压裂混砂设备的故障判断分析

2023-10-07刘灿源任四武刘有平侯勇俊唐瑞欢马太清

中国设备工程 2023年18期

刘灿源，任四武，刘有平，侯勇俊，唐瑞欢，马太清

（1.四川宝石机械专用车有限公司，四川广汉 618300；2.中国石油集团西部钻探工程有限公司井下作业公司，新疆克拉玛依 834000；3.西南石油大学机电工程学院，四川成都 610500；4.川庆钻探工程有限公司设备处，四川成都 610051）

1 前言

水力压裂技术是油田增产、增效的有效手段，所使用的压裂成套设备由混砂设备、压裂泵组设备、管汇和仪表车组成。在施工中混砂设备的作用是根据施工要求将压裂液和支撑剂按照一定的比例混合，然后供给压裂泵组。长期以来，为保证混砂设备的可靠性，1 套压裂机组按照“一备一用”原则配置2 台单吸单排混砂车，但当主施工混砂车发生故障时，与另一台混砂车间切换操作复杂，安全隐患大；具备双吸双排功能的大排量混砂设备，较好地克服了配置2 台单吸单排混砂车的缺点，受到压裂施工单位的欢迎，1 套压裂机组配置1 台具有双吸双排功能的混砂设备已经成为标准配置，因此，混砂设备出现故障必须及时解决。刘玉明等对XC-HS60 混砂车输砂系统中出现的加砂过快、砂比高、输砂器绞龙轴卡阻、电磁换向阀电磁线圈烧蚀造成油路中断等常见故障及排出方法进行了分析。武文斌等对某型采用液压马达驱动风扇转动给液压系统散热的混砂车进行调试时，发现风扇和搅拌叶片同时动作时散热风扇转速会出现明显下降，使液压系统散热能力下降，油温升髙，并提出了排出方法。上述文献都仅是针对混砂设备的个别故障进行的研究和分析，而混砂设备的生产商在使用说明书中也难以全面系统地给出设备的可能故障及排除方法。本文针对现有典型的具有双吸双排功能的混砂设备，对其常见故障、产生原因和排除方法进行了较为详细的分析，对高效可靠地保障混砂设备的正常工作，顺利完成压裂作业具有较大的指导作用。

2 故障判断基础

在对混砂设备进行故障判断时，要熟悉混砂设备工作原理，这是对设备进行故障分析的基础。混砂设备的主要组成部分及工作原理如下。

2.1 动力系统

动力系统由油箱、发动机、分动箱、液压油泵、马达及执行元件组成，实现最终目的为各马达旋转及执行元件作业。

（1）发动机启动。先决条件为实现发动机启动旋转，总路线为两条（图1）：一是油箱提供油液，输入给发动机供油；二是控制室给出24V 电信号，继电器导通，电流通过点火器，点燃发动机油液产生。

图1 发动机启动的总路线

（2）吸入排出驱动原理。如图2 所示，发动机转动，驱动分动箱分配动力，分动箱驱动吸入排出两个闭式液压泵主轴转动，由控制室给出电信号控制电磁阀改变闭式泵斜盘摆角，改变排出泵液压油流量，驱动马达提供扭力及转速，排出吸入泵均为离心泵，其工作原理是利用涡轮旋转使得液体在离心泵壳体边缘，排出口形成压力，吸入口中心形成负压。

图2 吸入排出驱动原理

（3）输砂驱动原理（图3）。发动机转动，驱动分动箱分配动力，分动箱驱动左输砂右输砂两个闭式液压泵主轴转动，由控制室给出电信号控制电磁阀改变闭式泵斜盘摆角，改变输砂泵液压油流量及AB 口液压油流动方向，驱动马达提供扭力、转速及旋转方向。

图3 输砂驱动原理

（4）液添、干添驱动原理（图4）。发动机转动，驱动分动箱分配动力，分动箱驱动综合泵开式液压泵泵油，通过控制室给出电信号控制多路阀油液输出，从而驱动各马达转速及扭矩。

图4 液添、干添驱动原理

（5）绞龙举升分合驱动原理（图4）。发动机转动，驱动分动箱分配动力，分动箱驱动综合泵开式液压泵泵油，通过手摇杆控制多路阀油液输出，从而驱动缸体伸缩达到举升分合的目的。

（6）搅拌器驱动原理（图5）。发动机转动，驱动分动箱分配动力，分动箱驱动综合泵开式液压泵泵油，搅拌器阀块由控制室电信号控制开度，从而达到搅拌器转速控制。

图5 搅拌器驱动原理

（7）散热器驱动原理（图6）。发动机转动，驱动分动箱分配动力，分动箱驱动综合泵开式液压泵泵油，散热器阀块由控制室电信号控制开度，从而达到散热器转速控制，散热器增加了针型阀，主要目的是短接阀块的目的，当针型阀打开时，散热器进入强制冷却状态。

图6 散热器驱动原理

2.2 吸入排出系统

吸入排出系统由吸入管汇、排出管汇、吸入泵、排出泵、蝶阀组成，液体流动方式为4 种：（1）正吸正排，为正常工作；（2）反吸反排，用于因井场布置调换车头方向；（3）过罐不过罐，主要用于液体为酸化物质，防止溢罐；（4）内循环，正吸正排，反吸反排；过罐不过罐主要用于排量自检，排出管内空气。

