壓裂機(jī)組故障模式分析及診斷技術(shù)

張 健，萬 夫，蔡科濤，趙振林，張俊玲

（1.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院，四川廣漢 618300；2.中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司，四川成都 610066；3.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

0 引言

水力壓裂是石油天然氣生產(chǎn)過程中主要的增產(chǎn)技術(shù)，而壓裂機(jī)組作為水力壓裂的核心設(shè)備，降低其故障率，保證其平穩(wěn)運(yùn)行，在石油天然氣生產(chǎn)過程中顯得尤為重要。一旦壓裂機(jī)組發(fā)生故障，輕則導(dǎo)致計劃外停機(jī)，影響正常生產(chǎn)，重則導(dǎo)致重大安全事故，對生產(chǎn)人員的生命安全與財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅，給企業(yè)及社會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

通過對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，可充分了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與功能特性，基于此可建立故障診斷專家系統(tǒng)。目前石化行業(yè)主要通過耳聽、手摸、測量振動值等方式進(jìn)行壓裂機(jī)組的故障診斷，這些方法具有較強(qiáng)的主觀性，無法準(zhǔn)確有效預(yù)測和診斷壓裂機(jī)組存在的故障。而在設(shè)備維修方面，主要采取事后維修的手段，造成了維修過剩或維修不足的問題，進(jìn)一步導(dǎo)致盲目維修甚至壓裂機(jī)組損壞，造成有形或無形的損失。因此，從降低維修費(fèi)用、保證平穩(wěn)生產(chǎn)和提高企業(yè)的設(shè)備管理水平方面考慮，對壓裂機(jī)組實(shí)行有效的故障分析與診斷非常必要。

1 壓裂機(jī)組故障模式與信號監(jiān)測

要對壓裂機(jī)組進(jìn)行故障診斷，首先需要了解其故障模式與癥狀。壓裂機(jī)組由柴油發(fā)動機(jī)、傳動齒輪箱、壓裂泵等3 大部件及其輔助系統(tǒng)組成。不同型號的同類設(shè)備，因其存在機(jī)理及結(jié)構(gòu)上的差異，發(fā)生故障時的表現(xiàn)不盡相同。振動與溫度信號是當(dāng)前壓裂機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的主要信號源，通過分析傳感器獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對壓裂機(jī)組的柴油發(fā)動機(jī)、齒輪箱、壓裂泵及其他部件的具體情況分別進(jìn)行故障模式分析，從而及時、準(zhǔn)確地反映壓裂機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

1.1 柴油發(fā)動機(jī)

發(fā)動機(jī)是壓裂機(jī)組的動力機(jī)，其主要由配氣機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等組成。

（1）配氣機(jī)構(gòu)。配氣機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)直接影響發(fā)動機(jī)的運(yùn)行可靠性。配氣機(jī)構(gòu)的主要故障為氣門間隙故障，其診斷一般是利用缸蓋振動信號。當(dāng)氣門漏氣時，在氣缸內(nèi)，燃燒階段的高壓高速氣體流過漏氣的狹縫對氣缸產(chǎn)生沖擊激振力。它是在一定頻帶范圍內(nèi)的激振力，其大小與氣缸壓力和漏氣程度有關(guān)。激振力的變化將引起氣缸蓋表面振動響應(yīng)信號的變化。獲得漏氣激振的故障信息，就可以對氣門進(jìn)行故障診斷。

（2）曲柄連桿機(jī)構(gòu)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的典型故障為活塞—缸套故障。活塞—缸套的磨損狀態(tài)可以利用發(fā)動機(jī)機(jī)身表面振動信號來診斷。通常情況下，在發(fā)動機(jī)發(fā)火順序的上止點(diǎn)附近，撞擊力最大。因此，活塞撞擊能量最大的部位發(fā)生在發(fā)火后的主推力側(cè)，隨著間隙增大，振動響應(yīng)峰值和均方值呈上升趨勢。

