1、注水系統振動監測及故障診斷技術在油田的應用一、注水系統振動監測技術的概述長期以來，油田注水系統運行的維護，主要是出人工巡冋檢查，依靠傳統的 聽、摸、看等簡單手段來判斷設備運行狀態的好壞，憑經驗來判斷設備故障。而 電機和系統的振動變化情況一般很難感覺出來，因此，經常出現各種故障（如注 水泵抱軸、傷軸、報廢、注水管線破裂等問題），常常處于被動的檢修狀態。這 樣，既不能保證故障檢測的準確性和檢修的及時性，給檢修工作帶來很大麻煩， 而且述因為部件變形或損壞難以保證檢修質量，經常出現二次檢修，給實際工作 帶來很人不便和較人的壓力，也對生產帶來嚴重的安全隱患。同時無形中對操作 人員的技能經驗提出了較高的要

2、求，增大了操作人員的勞動強度和對生產產生一 定的影響。因此，面對以上實際情況，能夠精確反映出注水系統的運行狀態，能將注水 系統的運行故障及時反映出來，能夠進行預知檢修，以免故障擴大，變以前被動 檢修為主動檢修，什么時候檢修和檢修什么，便于油田及時采取相應的措施。因此我們公司開發了注水系統振動監測及故障診斷系統，對注水系統的振動 情況進行在線監測，根據振動情況的變化，來判斷注水系統的運行狀況。通過在 采油三廠靖三聯的試運行，達到了預想的目的，試驗效果良好。二、系統振動原理在采油三廠的注水系統中，注水動力絕人部分是由喂水泵（人排量、低揚程 離心泵）和注水泵（高排量、高揚程柱塞泵）組成。注水系統的振

3、動是該系統內 能量轉換（注水泵將機械能轉換為水的動能）過程中的機械沖擊和流體在流動過 程屮產生脈動共同作用的結果。但由于系統在不同的運行時間和運行條件下，其 振動和噪聲都是通過相應的元部件或液壓工質產生激振，進一步傳遞到注水泵殼 體上。理論上講，只要得出各振動元件的傳遞特性，那么激振源信號引起的泵殼 振動特性就可以推導出來了，但是由于構成泵體的元部件多，且形狀各異，元件 作為彈性體，其振動特性復雜。要利用各元部件的振動特性，得出系統的振動規 律是非常困難的。該振動監測系統從振動源分析著手，尋求系統的振動原理，進 而為減小振動和減小因劇烈振動給生產帶來的負面影響。液壓泵是液壓系統的振動源，當液壓

4、泵發生故障時，其振動信號必定發生變化。 不同的故障和同一故障的不同階段，引起不同頻率段振動量的不同程度增加。注 水系統在高液壓作用下，個部件承受強大的動載荷以高值應力。隨著泵的高速運 動，這種強大的動載荷所產生的擾動成為周期性的激振力，因而激發出多種不同 形式的振動與沖擊。最終表現為泵殼的振動并輻射出噪聲。其主要原因有泵的流 量和壓力變化脈動引起的擾動。三、注水系統振動監測現場試驗2005年，針對采油三廠靖三聯對注系統振動大，導致注水泵檢修頻繁，管線 時常因振動而破裂等問題，我們公司開發了注水系統振動監測技術，對靖三聯注 水系統運行過程中的振動悄況進行監測，以注水泵振幅人小作為故障診斷的依據。

5、注水泵振動監測說明圖1#夢道監測內容：注水泵曲軸磨損、松動、變形或軸體出現裂紋 囂欝詈監測內容：(1)注水泵柱塞出現磨損、松動，楔的松動， 酬通道排液閥、進液閥的工作故障。(2)注水泵整體環境振動監測，由于泵體是振 動源，因此連接注水泵的進、出水管道會 因振動而出現裂紋甚至破裂。e-bofecliiioloqir1、系統原理振動監測系統對現場振動信號進行在線適時監測，泵的軸向轉速由電渦流傳 感器測量，泵出口壓力脈動由壓力傳感器測沱、泵殼體的振動由加速度計檢測。 振動傳感器準確可靠的將檢測到的各種振動信號快速傳遞到信號接收系統，接收 系統經過對接收到的信號進行幅值域、時域和頻域的多種分析處理，其

6、中，功率 譜、相關函數和傳遞函數等，都是以4或8為基的fft算法。為了減小fft算法 中的泄漏，有多種窗函數（矩形窗、三角窗、漢明窗、海寧窗、凱澤窗及切比雪 夫窗等）供需要加以選擇。經過系統自動分析轉換，現場儀表用振動變送器以振 動大小和對應的420ma標準工業信號，輸出運行設備的振動大小以及故障振動 的特點，以直觀的振動圖象輸出。該系統可由一臺pc （主機）與一臺或多臺振動監測儀通過rs485構成局域網方 式連接，構成振動監測自動顯示、分析、報警、故障告知和預檢點指示等綜合監 測系統。2、遠程監測、診斷整體結構框圖根據系統要實現的功能，實時遠程監測與診斷系統整體結構框圖如圖所示:注 水 泵、

