壓裂混砂設備的故障判斷分析

劉燦源，任四武，劉有平，侯勇俊，唐瑞歡，馬太清

（1.四川寶石機械專用車有限公司，四川 廣漢 618300；2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司井下作業公司，新疆 克拉瑪依 834000；3.西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500；4.川慶鉆探工程有限公司設備處，四川 成都 610051）

1 前言

水力壓裂技術是油田增產、增效的有效手段，所使用的壓裂成套設備由混砂設備、壓裂泵組設備、管匯和儀表車組成。在施工中混砂設備的作用是根據施工要求將壓裂液和支撐劑按照一定的比例混合，然后供給壓裂泵組。長期以來，為保證混砂設備的可靠性，1 套壓裂機組按照“一備一用”原則配置2 臺單吸單排混砂車，但當主施工混砂車發生故障時，與另一臺混砂車間切換操作復雜，安全隱患大；具備雙吸雙排功能的大排量混砂設備，較好地克服了配置2 臺單吸單排混砂車的缺點，受到壓裂施工單位的歡迎，1 套壓裂機組配置1 臺具有雙吸雙排功能的混砂設備已經成為標準配置，因此，混砂設備出現故障必須及時解決。劉玉明等對XC-HS60 混砂車輸砂系統中出現的加砂過快、砂比高、輸砂器絞龍軸卡阻、電磁換向閥電磁線圈燒蝕造成油路中斷等常見故障及排出方法進行了分析。武文斌等對某型采用液壓馬達驅動風扇轉動給液壓系統散熱的混砂車進行調試時，發現風扇和攪拌葉片同時動作時散熱風扇轉速會出現明顯下降，使液壓系統散熱能力下降，油溫升髙，并提出了排出方法。上述文獻都僅是針對混砂設備的個別故障進行的研究和分析，而混砂設備的生產商在使用說明書中也難以全面系統地給出設備的可能故障及排除方法。本文針對現有典型的具有雙吸雙排功能的混砂設備，對其常見故障、產生原因和排除方法進行了較為詳細的分析，對高效可靠地保障混砂設備的正常工作，順利完成壓裂作業具有較大的指導作用。

2 故障判斷基礎

在對混砂設備進行故障判斷時，要熟悉混砂設備工作原理，這是對設備進行故障分析的基礎。混砂設備的主要組成部分及工作原理如下。

2.1 動力系統

動力系統由油箱、發動機、分動箱、液壓油泵、馬達及執行元件組成，實現最終目的為各馬達旋轉及執行元件作業。

（1）發動機啟動。先決條件為實現發動機啟動旋轉，總路線為兩條（圖1）：一是油箱提供油液，輸入給發動機供油；二是控制室給出24V 電信號，繼電器導通，電流通過點火器，點燃發動機油液產生。

圖1 發動機啟動的總路線

（2）吸入排出驅動原理。如圖2 所示，發動機轉動，驅動分動箱分配動力，分動箱驅動吸入排出兩個閉式液壓泵主軸轉動，由控制室給出電信號控制電磁閥改變閉式泵斜盤擺角，改變排出泵液壓油流量，驅動馬達提供扭力及轉速，排出吸入泵均為離心泵，其工作原理是利用渦輪旋轉使得液體在離心泵殼體邊緣，排出口形成壓力，吸入口中心形成負壓。

圖2 吸入排出驅動原理

（3）輸砂驅動原理（圖3）。發動機轉動，驅動分動箱分配動力，分動箱驅動左輸砂右輸砂兩個閉式液壓泵主軸轉動，由控制室給出電信號控制電磁閥改變閉式泵斜盤擺角，改變輸砂泵液壓油流量及AB 口液壓油流動方向，驅動馬達提供扭力、轉速及旋轉方向。

圖3 輸砂驅動原理

（4）液添、干添驅動原理（圖4）。發動機轉動，驅動分動箱分配動力，分動箱驅動綜合泵開式液壓泵泵油，通過控制室給出電信號控制多路閥油液輸出，從而驅動各馬達轉速及扭矩。

圖4 液添、干添驅動原理

（5）絞龍舉升分合驅動原理（圖4）。發動機轉動，驅動分動箱分配動力，分動箱驅動綜合泵開式液壓泵泵油，通過手搖桿控制多路閥油液輸出，從而驅動缸體伸縮達到舉升分合的目的。

