鉆井泵和絞車(chē)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)研究

賈登，駱學(xué)理，王施權(quán)，張易，蘇勇，王永超，白翰欽

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2. 中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司 國(guó)際工程公司，新疆 烏魯木齊 830000)

自動(dòng)化鉆機(jī)作業(yè)流程復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，安全隱患和設(shè)備發(fā)生故障的誘因多，使鉆機(jī)的安全運(yùn)行及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表的正常工作受到影響[1]，因此對(duì)鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行全天候狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警是保證其安全、穩(wěn)定運(yùn)行的必要措施[2]。為了準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和診斷鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)式設(shè)備監(jiān)測(cè)普遍采用的技術(shù)對(duì)比研究，利用振動(dòng)測(cè)試技術(shù)能有效對(duì)鉆井泵和絞車(chē)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、診斷[3-4]。振動(dòng)是評(píng)價(jià)鉆井泵和絞車(chē)運(yùn)行可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)，是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)中位移、速度、加速度值的大小隨時(shí)間在其平均值上下重復(fù)變化過(guò)程。異常振動(dòng)對(duì)設(shè)備的壽命、精度和可靠性都會(huì)產(chǎn)生不利影響，振動(dòng)信號(hào)包含機(jī)械設(shè)備中異常或故障信息，振動(dòng)特性影響機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。因此，設(shè)備的故障運(yùn)行可以由振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)，基于振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試和分析方法對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)、維護(hù)和保養(yǎng)提供依據(jù)和建議[5-6]。

本文首先分析鉆井泵和絞車(chē)的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)方式，其次分析鉆井泵和絞車(chē)的常見(jiàn)故障及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局，所需要監(jiān)測(cè)的狀態(tài)參數(shù)，最后根據(jù)參數(shù)特點(diǎn)、設(shè)備結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境設(shè)計(jì)了鉆井泵和絞車(chē)的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)。

1 鉆井泵和絞車(chē)常見(jiàn)故障分析及測(cè)點(diǎn)布局分析

1.1 鉆井泵及絞車(chē)常見(jiàn)故障分析

鉆井泵主要由動(dòng)力端和液力端兩大部分組成，動(dòng)力端包括： 機(jī)架、小齒輪軸、曲軸、十字頭、中間拉桿等；液力端包括： 液缸、閥總成、缸套、活塞、柱塞、吸入管及排出管等。鉆井泵的典型結(jié)構(gòu)主要由： 電機(jī)、曲軸箱以及泵閥三部分組成。絞車(chē)的典型結(jié)構(gòu)主要由電機(jī)和滾筒組成。根據(jù)鉆井泵與絞車(chē)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，先確定所需監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)位置。結(jié)合測(cè)點(diǎn)位置與調(diào)研情況，將鉆井泵與絞車(chē)的故障進(jìn)行歸納總結(jié)，得出三種類(lèi)型的故障： 軸承故障、十字頭故障與泵閥故障。

1)軸承故障。軸承是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的一類(lèi)重要部件，當(dāng)軸承上的某個(gè)部件發(fā)生斷裂或輕微裂紋等故障時(shí)，該部件在載荷作用下高速運(yùn)轉(zhuǎn)，軸承的其他非故障部位會(huì)周期地與故障部位接觸并碰撞，通過(guò)碰撞產(chǎn)生的沖擊力引起軸承座以及其他零件的振動(dòng)，形成一系列減幅振蕩，減幅振蕩在發(fā)生時(shí)按一定的頻率進(jìn)行，減幅振蕩發(fā)生的頻率稱(chēng)為故障特征頻率，它由軸的轉(zhuǎn)速、軸承幾何尺寸及損傷點(diǎn)的位置(外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體)等確定。

