油田機械設備狀態監測與故障診斷技術研究

劉鑫

（大慶油田裝備制造集團采油制造分公司，黑龍江 大慶 163000）

隨著科技的進步，油田機械設備的種類日益增多，從而使其擁有了先進的技術，但也具有了高溫高壓、鏈長面廣、易燃易爆等特性，對油田生產的安全造成了極大的威脅。針對這些問題，要求各石油企業加大對機械設備的綜合監測力度，使有關技術人員能夠更好地了解和掌握機械的工作狀況，并能及時地檢測出機械的故障和安全隱患，針對具體的情況，采用相應的對策，把安全隱患扼殺在搖籃中，以減少機械設備在使用中出現的故障問題，并有效地降低機械設備的維護費用。

1 油田機械設備狀態監測與故障診斷技術概述

油田機械設備的運行狀況監測、設備運行狀況的診斷、機械設備的故障預防與處理是油田機械設備狀態監測與故障診斷技術的重要內容。其中，機械設備的狀態監測是指在機械運轉時，由專業測定儀器來檢測機械的工作情況；而對機械設備的故障診斷，則是通過對機械測試結果進行細致的分析，從而判斷機械設備的工作狀態運行是否正常。與此同時，針對油田機械設備的故障進行相應的處理與防范，主要是針對所診斷出的故障，采取相應的對策，對出現的問題和故障進行及時的修正和預防。

正常情況下，機械設備的處理通常包括設備調整、更換和檢修，而對機械設備故障的預防包括停機檢修、機械設備運行的全方位監測等。

2 油田機械設備狀態監測技術分析

2.1 振動監測技術

該技術采用專用儀器對油田機械設備的振動狀態進行監測，并對其數據進行采集，從而判斷出其運行狀態是否正常。對機械設備振動進行監測，可以獲得許多有關設備運行情況的數據。比如，鉆井機械的鉆頭、支座、機械接頭的監測，能獲得最精確的數據。在振動監測技術中，最主要的監測指標就是振幅，振幅的物理表達可以分為三種：速度、位移、加速度，這三種物理量表示了振動的速率、振動的改變速度、振動的變化距離。在不同的頻率和條件下，對機械設備的監測有明顯的影響，在600r/min或低于600r/min時，可以認為是剛性失效，可采用位移監測；當機械轉速為600～120000r/min時，可以認為是機械設備的疲勞失效，以速度監測為主；當機械轉速超過120000r/min時，其監測的主要是慣性力失效，監測方向為加速度監測。

在不同狀態下的監測，可以進行內況的分析，在進行內力分析時，采用振動監測技術有著得天獨厚的優勢。由于它所監測的數據與速率有關，因此，可以很輕易地利用速度對內力進行分析，從而判斷機械設備的工作狀況是否穩定。

2.2 噪聲監測技術

噪聲監測技術利用機械設備在運行過程中產生的聲音信息，并對其進行分析，以判斷其工作狀態。根據不同的運行情況和差異性環境，對不同噪音監測狀況也是不同的。如果將機械設備運輸至試驗室，利用精密儀器進行測試，得出的結果是最精確的。不過，通常情況下，都在工作環境中進行監測，在不影響周圍環境時，可以采用常規聲級測量儀，如果是在不確定的情況下，噪聲干擾比較大，設備自身的噪聲不穩定，則應使用積分式聲級測試儀，對周邊環境進行多次測試，保證測量的精確性。這種技術在在機械設備工作時會受到很大的擾動，因此，其準確率不高，但該技術易于使用，價格低廉。它可以用作日常監測和其他方法的補充。

2.3 聲發射監測技術

聲發射監測技術在機械設備中，如壓力管線等機械設備的壓力監測上有著很大優越性，它的作用是評估結構整體的完整性。國內各大石油企業及有關科研機構均采用了大量的聲發射儀器進行實驗。因此，聲發射監測技術在油田應用中迅速發展。該技術在壓力監測上有著巨大的優越性，可以精確地監測定位，并且因為企業和科研機構的大量投資，降低了監測的成本費用。此外，聲發射監測技術的監測持續時間更短，不會對設備造成任何的干擾，可以將經濟損失降到最低。

