振動(dòng)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(jī)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(huì)出現(xiàn)液力端或動(dòng)力端故障，影響整個(gè)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(duì)鉆井泵故障的診斷主要靠工程師的觀測(cè)與經(jīng)驗(yàn)判斷，很難及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鉆井泵存在的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生故障時(shí)，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(cè)量技術(shù)、粗糙集理論等的發(fā)展，對(duì)鉆井泵的故障監(jiān)測(cè)與診斷，亟需從簡(jiǎn)單的人工監(jiān)測(cè)參數(shù)曲線和超閾值檢測(cè)等方式轉(zhuǎn)移到信號(hào)處理等更為先進(jìn)的方式［2-4］。振動(dòng)診斷技術(shù)通過監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程中的振動(dòng)信號(hào)來判斷設(shè)備故障，是一種先進(jìn)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(duì)常見故障與產(chǎn)生原因進(jìn)行分析和總結(jié)，這對(duì)確定傳感器的合理安裝位置、做好故障監(jiān)測(cè)與診斷都有重要意義。鉆井泵的結(jié)構(gòu)主要分液力端、動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于沖擊和閥隙液體的高速反向流會(huì)對(duì)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(huì)出現(xiàn)密封不嚴(yán)的情況；活塞在虹套內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)力端常見故障分析

鉆井泵的動(dòng)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(huì)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(dòng)力輸出的核心部件，在重載、高溫、潤(rùn)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(diǎn)的應(yīng)力呈脈動(dòng)循環(huán)變化，進(jìn)而產(chǎn)生細(xì)小的疲勞裂紋，形成點(diǎn)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(jí)

根據(jù)故障的嚴(yán)重程度，將故障分為兩個(gè)等級(jí)，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(dòng)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(jì)允許值等。II類故障是指輕微故障，可以使用一段時(shí)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(dòng)診斷技術(shù)的應(yīng)用步驟

2.1 振動(dòng)診斷技術(shù)

機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行時(shí)一定會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，正常工作時(shí)振動(dòng)的頻域和時(shí)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(dòng)信號(hào)就出現(xiàn)異常，通過監(jiān)測(cè)設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，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(dòng)診斷技術(shù)。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)診斷，是具有綜合性、智能性的先進(jìn)故障診斷技術(shù)［5-6］。

2.2 診斷步驟

振動(dòng)診斷技術(shù)在鉆井泵故障診斷時(shí)，如圖1所示，一般采取的步驟為：1）確定診斷范圍，對(duì)鉆井泵的各個(gè)零部件，特別是液力端和動(dòng)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(yùn)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(jiǎn)易診斷，主要是采用振動(dòng)計(jì)、振動(dòng)測(cè)量?jī)x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(dòng)趨勢(shì)等方法，而精密振動(dòng)診斷，則是采用振動(dòng)信號(hào)分析儀和離線監(jiān)測(cè)與巡檢系統(tǒng)，采用時(shí)域分析或頻域分析的方法；3）安裝測(cè)量?jī)x器，在確定診斷方案后選用相應(yīng)測(cè)量?jī)x器安裝在鉆井泵需要監(jiān)測(cè)的零部件上，應(yīng)確保測(cè)量位置的合理性，并檢查其是否能正常運(yùn)行；4）對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，通常采用標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別法或者圖像識(shí)別法對(duì)設(shè)備的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別法主要是將幅域參數(shù)、g/SE值、沖擊脈沖值等，與絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)、類比標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行對(duì)比，圖像識(shí)別法則是將測(cè)量的頻譜（或波形）與同一工況下標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行對(duì)比；5）作出判斷決策，通過對(duì)運(yùn)行參數(shù)的識(shí)別，對(duì)鉆井泵的運(yùn)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(jìn)一步監(jiān)測(cè)，使用一段時(shí)間后再進(jìn)行維修；若屬于Ⅰ類故障，則需要立即停機(jī)修理；6）事后檢查驗(yàn)證，振動(dòng)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(yàn)證診斷結(jié)果是否準(zhǔn)確，從而能夠不斷改進(jìn)診斷方法，使其更加準(zhǔn)確。

圖1 振動(dòng)診斷步驟

3 故障診斷實(shí)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(dòng)診斷技術(shù)在其故障診斷中的應(yīng)用。鉆井泵動(dòng)力端上某齒輪的參數(shù)為：電動(dòng)機(jī)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(dòng)傳感器，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為180 r/min時(shí)，測(cè)得大齒輪上的頻譜如圖2（a）所示，對(duì)頻譜進(jìn)一步細(xì)化得到圖2（b）。

根據(jù)齒輪的運(yùn)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(cè)試點(diǎn)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(yùn)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(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，大齒輪有3個(gè)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(cè)時(shí)頻譜中異常峰值消失。這則實(shí)例說明，故障的實(shí)際情況與振動(dòng)診斷結(jié)論具有一致性，振動(dòng)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(jì)效益。隨著測(cè)量技術(shù)、粗糙集理論及信息技術(shù)等的進(jìn)步，振動(dòng)診斷獲得了快速的發(fā)展。將振動(dòng)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(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)判斷設(shè)備運(yùn)行是否存在異常，對(duì)其故障隱患進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，從而減少或避免事故的發(fā)生；當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，采用振動(dòng)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(duì)性地修理故障，使鉆井泵能盡快恢復(fù)生產(chǎn)。振動(dòng)診斷技術(shù)能夠提高鉆井泵故障診斷的自動(dòng)化和智能化程度，具有高效、及時(shí)、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的實(shí)際工程價(jià)值。

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