（6）攪拌器驅動原理（圖5）。發動機轉動，驅動分動箱分配動力，分動箱驅動綜合泵開式液壓泵泵油，攪拌器閥塊由控制室電信號控制開度，從而達到攪拌器轉速控制。

圖5 攪拌器驅動原理

（7）散熱器驅動原理（圖6）。發動機轉動，驅動分動箱分配動力，分動箱驅動綜合泵開式液壓泵泵油，散熱器閥塊由控制室電信號控制開度，從而達到散熱器轉速控制，散熱器增加了針型閥，主要目的是短接閥塊的目的，當針型閥打開時，散熱器進入強制冷卻狀態。

圖6 散熱器驅動原理

2.2 吸入排出系統

吸入排出系統由吸入管匯、排出管匯、吸入泵、排出泵、蝶閥組成，液體流動方式為4 種：（1）正吸正排，為正常工作；（2）反吸反排，用于因井場布置調換車頭方向；（3）過罐不過罐，主要用于液體為酸化物質，防止溢罐；（4）內循環，正吸正排，反吸反排；過罐不過罐主要用于排量自檢，排出管內空氣。

吸入排出泵為主要工作元件，排出泵作業情況較吸入泵更惡劣，在高壓大流量的工作情況（300kPa,12m3以上）葉輪磨損嚴重，會導致排出泵轉速不變，排出壓力下降。以某臺混砂車為例，臺上發動機轉速滿功率1800rpm，臺下滿功率1450rpm 時，排出泵電信號9V 輸入（電位計滿格），排出泵轉速1400rpm，排出泵無流量時排出壓力應達到600kPa 以上，排出流量為18m3/min，排出壓力應達到300kPa 以上，此為出廠數據。現場工作累計流量10000m3后會出現磨損明顯現象，20000m3時需更換排出泵（長期高壓力施工，導致時間提前）。

2.3 混合系統

混合系統由混合罐、攪拌器、液位計、取樣管、排空管組成。混合系統實現砂液一定比例進行攪拌，保證砂能在液內均勻分布，假若旋轉不到位，砂液分離，易在管口處沉積，需要立即停工，停止加砂，加注頂替液。雷達液位計需預先設定好量程，液位由雷達液位計識別，隨后由雷達液位計發送4 ～20mA 的電信號值，發給PLC處理，確定液位位置。

2.4 輸砂系統

輸砂系統由輸砂絞龍和轉速傳感器組成。輸砂系統主要是由絞龍在特定轉速下向混合罐輸砂，但是絞龍的輸砂曲線，并不是線性的，而是呈階梯狀的，通過霍爾傳感器給出的脈沖信號，除以齒數得出絞龍的旋轉速度。

2.5 液添系統

液添系統由液添泵、管線、流量計。流量計主要分為質量流量計和電磁流量計，都是通過測流速計算流量但電磁流量計無法測量出不能導電的乳液；液體通過液添泵將液體流入流量計，流量計出來后，選擇流向罐內及泵后（排出泵排出管線）。

2.6 干添系統

干添系統是由干添馬達、干添絞龍、箱體、轉速傳感器構成。現場對干添的要求較小，保證最小轉速能達到3 ～5rpm 即可，干添內不能將塑料口袋直接加注，會導致干添卡死。轉速傳感器由編碼器或霍爾傳感器組成，相對于編碼器，霍爾傳感器效果更佳，傳輸傳速脈沖更準確，鑒于井場對干添要求程度，兩種可任意選擇。

2.7 氣路系統

氣路系統主要由發動機所帶的打氣泵、干燥器、儲氣瓶、氣喇叭、調壓閥、蝶閥執行器、多路閥。控制方式為：由打氣泵設定壓力（0.7 ～0.8MPa）往干燥器內持續加壓，干燥器通向儲氣瓶，儲氣瓶安全閥一般為1MPa，儲氣瓶通過調壓閥連接多路閥，多路閥由PLC 給出電信號，控制多路閥導通，控制蝶閥旋轉方向及氣喇叭開關。