（3）燃油供給系統(tǒng)。燃油供給系統(tǒng)的診斷參數(shù)主要有壓力、流速等。當(dāng)系統(tǒng)中的某個環(huán)節(jié)發(fā)生故障時，會導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力、燃油流速等參數(shù)的變化，這種變化會導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力與流速波形發(fā)生變化。當(dāng)用傳感器拾取信號時，通過對其波形的分析，即可達(dá)到對燃油系統(tǒng)的診斷目的。

（4）冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)的主要動設(shè)備為風(fēng)扇液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)最常見的故障失效模式為馬達(dá)輸出軸斷軸和軸套失效，由于分體軸承座的安裝形式，導(dǎo)致液壓馬達(dá)的花鍵軸與馬達(dá)軸不同心，軸套偏磨并滾鍵。其失效會造成系統(tǒng)溫度異常升高，嚴(yán)重時可導(dǎo)致設(shè)備非計劃停機(jī)。使用傳感器實(shí)時測量軸套的振動、溫度信號，對其進(jìn)行時頻分析，能夠有效監(jiān)測和診斷液壓馬達(dá)的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 齒輪傳動箱

齒輪傳動箱的主要作用是降低轉(zhuǎn)速、增加轉(zhuǎn)矩。它的種類繁多，型號各異，不同種類有不同的用途，其結(jié)構(gòu)主要由傳動齒輪、軸承機(jī)構(gòu)、傳動軸機(jī)構(gòu)等組成。

（1）傳動齒輪機(jī)構(gòu)。傳動齒輪機(jī)構(gòu)常見的故障類型有斷齒、齒面磨損和點(diǎn)蝕故障等。齒輪的斷齒故障主要表現(xiàn)為產(chǎn)生幅值很大的振動沖擊信號，頻率等于斷齒軸的轉(zhuǎn)頻。當(dāng)齒面出現(xiàn)均勻磨損故障時，通常不會產(chǎn)生振動沖擊信號，但現(xiàn)場齒輪箱由于環(huán)境條件等各種因素的影響，運(yùn)行過程中通常會有沖擊信號的產(chǎn)生。齒輪點(diǎn)蝕，是齒輪長期運(yùn)轉(zhuǎn)、工作后，齒面接觸疲勞破壞，表面剝落，出現(xiàn)點(diǎn)狀小坑。齒輪表面發(fā)生點(diǎn)蝕剝落的主要原因是齒輪接觸疲勞強(qiáng)度不足。表現(xiàn)為沖擊能量明顯增加，振動強(qiáng)度逐漸增大。

（2）軸承機(jī)構(gòu)。軸承故障作為常見的故障類型之一，當(dāng)齒輪箱軸承出現(xiàn)故障時，滾動體在滾道中進(jìn)行轉(zhuǎn)動時，軸承會出現(xiàn)規(guī)律性的振動，能量較大時，會激勵起軸承外圈固有頻率，形成以軸承通過頻率為調(diào)制頻率、以軸承外圈固有頻率為載波頻率的固有頻率調(diào)制振動現(xiàn)象。

（3）傳動軸機(jī)構(gòu)。齒輪箱內(nèi)傳動軸所產(chǎn)生的常見故障有軸不平衡與軸不對中兩類。在齒輪軸上，軸不平衡故障的主要原因是軸的彎曲，軸彎曲變形將導(dǎo)致軸在旋轉(zhuǎn)時呈現(xiàn)周期性的振動；軸不對中故障有平行不對中和角度不對中，主要表現(xiàn)在緊靠聯(lián)軸器的軸承上。因此，可以通過檢測軸承座上的振動信號進(jìn)行故障識別。

1.3 壓裂泵

壓裂泵主要是將低壓介質(zhì)加壓為工藝所需的高壓介質(zhì)?；窘Y(jié)構(gòu)由泵閥機(jī)構(gòu)、活塞連桿機(jī)構(gòu)、缸套機(jī)構(gòu)、十字頭機(jī)構(gòu)、管匯系統(tǒng)等組成。

