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

唐振鑫

（大慶油田第一采油廠生產(chǎn)維修大隊(duì)，黑龍江 大慶 163514）

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、鏈長面廣、易燃易爆等特性，對油田生產(chǎn)的安全造成了極大的威脅。針對這些問題，要求各石油企業(yè)加大對機(jī)械設(shè)備的綜合監(jiān)測力度，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，并能及時地檢測出機(jī)械的故障和安全隱患，針對具體的情況，采用相應(yīng)的對策，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)的故障問題，并有效地降低機(jī)械設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

1 關(guān)于油田機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)分析

油田機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀況監(jiān)測、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)測是指在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時，由專業(yè)測定儀器來檢測機(jī)械的工作情況；而對機(jī)械設(shè)備的故障診斷，則是通過對機(jī)械測試結(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，針對油田機(jī)械設(shè)備的故障進(jìn)行相應(yīng)的處理與防范，主要是針對所診斷出的故障，采取相應(yīng)的對策，對出現(xiàn)的問題和故障進(jìn)行及時的修正和預(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)測等。

2 關(guān)于油田機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

2.1 振動監(jiān)測技術(shù)

該技術(shù)采用專用儀器對油田機(jī)械設(shè)備的振動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而判斷出其運(yùn)行狀態(tài)是否正常。對機(jī)械設(shè)備振動進(jìn)行監(jiān)測，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，能獲得最精確的數(shù)據(jù)。在振動監(jiān)測技術(shù)中，最主要的監(jiān)測指標(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的速率、振動的改變速度、振動的變化距離。在不同的頻率和條件下，對機(jī)械設(shè)備的監(jiān)測有明顯的影響，在600r/min 或低于600r/min 時，可以認(rèn)為是剛性失效，可采用位移監(jiān)測；當(dāng)機(jī)械轉(zhuǎn)速為600 ～120000r/min 時，可以認(rèn)為是機(jī)械設(shè)備的疲勞失效，以速度監(jiān)測為主；當(dāng)機(jī)械轉(zhuǎn)速超過120000r/min 時，其監(jiān)測的主要是慣性力失效，監(jiān)測方向?yàn)榧铀俣缺O(jiān)測。在不同狀態(tài)下的監(jiān)測，可以進(jìn)行內(nèi)況的分析，在進(jìn)行內(nèi)力分析時，采用振動監(jiān)測技術(shù)有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。由于它所監(jiān)測的數(shù)據(jù)與速率有關(guān)，因此，可以很輕易地利用速度來對內(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)測技術(shù)

噪聲監(jiān)測技術(shù)利用機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的聲音信息，并對其進(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，對不同噪聲監(jiān)測狀況也是不同的。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)行測試，得出的結(jié)果是最精確的。不過，通常情況下，都在工作環(huán)境中進(jìn)行監(jiān)測，在不影響周圍環(huán)境時，可以采用常規(guī)聲級測量儀，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)使用積分式聲級測試儀，對周邊環(huán)境進(jìn)行多次測試，保證測量的精確性。這種技術(shù)在機(jī)械設(shè)備工作時會受到很大的擾動，因此其準(zhǔn)確率不高，但該技術(shù)易于使用，價格低廉。它可以用作日常監(jiān)測和其他方法的補(bǔ)充。

2.3 聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)

聲發(fā)射監(jiān)測技術(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)測上有著很大優(yōu)越性，它的作用是評估結(jié)構(gòu)整體完整性。國內(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)測上有著巨大的優(yōu)越性，可以精確地監(jiān)測定位，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)測的成本費(fèi)用。此外，聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測持續(xù)時間更短，不會對設(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)測技術(shù)

超聲波監(jiān)測技術(shù)在工業(yè)中的一個非常關(guān)鍵的用途就是超聲探傷。這里所討論的超聲波監(jiān)測技術(shù)主要集中在超聲波測量上。在石油工業(yè)中，超聲波測量有著廣泛運(yùn)用。例如，油罐內(nèi)的液面高度測量、鉆井測量、井架厚度測量、流量檢定等。由于該技術(shù)不會受到容器內(nèi)部的水漬和污物的干擾，所以該測量方式具有快速、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)對液位的定點(diǎn)、持續(xù)監(jiān)測，又可以為遠(yuǎn)程監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制等提供所需信號。超聲波測量方法適用于高溫、高壓、防爆等特定環(huán)境下中，由于其不會受到流體物理特性的干擾，因而對其自適應(yīng)能力較強(qiáng)。

2.5 溫度監(jiān)測技術(shù)

溫度監(jiān)測技術(shù)平時也較為常見，一般溫度監(jiān)測技術(shù)都是用監(jiān)測器觸碰被監(jiān)測物體，然后再用導(dǎo)線連接到計(jì)算機(jī)上，根據(jù)監(jiān)測器系統(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，因距離過長造成的信號較弱，會使得監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果偏差較大。在某些封閉的環(huán)境下，是無法被監(jiān)測的。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)測技術(shù)已不能滿足要求。針對油田機(jī)械設(shè)備監(jiān)測，采用無線溫度監(jiān)測儀，能夠很好地處理以上問題。但其存在一定缺點(diǎn)，因此，必須在實(shí)踐中進(jìn)行多次測量以減小其誤差。

