油田采油机械设备状态监测及故障诊断技术分析

2023-01-02张军峰张跃文曹永

中国设备工程 2022年11期

张军峰，张跃文，曹永

（长庆油田分公司第七采油厂，陕西西安 710200）

随着油田开采量的增加，采油机械设备的需求量也不断加大，采油机械设备不仅要拥有先进的技术，还要使机器在运作过程中经受各种恶劣环境的考验，比如高温、高压、易燃易爆等。一旦发现机械有故障问题要马上进行处理，才能使采油机械设备的外在问题与隐藏问题得到预防与整治，节约大量在维修上的成本。

1 油田采油机械设备状态监测技术

1.1 监测噪声技术在采油机械设备中的应用

在采油机械设备中应用噪声监测技术，主要是通过采油机械设备运转时发出的声音来监测设备运行状态的一种方法，噪声监测技术将设备工作时所产生的声音汇总，然后进行个别分析，通过分析得到的数据情况来监测机械设备工作情况是否稳定、正常，噪声监测技术通常被应用在了通井机以及注水泵站高压电机等设备中，及时监测此类设备的运转情况，但是因为油田分布位置不均，所在地周围环境也不尽相同，噪声监测技术在实际应用中就要根据油田位置、周边环境作出相应调整，确保技术准确监测，例如，监测实验室中的采油机械设备，则使用精度极高的噪声监测设备，保证机械设备得到精准的监测，分析得出的数据结果误差小、准度高。而在较为安静，噪音较小，对监测设备影响基本没有的环境下，使用普通的声级器监测。现场环境恶劣、紊乱、极其不稳定的时候，监测设备采用升级版的积分声级器，用来对抗糟糕环境，准确对各项噪音数据进行监测分析，确保监测的质量，掌握机械运转状态。因为油田通常分布在荒无人烟的环境中，分布范围大、环境恶劣、声音环境不稳定、因此对声级器等监测设备的要求有所提高，升级器等监测设备要有多条处理数据信息的通道网络，并且多条通道网络处理装置的配比安排要完美合理。

1.2 监测振动技术在采油机械设备中的应用

振动监测技术是一种顺应时代发展所诞生的产物，是一种现代化技术，它的工作步骤是利用专业的监测设备对采油机器的振动频率或者振动幅度的数据进行收集分析，最终得出采油机器运转情况是否正常。振动监测技术是多数监测技术中，得到设备运转情况最多的一个监测技术，比如监测采油机器中的钻采机器，可以主要监测其钻头、钻身、轴承的连接处，得到真实准确的设备运转情况。能直观显示设备信息的一个振动监测技术因素就是振幅，在物理学上用三种物理量来定义振幅，分别为速度、位移以及加速度，这三个物理量转变为实际情况就是机器振动产生变化的速率、机器振动产生变化的物理距离以及机器振动产生变化的快慢，而在机器不同振动频率的情况下，监测这三种物理因素的侧重点也要有所改变，比如当机器处于小于等于600r/min的运转频率时，工作人员可以判定此时的状态为刚性破坏，要着重监测位移情况的变化，如果机器的运转频率大于600r/min小于120000r/min，工作人员可以判定此时为疲劳破坏程度，就要着重监测速度状态，如果机器的运转频率已经大于120000r/min，判定为惯性力破坏，监测方向要侧重于加速度的情况。

1.3 声发射监测技术在采油机械设备中的应用

在现如今我国应用的监测技术中，声发射技术应用广泛，声发射技术由于其技术特点，对于监测机器内部各处的压力情况有着天然优势，现如今相关研究部门和各大石油企业对购进大型声发射仪器并进行压力试验的准备工作尤其重视，我国在声发射技术上也取得了重大进步，因为企业和相关部门对于声发射技术的大力开发，声发射技术的监测成本随之下降。而且在应用声发射技术对机器进行压力监测时所用的时间极短，对于机器运作的成本影响较小或基本没有，减少机器因监测产生的成本损耗，声发射技术被广泛应用到石油系统中监测管道、容器的压力情况等方面，声发射技术的合理运用，对石油系统中压力容器以及管道的爆炸事故进行有效预防和控制，保障压力容器与管道的正常稳定运行，所以在采油机器的实际工作中运用声发射技术，明显减少压力容器与管道发生事故的几率，保障石油产业的经济效益。