2.8 電器系統

混砂車模擬量傳感器包括壓力傳感器、吸入排出電磁流量計、閥位傳感器液位傳感器、溫度傳感器。混砂車轉速傳感器包括絞龍速度傳感器、干添速度傳感器、液添泵速度傳感器、吸入排出泵傳感器、攪拌傳感器。

2.9 散熱和加熱系統

散熱系統，主要由散熱器對發動機缸高溫缸套水、中冷水、液壓油和燃油等進行冷卻，其中各球閥手柄、波紋管連接處、液位顯示管易出現漏水。加熱系統是從發動機缸套水取液由加熱爐加熱聯通燃油箱、空調、液壓油箱。

3 故障判斷過程

針對所有問題，都應該有個判斷思路，從何處下手，從哪處觀察，尤為重要，它能幫助我們在現場實際作業時節約時間，同時也能幫助分析問題更有準確性。

3.1 判斷思路

所有的故障問題都可以簡稱為由動力源到執行器發生動作異常，所以我們需要在已有結構框架上考慮是哪部分出現脫節的情況。判斷問題第一步通常為分解，把電信號和非電信號一側分解，檢測方法為，電信號有無輸出，即可劃分為電器故障或機械故障。遇見電器問題，判斷方法同樣如此，掌握從電源供電，控制器件，PLC處理，執行器整個流程追根溯源。相對機械故障，電器故障更為明了，因為電器所有的信號，都是可以觀察，對應的信號檢測方式，可通過萬用表根據接線圖查找即可。一旦出現機械故障，思路應該再把問題劃分部分，隔斷法是最好的，現象是有輸入無輸出，那就隔斷良好部分前一側。在分了部分后，通過現場不同故障的特征進行判斷及通過這種問題在其他器件上會有什么反應。

3.2 常見故障判斷過程

3.2.1 發動機無法啟動

問題分析：在遇見發動機無法啟動時，從發動機啟動流程（圖1），我們可將其分為電器部分及機械部分，優先檢測電器是否有電信號過來保證動作源在發動機上有響應，達到分部分的目的，第二看特征，電信號有無在發動機上有作用，特征為聽發動機有無聲響，有聲響說明電信號給到位，無聲響檢測電信號是否給到位。若為機械故障，從油路出發，油路供給正常嗎？油箱為出發原始端，燃油是否燃盡？過程端，油箱至手搖泵是否存在斷層現象？是否是空氣過多導致？無法供油？特征：可利用燃油濾芯配備的手搖泵持續灌注燃油，如果一直壓力可通過手搖泵阻礙程度，檢測管匯密閉性。執行器端，發動機存在報警禁止啟動，冷卻液不足？特征：發動機墨菲表報警。

解決方案：若為電信號問題，從電源端排查，使用萬用表檢測電壓信號，檢測信號值是否出現，對應接口處進行測量，常見出現故障為繼電器損壞、控制室電源開關損壞、電線接觸不良；發動機本身出現報警，查詢具體報警代碼，冷卻液缺失即補充冷卻液至標定位置，機油壓力低即檢測機油是否在標定位置；根據天氣特殊情況需檢測冷卻液、燃油凝點，判斷冷卻液成固體現象，燃油結蠟現象，此時，打開加熱爐加熱，保證供油供水正常；手搖泵加壓無法加壓，檢查手搖泵后端管線是否出現破損或接觸不良的情況，及時更換管線檢查連接部位。

3.2.2 各泵無轉動反映

結構說明，如圖2：情況一，（變量泵）由控制室直接電信號到泵電磁閥塊上，變量泵改變斜盤擺角（以柱塞泵為例）改變流速作用在馬達上，馬達驅動連接到對應的泵上或執行器；情況二，（定量泵）由控制室直接電信號到比例閥塊上，定量泵持續輸出液壓油壓力，比例閥掌控液壓油開度驅動馬達，馬達驅動連接到對應的泵上或執行器；

問題分析：所有故障問題先分部分，以排出泵為例，先檢查有無電信號輸出，及可分為電器故障及機械故障，綠色為電器部分，黑色為機械部分，分析輸出電信號是電流信號還是電壓信號，進行對應檢查，若無電信號，即可從控制室類從電源出發到執行動作，逐個排查，也可用隔斷法，哪一部分輸出無問題，則對應以前的輸入則可隔斷。機械問題進行分部分，找特征，從動力源出發，發動機輸出是否正常？特征：響聲是否正常，其他系統有無異常；中間流程端，液壓泵是否有輸出？特征：管匯在持續泵油，管線是否存在溫度？壓力表是否有數值？聯軸器是否脫節？特征：馬達有轉動，排出泵無轉動，且有油壓，但油壓不高；排出泵是否卡死？特征：油壓表顯示偏高。

