油田机械设备状态监测与故障诊断技术研究

刘鑫

（大庆油田装备制造集团采油制造分公司，黑龙江 大庆 163000）

随着科技的进步，油田机械设备的种类日益增多，从而使其拥有了先进的技术，但也具有了高温高压、链长面广、易燃易爆等特性，对油田生产的安全造成了极大的威胁。针对这些问题，要求各石油企业加大对机械设备的综合监测力度，使有关技术人员能够更好地了解和掌握机械的工作状况，并能及时地检测出机械的故障和安全隐患，针对具体的情况，采用相应的对策，把安全隐患扼杀在摇篮中，以减少机械设备在使用中出现的故障问题，并有效地降低机械设备的维护费用。

1 油田机械设备状态监测与故障诊断技术概述

油田机械设备的运行状况监测、设备运行状况的诊断、机械设备的故障预防与处理是油田机械设备状态监测与故障诊断技术的重要内容。其中，机械设备的状态监测是指在机械运转时，由专业测定仪器来检测机械的工作情况；而对机械设备的故障诊断，则是通过对机械测试结果进行细致的分析，从而判断机械设备的工作状态运行是否正常。与此同时，针对油田机械设备的故障进行相应的处理与防范，主要是针对所诊断出的故障，采取相应的对策，对出现的问题和故障进行及时的修正和预防。

正常情况下，机械设备的处理通常包括设备调整、更换和检修，而对机械设备故障的预防包括停机检修、机械设备运行的全方位监测等。

2 油田机械设备状态监测技术分析

2.1 振动监测技术

该技术采用专用仪器对油田机械设备的振动状态进行监测，并对其数据进行采集，从而判断出其运行状态是否正常。对机械设备振动进行监测，可以获得许多有关设备运行情况的数据。比如，钻井机械的钻头、支座、机械接头的监测，能获得最精确的数据。在振动监测技术中，最主要的监测指标就是振幅，振幅的物理表达可以分为三种：速度、位移、加速度，这三种物理量表示了振动的速率、振动的改变速度、振动的变化距离。在不同的频率和条件下，对机械设备的监测有明显的影响，在600r/min或低于600r/min时，可以认为是刚性失效，可采用位移监测；当机械转速为600～120000r/min时，可以认为是机械设备的疲劳失效，以速度监测为主；当机械转速超过120000r/min时，其监测的主要是惯性力失效，监测方向为加速度监测。

在不同状态下的监测，可以进行内况的分析，在进行内力分析时，采用振动监测技术有着得天独厚的优势。由于它所监测的数据与速率有关，因此，可以很轻易地利用速度对内力进行分析，从而判断机械设备的工作状况是否稳定。

2.2 噪声监测技术

噪声监测技术利用机械设备在运行过程中产生的声音信息，并对其进行分析，以判断其工作状态。根据不同的运行情况和差异性环境，对不同噪音监测状况也是不同的。如果将机械设备运输至试验室，利用精密仪器进行测试，得出的结果是最精确的。不过，通常情况下，都在工作环境中进行监测，在不影响周围环境时，可以采用常规声级测量仪，如果是在不确定的情况下，噪声干扰比较大，设备自身的噪声不稳定，则应使用积分式声级测试仪，对周边环境进行多次测试，保证测量的精确性。这种技术在在机械设备工作时会受到很大的扰动，因此，其准确率不高，但该技术易于使用，价格低廉。它可以用作日常监测和其他方法的补充。

2.3 声发射监测技术

声发射监测技术在机械设备中，如压力管线等机械设备的压力监测上有着很大优越性，它的作用是评估结构整体的完整性。国内各大石油企业及有关科研机构均采用了大量的声发射仪器进行实验。因此，声发射监测技术在油田应用中迅速发展。该技术在压力监测上有着巨大的优越性，可以精确地监测定位，并且因为企业和科研机构的大量投资，降低了监测的成本费用。此外，声发射监测技术的监测持续时间更短，不会对设备造成任何的干扰，可以将经济损失降到最低。