1.4 利用超声波监测技术在采油机械设备中的应用

超声波技术在工业发展过程中被应用到各个领域，其能弥补普通或者宏观的技术所涉及不到的领域的监测或治疗，在石油企业中，超声波技术被应用于测量油田内所有设备的长、宽、高和厚度等以及石油流量的检测。比如利用超声波技术测量油田内一个油罐液面的高度以及油田内井架的厚度或者油罐壁的厚度等。而且超声波技术具有快测速、占地体积小、高准度、轻便小巧的特征，利用超声波技术测量罐壁和井架等设备的厚度不会因为罐内积水或者油液结垢的改变而改变，而且利用超声波测量液位的技术相较于别的测量液位技术有更多优势，它不受机器客观因素的影响，能实现定位以及连续测量的要求，还可以进行远程遥控测量或者通过远程遥控提供所需的信息，在一些温度高、压力大、有爆炸隐患的环境下，超声波技术的优势就凸现出来，在这种特殊环境下，超声波技术能够游刃有余地开展工作，而且物理介质对超声波技术的影响甚微，适应性较强。

1.5 监测温度技术在采油机械设备中的应用

温度监测技术也是在采油机械设备中应用广泛的一种技术，温度监测技术的原理是指利用专业仪器设备去接触采油设备，触碰得到的温度通过导线传回计算机，计算机将这一温度信息运算为具体的数据信息，通过这些数据信息来分析机械设备的工作情况，这种方法虽然直观却也弊端明显，具体体现在如果监测大型的机械设备时，势必计算机的位置与设备的位置距离过远，温度信号在传递过程中会因为距离过远而产生逐级递减的效果，传递到计算机的温度信号会与仪器最开始检测的信息差距较大，检测结果误差明显。温度检测技术还有一个明显缺点就是无法在封闭的环境下进行监测。拿石油钻采机举例，石油钻采机是一种占地面积巨大，需要特殊施工环境的机械，传统的温度监测技术并不适合类似于石油钻采机的庞大设备，对其进行监测时应该摒弃传统的有线监测仪器，改用无线监测仪，由于无线监测仪并不利用导线来传递信息，所以能够在根本上解决因距离过远，信息误差传递的情况，但是在精准度上与传统监测技术在监测同等距离下的温度情况相比还是有一定差距，所以在测量时工作人员要进行反复测量，取平均值以减小误差。

2 采油机械设备故障诊断技术的发展情况

社会计算机信息技术不断创新发展，各种采油的机械设备也更加精确与复杂，工作人员监测油田的困难程度直线上升，为了全面准确检测采油机械设备，我国应该开发挖掘各种采油机械故障诊断技术，实现快速、准确诊断机器在运行过程中发生的各种故障。智能系统以及人工神经网络模式都是故障诊断技术的基础核心，将智能系统应用到采油的机器中，达到高效机械运行的目的，智能系统的实质就是利用计算机程序技术与传感器的相互配合，来达到检测机器设备的目的，并对检测结果做出分析，通过大量经验确定设备是否出现故障。人工神经网络模式由众多非线性的信息处理系统以及数据处理系统共同组成，通过模拟人体内神经元组合、工作的模式，对传递来的信息做整合处理，属于一种仿生技术，实现了将机械设备宏观的故障问题转变为微观的数据，智能化了检测过程。