3 關(guān)于油田機(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)、磨粒自動判別技術(shù)以及基于油液監(jiān)測的智能化診斷系統(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)長效的監(jiān)測技術(shù)，每天都會對其進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，如果發(fā)生了什么問題，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)對磨粒的特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，然后通過對其進(jìn)行特征的分析和計(jì)算，從而建立一個巨大的參數(shù)數(shù)據(jù)庫，最終依據(jù)數(shù)據(jù)庫中的新型與測量數(shù)據(jù)作比較，得出較為科學(xué)合理的診斷結(jié)果?；趥鹘y(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)根本不可能同時進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析，但是，通過智能診斷系統(tǒng)，可以對這些信息進(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 無損探傷技術(shù)

射線監(jiān)測主要是對金屬和金屬內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測，因?yàn)樵阱懺爝^程中，金屬的表面會出現(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)下中，會出現(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，一般的方法是無法檢測到的，但具有強(qiáng)穿透的射線監(jiān)測卻能起到很好的效果。除了對金屬進(jìn)行監(jiān)測外，還可以利用射線監(jiān)測一些因材料內(nèi)部問題引起的一些非金屬故障。

對于機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)方面的監(jiān)測，其受力較為復(fù)雜，常規(guī)的監(jiān)測方法難以達(dá)到較好的監(jiān)測效果，而且容易因?yàn)楸O(jiān)測的不恰當(dāng)出現(xiàn)機(jī)械故障，而且超聲波監(jiān)測適應(yīng)各種頻率下的反射情況，通過對機(jī)械的受力進(jìn)行分析，既可以迅速地監(jiān)測判斷，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，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，會出現(xiàn)一些細(xì)微的變化，經(jīng)過分析和計(jì)算，可以得到鋼材表面的情況，這樣不僅可以精確地監(jiān)測鋼材的狀態(tài)，而且不會損壞其外表面。

渦流監(jiān)測一種新型的檢測手段，它采用了電磁技術(shù)，對金屬構(gòu)件的結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行檢測。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)會有差異，所以渦流監(jiān)測技術(shù)很輕易就能探測到這些隱藏的損傷。

3.3 無損檢測技術(shù)的發(fā)展

隨著科技進(jìn)步，使無損檢測技術(shù)得到了快速發(fā)展。射線檢測技術(shù)已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，包括射線成像技術(shù)、自動缺陷識別技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助成像技術(shù)、射線實(shí)時成像技術(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越廣泛的應(yīng)用。

目前，各類檢測系統(tǒng)已越來越多地被用于各個領(lǐng)域，包括TOFD 超聲檢測系統(tǒng)、超聲成像檢測系統(tǒng)、相控陣超聲檢測系統(tǒng)等。從現(xiàn)有檢測技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)角度來看，主要集中在超聲檢測、超聲成像、TOFD 等方面；近年來，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)、相控陣超聲檢測技術(shù)以及激光超聲檢測技術(shù)已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。多道超聲探傷儀用于測量鋼管和焊接設(shè)備的自動控制，目前有500 條管道，最大的取樣速度可以達(dá)到240MHz。超聲導(dǎo)波檢測系統(tǒng)在具有絕緣材料的工質(zhì)管線和地下管線的長期腐蝕缺陷的監(jiān)測中有廣泛的使用。在電磁檢測領(lǐng)域，隨著科技的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的渦流式測量儀器都已全面數(shù)字化，研制開發(fā)了兩種新的裝置：陣式探測器和多路探測器；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。

4 故障診斷技術(shù)發(fā)展應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，石油企業(yè)的機(jī)械裝備越來越精密、越來越復(fù)雜，對其運(yùn)行狀況的監(jiān)測也越來越困難。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)過程中的運(yùn)用越來越普遍，尤其是在石油生產(chǎn)過程中，它的應(yīng)用越來越廣泛。通過多種傳感器全面監(jiān)測油田機(jī)械的工作狀態(tài)，并對其工作狀態(tài)進(jìn)行分析，通過對一定的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)積累從而完成對事故的處理。

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、問題的分析等，從而推動油田機(jī)械設(shè)備的智能監(jiān)測。

5 結(jié)語

油田機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)未來發(fā)展方向可以從以下方面入手：在硬件上，加大新技術(shù)、新方法的應(yīng)用，使其向標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化方向發(fā)展；在軟件上，應(yīng)強(qiáng)化對狀態(tài)監(jiān)測的數(shù)據(jù)管理與分析，使其向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化方向發(fā)展。另外，在油田機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和診斷中，也要重視對其進(jìn)行系統(tǒng)、集成的管理，從簡單的狀態(tài)監(jiān)測、診斷、管理等方面進(jìn)行改進(jìn)。不斷提高其整體監(jiān)測和診斷水平，使設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果更為精準(zhǔn)，診斷更為全面，提高工作效率，為油田企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)利益，推動我國石油行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。