壓裂機組故障模式分析及診斷技術

張 健，萬 夫，蔡科濤，趙振林，張俊玲

（1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司安全環保質量監督檢測研究院，四川廣漢 618300；2.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術服務公司，四川成都 610066；3.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249）

0 引言

水力壓裂是石油天然氣生產過程中主要的增產技術，而壓裂機組作為水力壓裂的核心設備，降低其故障率，保證其平穩運行，在石油天然氣生產過程中顯得尤為重要。一旦壓裂機組發生故障，輕則導致計劃外停機，影響正常生產，重則導致重大安全事故，對生產人員的生命安全與財產安全造成嚴重威脅，給企業及社會造成巨大的經濟損失。

通過對設備進行狀態監測與故障診斷，可充分了解設備的運行狀態與功能特性，基于此可建立故障診斷專家系統。目前石化行業主要通過耳聽、手摸、測量振動值等方式進行壓裂機組的故障診斷，這些方法具有較強的主觀性，無法準確有效預測和診斷壓裂機組存在的故障。而在設備維修方面，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，進一步導致盲目維修甚至壓裂機組損壞，造成有形或無形的損失。因此，從降低維修費用、保證平穩生產和提高企業的設備管理水平方面考慮，對壓裂機組實行有效的故障分析與診斷非常必要。

1 壓裂機組故障模式與信號監測

要對壓裂機組進行故障診斷，首先需要了解其故障模式與癥狀。壓裂機組由柴油發動機、傳動齒輪箱、壓裂泵等3 大部件及其輔助系統組成。不同型號的同類設備，因其存在機理及結構上的差異，發生故障時的表現不盡相同。振動與溫度信號是當前壓裂機組狀態監測和故障診斷的主要信號源，通過分析傳感器獲取的監測數據，針對壓裂機組的柴油發動機、齒輪箱、壓裂泵及其他部件的具體情況分別進行故障模式分析，從而及時、準確地反映壓裂機組的運行狀態。

1.1 柴油發動機

發動機是壓裂機組的動力機，其主要由配氣機構、曲柄連桿機構、燃油供給系統和冷卻系統等組成。

（1）配氣機構。配氣機構的工作狀態直接影響發動機的運行可靠性。配氣機構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。當氣門漏氣時，在氣缸內，燃燒階段的高壓高速氣體流過漏氣的狹縫對氣缸產生沖擊激振力。它是在一定頻帶范圍內的激振力，其大小與氣缸壓力和漏氣程度有關。激振力的變化將引起氣缸蓋表面振動響應信號的變化。獲得漏氣激振的故障信息，就可以對氣門進行故障診斷。

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

（3）燃油供給系統。燃油供給系統的診斷參數主要有壓力、流速等。當系統中的某個環節發生故障時，會導致系統的壓力、燃油流速等參數的變化，這種變化會導致系統的壓力與流速波形發生變化。當用傳感器拾取信號時，通過對其波形的分析，即可達到對燃油系統的診斷目的。

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

1.2 齒輪傳動箱

齒輪傳動箱的主要作用是降低轉速、增加轉矩。它的種類繁多，型號各異，不同種類有不同的用途，其結構主要由傳動齒輪、軸承機構、傳動軸機構等組成。

（1）傳動齒輪機構。傳動齒輪機構常見的故障類型有斷齒、齒面磨損和點蝕故障等。齒輪的斷齒故障主要表現為產生幅值很大的振動沖擊信號，頻率等于斷齒軸的轉頻。當齒面出現均勻磨損故障時，通常不會產生振動沖擊信號，但現場齒輪箱由于環境條件等各種因素的影響，運行過程中通常會有沖擊信號的產生。齒輪點蝕，是齒輪長期運轉、工作后，齒面接觸疲勞破壞，表面剝落，出現點狀小坑。齒輪表面發生點蝕剝落的主要原因是齒輪接觸疲勞強度不足。表現為沖擊能量明顯增加，振動強度逐漸增大。

（2）軸承機構。軸承故障作為常見的故障類型之一，當齒輪箱軸承出現故障時，滾動體在滾道中進行轉動時，軸承會出現規律性的振動，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制頻率、以軸承外圈固有頻率為載波頻率的固有頻率調制振動現象。

（3）傳動軸機構。齒輪箱內傳動軸所產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，軸彎曲變形將導致軸在旋轉時呈現周期性的振動；軸不對中故障有平行不對中和角度不對中，主要表現在緊靠聯軸器的軸承上。因此，可以通過檢測軸承座上的振動信號進行故障識別。