解決方案：若為電器故障，使用萬用表檢測放大器給出電流信號作用到泵的電磁閥閥塊（有時為定量泵，控制比例閥輸出）上信號是否存在作為隔斷，存在穩定及正常則控制電信號無問題。若測量無信號，先觀察放大器有無輸出指示燈，有輸出則說明由發大器到閥塊處出現短路，檢測通斷來判斷是閥塊出現損壞還是線路出現接觸不良，無指示燈則，則檢測是否放大器輸入電壓信號到位，判斷放大器是否損壞需更換、PLC 輸出電信號有無問題，檢測電線虛接或漏接情況，重新插拔，端子排斷路更換端子排。若電信號穩定正常，則從機械部分判斷，管線無主油壓，檢測泵上電磁閥是否出現卡死，檢測液壓油是否有雜質或乳化現象，及時更換液壓油，同時清理泵內渣質；檢測溢流閥是否值過小全部溢流，調節溢流閥；排出泵主油壓力小，檢查聯軸器是否出現脫落斷開現象以及所用梅花墊是否出現破損情況，更換軟墊；主油壓力大，若為需維護傳動軸連接，傳動軸及時添加黃油；檢查泵端是否存在異物卡死情況。

3.2.3 輸砂曲線波動大

結構說明：見圖3，由控制室直接電信號到泵電磁閥塊上，變量泵改變斜盤擺角改變流速作用在馬達上，馬達驅動使絞龍葉片旋轉，葉輪旋轉轉速反饋電信號給控制室；

問題分析：顯示現象為輸砂曲線波動大，也分為電器故障或機械故障，這個問題潛臺詞為電信號存在，在恒定輸出電信號的情況下，檢測實際電信號是否輸出穩定？速度傳感器檢測波動？特征：手測速度傳感器測得絞龍速度穩定（非車輛配備），速度傳感器脈沖波動巨大，檢測齒面上下震蕩。機械部分，仍從動力源出發，泵輸出液壓油是否不穩？特征：電信號穩定，油壓表波動，絞龍轉速不均勻；沖洗閥是否沖洗量過大？特征：電信號穩定，沖洗閥響聲巨大，油壓表波動，絞龍轉速不均勻；輸出端，絞龍轉速是否過小？特征：絞龍轉速不均，絞龍最小轉速一般在5 ～7r/min，在這個值或這個值以下時自動控制，會導致絞龍電信號介于死區和最小啟動值來回震蕩。

解決方案：電器故障，如上分析，電信號若不穩定，檢查放大器電流信號的不穩定是由放大器本身還是PLC給出電壓值出現不穩定，更換放大器或重新插拔電線出現虛接或漏接情況；轉速穩定，反饋轉速電信號波動，調節霍爾傳感器至齒盤的間距，檢測霍爾傳感器是否有效可使用改錐在霍爾傳感器表面來回晃動，脈沖是否正常，損壞則更換傳感器；手動測量絞龍轉速不穩定，檢查是否沖洗量過大，調節沖洗量，檢測液壓油是否油雜質或乳化現象，及時更換液壓油，檢測葉片處是否有異物，清理異物，馬達旋轉處黃油的加注。

3.3 常見故障及解決方案列表

列表1 僅做參考，學會故障判斷思路更有利于現場問題診斷。

表1

4 結語

（1）本文的方法已在西部鉆探、吐哈油田、大慶油田、大慶鉆探、川慶鉆探、川慶鉆探長慶井下等柴油驅動的國五、國六混砂車的現場故障排除中得到應用，較好地輔助現場人員對混砂車故障的判斷，并對非破壞性問題的迅速解決，培養了現場售后服務人員的判斷思維。

（2）本文的方法已用于廠內混砂車調試時出現問題故障的判斷和分析，快速解決了混砂設備廠內調試的常見問題。

（3）對故障共性點的闡述，可用于現柴油驅動混砂車的更新，避免故障的重復發生。