3 采油机械设备故障诊断技术

3.1 油液分析技术在采油机械设备中的应用

油液分析技术又称油液分离技术，它并不是具体的某一种技术，而是一系列技术的综合，此类技术能对采油机械进行检测的同时对机器的保养修护也大有作用，以石油采钻机为例，油液分离技术对采钻机的变速设备、钻头、轴承以及齿轮等部分的检测效果明显。现有油液分离技术的核心热点分别为在线油液分析技术、油液监测智能诊断系统以及磨粒自动识别技术。在线油液分离技术是一种多功能检测技术，机械在不同状态下它呈现的功能也不同，在机械正常运转时就进行日常的数据信息统计，当机械发生故障时会自动调出以前统计过的数据信进行分析计算，分析机器故障的原因。而磨粒自动识别技术是在油液分析技术之上进行了创新和完善之后得到的技术产物，其工作原理是根据磨粒本身具备的独特特征来分类统计，对磨粒的特征进行计算分析，将运算结果进行汇总分析，构建完整复杂的数据库，最后通过比对数据库中传统与新型的数据对发生的故障做诊断，智能诊断系统是传统诊断系统和计算机信息技术融合的新型诊断系统，传统诊断系统无法处理油液分析技术的庞大数据信息，但是融合了计算机信息技术的智能诊断技术就能迅速、准确分析数据，从而做到快速判别故障并解决。

3.2 磁粉技术在采油机械设备中的应用

在采油机械的材料构成中，钢材是被应用最广泛的一种金属材料，所以要专门研究出一种检测钢材状态的技术，规避风险的发生。磁粉检测技术可以检测出钢材表面肉眼无法看见的损伤，避免由于材料缺陷导致的设备故障，磁粉检测技术的原理主要是通过磁场以及磁粉的体积优势，利用磁粉的磁性使其平铺在钢材表面，钢材表面若存在细小的瑕疵，磁粉就不能平稳的覆盖在钢材表面，从而分析计算出钢材表面的损伤情况，这种检测技术不仅对钢材表面状况准确检测，还不会破坏钢材表面结构。

3.3 涡流技术在采油机械设备中的应用

采油机械设备的组成包含各种各样的零件设备，零件设备状态正常对采油机器的正常运转至关重要，涡流检测技术就是针对机械表面的部件发明出的故障诊断技术，其利用电磁感应对部件进行检测，它通过对采油机械设备的导电部件产生的涡电流，分析涡电流的变化情况来诊断出采油机械发生的故障。这种诊断技术非常新颖，由于利用了一定的电磁原理，所以其适用的范围有局限性，只适用于金属材料的诊断检测。相较于传统的金属故障诊断技术，涡流技术诊断范围广，隐蔽的金属结构损伤通过所产生涡流状态的不同都轻而易举检测出来。

3.4 渗透技术在采油机械设备中的应用

与涡流技术相反，渗透诊断技术则专门为非金属材料表面或内部结构的细小瑕疵产生，渗透技术顾名思义，对采油机械的非金属结构部分利用渗透能力极强的液体进行渗透操作，其具体的操作步骤为：在非金属表面涂满渗透能力强的液体，使液体由于惯性流入机械设备表面的缝隙中，流入之后将非金属表面的剩余的液体清除，根据生物毛细管的原理，彻底吸出残留在缝隙中剩余的液体，通过检测仪器分析渗透数据找出机械设备非金属部分的故障所在。渗透诊断技术从根本上解决了非金属结构损伤的问题。

3.5 超声诊断技术在采油机械设备中的应用

由于采油机械设备的结构具有复杂的力学原理，对机械结构的受力情况检测就要更加细致、准确。传统的检测方法根本不具备深层检测受力结构的能力，还会因为检测方法应用不正确造成机器损坏，得不偿失。而超声诊断技术的原理是利用超声波打入机器设备的内部，通过观察超声波进入内部后所反射回来的频率来对机械设备内部受力情况做诊断，利用超声波技术能够迅速对机器内部的受力结构进行诊断，并且能避免外力检测对机器造成的损伤。

3.6 射线诊断技术在采油机械设备中的应用

射线诊断技术在诊断部位上相当于超声诊断技术与涡流诊断技术的综合体，它既可以应用于金属部件也可以应用于非金属部件，其在金属部件的诊断检测中应用更为广泛，金属部件在生产的过程中，由于工人失误操作或者金属材料选择不正确，使金属部件锻造不均匀或者表面产生小气泡，这种质量较差的金属部件在高温高压的环境下受到的力不均匀会使金属部件结构发生变化，容易造成机器事故的发生，因为受力导致的机器故障基本都发生在机器设备的内部，传统的诊断方法无法到达，所以开发出了射线检测这一新兴技术，其因为具有超强穿透能力能够深入到机器内部检测其状态的明显优势而崭露头角。