吸入排出泵为主要工作元件，排出泵作业情况较吸入泵更恶劣，在高压大流量的工作情况（300kPa,12m³以上）叶轮磨损严重，会导致排出泵转速不变，排出压力下降。以某台混砂车为例，台上发动机转速满功率1800rpm，台下满功率1450rpm 时，排出泵电信号9V 输入（电位计满格），排出泵转速1400rpm，排出泵无流量时排出压力应达到600kPa 以上，排出流量为18m³/min，排出压力应达到300kPa 以上，此为出厂数据。现场工作累计流量10000m³后会出现磨损明显现象，20000m³时需更换排出泵（长期高压力施工，导致时间提前）。

2.3 混合系统

混合系统由混合罐、搅拌器、液位计、取样管、排空管组成。混合系统实现砂液一定比例进行搅拌，保证砂能在液内均匀分布，假若旋转不到位，砂液分离，易在管口处沉积，需要立即停工，停止加砂，加注顶替液。雷达液位计需预先设定好量程，液位由雷达液位计识别，随后由雷达液位计发送4 ～20mA 的电信号值，发给PLC处理，确定液位位置。

2.4 输砂系统

输砂系统由输砂绞龙和转速传感器组成。输砂系统主要是由绞龙在特定转速下向混合罐输砂，但是绞龙的输砂曲线，并不是线性的，而是呈阶梯状的，通过霍尔传感器给出的脉冲信号，除以齿数得出绞龙的旋转速度。

2.5 液添系统

液添系统由液添泵、管线、流量计。流量计主要分为质量流量计和电磁流量计，都是通过测流速计算流量但电磁流量计无法测量出不能导电的乳液；液体通过液添泵将液体流入流量计，流量计出来后，选择流向罐内及泵后（排出泵排出管线）。

2.6 干添系统

干添系统是由干添马达、干添绞龙、箱体、转速传感器构成。现场对干添的要求较小，保证最小转速能达到3 ～5rpm 即可，干添内不能将塑料口袋直接加注，会导致干添卡死。转速传感器由编码器或霍尔传感器组成，相对于编码器，霍尔传感器效果更佳，传输传速脉冲更准确，鉴于井场对干添要求程度，两种可任意选择。

2.7 气路系统

气路系统主要由发动机所带的打气泵、干燥器、储气瓶、气喇叭、调压阀、蝶阀执行器、多路阀。控制方式为：由打气泵设定压力（0.7 ～0.8MPa）往干燥器内持续加压，干燥器通向储气瓶，储气瓶安全阀一般为1MPa，储气瓶通过调压阀连接多路阀，多路阀由PLC 给出电信号，控制多路阀导通，控制蝶阀旋转方向及气喇叭开关。

2.8 电器系统

混砂车模拟量传感器包括压力传感器、吸入排出电磁流量计、阀位传感器液位传感器、温度传感器。混砂车转速传感器包括绞龙速度传感器、干添速度传感器、液添泵速度传感器、吸入排出泵传感器、搅拌传感器。

2.9 散热和加热系统

散热系统，主要由散热器对发动机缸高温缸套水、中冷水、液压油和燃油等进行冷却，其中各球阀手柄、波纹管连接处、液位显示管易出现漏水。加热系统是从发动机缸套水取液由加热炉加热联通燃油箱、空调、液压油箱。

3 故障判断过程

针对所有问题，都应该有个判断思路，从何处下手，从哪处观察，尤为重要，它能帮助我们在现场实际作业时节约时间，同时也能帮助分析问题更有准确性。

3.1 判断思路

所有的故障问题都可以简称为由动力源到执行器发生动作异常，所以我们需要在已有结构框架上考虑是哪部分出现脱节的情况。判断问题第一步通常为分解，把电信号和非电信号一侧分解，检测方法为，电信号有无输出，即可划分为电器故障或机械故障。遇见电器问题，判断方法同样如此，掌握从电源供电，控制器件，PLC处理，执行器整个流程追根溯源。相对机械故障，电器故障更为明了，因为电器所有的信号，都是可以观察，对应的信号检测方式，可通过万用表根据接线图查找即可。一旦出现机械故障，思路应该再把问题划分部分，隔断法是最好的，现象是有输入无输出，那就隔断良好部分前一侧。在分了部分后，通过现场不同故障的特征进行判断及通过这种问题在其他器件上会有什么反应。

3.2 常见故障判断过程

3.2.1 发动机无法启动

问题分析：在遇见发动机无法启动时，从发动机启动流程（图1），我们可将其分为电器部分及机械部分，优先检测电器是否有电信号过来保证动作源在发动机上有响应，达到分部分的目的，第二看特征，电信号有无在发动机上有作用，特征为听发动机有无声响，有声响说明电信号给到位，无声响检测电信号是否给到位。若为机械故障，从油路出发，油路供给正常吗？油箱为出发原始端，燃油是否燃尽？过程端，油箱至手摇泵是否存在断层现象？是否是空气过多导致？无法供油？特征：可利用燃油滤芯配备的手摇泵持续灌注燃油，如果一直压力可通过手摇泵阻碍程度，检测管汇密闭性。执行器端，发动机存在报警禁止启动，冷却液不足？特征：发动机墨菲表报警。