（1）泵閥。壓裂泵泵閥一般在十分惡劣的工況下使用，其主要運(yùn)行在沖擊條件下，加之受磨料磨損、沖蝕磨損和疲勞磨損的綜合作用，使得其故障時有發(fā)生。塵粒進(jìn)入泵閥后，與泵閥工作表面相互作用，在氣流夾帶及自身慣性的綜合作用下碰撞壁面。

（2）活塞連桿?；钊L期工作在高溫、高壓、高速、腐蝕等工況下，由于受高壓燃?xì)夂屯鶑?fù)慣性力的綜合作用，容易發(fā)生活塞環(huán)槽磨損、活塞裙部磨損、活塞銷部磨損、活塞刮傷、頂部燒蝕等故障。

（3）缸套。壓裂泵缸套的故障類型主要體現(xiàn)為缸套磨損，判斷其磨損程度的主要依據(jù)是柱塞與缸壁之間間隙的大小，間隙越大，則磨損程度越高。此外，柱塞對缸壁的沖擊力及產(chǎn)生的振動沖擊響應(yīng)也與間隙大小有關(guān)，間隙增大時，沖擊力會增大，產(chǎn)生的振動沖擊響應(yīng)也會增加。

（4）十字頭機(jī)構(gòu)。十字頭機(jī)構(gòu)故障類型主要有十字頭導(dǎo)板故障和十字頭磨損兩種。一是壓裂泵十字頭與導(dǎo)板發(fā)生摩擦失效的原因主要有：①摩擦副承載過大；②潤滑不足；③摩擦副硬度和材質(zhì)不匹配。壓裂泵在重載下運(yùn)行時，十字頭與導(dǎo)流板之間的低強(qiáng)度潤滑膜會被破壞，導(dǎo)致摩擦副之間發(fā)生干摩擦。當(dāng)摩擦副所承受的壓力載荷超過相對軟導(dǎo)板材料的一定硬度值時，相對硬的十字頭表面上的微凸體就會嵌入導(dǎo)板表面，造成導(dǎo)板被刮傷，最終導(dǎo)致零件失效。二是連接十字頭與連桿的十字頭銷是主要的受力部件，也是最容易發(fā)生故障的零件之一，十字頭銷螺母經(jīng)常松動，造成安全隱患，容易造成跳車事故，嚴(yán)重影響裝置的穩(wěn)定性。

（5）管匯系統(tǒng)。由于液體在管道中流動時容易吸入空氣，導(dǎo)致管道異常振動，影響壓裂泵正常工作，因此，通過在管匯處安裝傳感器，實(shí)時監(jiān)測管道的液體溫度及管道振動情況，能夠及早發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)液體的異常，有效保證壓裂泵的正常平穩(wěn)運(yùn)行。

1.4 故障模式庫的建立

信號數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)的開發(fā)是故障診斷工作能否持續(xù)進(jìn)行的關(guān)鍵，壓裂機(jī)組的故障模式庫的建立是能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動處理的前提。故障模式庫即提前在庫中以一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)儲存設(shè)備的各種故障，當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，系統(tǒng)直接根據(jù)庫中預(yù)先存儲的故障模式自動調(diào)用要分析的數(shù)據(jù)，提取各類指標(biāo)，并將提取的特征值存儲在模式庫中。其主要內(nèi)容包括以下3 個：

（1）定性關(guān)系。即發(fā)生某個故障時，找到與該故障有關(guān)的因素，具體故障相對應(yīng)的診斷參數(shù)或能夠有效地診斷該故障的參數(shù)。

（2）邏輯關(guān)系。即故障影響因素和對應(yīng)故障之間存在怎樣的邏輯關(guān)系。

（3）定量值。即故障影響因素與對應(yīng)故障之間相關(guān)的程度。

2 壓裂機(jī)組故障診斷技術(shù)思路

2.1 典型故障的敏感特征提取技術(shù)

