電參曲線分析法及在往復(fù)泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用

李開連，鄭生宏，雷長(zhǎng)森，張 昊，雷 螢

（1.長(zhǎng)慶油田分公司，西安710018；2.北京長(zhǎng)森石油科技有限公司，北京100085）①

根據(jù)長(zhǎng)慶油田近幾年對(duì)往復(fù)式注水泵故障的統(tǒng)計(jì)分析，動(dòng)力端故障約占80%，主要是曲軸拉傷或斷裂、中間桿斷裂、十字頭抱死，曲軸軸瓦、十字頭銷套間隙超標(biāo)等。液力端故障約占20%，主要是吸入閥和排出閥故障、泵頭開裂等［1－2］。采用振動(dòng)頻譜分析法對(duì)泵的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，很難提取故障特征信號(hào)。北京長(zhǎng)森石油科技有限公司采用電參數(shù)法監(jiān)測(cè)泵的工作狀態(tài)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，采取維修措施，避免造成重大損失。本文介紹了電參數(shù)法的理論基礎(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。

1 振動(dòng)頻譜分析法在往復(fù)式注水泵故障診斷的難點(diǎn)

往復(fù)式注水泵產(chǎn)生振動(dòng)的原因有很多，并且各缸（件）之間的撞擊和噪聲相互干擾，如果采用常規(guī)的頻譜分析手段，頻譜圖上將呈現(xiàn)連續(xù)而密集的寬帶譜線，隨機(jī)信號(hào)、周期信號(hào)、沖擊信號(hào)等混雜在一起，故障特征信號(hào)被背景噪聲所湮沒，難以提取和識(shí)別。許多研究單位采用短時(shí)譜、小波變換、混沌理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)往復(fù)設(shè)備的故障進(jìn)行研究，分析者面對(duì)這些紛繁雜亂的譜圖，陷入迷茫的境地，現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用較少［3］。

2 電參曲線分析法的理論基礎(chǔ)

往復(fù)泵的常見故障與缸內(nèi)壓力變化具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。缸內(nèi)壓力與功率存在等式關(guān)系，因此可以通過測(cè)試電機(jī)的功率曲線來得到缸內(nèi)壓力曲線，及時(shí)發(fā)現(xiàn)泵的故障。

電參曲線分析法就是通過測(cè)試注水泵功率曲線變化，監(jiān)測(cè)往復(fù)泵各缸壓力、曲軸扭矩、連桿（柱塞）受力等參數(shù)，設(shè)立警戒值來檢測(cè)和定位閥門泄露、柱塞拉傷、系統(tǒng)超壓、應(yīng)力或功率超載等故障。該方法可以大幅提高注水泵利用率，避免注水泵嚴(yán)重故障的發(fā)生。采用電參曲線分析法的前提是完成往復(fù)注水泵的鍵相設(shè)置，在一個(gè)做功周期內(nèi)使相應(yīng)的事件準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)起來。

對(duì)于往復(fù)式注水泵，柱塞位移與曲柄轉(zhuǎn)角的關(guān)系式為

式中：S為柱塞位移；R為曲柄半徑；α為曲柄轉(zhuǎn)角；L為連桿長(zhǎng)度。

對(duì)式（1）求導(dǎo)，可得柱塞的速度表達(dá)式

式中：v為柱塞的速度。

以五缸往復(fù)柱塞注水泵為例，各缸柱塞的位移曲線如圖1，速度曲線如圖2。

圖2 五缸往復(fù)泵柱塞速度曲線

由圖2知，柱塞的速度曲線有點(diǎn)類似于正弦曲線，但并不對(duì)稱，以上半周為例，速度上升角大約占100°，下降角只占80°。每個(gè)柱塞在運(yùn)行中都會(huì)對(duì)水加壓并做功，做功的功率是在速度為正的半個(gè)沖程中進(jìn)行的（速度為負(fù)時(shí)不做功，在圖2中未畫出）。每個(gè)柱塞的截面積A是相同的，如果每個(gè)柱塞的缸內(nèi)壓力p也是一致的，那么每個(gè)柱塞的功率曲線與速度曲線成正比關(guān)系。各缸之間只差72°相角，各缸的功率曲線以及總的功率曲線也類似圖2的各缸速度曲線和速度合成曲線。如果每個(gè)缸中的壓力一致，總功率NSum如式（3）所示：

如果每個(gè)缸中的壓力不一致，5個(gè)缸中的壓力分 別 用 p1、p2、p3、p4、p5表 示，5 缸 的 總 功 率NSum為：

式中：v1、v2、v3、v4、v5分別為各缸柱塞的速度。

假設(shè)：總功率向量NSum的下標(biāo)1～5分別對(duì)應(yīng)5個(gè)不同的時(shí)間點(diǎn)；速度矩陣［v］的第1個(gè)下標(biāo)對(duì)應(yīng)不同時(shí)間點(diǎn)的編號(hào)，第2個(gè)下標(biāo)對(duì)應(yīng)不同的缸的編號(hào)；壓力向量→p的下標(biāo)則分別對(duì)應(yīng)5個(gè)不同的缸的編號(hào)；即每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的總功率是由對(duì)應(yīng)該時(shí)間點(diǎn)的5維速度向量以及對(duì)應(yīng)5個(gè)缸的5維特征壓力向量決定的。