2)十字頭故障。十字頭作為鉆井泵動(dòng)力端中曲柄連桿滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊，是連接活塞與連桿的零件，它主要具有運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換和導(dǎo)向作用，是鉆井泵的主要部件之一。機(jī)械動(dòng)力通過(guò)輸入軸上人字齒傳給連桿和滑塊，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)式運(yùn)動(dòng)。由動(dòng)力端傳遞給液力端活塞上的力，帶動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。十字頭處于鉆井泵動(dòng)力端的中心位置，它連接連桿和介桿，把連桿的平面運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成介桿和活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可見(jiàn)十字頭的重要作用。十字頭做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，也為液力端的活塞起導(dǎo)向作用。當(dāng)十字頭與導(dǎo)板之間間隙超標(biāo)或者潤(rùn)滑不良時(shí)，會(huì)破壞十字頭與導(dǎo)板之間的油膜而發(fā)生干磨，以至于產(chǎn)生很大的噪聲和大量的熱量，長(zhǎng)時(shí)間工作必然會(huì)嚴(yán)重拉傷十字頭和導(dǎo)板。為此，對(duì)鉆井泵十字頭進(jìn)行故障診斷是必要的。

3)泵閥故障。泵閥系統(tǒng)的主要用途是： 在閥體上下壓差力作用下，通過(guò)閥體的啟閉達(dá)到輸送鉆井液的目的。因此，密封性和啟閉迅速性是衡量泵閥性能的重要指標(biāo)。泵閥系統(tǒng)失效通常表現(xiàn)為失去密封性能導(dǎo)致在關(guān)閉時(shí)鉆井液的泄漏，以及鉆井泵不能正常啟閉。泵閥系統(tǒng)中由于各部件的結(jié)構(gòu)各異、材料不同，導(dǎo)致失效機(jī)理也有所區(qū)別，所表現(xiàn)出來(lái)的失效特征也不盡相同。

4)故障總結(jié)。根據(jù)上述故障形式，結(jié)合鉆井泵和絞車(chē)故障診斷技術(shù)方案，得到鉆井泵和絞車(chē)常見(jiàn)故障見(jiàn)表1所列。

表1 鉆井泵和絞車(chē)常見(jiàn)故障

1.2 鉆井泵測(cè)點(diǎn)布局及絞車(chē)測(cè)點(diǎn)布局分析

根據(jù)鉆井泵結(jié)構(gòu)以及振動(dòng)傳感器安裝標(biāo)準(zhǔn)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)端、曲軸箱驅(qū)動(dòng)端、曲軸箱非驅(qū)動(dòng)端安裝無(wú)線振動(dòng)溫度一體傳感器，在1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)三個(gè)缸的十字頭、排水閥各安裝無(wú)線振動(dòng)傳感器。每臺(tái)鉆井泵共10個(gè)傳感器。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。帶“*”為必須布置傳感器的測(cè)點(diǎn)。鉆井泵各測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的測(cè)點(diǎn)位置及詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)表2所列。

表2 鉆井泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置

圖1 鉆井泵監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置平面示意

根據(jù)鉆井絞車(chē)結(jié)構(gòu)以及振動(dòng)傳感器安裝標(biāo)準(zhǔn)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)端和滾筒轉(zhuǎn)軸兩端分別安裝無(wú)線振動(dòng)-溫度傳感器，采集相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)與溫度。每臺(tái)絞車(chē)共6個(gè)傳感器。絞車(chē)各測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的測(cè)點(diǎn)位置及詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)表3所列。

表3 絞車(chē)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)布置

2 鉆井泵和絞車(chē)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鉆井泵和絞車(chē)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括硬件和軟件兩大部分。硬件主要包括： 振動(dòng)溫度一體傳感器、網(wǎng)關(guān)信號(hào)采集器、服務(wù)器(鉆機(jī)關(guān)鍵裝備故障識(shí)別軟件系統(tǒng)V1.0)，用于獲取鉆井泵和絞車(chē)實(shí)時(shí)振動(dòng)與溫度信號(hào)，并將該信號(hào)由現(xiàn)場(chǎng)傳回中心控制室內(nèi)的工作站[7-8]。軟件包括數(shù)據(jù)采集軟件和故障診斷軟件，軟件模塊主要包括： 在線監(jiān)測(cè)、智能診斷、預(yù)測(cè)維護(hù)、歷史趨勢(shì)、設(shè)備信息、參數(shù)設(shè)置，通過(guò)分析獲取的信號(hào)數(shù)據(jù)，用于鉆井泵和絞車(chē)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、典型故障診斷及振動(dòng)趨勢(shì)分析。該系統(tǒng)由振動(dòng)溫度一體傳感器、數(shù)據(jù)采集及處理單元、網(wǎng)關(guān)信號(hào)采集器、以太網(wǎng)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件、分析軟件組成，并可以通過(guò)因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享[9-10]。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)硬件部分主要由振動(dòng)和溫度一體傳感器、網(wǎng)關(guān)信號(hào)采集器、服務(wù)器(鉆機(jī)關(guān)鍵裝備故障識(shí)別軟件系統(tǒng)V1.0)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、傳輸、儲(chǔ)存等功能。