2.4 超聲波監測技術

超聲波監測技術在工業中的一個非常關鍵的用途就是超聲探傷。這里所討論的超聲波監測技術主要集中在超聲波測量上。在石油工業中，超聲波測量有著廣泛的運用。例如，油罐內的液面高度測量、鉆井測量、井架厚度測量、流量檢定等。由于該技術不會受到容器內部的水漬和污物的干擾，所以該測量方式具有快速、準確、體積小、重量輕等優點。與其他的液位測量技術相比，超聲波液位技術具有許多優越性，既可以實現對液位的定點、持續監測，又可以為遠程監測和遠程控制等提供所需信號。超聲波測量方法適用于高溫、高壓、防爆等特定環境中，由于其不會受到流體物理特性的干擾，因而對其自適應能力較強。

2.5 溫度監測技術

溫度監測技術平時也較為常見，一般溫度監測技術都是用監測器觸碰被監測物體，然后再用導線連接到計算機上，根據監測器系統的數據進行處理，但這樣做的弊端也很大。即在大型機械中，因距離過長造成的信號較弱，會使得監測數據結果偏差較大。在某些封閉的環境下，是無法被監測的。但由于油田機械設備規模較大，采用常規的溫度監測技術已不能滿足要求。針對油田機械設備監測，采用無線溫度監測儀，能夠很好地處理以上問題。但其存在著一定缺點，因此，要在實踐中進行多次測量以減小其誤差。

3 油田機械設備故障診斷技術分析

3.1 油液分析技術

油液分離技術是一項綜合技術。它不僅可以有效地監測設備的使用壽命，而且還可以維護設備，尤其是在油田鉆井中對齒輪組等機械設備的故障診斷，具有很大的優越性。油液分析技術、磨粒自動判別技術以及基于油液監測的智能化診斷系統，是當前油液分離技術的重點。在線油液分離技術是一項長效的監測技術，每天都會對其進行數據的統計，如果發生了什么問題，就可以調取設備數據然后進行綜合分析。磨粒自動判別技術在鐵譜分析技術的基礎上進一步優化和完善的，主要是根據對磨粒的特性進行統計分析，然后，通過對其進行特征的分析和計算，從而建立一個巨大的參數數據庫，最終依據數據庫中的新型與測量數據作比較，得出較為科學合理的診斷結果。

基于傳統油液分離技術的智能化診斷系統，將現代的計算機技術與網絡技術相結合，形成了全新的診斷技術。油液分離技術中的信息量很大，傳統的油液分離技術根本不可能同時進行大量的數據分析，但是，通過智能診斷系統，可以對這些信息進行分析和處理，提高數據處理效率，完善故障診斷系統。

3.2 無損探傷技術

油田機械設備比較多，需要采用較為精確的監測手段，若采用常規監測手段會引起設備的損傷，一些部位容易發生破損，若冒然進行監測，容易引起二次損傷，從而造成嚴重的經濟損失。因此，在這一部分監測中，采用無損探傷技術是非常有意義的，并且該技術在石油行業中也得到了廣泛的應用。目前主流的無損檢測方法有5種，與其他方法相比，準確率高，不會造成損害，使用方便，經濟性比較好。

射線監測主要是對金屬和金屬內部進行監測，因為在鍛造過程中，金屬的表面會出現泡沫，或者出現一些不均勻的情況，在高負荷運轉下，會出現金屬疲勞導致機械故障。而且，這種情況常出現于金屬內部，一般的方法是無法檢測到的，但具有強穿透的射線監測卻能起到很好的效果。除了對金屬進行監測外，還可以利用射線監測一些因材料內部問題引起的非金屬故障。

對于機械設備結構方面的監測，其受力較為復雜，常規的監測方法難以達到較好的監測效果，容易因為監測的不恰當出現機械故障，而且超聲波監測適應各種頻率下的反射情況，通過對機械的受力進行分析，既可以迅速地監測判斷，又可以預防機械損壞。

由于鋼材的微小表面損壞，可以采用磁粉監測，該技術是利用磁力和微量的磁粉，將金屬的表層涂上磁粉，因其表層微小破損而產生了一定缺陷，因此，這部分的磁粉，會出現一些細微的變化，經過分析和計算，可以得到鋼材表面的情況，這樣不僅可以精確地監測鋼材的狀態，而且不會損壞其外表面。