只要取得合適的功率向量和速度矩陣，就能求出壓力向量。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

長(zhǎng)慶油田采油六廠胡一聯(lián)合站共有5臺(tái)五缸往復(fù)式注水泵，2012－11－20啟泵時(shí)，發(fā)現(xiàn)3號(hào)泵的出水管線異常振動(dòng)。在關(guān)閉回流閥的過程中，當(dāng)管壓剛到8MPa（設(shè)定為11MPa），出水管線就被強(qiáng)烈的振動(dòng)而撕裂，被迫停泵。表1為該泵的測(cè)試數(shù)據(jù)。

采用北京長(zhǎng)森公司的CSIPTS型注水泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)該泵的電機(jī)電壓、電流、功率，泵出口壓力，液力端及動(dòng)力端的振動(dòng)等信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。本文以3號(hào)泵為例應(yīng)用電參數(shù)曲線法分析該泵振動(dòng)過大的原因。圖3為胡一聯(lián)合站3號(hào)泵電功率變化曲線，毛刺部分為瞬時(shí)功率，中心骨架部分為平滑處理后的功率曲線。

圖3 胡一聯(lián)合站3號(hào)泵電功率變化曲線

表1 長(zhǎng)慶油田胡一聯(lián)合站所測(cè)試的3臺(tái)往復(fù)注水泵參數(shù)

該泵理論沖次為275min－1，實(shí)測(cè)為 279.7 min－1（每秒12 800點(diǎn)采樣率，每周期2 848點(diǎn)），一個(gè)周期相當(dāng)于0.222 5s。本計(jì)算中，功率向量取每個(gè)柱塞到達(dá)頂點(diǎn)處的總功率，速度取對(duì)應(yīng)點(diǎn)的5個(gè)柱塞的速度，則總功率向量和速度矩陣分別取值為：

柱塞直徑53mm時(shí)，柱塞截面積為2 206 mm2；k為效率折算系數(shù)，在考慮效率的情況下，計(jì)算出柱塞所受的力，及缸內(nèi)壓力。

由式（4）計(jì)算得各缸等效壓力向量：

圖4是按式（6）中各缸等效壓力值計(jì)算出的水功率，與實(shí)際測(cè)試的功率曲線有一定的相似度。說明從電參曲線分析可以得到各缸等效壓力。由于測(cè)試誤差、參數(shù)誤差及數(shù)學(xué)模型的差異導(dǎo)致計(jì)算出的等效壓力值不是十分精確，但還是符合實(shí)際情況。依此等效壓力值與泵出口壓力對(duì)比分析，可了解各缸的工作狀態(tài)。

胡一聯(lián)合站3號(hào)泵，只有1＃缸和5＃缸的等效壓力與泵出口壓力比較接近，說明這兩個(gè)缸的工作比較正常。2＃缸和3＃缸的等效壓力很低，說明這2個(gè)缸存在吸水不足或漏失問題。4＃缸的等效壓力很高，說明4＃缸的排水閥工作不正常，阻力很大。各缸工況的巨大差異是該泵產(chǎn)生劇烈振動(dòng)的根本原因。這也就解釋了2012－11－20啟泵時(shí)，3號(hào)泵出水管線振動(dòng)的特別厲害，升壓后出水管線強(qiáng)烈振動(dòng)而被迫停泵的原因。

圖4 胡一聯(lián)合站3號(hào)泵功率仿真曲線

4 結(jié)論

1） 油田非常重視往復(fù)式注水泵的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。以前采用振動(dòng)測(cè)試和頻譜分析方法，很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)各缸不平衡的故障，影響了油田的注水工作。

2） 電參數(shù)曲線分析法較好地解決了注水泵的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)問題，可實(shí)現(xiàn)50ms內(nèi)報(bào)警提示和緊急停機(jī)。

3） 由于注水系統(tǒng)供電質(zhì)量、電機(jī)型號(hào)、傳動(dòng)方式、潤(rùn)滑狀況等許多因素都會(huì)影響電參曲線，故在今后的研究中應(yīng)進(jìn)一步完善數(shù)學(xué)模型，排除缸內(nèi)壓力之外的其他因素的干擾，以提高計(jì)算準(zhǔn)確度。

4） 在實(shí)際應(yīng)用中可結(jié)合振動(dòng)頻譜分析及油液監(jiān)測(cè)技術(shù)，使往復(fù)式注水泵的狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果更全面、更可靠。

［1］祝效華，鄧福成，童 華，等.注水泵液力端彈簧力學(xué)行為與優(yōu)化［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2009，38（7）：1－5.

［2］萬邦烈 ，李繼志.石油礦場(chǎng)水利機(jī)械［M］.石油工業(yè)出版社，1990：1－63.

［3］袁宏義，牛明忠.設(shè)備振動(dòng)診斷技術(shù)基礎(chǔ)［M］.國防工業(yè)出版社，1991.