1)本設(shè)計(jì)中研制了一款加速度傳感器來(lái)采集振動(dòng)信號(hào)。該加速度傳感器為振動(dòng)和溫度參數(shù)輸出復(fù)合傳感器，采用不銹鋼外殼，激光焊接密封，可靠性強(qiáng)，雙層屏抗干擾能力強(qiáng)，適合于各種惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期可靠工作。多應(yīng)用于工業(yè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械、軌道交通、智能船舶等傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪、軸承、傳動(dòng)軸的振動(dòng)和溫度參數(shù)監(jiān)測(cè)。

2)該系統(tǒng)配備了網(wǎng)關(guān)信號(hào)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)GPRS/CDMA，4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或LAN接口協(xié)議中的一種進(jìn)行通信?？蛇m應(yīng)高溫和低溫工作環(huán)境，溫度范圍為-40～+70 ℃，濕度范圍為5%～95%RH，可以不間斷長(zhǎng)期工作。網(wǎng)關(guān)布置在室外，通過(guò)線纜與各傳感器接通，外殼為防爆外殼，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境?，F(xiàn)場(chǎng)共安裝了3個(gè)網(wǎng)關(guān)信號(hào)采集器，每個(gè)可連接8個(gè)傳感器。

3)監(jiān)控服務(wù)器選用研勤技術(shù)性能穩(wěn)定的工控機(jī)作為主機(jī)，服務(wù)器配置為i5-8265 CPU，16G內(nèi)存，2塊512G SSD固態(tài)硬盤(pán)，帶有RS-232標(biāo)準(zhǔn)通信接口、4G網(wǎng)卡、以太網(wǎng)卡及WIFI接口。監(jiān)控主機(jī)和網(wǎng)關(guān)信號(hào)采集器配置固定IP，以便于與振動(dòng)和溫度一體傳感器采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了配合硬件系統(tǒng)，筆者開(kāi)發(fā)了鉆井泵和絞車(chē)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)，并基于振動(dòng)測(cè)試結(jié)果開(kāi)展相應(yīng)的維修和維護(hù)，可有效避免和預(yù)防鉆機(jī)關(guān)鍵裝備發(fā)生故障、有效提升鉆機(jī)關(guān)鍵裝備機(jī)組的效能和設(shè)備完好率。該系統(tǒng)利用Visual Studio軟件平臺(tái)編寫(xiě)，具備數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、故障診斷、預(yù)測(cè)維護(hù)、歷史趨勢(shì)和設(shè)備信息查詢(xún)、參數(shù)設(shè)置等功能，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)關(guān)鍵裝備的數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)測(cè)與故障識(shí)別。鉆井泵和絞車(chē)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 鉆井泵和絞車(chē)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)框架示意

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括客戶(hù)端數(shù)據(jù)采集軟件(C/S 結(jié)構(gòu))、絞車(chē)在線監(jiān)測(cè)軟件(B/S結(jié)構(gòu))和鉆井泵在線監(jiān)測(cè)軟件(B/S結(jié)構(gòu))三部分，以下分別介紹。

1)客戶(hù)端數(shù)據(jù)采集軟件?？蛻?hù)端數(shù)據(jù)采集軟件主要包括： 網(wǎng)關(guān)IP設(shè)置模塊、常規(guī)數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置模塊、波形數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置模塊、溫度和振動(dòng)烈度值顯示模塊和上傳云端設(shè)置模塊。

