压裂机组故障模式分析及诊断技术

张 健，万 夫，蔡科涛，赵振林，张俊玲

（1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川广汉 618300；2.中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻井液技术服务公司，四川成都 610066；3.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249）

0 引言

水力压裂是石油天然气生产过程中主要的增产技术，而压裂机组作为水力压裂的核心设备，降低其故障率，保证其平稳运行，在石油天然气生产过程中显得尤为重要。一旦压裂机组发生故障，轻则导致计划外停机，影响正常生产，重则导致重大安全事故，对生产人员的生命安全与财产安全造成严重威胁，给企业及社会造成巨大的经济损失。

通过对设备进行状态监测与故障诊断，可充分了解设备的运行状态与功能特性，基于此可建立故障诊断专家系统。目前石化行业主要通过耳听、手摸、测量振动值等方式进行压裂机组的故障诊断，这些方法具有较强的主观性，无法准确有效预测和诊断压裂机组存在的故障。而在设备维修方面，主要采取事后维修的手段，造成了维修过剩或维修不足的问题，进一步导致盲目维修甚至压裂机组损坏，造成有形或无形的损失。因此，从降低维修费用、保证平稳生产和提高企业的设备管理水平方面考虑，对压裂机组实行有效的故障分析与诊断非常必要。

1 压裂机组故障模式与信号监测

要对压裂机组进行故障诊断，首先需要了解其故障模式与症状。压裂机组由柴油发动机、传动齿轮箱、压裂泵等3 大部件及其辅助系统组成。不同型号的同类设备，因其存在机理及结构上的差异，发生故障时的表现不尽相同。振动与温度信号是当前压裂机组状态监测和故障诊断的主要信号源，通过分析传感器获取的监测数据，针对压裂机组的柴油发动机、齿轮箱、压裂泵及其他部件的具体情况分别进行故障模式分析，从而及时、准确地反映压裂机组的运行状态。

1.1 柴油发动机

发动机是压裂机组的动力机，其主要由配气机构、曲柄连杆机构、燃油供给系统和冷却系统等组成。

（1）配气机构。配气机构的工作状态直接影响发动机的运行可靠性。配气机构的主要故障为气门间隙故障，其诊断一般是利用缸盖振动信号。当气门漏气时，在气缸内，燃烧阶段的高压高速气体流过漏气的狭缝对气缸产生冲击激振力。它是在一定频带范围内的激振力，其大小与气缸压力和漏气程度有关。激振力的变化将引起气缸盖表面振动响应信号的变化。获得漏气激振的故障信息，就可以对气门进行故障诊断。

（2）曲柄连杆机构。曲柄连杆机构的典型故障为活塞—缸套故障。活塞—缸套的磨损状态可以利用发动机机身表面振动信号来诊断。通常情况下，在发动机发火顺序的上止点附近，撞击力最大。因此，活塞撞击能量最大的部位发生在发火后的主推力侧，随着间隙增大，振动响应峰值和均方值呈上升趋势。

（3）燃油供给系统。燃油供给系统的诊断参数主要有压力、流速等。当系统中的某个环节发生故障时，会导致系统的压力、燃油流速等参数的变化，这种变化会导致系统的压力与流速波形发生变化。当用传感器拾取信号时，通过对其波形的分析，即可达到对燃油系统的诊断目的。

（4）冷却系统。冷却系统的主要动设备为风扇液压马达，液压马达最常见的故障失效模式为马达输出轴断轴和轴套失效，由于分体轴承座的安装形式，导致液压马达的花键轴与马达轴不同心，轴套偏磨并滚键。其失效会造成系统温度异常升高，严重时可导致设备非计划停机。使用传感器实时测量轴套的振动、温度信号，对其进行时频分析，能够有效监测和诊断液压马达的运行状态。

1.2 齿轮传动箱

齿轮传动箱的主要作用是降低转速、增加转矩。它的种类繁多，型号各异，不同种类有不同的用途，其结构主要由传动齿轮、轴承机构、传动轴机构等组成。

（1）传动齿轮机构。传动齿轮机构常见的故障类型有断齿、齿面磨损和点蚀故障等。齿轮的断齿故障主要表现为产生幅值很大的振动冲击信号，频率等于断齿轴的转频。当齿面出现均匀磨损故障时，通常不会产生振动冲击信号，但现场齿轮箱由于环境条件等各种因素的影响，运行过程中通常会有冲击信号的产生。齿轮点蚀，是齿轮长期运转、工作后，齿面接触疲劳破坏，表面剥落，出现点状小坑。齿轮表面发生点蚀剥落的主要原因是齿轮接触疲劳强度不足。表现为冲击能量明显增加，振动强度逐渐增大。

（2）轴承机构。轴承故障作为常见的故障类型之一，当齿轮箱轴承出现故障时，滚动体在滚道中进行转动时，轴承会出现规律性的振动，能量较大时，会激励起轴承外圈固有频率，形成以轴承通过频率为调制频率、以轴承外圈固有频率为载波频率的固有频率调制振动现象。

（3）传动轴机构。齿轮箱内传动轴所产生的常见故障有轴不平衡与轴不对中两类。在齿轮轴上，轴不平衡故障的主要原因是轴的弯曲，轴弯曲变形将导致轴在旋转时呈现周期性的振动；轴不对中故障有平行不对中和角度不对中，主要表现在紧靠联轴器的轴承上。因此，可以通过检测轴承座上的振动信号进行故障识别。

