自動(dòng)判別技術(shù)以及基于油液監(jiān)測(cè)的智能化診斷系統(tǒng)，是當(dāng)前油液分離技術(shù)的重點(diǎn)。在線油液分離技術(shù)是一項(xiàng)長(zhǎng)效的監(jiān)測(cè)技術(shù)，每天都會(huì)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，如果發(fā)生了什么問(wèn)題，就可以調(diào)取設(shè)備數(shù)據(jù)然后進(jìn)行綜合分析。磨粒自動(dòng)判別技術(shù)在鐵譜分析技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化和完善的，主要是根據(jù)對(duì)磨粒的特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，然后，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行特征的分析和計(jì)算，從而建立一個(gè)巨大的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，最終依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的新型與測(cè)量數(shù)據(jù)作比較，得出較為科學(xué)合理的診斷結(jié)果。

基于傳統(tǒng)油液分離技術(shù)的智能化診斷系統(tǒng)，將現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，形成了全新的診斷技術(shù)。油液分離技術(shù)中的信息量很大，傳統(tǒng)的油液分離技術(shù)根本不可能同時(shí)進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析，但是，通過(guò)智能診斷系統(tǒng)，可以對(duì)這些信息進(jìn)行分析和處理，提高數(shù)據(jù)處理效率，完善故障診斷系統(tǒng)。

3.2 無(wú)損探傷技術(shù)

油田機(jī)械設(shè)備比較多，需要采用較為精確的監(jiān)測(cè)手段，若采用常規(guī)監(jiān)測(cè)手段會(huì)引起設(shè)備的損傷，一些部位容易發(fā)生破損，若冒然進(jìn)行監(jiān)測(cè)，容易引起二次損傷，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在這一部分監(jiān)測(cè)中，采用無(wú)損探傷技術(shù)是非常有意義的，并且該技術(shù)在石油行業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。目前主流的無(wú)損檢測(cè)方法有5種，與其他方法相比，準(zhǔn)確率高，不會(huì)造成損害，使用方便，經(jīng)濟(jì)性比較好。

射線監(jiān)測(cè)主要是對(duì)金屬和金屬內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因?yàn)樵阱懺爝^(guò)程中，金屬的表面會(huì)出現(xiàn)泡沫，或者出現(xiàn)一些不均勻的情況，在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)下，會(huì)出現(xiàn)金屬疲勞導(dǎo)致機(jī)械故障。而且，這種情況常出現(xiàn)于金屬內(nèi)部，一般的方法是無(wú)法檢測(cè)到的，但具有強(qiáng)穿透的射線監(jiān)測(cè)卻能起到很好的效果。除了對(duì)金屬進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還可以利用射線監(jiān)測(cè)一些因材料內(nèi)部問(wèn)題引起的非金屬故障。

對(duì)于機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)方面的監(jiān)測(cè)，其受力較為復(fù)雜，常規(guī)的監(jiān)測(cè)方法難以達(dá)到較好的監(jiān)測(cè)效果，容易因?yàn)楸O(jiān)測(cè)的不恰當(dāng)出現(xiàn)機(jī)械故障，而且超聲波監(jiān)測(cè)適應(yīng)各種頻率下的反射情況，通過(guò)對(duì)機(jī)械的受力進(jìn)行分析，既可以迅速地監(jiān)測(cè)判斷，又可以預(yù)防機(jī)械損壞。

由于鋼材的微小表面損壞，可以采用磁粉監(jiān)測(cè)，該技術(shù)是利用磁力和微量的磁粉，將金屬的表層涂上磁粉，因其表層微小破損而產(chǎn)生了一定缺陷，因此，這部分的磁粉，會(huì)出現(xiàn)一些細(xì)微的變化，經(jīng)過(guò)分析和計(jì)算，可以得到鋼材表面的情況，這樣不僅可以精確地監(jiān)測(cè)鋼材的狀態(tài)，而且不會(huì)損壞其外表面。

對(duì)于非金屬材質(zhì)的微小破損，無(wú)法采用磁粉進(jìn)行檢測(cè)，因此，采用滲透技術(shù)，通過(guò)高滲透性的流體，在微小損傷觸碰中滲入。利用監(jiān)測(cè)設(shè)備檢液體滲透性，從而得到相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，從而解決非金屬材料表面破損監(jiān)測(cè)問(wèn)題。