1.3 壓裂泵

壓裂泵主要是將低壓介質加壓為工藝所需的高壓介質。基本結構由泵閥機構、活塞連桿機構、缸套機構、十字頭機構、管匯系統等組成。

（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，使得其故障時有發生。塵粒進入泵閥后，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。活塞長期工作在高溫、高壓、高速、腐蝕等工況下，由于受高壓燃氣和往復慣性力的綜合作用，容易發生活塞環槽磨損、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為缸套磨損，判斷其磨損程度的主要依據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生的振動沖擊響應也與間隙大小有關，間隙增大時，沖擊力會增大，產生的振動沖擊響應也會增加。

（4）十字頭機構。十字頭機構故障類型主要有十字頭導板故障和十字頭磨損兩種。一是壓裂泵十字頭與導板發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摩擦副硬度和材質不匹配。壓裂泵在重載下運行時，十字頭與導流板之間的低強度潤滑膜會被破壞，導致摩擦副之間發生干摩擦。當摩擦副所承受的壓力載荷超過相對軟導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板表面，造成導板被刮傷，最終導致零件失效。二是連接十字頭與連桿的十字頭銷是主要的受力部件，也是最容易發生故障的零件之一，十字頭銷螺母經常松動，造成安全隱患，容易造成跳車事故，嚴重影響裝置的穩定性。

（5）管匯系統。由于液體在管道中流動時容易吸入空氣，導致管道異常振動，影響壓裂泵正常工作，因此，通過在管匯處安裝傳感器，實時監測管道的液體溫度及管道振動情況，能夠及早發現管道內液體的異常，有效保證壓裂泵的正常平穩運行。

1.4 故障模式庫的建立

信號數據自動處理系統的開發是故障診斷工作能否持續進行的關鍵，壓裂機組的故障模式庫的建立是能夠實現數據自動處理的前提。故障模式庫即提前在庫中以一定的數據結構儲存設備的各種故障，當進行數據處理時，系統直接根據庫中預先存儲的故障模式自動調用要分析的數據，提取各類指標，并將提取的特征值存儲在模式庫中。其主要內容包括以下3 個：

（1）定性關系。即發生某個故障時，找到與該故障有關的因素，具體故障相對應的診斷參數或能夠有效地診斷該故障的參數。

（2）邏輯關系。即故障影響因素和對應故障之間存在怎樣的邏輯關系。

（3）定量值。即故障影響因素與對應故障之間相關的程度。

2 壓裂機組故障診斷技術思路

2.1 典型故障的敏感特征提取技術

一方面，針對壓裂機組的故障模式與運行狀態制訂故障監測方案，根據壓裂機組的結構特點，確定所需監測的測點位置；另一方面，通過理論分析與實驗篩選，研究壓裂機組在振動時域、頻域中的特性，提取出壓裂機組典型故障的敏感特征，使其能對各類故障進行有效的識別、診斷，從而建立起壓裂機組典型故障的特征體系。

2.2 故障知識庫、標準庫及動態更新技術

根據故障機理、故障模擬實驗及故障敏感特征挖掘的結果，建立多源表征的壓裂機組故障知識庫，并根據壓裂機組結構參數、運行參數進一步形成個性化診斷標準庫；根據壓裂機組運行時間和監測數據，實時更新標準，形成不斷完善、動態更新的診斷標準庫。

2.3 典型故障診斷及狀態評價技術

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

（2）基于模糊聚類的壓裂機組狀態評價技術。將計算獲得的時域與頻域振動特征值作為待識別樣本，應用模糊聚類分析法，將壓裂機組運行數據中的隱含模式提取出來，求取機器的各級（優、良、中、差）狀態標準向量。將待識別樣本與標準向量再聚類，即得到待識別樣本的狀態級別。獲得的狀態等級作為對壓裂機組狀態的綜合評價，為技術人員制定維修保養提供依據。

3 認識與建議

（1）任何一種動設備的故障診斷技術，其故障模式及特征庫的建立是關鍵且必要的。目前國內外相關研究機構建立了一些旋轉式動設備（如電機）的故障特征值庫，為旋轉式動設備故障診斷技術的發展奠定了一定基礎。而往復式動設備（如壓裂機組）由于其結構復雜、能量傳遞路徑多樣，目前在該領域還未形成一套成熟可用的故障特征值庫。因此，需要各研究機構及制造維修廠家通力配合，積極收集故障特征，并實現數據共享，才能加快往復式動設備故障診斷技術的發展與應用。

（2）獲得較為準確的故障診斷結果，還需要一套性能良好的現場數據采集與傳輸系統，包括數采傳感器、無線網關、服務器等，主要實現信號采集、傳輸和儲存等功能。其中，現場數據采集器的布置與選型顯得尤為重要。需要注意的問題有：根據具體壓裂機型內部結構，尋找故障特征波傳導的最近外露點；根據具體壓裂機型外表面形狀，選擇合適的安裝固定方式；根據壓裂施工現場的機組布局和網絡環境，選擇合適的數據傳輸方式。