2.4 超声波监测技术

超声波监测技术在工业中的一个非常关键的用途就是超声探伤。这里所讨论的超声波监测技术主要集中在超声波测量上。在石油工业中，超声波测量有着广泛的运用。例如，油罐内的液面高度测量、钻井测量、井架厚度测量、流量检定等。由于该技术不会受到容器内部的水渍和污物的干扰，所以该测量方式具有快速、准确、体积小、重量轻等优点。与其他的液位测量技术相比，超声波液位技术具有许多优越性，既可以实现对液位的定点、持续监测，又可以为远程监测和远程控制等提供所需信号。超声波测量方法适用于高温、高压、防爆等特定环境中，由于其不会受到流体物理特性的干扰，因而对其自适应能力较强。

2.5 温度监测技术

温度监测技术平时也较为常见，一般温度监测技术都是用监测器触碰被监测物体，然后再用导线连接到计算机上，根据监测器系统的数据进行处理，但这样做的弊端也很大。即在大型机械中，因距离过长造成的信号较弱，会使得监测数据结果偏差较大。在某些封闭的环境下，是无法被监测的。但由于油田机械设备规模较大，采用常规的温度监测技术已不能满足要求。针对油田机械设备监测，采用无线温度监测仪，能够很好地处理以上问题。但其存在着一定缺点，因此，要在实践中进行多次测量以减小其误差。

3 油田机械设备故障诊断技术分析

3.1 油液分析技术

油液分离技术是一项综合技术。它不仅可以有效地监测设备的使用寿命，而且还可以维护设备，尤其是在油田钻井中对齿轮组等机械设备的故障诊断，具有很大的优越性。油液分析技术、磨粒自动判别技术以及基于油液监测的智能化诊断系统，是当前油液分离技术的重点。在线油液分离技术是一项长效的监测技术，每天都会对其进行数据的统计，如果发生了什么问题，就可以调取设备数据然后进行综合分析。磨粒自动判别技术在铁谱分析技术的基础上进一步优化和完善的，主要是根据对磨粒的特性进行统计分析，然后，通过对其进行特征的分析和计算，从而建立一个巨大的参数数据库，最终依据数据库中的新型与测量数据作比较，得出较为科学合理的诊断结果。

基于传统油液分离技术的智能化诊断系统，将现代的计算机技术与网络技术相结合，形成了全新的诊断技术。油液分离技术中的信息量很大，传统的油液分离技术根本不可能同时进行大量的数据分析，但是，通过智能诊断系统，可以对这些信息进行分析和处理，提高数据处理效率，完善故障诊断系统。

3.2 无损探伤技术

油田机械设备比较多，需要采用较为精确的监测手段，若采用常规监测手段会引起设备的损伤，一些部位容易发生破损，若冒然进行监测，容易引起二次损伤，从而造成严重的经济损失。因此，在这一部分监测中，采用无损探伤技术是非常有意义的，并且该技术在石油行业中也得到了广泛的应用。目前主流的无损检测方法有5种，与其他方法相比，准确率高，不会造成损害，使用方便，经济性比较好。

射线监测主要是对金属和金属内部进行监测，因为在锻造过程中，金属的表面会出现泡沫，或者出现一些不均匀的情况，在高负荷运转下，会出现金属疲劳导致机械故障。而且，这种情况常出现于金属内部，一般的方法是无法检测到的，但具有强穿透的射线监测却能起到很好的效果。除了对金属进行监测外，还可以利用射线监测一些因材料内部问题引起的非金属故障。

对于机械设备结构方面的监测，其受力较为复杂，常规的监测方法难以达到较好的监测效果，容易因为监测的不恰当出现机械故障，而且超声波监测适应各种频率下的反射情况，通过对机械的受力进行分析，既可以迅速地监测判断，又可以预防机械损坏。