對于非金屬材質的微小破損，無法采用磁粉進行檢測，因此，采用滲透技術，通過高滲透性的流體，在微小損傷觸碰中滲入。利用監測設備檢液體滲透性，從而得到相關數據進行分析判斷，從而解決非金屬材料表面破損監測問題。

渦流監測一種新型的檢測手段，它采用了電磁技術，對金屬構件的結構破壞進行檢測。一般的金屬內部結構損傷，不容易被發現，但在相同的電磁渦流狀態下，它組織形態會有差異，所以渦流監測技術很輕易就能探測到這些隱藏的損傷。

3.3 無損檢測技術的發展

隨著科技進步，使無損檢測技術得到了快速發展。射線檢測技術已經得到了越來越廣泛的應用，包括射線成像技術、自動缺陷識別技術、計算機輔助成像技術、射線實時成像技術以及射線斷層掃描技術。隨著超聲波技術的發展，各類數字超聲波探傷儀也得到了越來越廣泛的應用。目前，各類檢測系統已越來越多地被用于各個領域，包括TOFD超聲檢測系統、超聲成像檢測系統、相控陣超聲檢測系統等。

從現有檢測技術及應用技術角度來看，主要集中在超聲檢測、超聲成像、TOFD等方面；近年來，超聲導波檢測技術、相控陣超聲檢測技術以及激光超聲檢測技術已成為國內外學者關注的熱點。多道超聲探傷儀用于測量鋼管和焊接設備的自動控制，目前，有500條管道，最大的取樣速度可以達到240MHz。超聲導波檢測系統在具有絕緣材料的工質管線和地下管線的長期腐蝕缺陷的監測中有廣泛的使用。在電磁檢測領域，隨著科技的飛速發展，傳統的渦流式測量儀器都已全面數字化，研制開發了兩種新裝置：陣式探測器和多路探測器；在此基礎上實現了將先進的電子技術與信息技術如數據的轉化、分析等綜合運用于一體。近年來，我國已出現了許多新的檢測技術，如遠場渦流、多頻渦流、脈沖渦流、磁光、渦流成像等。脈動渦流檢測技術在鋼管絕緣和鋼管防腐測試中也有廣泛的應用，現在它能探測到150mm的厚度。利用毛細作用原理對非疏孔金屬材料及非金屬材料進行表面開口缺陷的無損探測，是生產過程中的一個重要環節。

它因其獨特的性質，在當今的各行各業都有廣泛的運用，它是評價工程材料、零部件和產品完整性和連續性的一種手段，同時，也是實現節約原材料、改善工藝、增加勞動生產率的一種有效手段，是產品生產和維護的一個重要環節。

4 故障檢測技術發展趨勢分析

隨著計算機技術的不斷進步，石油企業的機械裝備越來越精密、越來越復雜，對其運行狀況的監測也越來越困難。因此，必須大力發展故障診斷技術，以達到全面、迅速、精確的診斷效果。

智能系統，智能控制技術在石油生產過程中的運用越來越普遍，尤其是在石油生產過程中，它的應用越來越廣泛。通過多種傳感器全面監測油田機械的工作狀態，并對其工作狀態進行分析，通過對一定的專業經驗積累完成對事故的處理。

人工神經網絡，它由海量的數據處理單位和各種非線性信息處理系統構成，其功能是將人體的神經結構化，進而將所儲存的信息進行加工處理，完成油田機械設備的故障收集、問題的分析等，從而推動油田機械設備的智能監測。

5 結語

目前，隨著我國的快速發展，國內對原油的需求量每年都在增長，這就使得油田的開采工作面臨著巨大的挑戰。由于油田開采過程中存在著大量的機械設備，所以必須對其進行有效的監測和診斷，定期地維修與保養，以保證其運行的穩定性?？傊?，為了確保油田生產的順利進行，要對機械設備進行定期的檢查，確保其在正常使用范圍內。對油田機械設備運行過程中出現的問題要及時處理，為企業創造較高的經濟利益。