柱塞泵润滑油乳化监测装置的设计与应用

高亚宁，王军锋，王 丽

（中国石油集团川庆钻探工程有限公司长庆固井公司，陕西西安 710018）

1 研发背景

目前，固井车辆柱塞泵润滑油采用按期换油方式，无有效手段对油液进行实时监测，润滑油的更换存在过保或提早保养的现象，润滑效果较差。机械设备由于循环油系统泄漏、密封元件损坏，引起外部水渗入液压和润滑系统是经常发生的故障。冷却水一旦进入润滑油，会造成油品乳化变质，破坏正常的润滑，造成零部件异常磨损，导致设备事故发生。因此，在线监测润滑油中的含水率、黏度且能及时报警，对保证设备的可靠运转，延长使用寿命十分必要。

2 润滑油使用管理现状

随着润滑油统一管理及降本增效要求的实施，不同季节、不同车型使用不同品牌、型号的润滑油，已使润滑油采购、使用更加不便。成本支出大，降低了维护保养的及时性、高效性，间接影响生产组织。

目前国内各大钻探公司对固井设备润滑油的监测、预警装置或技术，尚未开展相应的研发，基本采取人工检查判断、定期维护保养的方式，预警自动化程度低，固井设备的技术难题尚未得到有效解决。

固井车辆发动机一般使用美孚超级黑霸王机油，由于部分维柴电喷发动机机油压力低，夏季使用昆仑CF15W/40 润滑油。平台柱塞泵使用85W/90 GL-5 齿轮油，冬季低温下柱塞泵润滑油黏度增大，润滑效果较差，润滑油的更换存在过保或提早保养现象，润滑油油质实时监测需要实现技术突破。

3 在线监测技术的发展与应用

3.1 在线监测技术发展趋势

（1）智能诊断。实时监测系统可以利用专家知识库、对所采集的数据进行智能诊断，能有效减少对专业技术人员的依赖，方便设备维护人员及时采取措施。更进一步，可以实现诊断专家知识库的自学习，在监测过程中，根据所监测的数据结果修正之前的判断依据，使监测系统诊断更加可靠。

（2）远程诊断。系统不能完全代替油液监测技术专家，但在无法单独解决润滑故障问题时，可通过远程诊断系统，将被监测设备的数据发送至远程故障诊断中心，由润滑故障诊断专家进行会诊解决。

（3）多手段融合。作为三大监测手段中的振动监测与参数监测已经实现了在线方式并获得了运用。在油液监测实现在线化后，使三大手段融合在同一套监控软件中，实现全面监测与综合故障诊断，提高设备的运行可靠性。

（4）远程监测。实现由多参数监测（黏度、水分、磨损、污染度、油温）→多检测点监测（单一企业的多个受控机组）→多手段融合（离线、在线、设备参数）→多行业专家网络中心组成的层级网络专家系统。

3.2 油液在线监测技术的应用

（1）实现润滑油油质和旋转机械磨损的实时在线监测，通过监测温度、电导率等参数的突然变化，实现机械故障的早期预警，有助于提升企业设备自动化管理水平。

（2）通过对润滑油含水率、黏度、密度等参数的实时连续监测，可实现对润滑油的健康评估，通过激励管理来延长润滑油的生命周期。

（3）节能、减排、降耗，降低维修、检测和劳动力成本。

（4）实现现场监测数据网络共享，为生产经营和管理者提供决策依据。

4 柱塞泵润滑油乳化监测装置的设计与研究

4.1 柱塞泵润滑油使用分析

85W-90 齿轮油乳化原因及监测参数的确定

（1）现场润滑油变质原因。①现场柱塞泵动力端润滑油往往由于外部水渗入，造成短时间内乳化，部件润滑效果不良；②柱塞泵动力端润滑油长期使用，润滑油黏度下降，达不到润滑效果。

（2）在用85W-90 齿轮油理化试验结果。100 ℃运动黏度16.87 mm2/s；40 ℃运动黏度220.4 mm2/s；水分为痕迹。

黏度判定标准：运动黏度（100 ℃）/（mm2/s）：13.5～24.0 为合格。

水分判定标准：车辆齿轮油国标规定≤0.03%为痕迹，≥1%为报废。

4.2 柱塞泵润滑油测量装置

研制柱塞泵润滑油水分、黏度传感器，根据85W-90 齿轮油特性参数，对传感器进行测试、标定。

水分传感器采用电容原理，传感器通过浸入油的方式，流通该区域的油品作为绝缘液体，电容值的改变同绝缘电场的介电常数成比例，介电常数值同油品中的水分值成比例，通过电容微信号处理技术以及标定数据库曲线，将测试的电容值转换成含水信号输出。

黏度传感器采用音叉谐振技术，浸泡于油中，安装在管路中时位置在管路拐角处，使油液流动方向平行于探头的水平方向。

4.3 智能传输模块

采集固井施工中柱塞泵润滑油监测装置检测到的数据，通过智能远程传输模块（RTU）处理采集的实时数据，在具备网络环境的前提下，通过4G 网络，将数据实时上传至数据中心服务器，数据帧传输频率可在后台自由设置。

4.4 系统平台润滑油监测模块

设计制作后台系统油液监测模块。电脑端软件可查看柱塞泵润滑油实时监测数据及历史数据；微信端实现数据查询及预警信息推送功能，方便日常数据查看及设备状态跟踪。

5 柱塞泵润滑油乳化监测装置的应用

5.1 现场应用

通过在两台水泥车上安装连接润滑油监测、传输装置，并维护回传数据（图1、图2），实现了对水泥车柱塞泵润滑油水分、黏度的实时监测。

5.2 经济效益

（1）应用柱塞泵润滑油监测装置后，各级管理、操作人员可实时查看柱塞泵润滑油水分、黏度及设备运转情况，为设备管理的提升提供了数据支撑，提高了管理效率。

图1 柱塞泵润滑油监测装置

图2 传输模块连接

（2）水泥车300 型柱塞泵每年大修费用平均在16 万元左右，不仅增加成本而且对后期的生产组织、安全管理工作影响较大。使用润滑油监测装置每套仅花费15 000 元，若将监控范围扩展到固井设备各个总成件（发动机、变扭器、柱塞泵、差速器等），利用物联网技术将事后维修模式转变为预防性维护，实时掌控设备状态，及时进行维保或维修，规避设备故障或设备事故的发生，大幅降低柱塞泵维修费用，达到既降本增效、又实现设备安全管理的效果。

6 结语

柱塞泵润滑油乳化监测装置的应用，是设备实现物联网远程状态监测的良好开端，不仅能提高设备完好率，而且能为设备的使用管理提供准确的数据支撑。进一步拓展物联网远程状态监控技术，还可以在现有基础上，从以下3 个方面进行持续改进：

（1）继续推广安装柱塞泵润滑油乳化监测装置。增加柱塞泵润滑油压力远程监测装置，安装柱塞泵振动传感器，深度分析数据，开展故障诊断，扩展应用范围。

（2）深度开发水泥车柱塞泵润滑油监测技术，不断完善软硬件功能，通过1～2 年的数据累计，形成柱塞泵润滑油管理数据库，打通润滑油使用管理和固井设备实现物联网管理模式的发展瓶颈。

（3）研究基于固井设备的物联网远程状态监控技术，对设备状态进行大数据分析，助推固井设备管理水平的提升。