由于钢材的微小表面损坏，可以采用磁粉监测，该技术是利用磁力和微量的磁粉，将金属的表层涂上磁粉，因其表层微小破损而产生了一定缺陷，因此，这部分的磁粉，会出现一些细微的变化，经过分析和计算，可以得到钢材表面的情况，这样不仅可以精确地监测钢材的状态，而且不会损坏其外表面。

对于非金属材质的微小破损，无法采用磁粉进行检测，因此，采用渗透技术，通过高渗透性的流体，在微小损伤触碰中渗入。利用监测设备检液体渗透性，从而得到相关数据进行分析判断，从而解决非金属材料表面破损监测问题。

涡流监测一种新型的检测手段，它采用了电磁技术，对金属构件的结构破坏进行检测。一般的金属内部结构损伤，不容易被发现，但在相同的电磁涡流状态下，它组织形态会有差异，所以涡流监测技术很轻易就能探测到这些隐藏的损伤。

3.3 无损检测技术的发展

随着科技进步，使无损检测技术得到了快速发展。射线检测技术已经得到了越来越广泛的应用，包括射线成像技术、自动缺陷识别技术、计算机辅助成像技术、射线实时成像技术以及射线断层扫描技术。随着超声波技术的发展，各类数字超声波探伤仪也得到了越来越广泛的应用。目前，各类检测系统已越来越多地被用于各个领域，包括TOFD超声检测系统、超声成像检测系统、相控阵超声检测系统等。

从现有检测技术及应用技术角度来看，主要集中在超声检测、超声成像、TOFD等方面；近年来，超声导波检测技术、相控阵超声检测技术以及激光超声检测技术已成为国内外学者关注的热点。多道超声探伤仪用于测量钢管和焊接设备的自动控制，目前，有500条管道，最大的取样速度可以达到240MHz。超声导波检测系统在具有绝缘材料的工质管线和地下管线的长期腐蚀缺陷的监测中有广泛的使用。在电磁检测领域，随着科技的飞速发展，传统的涡流式测量仪器都已全面数字化，研制开发了两种新装置：阵式探测器和多路探测器；在此基础上实现了将先进的电子技术与信息技术如数据的转化、分析等综合运用于一体。近年来，我国已出现了许多新的检测技术，如远场涡流、多频涡流、脉冲涡流、磁光、涡流成像等。脉动涡流检测技术在钢管绝缘和钢管防腐测试中也有广泛的应用，现在它能探测到150mm的厚度。利用毛细作用原理对非疏孔金属材料及非金属材料进行表面开口缺陷的无损探测，是生产过程中的一个重要环节。

它因其独特的性质，在当今的各行各业都有广泛的运用，它是评价工程材料、零部件和产品完整性和连续性的一种手段，同时，也是实现节约原材料、改善工艺、增加劳动生产率的一种有效手段，是产品生产和维护的一个重要环节。

4 故障检测技术发展趋势分析

随着计算机技术的不断进步，石油企业的机械装备越来越精密、越来越复杂，对其运行状况的监测也越来越困难。因此，必须大力发展故障诊断技术，以达到全面、迅速、精确的诊断效果。

智能系统，智能控制技术在石油生产过程中的运用越来越普遍，尤其是在石油生产过程中，它的应用越来越广泛。通过多种传感器全面监测油田机械的工作状态，并对其工作状态进行分析，通过对一定的专业经验积累完成对事故的处理。

人工神经网络，它由海量的数据处理单位和各种非线性信息处理系统构成，其功能是将人体的神经结构化，进而将所储存的信息进行加工处理，完成油田机械设备的故障收集、问题的分析等，从而推动油田机械设备的智能监测。

5 结语

目前，随着我国的快速发展，国内对原油的需求量每年都在增长，这就使得油田的开采工作面临着巨大的挑战。由于油田开采过程中存在着大量的机械设备，所以必须对其进行有效的监测和诊断，定期地维修与保养，以保证其运行的稳定性。总之，为了确保油田生产的顺利进行，要对机械设备进行定期的检查，确保其在正常使用范围内。对油田机械设备运行过程中出现的问题要及时处理，为企业创造较高的经济利益。