2)絞車(chē)在線監(jiān)測(cè)軟件關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)。軟件整體的主頁(yè)面共分為七部分包括： 網(wǎng)站名稱(chēng)、管理員信息、導(dǎo)航欄、功能區(qū)、頁(yè)面導(dǎo)航區(qū)、主頁(yè)面區(qū)、版本信息區(qū)。絞車(chē)在線監(jiān)測(cè)模塊包含左側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端、右側(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端XY方向和滾筒轉(zhuǎn)軸Y方向測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)表、測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)烈度值(RMS)和溫度(t)、RMS高報(bào)值等。其中RMS值和t值每2 s刷新一次，RMS標(biāo)準(zhǔn)值為參數(shù)更新中特征指標(biāo)的B標(biāo)準(zhǔn)(良)，若測(cè)得的RMS值和t值大于B標(biāo)準(zhǔn)(良)小于C標(biāo)準(zhǔn)(差)，則背景顏色變?yōu)辄S色，若測(cè)得的RMS值和t值大于C標(biāo)準(zhǔn)(差)，則背景顏色變?yōu)榧t色。

3)鉆井泵在線監(jiān)測(cè)軟件關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)。鉆井泵在線監(jiān)測(cè)模塊包含1～5號(hào)缸高壓水槍、1～5缸排水閥、左電機(jī)驅(qū)動(dòng)端徑向、右電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸向等測(cè)點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上述測(cè)點(diǎn)的RMS值和t值。

3 鉆井泵和絞車(chē)的監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)硬件和軟件調(diào)試，為了驗(yàn)證鉆井泵和絞車(chē)的在線監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，將該系統(tǒng)部署在某井場(chǎng)的7 km自動(dòng)化鉆機(jī)上進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。鉆井泵上布置了14個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝振動(dòng)和溫度一體傳感器，絞車(chē)上布置了6個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝傳感器。

現(xiàn)場(chǎng)共采集鉆井泵溫度、振動(dòng)特征值3.6×103余組，有效數(shù)值的均值見(jiàn)表4所列，振動(dòng)波形225余組，該系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中得到數(shù)據(jù)并進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。試驗(yàn)期間，共監(jiān)測(cè)絞車(chē)72 d，該軟件系統(tǒng)根據(jù)采集到的振動(dòng)波形生成鉆井泵監(jiān)測(cè)報(bào)告和絞車(chē)監(jiān)測(cè)報(bào)告各72份，其中鉆井泵測(cè)點(diǎn)診斷結(jié)果1 008個(gè)，經(jīng)過(guò)核查其中絞車(chē)正確診斷結(jié)果894個(gè)，鉆井泵故障識(shí)別準(zhǔn)確率約為88.7%；絞車(chē)測(cè)點(diǎn)診斷結(jié)果432個(gè)，經(jīng)過(guò)核查其中絞車(chē)正確診斷結(jié)果378個(gè)，絞車(chē)故障識(shí)別準(zhǔn)確率約為87.5%。試驗(yàn)證明： 該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，數(shù)據(jù)傳輸正常，軟硬件設(shè)計(jì)滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)采集要求。

表4 鉆井泵振動(dòng)和溫度信號(hào)有效數(shù)值的均值

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)油田現(xiàn)場(chǎng)使用的鉆井泵、絞車(chē)常見(jiàn)故障分析研究，為了準(zhǔn)確、快速、可靠地獲取鉆井泵和絞車(chē)的運(yùn)行參數(shù)，提升自動(dòng)化鉆機(jī)的完好性，本文基于振動(dòng)測(cè)試技術(shù)研制了鉆井泵和絞車(chē)的在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、記錄、云端上傳，在線實(shí)時(shí)診斷、預(yù)警等功能，實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)關(guān)鍵裝備數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)測(cè)與故障識(shí)別等功能。另外開(kāi)展7 km自動(dòng)化鉆機(jī)的鉆機(jī)泵和絞車(chē)狀態(tài)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，結(jié)合振動(dòng)信號(hào)測(cè)點(diǎn)水平振動(dòng)的時(shí)域圖，得到測(cè)點(diǎn)的溫度有效值和振動(dòng)烈度，推測(cè)故障發(fā)生的部位，通過(guò)與鉆井泵和絞車(chē)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果對(duì)比，證實(shí)了該系統(tǒng)對(duì)鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和故障診斷方法的有效性，鉆井泵故障識(shí)別準(zhǔn)確率約88.7%，絞車(chē)故障識(shí)別準(zhǔn)確率約為87.5%。該研究成果實(shí)現(xiàn)了鉆井裝備的故障事前預(yù)警、事后支持，為發(fā)展鉆井裝備故障診斷以及監(jiān)測(cè)評(píng)估業(yè)務(wù)提供有力支撐及保障油氣安全生產(chǎn)。