1.3 压裂泵

压裂泵主要是将低压介质加压为工艺所需的高压介质。基本结构由泵阀机构、活塞连杆机构、缸套机构、十字头机构、管汇系统等组成。

（1）泵阀。压裂泵泵阀一般在十分恶劣的工况下使用，其主要运行在冲击条件下，加之受磨料磨损、冲蚀磨损和疲劳磨损的综合作用，使得其故障时有发生。尘粒进入泵阀后，与泵阀工作表面相互作用，在气流夹带及自身惯性的综合作用下碰撞壁面。

（2）活塞连杆。活塞长期工作在高温、高压、高速、腐蚀等工况下，由于受高压燃气和往复惯性力的综合作用，容易发生活塞环槽磨损、活塞裙部磨损、活塞销部磨损、活塞刮伤、顶部烧蚀等故障。

（3）缸套。压裂泵缸套的故障类型主要体现为缸套磨损，判断其磨损程度的主要依据是柱塞与缸壁之间间隙的大小，间隙越大，则磨损程度越高。此外，柱塞对缸壁的冲击力及产生的振动冲击响应也与间隙大小有关，间隙增大时，冲击力会增大，产生的振动冲击响应也会增加。

（4）十字头机构。十字头机构故障类型主要有十字头导板故障和十字头磨损两种。一是压裂泵十字头与导板发生摩擦失效的原因主要有：①摩擦副承载过大；②润滑不足；③摩擦副硬度和材质不匹配。压裂泵在重载下运行时，十字头与导流板之间的低强度润滑膜会被破坏，导致摩擦副之间发生干摩擦。当摩擦副所承受的压力载荷超过相对软导板材料的一定硬度值时，相对硬的十字头表面上的微凸体就会嵌入导板表面，造成导板被刮伤，最终导致零件失效。二是连接十字头与连杆的十字头销是主要的受力部件，也是最容易发生故障的零件之一，十字头销螺母经常松动，造成安全隐患，容易造成跳车事故，严重影响装置的稳定性。

（5）管汇系统。由于液体在管道中流动时容易吸入空气，导致管道异常振动，影响压裂泵正常工作，因此，通过在管汇处安装传感器，实时监测管道的液体温度及管道振动情况，能够及早发现管道内液体的异常，有效保证压裂泵的正常平稳运行。

1.4 故障模式库的建立

信号数据自动处理系统的开发是故障诊断工作能否持续进行的关键，压裂机组的故障模式库的建立是能够实现数据自动处理的前提。故障模式库即提前在库中以一定的数据结构储存设备的各种故障，当进行数据处理时，系统直接根据库中预先存储的故障模式自动调用要分析的数据，提取各类指标，并将提取的特征值存储在模式库中。其主要内容包括以下3 个：

（1）定性关系。即发生某个故障时，找到与该故障有关的因素，具体故障相对应的诊断参数或能够有效地诊断该故障的参数。

（2）逻辑关系。即故障影响因素和对应故障之间存在怎样的逻辑关系。

（3）定量值。即故障影响因素与对应故障之间相关的程度。

2 压裂机组故障诊断技术思路

2.1 典型故障的敏感特征提取技术

一方面，针对压裂机组的故障模式与运行状态制订故障监测方案，根据压裂机组的结构特点，确定所需监测的测点位置；另一方面，通过理论分析与实验筛选，研究压裂机组在振动时域、频域中的特性，提取出压裂机组典型故障的敏感特征，使其能对各类故障进行有效的识别、诊断，从而建立起压裂机组典型故障的特征体系。

2.2 故障知识库、标准库及动态更新技术

根据故障机理、故障模拟实验及故障敏感特征挖掘的结果，建立多源表征的压裂机组故障知识库，并根据压裂机组结构参数、运行参数进一步形成个性化诊断标准库；根据压裂机组运行时间和监测数据，实时更新标准，形成不断完善、动态更新的诊断标准库。

2.3 典型故障诊断及状态评价技术

（1）基于模糊贴近度的压裂机组典型故障诊断技术。提取数据库中原始振动数据，计算故障模式库中涉及的各种特征参数。针对不同的故障类型，将相应时域与频域特征值与诊断标准库中对应特征值进行模糊贴近度计算，根据贴近度值判断故障是否存在以及故障严重程度。

（2）基于模糊聚类的压裂机组状态评价技术。将计算获得的时域与频域振动特征值作为待识别样本，应用模糊聚类分析法，将压裂机组运行数据中的隐含模式提取出来，求取机器的各级（优、良、中、差）状态标准向量。将待识别样本与标准向量再聚类，即得到待识别样本的状态级别。获得的状态等级作为对压裂机组状态的综合评价，为技术人员制定维修保养提供依据。

3 认识与建议

（1）任何一种动设备的故障诊断技术，其故障模式及特征库的建立是关键且必要的。目前国内外相关研究机构建立了一些旋转式动设备（如电机）的故障特征值库，为旋转式动设备故障诊断技术的发展奠定了一定基础。而往复式动设备（如压裂机组）由于其结构复杂、能量传递路径多样，目前在该领域还未形成一套成熟可用的故障特征值库。因此，需要各研究机构及制造维修厂家通力配合，积极收集故障特征，并实现数据共享，才能加快往复式动设备故障诊断技术的发展与应用。

（2）获得较为准确的故障诊断结果，还需要一套性能良好的现场数据采集与传输系统，包括数采传感器、无线网关、服务器等，主要实现信号采集、传输和储存等功能。其中，现场数据采集器的布置与选型显得尤为重要。需要注意的问题有：根据具体压裂机型内部结构，寻找故障特征波传导的最近外露点；根据具体压裂机型外表面形状，选择合适的安装固定方式；根据压裂施工现场的机组布局和网络环境，选择合适的数据传输方式。