電參曲線分析法及在往復泵狀態(tài)監(jiān)測中應用

李開連，鄭生宏，雷長森，張 昊，雷 螢

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

根據(jù)長慶油田近幾年對往復式注水泵故障的統(tǒng)計分析，動力端故障約占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］。采用振動頻譜分析法對泵的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，很難提取故障特征信號。北京長森石油科技有限公司采用電參數(shù)法監(jiān)測泵的工作狀態(tài)，可以及時發(fā)現(xiàn)故障點，采取維修措施，避免造成重大損失。本文介紹了電參數(shù)法的理論基礎和現(xiàn)場應用情況。

1 振動頻譜分析法在往復式注水泵故障診斷的難點

往復式注水泵產(chǎn)生振動的原因有很多，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，隨機信號、周期信號、沖擊信號等混雜在一起，故障特征信號被背景噪聲所湮沒，難以提取和識別。許多研究單位采用短時譜、小波變換、混沌理論、神經(jīng)網(wǎng)絡對往復設備的故障進行研究，分析者面對這些紛繁雜亂的譜圖，陷入迷茫的境地，現(xiàn)場成功應用較少［3］。

2 電參曲線分析法的理論基礎

往復泵的常見故障與缸內(nèi)壓力變化具有對應關系。缸內(nèi)壓力與功率存在等式關系，因此可以通過測試電機的功率曲線來得到缸內(nèi)壓力曲線，及時發(fā)現(xiàn)泵的故障。

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

對于往復式注水泵，柱塞位移與曲柄轉角的關系式為

式中：S為柱塞位移；R為曲柄半徑；α為曲柄轉角；L為連桿長度。

對式（1）求導，可得柱塞的速度表達式

式中：v為柱塞的速度。

以五缸往復柱塞注水泵為例，各缸柱塞的位移曲線如圖1，速度曲線如圖2。

圖2 五缸往復泵柱塞速度曲線

由圖2知，柱塞的速度曲線有點類似于正弦曲線，但并不對稱，以上半周為例，速度上升角大約占100°，下降角只占80°。每個柱塞在運行中都會對水加壓并做功，做功的功率是在速度為正的半個沖程中進行的（速度為負時不做功，在圖2中未畫出）。每個柱塞的截面積A是相同的，如果每個柱塞的缸內(nèi)壓力p也是一致的，那么每個柱塞的功率曲線與速度曲線成正比關系。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。如果每個缸中的壓力一致，總功率NSum如式（3）所示：

如果每個缸中的壓力不一致，5個缸中的壓力分 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：總功率向量NSum的下標1～5分別對應5個不同的時間點；速度矩陣［v］的第1個下標對應不同時間點的編號，第2個下標對應不同的缸的編號；壓力向量→p的下標則分別對應5個不同的缸的編號；即每一個時間點的總功率是由對應該時間點的5維速度向量以及對應5個缸的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)場應用

長慶油田采油六廠胡一聯(lián)合站共有5臺五缸往復式注水泵，2012－11－20啟泵時，發(fā)現(xiàn)3號泵的出水管線異常振動。在關閉回流閥的過程中，當管壓剛到8MPa（設定為11MPa），出水管線就被強烈的振動而撕裂，被迫停泵。表1為該泵的測試數(shù)據(jù)。

采用北京長森公司的CSIPTS型注水泵狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對該泵的電機電壓、電流、功率，泵出口壓力，液力端及動力端的振動等信號進行測試。本文以3號泵為例應用電參數(shù)曲線法分析該泵振動過大的原因。圖3為胡一聯(lián)合站3號泵電功率變化曲線，毛刺部分為瞬時功率，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號泵電功率變化曲線

表1 長慶油田胡一聯(lián)合站所測試的3臺往復注水泵參數(shù)

該泵理論沖次為275min－1，實測為 279.7 min－1（每秒12 800點采樣率，每周期2 848點），一個周期相當于0.222 5s。本計算中，功率向量取每個柱塞到達頂點處的總功率，速度取對應點的5個柱塞的速度，則總功率向量和速度矩陣分別取值為：

柱塞直徑53mm時，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，計算出柱塞所受的力，及缸內(nèi)壓力。

由式（4）計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算出的水功率，與實際測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。由于測試誤差、參數(shù)誤差及數(shù)學模型的差異導致計算出的等效壓力值不是十分精確，但還是符合實際情況。依此等效壓力值與泵出口壓力對比分析，可了解各缸的工作狀態(tài)。

胡一聯(lián)合站3號泵，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)生劇烈振動的根本原因。這也就解釋了2012－11－20啟泵時，3號泵出水管線振動的特別厲害，升壓后出水管線強烈振動而被迫停泵的原因。

圖4 胡一聯(lián)合站3號泵功率仿真曲線

4 結論

1） 油田非常重視往復式注水泵的狀態(tài)監(jiān)測。以前采用振動測試和頻譜分析方法，很難及時發(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)場狀態(tài)監(jiān)測問題，可實現(xiàn)50ms內(nèi)報警提示和緊急停機。

3） 由于注水系統(tǒng)供電質量、電機型號、傳動方式、潤滑狀況等許多因素都會影響電參曲線，故在今后的研究中應進一步完善數(shù)學模型，排除缸內(nèi)壓力之外的其他因素的干擾，以提高計算準確度。

4） 在實際應用中可結合振動頻譜分析及油液監(jiān)測技術，使往復式注水泵的狀態(tài)監(jiān)測結果更全面、更可靠。

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

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

［3］袁宏義，牛明忠.設備振動診斷技術基礎［M］.國防工業(yè)出版社，1991.