渦流監(jiān)測(cè)一種新型的檢測(cè)手段，它采用了電磁技術(shù)，對(duì)金屬構(gòu)件的結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行檢測(cè)。一般的金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，不容易被發(fā)現(xiàn)，但在相同的電磁渦流狀態(tài)下，它組織形態(tài)會(huì)有差異，所以渦流監(jiān)測(cè)技術(shù)很輕易就能探測(cè)到這些隱藏的損傷。

3.3 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展

隨著科技進(jìn)步，使無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到了快速發(fā)展。射線檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，包括射線成像技術(shù)、自動(dòng)缺陷識(shí)別技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助成像技術(shù)、射線實(shí)時(shí)成像技術(shù)以及射線斷層掃描技術(shù)。隨著超聲波技術(shù)的發(fā)展，各類數(shù)字超聲波探傷儀也得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前，各類檢測(cè)系統(tǒng)已越來(lái)越多地被用于各個(gè)領(lǐng)域，包括TOFD超聲檢測(cè)系統(tǒng)、超聲成像檢測(cè)系統(tǒng)、相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)等。

從現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)角度來(lái)看，主要集中在超聲檢測(cè)、超聲成像、TOFD等方面；近年來(lái)，超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)、相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)以及激光超聲檢測(cè)技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。多道超聲探傷儀用于測(cè)量鋼管和焊接設(shè)備的自動(dòng)控制，目前，有500條管道，最大的取樣速度可以達(dá)到240MHz。超聲導(dǎo)波檢測(cè)系統(tǒng)在具有絕緣材料的工質(zhì)管線和地下管線的長(zhǎng)期腐蝕缺陷的監(jiān)測(cè)中有廣泛的使用。在電磁檢測(cè)領(lǐng)域，隨著科技的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的渦流式測(cè)量?jī)x器都已全面數(shù)字化，研制開發(fā)了兩種新裝置：陣式探測(cè)器和多路探測(cè)器；在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了將先進(jìn)的電子技術(shù)與信息技術(shù)如數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化、分析等綜合運(yùn)用于一體。近年來(lái)，我國(guó)已出現(xiàn)了許多新的檢測(cè)技術(shù)，如遠(yuǎn)場(chǎng)渦流、多頻渦流、脈沖渦流、磁光、渦流成像等。脈動(dòng)渦流檢測(cè)技術(shù)在鋼管絕緣和鋼管防腐測(cè)試中也有廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在它能探測(cè)到150mm的厚度。利用毛細(xì)作用原理對(duì)非疏孔金屬材料及非金屬材料進(jìn)行表面開口缺陷的無(wú)損探測(cè)，是生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

它因其獨(dú)特的性質(zhì)，在當(dāng)今的各行各業(yè)都有廣泛的運(yùn)用，它是評(píng)價(jià)工程材料、零部件和產(chǎn)品完整性和連續(xù)性的一種手段，同時(shí)，也是實(shí)現(xiàn)節(jié)約原材料、改善工藝、增加勞動(dòng)生產(chǎn)率的一種有效手段，是產(chǎn)品生產(chǎn)和維護(hù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

4 故障檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，石油企業(yè)的機(jī)械裝備越來(lái)越精密、越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)其運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)也越來(lái)越困難。因此，必須大力發(fā)展故障診斷技術(shù)，以達(dá)到全面、迅速、精確的診斷效果。

智能系統(tǒng)，智能控制技術(shù)在石油生產(chǎn)過(guò)程中的運(yùn)用越來(lái)越普遍，尤其是在石油生產(chǎn)過(guò)程中，它的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通過(guò)多種傳感器全面監(jiān)測(cè)油田機(jī)械的工作狀態(tài)，并對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)一定的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累完成對(duì)事故的處理。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它由海量的數(shù)據(jù)處理單位和各種非線性信息處理系統(tǒng)構(gòu)成，其功能是將人體的神經(jīng)結(jié)構(gòu)化，進(jìn)而將所儲(chǔ)存的信息進(jìn)行加工處理，完成油田機(jī)械設(shè)備的故障收集、問(wèn)題的分析等，從而推動(dòng)油田機(jī)械設(shè)備的智能監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，隨著我國(guó)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)原油的需求量每年都在增長(zhǎng)，這就使得油田的開采工作面臨著巨大的挑戰(zhàn)。由于油田開采過(guò)程中存在著大量的機(jī)械設(shè)備，所以必須對(duì)其進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和診斷，定期地維修與保養(yǎng)，以保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性?？傊瑸榱舜_保油田生產(chǎn)的順利進(jìn)行，要對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行定期的檢查，確保其在正常使用范圍內(nèi)。對(duì)油田機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題要及時(shí)處理，為企業(yè)創(chuàng)造較高的經(jīng)濟(jì)利益。