解决方案：若为电信号问题，从电源端排查，使用万用表检测电压信号，检测信号值是否出现，对应接口处进行测量，常见出现故障为继电器损坏、控制室电源开关损坏、电线接触不良；发动机本身出现报警，查询具体报警代码，冷却液缺失即补充冷却液至标定位置，机油压力低即检测机油是否在标定位置；根据天气特殊情况需检测冷却液、燃油凝点，判断冷却液成固体现象，燃油结蜡现象，此时，打开加热炉加热，保证供油供水正常；手摇泵加压无法加压，检查手摇泵后端管线是否出现破损或接触不良的情况，及时更换管线检查连接部位。

3.2.2 各泵无转动反映

结构说明，如图2：情况一，（变量泵）由控制室直接电信号到泵电磁阀块上，变量泵改变斜盘摆角（以柱塞泵为例）改变流速作用在马达上，马达驱动连接到对应的泵上或执行器；情况二，（定量泵）由控制室直接电信号到比例阀块上，定量泵持续输出液压油压力，比例阀掌控液压油开度驱动马达，马达驱动连接到对应的泵上或执行器；

问题分析：所有故障问题先分部分，以排出泵为例，先检查有无电信号输出，及可分为电器故障及机械故障，绿色为电器部分，黑色为机械部分，分析输出电信号是电流信号还是电压信号，进行对应检查，若无电信号，即可从控制室类从电源出发到执行动作，逐个排查，也可用隔断法，哪一部分输出无问题，则对应以前的输入则可隔断。机械问题进行分部分，找特征，从动力源出发，发动机输出是否正常？特征：响声是否正常，其他系统有无异常；中间流程端，液压泵是否有输出？特征：管汇在持续泵油，管线是否存在温度？压力表是否有数值？联轴器是否脱节？特征：马达有转动，排出泵无转动，且有油压，但油压不高；排出泵是否卡死？特征：油压表显示偏高。

解决方案：若为电器故障，使用万用表检测放大器给出电流信号作用到泵的电磁阀阀块（有时为定量泵，控制比例阀输出）上信号是否存在作为隔断，存在稳定及正常则控制电信号无问题。若测量无信号，先观察放大器有无输出指示灯，有输出则说明由发大器到阀块处出现短路，检测通断来判断是阀块出现损坏还是线路出现接触不良，无指示灯则，则检测是否放大器输入电压信号到位，判断放大器是否损坏需更换、PLC 输出电信号有无问题，检测电线虚接或漏接情况，重新插拔，端子排断路更换端子排。若电信号稳定正常，则从机械部分判断，管线无主油压，检测泵上电磁阀是否出现卡死，检测液压油是否有杂质或乳化现象，及时更换液压油，同时清理泵内渣质；检测溢流阀是否值过小全部溢流，调节溢流阀；排出泵主油压力小，检查联轴器是否出现脱落断开现象以及所用梅花垫是否出现破损情况，更换软垫；主油压力大，若为需维护传动轴连接，传动轴及时添加黄油；检查泵端是否存在异物卡死情况。

3.2.3 输砂曲线波动大

结构说明：见图3，由控制室直接电信号到泵电磁阀块上，变量泵改变斜盘摆角改变流速作用在马达上，马达驱动使绞龙叶片旋转，叶轮旋转转速反馈电信号给控制室；

问题分析：显示现象为输砂曲线波动大，也分为电器故障或机械故障，这个问题潜台词为电信号存在，在恒定输出电信号的情况下，检测实际电信号是否输出稳定？速度传感器检测波动？特征：手测速度传感器测得绞龙速度稳定（非车辆配备），速度传感器脉冲波动巨大，检测齿面上下震荡。机械部分，仍从动力源出发，泵输出液压油是否不稳？特征：电信号稳定，油压表波动，绞龙转速不均匀；冲洗阀是否冲洗量过大？特征：电信号稳定，冲洗阀响声巨大，油压表波动，绞龙转速不均匀；输出端，绞龙转速是否过小？特征：绞龙转速不均，绞龙最小转速一般在5 ～7r/min，在这个值或这个值以下时自动控制，会导致绞龙电信号介于死区和最小启动值来回震荡。

解决方案：电器故障，如上分析，电信号若不稳定，检查放大器电流信号的不稳定是由放大器本身还是PLC给出电压值出现不稳定，更换放大器或重新插拔电线出现虚接或漏接情况；转速稳定，反馈转速电信号波动，调节霍尔传感器至齿盘的间距，检测霍尔传感器是否有效可使用改锥在霍尔传感器表面来回晃动，脉冲是否正常，损坏则更换传感器；手动测量绞龙转速不稳定，检查是否冲洗量过大，调节冲洗量，检测液压油是否油杂质或乳化现象，及时更换液压油，检测叶片处是否有异物，清理异物，马达旋转处黄油的加注。