一方面，針對壓裂機(jī)組的故障模式與運(yùn)行狀態(tài)制訂故障監(jiān)測方案，根據(jù)壓裂機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定所需監(jiān)測的測點(diǎn)位置；另一方面，通過理論分析與實(shí)驗(yàn)篩選，研究壓裂機(jī)組在振動時域、頻域中的特性，提取出壓裂機(jī)組典型故障的敏感特征，使其能對各類故障進(jìn)行有效的識別、診斷，從而建立起壓裂機(jī)組典型故障的特征體系。

2.2 故障知識庫、標(biāo)準(zhǔn)庫及動態(tài)更新技術(shù)

根據(jù)故障機(jī)理、故障模擬實(shí)驗(yàn)及故障敏感特征挖掘的結(jié)果，建立多源表征的壓裂機(jī)組故障知識庫，并根據(jù)壓裂機(jī)組結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)一步形成個性化診斷標(biāo)準(zhǔn)庫；根據(jù)壓裂機(jī)組運(yùn)行時間和監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)時更新標(biāo)準(zhǔn)，形成不斷完善、動態(tài)更新的診斷標(biāo)準(zhǔn)庫。

2.3 典型故障診斷及狀態(tài)評價技術(shù)

（1）基于模糊貼近度的壓裂機(jī)組典型故障診斷技術(shù)。提取數(shù)據(jù)庫中原始振動數(shù)據(jù)，計算故障模式庫中涉及的各種特征參數(shù)。針對不同的故障類型，將相應(yīng)時域與頻域特征值與診斷標(biāo)準(zhǔn)庫中對應(yīng)特征值進(jìn)行模糊貼近度計算，根據(jù)貼近度值判斷故障是否存在以及故障嚴(yán)重程度。

（2）基于模糊聚類的壓裂機(jī)組狀態(tài)評價技術(shù)。將計算獲得的時域與頻域振動特征值作為待識別樣本，應(yīng)用模糊聚類分析法，將壓裂機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)中的隱含模式提取出來，求取機(jī)器的各級（優(yōu)、良、中、差）狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)向量。將待識別樣本與標(biāo)準(zhǔn)向量再聚類，即得到待識別樣本的狀態(tài)級別。獲得的狀態(tài)等級作為對壓裂機(jī)組狀態(tài)的綜合評價，為技術(shù)人員制定維修保養(yǎng)提供依據(jù)。

3 認(rèn)識與建議

（1）任何一種動設(shè)備的故障診斷技術(shù)，其故障模式及特征庫的建立是關(guān)鍵且必要的。目前國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)建立了一些旋轉(zhuǎn)式動設(shè)備（如電機(jī)）的故障特征值庫，為旋轉(zhuǎn)式動設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展奠定了一定基礎(chǔ)。而往復(fù)式動設(shè)備（如壓裂機(jī)組）由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量傳遞路徑多樣，目前在該領(lǐng)域還未形成一套成熟可用的故障特征值庫。因此，需要各研究機(jī)構(gòu)及制造維修廠家通力配合，積極收集故障特征，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，才能加快往復(fù)式動設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

（2）獲得較為準(zhǔn)確的故障診斷結(jié)果，還需要一套性能良好的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，包括數(shù)采傳感器、無線網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等，主要實(shí)現(xiàn)信號采集、傳輸和儲存等功能。其中，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器的布置與選型顯得尤為重要。需要注意的問題有：根據(jù)具體壓裂機(jī)型內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尋找故障特征波傳導(dǎo)的最近外露點(diǎn)；根據(jù)具體壓裂機(jī)型外表面形狀，選擇合適的安裝固定方式；根據(jù)壓裂施工現(xiàn)場的機(jī)組布局和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，選擇合適的數(shù)據(jù)傳輸方式。