7、 喂 水 泵、 髙 壓 閥 組 狀 態 參振動壓力過科杲振動壓力振動變送器> 壓力變送器流量流量過程量流:址變送器e信b3800顯a號示，傳報輸警，數 據 存 儲數據 處理顯示 分析 打印 報告1. 互聯網2. 企業局域網圖2： eb38oo遠程監測與診斷系統整體結構框圖12廠it an2t oil3 廠3t iflxl4廠< nn5廠st fflil6 r6# fflil7廠tfiliit8si r99 iflxfi9 rm通道10 r io# iiii11 r li#通道12 r 12# a®13 廠 13sis m廠1ui1道 150 廠 lsfifiji16 廠故

8、障時，i#泵數值波峰在靖三聯注水振動檢測過程中，在試運行的38天時間里，運用該原理，分別 檢測出注水泵進液閥故障、泵運行溫度過高和銅壓冒故障等預知性故障，共計預 知性檢修10余次，經現場證實，該系統能夠準確、及時的反映運行屮因振動而產 生的對系統運行產生的負效應。詳細監測效果如下圖表所示：表1 對i #注水泵監測情況及預處理結果序號監測到故障時 間監測內 容處理建議處理結果19月20日17:30:012#數值波峰超 過標準值現場檢查注水泵頭（柱 塞閥）更換進液閥檢修維 護后恢復正常29 刀 17 h21:36:593#數值波峰超 過標準值現場檢查注水泵頭（柱 塞閥）更換排液閥檢修維 護后恢復正

9、常注水系統產生故障時，監測到i#注水泵的波形圖為如下所示意:匚)育衆尢標p旻示標尺p »(asnf9廠 wim 廠2il道 p 3# ilia r 4# iixi r stiiii r 6# iiii 廠廠8io r 9# io < r 10# iflxfi r nt lixfi ： r 12#通這 o r 道 ：廠皿道 ；廠i湖1道r 1沁道青景網格光標 p顯示標尺 p數值跑隨故障時，i#泵數值波峰對ii #注水泵監測情況及預處理結果序號監測到故障時間監測內 容處理建議處理結果19h 17 h19:16:265#數值波峰超 過標準現場檢查注水泵 整體運行情況泵體溫度過高 暫停

10、運行，待 溫度卜降后即 可恢復運行9月17日22:25:166#數值波峰超 過標準9 月 17 口03:08:187#數值波峰超 過標準29 h 28 1=111:40:306#數值波峰超 過標準現場檢查注水泵 頭（柱塞閥）更換銅壓帽檢 修維護后恢復 正常39月24日16:27:107#數值波峰超 過標準現場檢查注水泵 頭（柱塞閥）更換進液閥檢 修維護后恢復 正常注水系統產生故障時，監測到ii#注水泵的波形圖為如卜所示意1 廠!通逼2 廠2f iis3 o r4 廠a jsj£5 ps#6 廠匕遇適t 廠to nate 超勢 8(2005-09-04 15)8:53 200510 1

11、3 10:13:37)8幽廠8#11山9 廠9#遇圧10 廠lofilx>n«r11*ibdl12 廠129ifi連t3o r13心|g廠14mlisiso rlsmliliso r «r pm8煙p顯示標尺p跑值跟腌5002qlfl1 or2 廠3 or6 ”« ar1» ilifl 2» all 3« i&ilst ilil“ ad “ iftilm ilil x aifi10 b r io« ais11 廠 ii# ilia12 r 12# ilifl130 r hfifijs nor m祖s isor

12、is確也160 r飆ori8 tcsp旻示標尺p數值恩ft!： 00ih(2oos-o9-4m isx)0:s3 2005 i0u3 10:13:37)1 r u aii2 廠 ail a r »5 r 5f ltd6 廠 m llilt p 7f all8 廠 8f lllfl9 r ilifl100 r 10t lldlhb r h aiinor!« r kmbji isor iwai iso r iwdji« oruilil2 or2am3 ora 11*< 廠<«iui5 bpm il>l« s2)6 bpm llil

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14、or luiti iso r i沁 « rwiow8竝p if.wrp1 or 1*nil2 廠 “3 or »ail < ar uiin5 廠 mllil6 廠 mflilt p tt iliio 38)8 廠 mibil9 廠 ailil10 r iot ah hb r nt iiii u r iw aii nor imtiii “o 廠i$o r isaui wo r i沁o” ofw ««p顯矛"尺->0s (200s-09-04 im*s3 2005-10*13 10:1x3"f »0dim曲線屮直觀的

15、顯示了注水泵監測點振動的波動速度，及振動能量在頻率區段 的分布情況。經過現場振動監測試驗，現場實現了成功的預警檢測，可以得出以下結論（也 是該監測系統能夠成功監測系統故障的原理）：1、由于功率譜線均為泵柱塞的基頻的諧波，且隨轉速的變化而發生偏移；2、隨著轉速的增加，振動的功率譜屮柱塞泵基頻高次諧波的能量變人；3、通過壓力與殼體振動關系試驗得到，柱塞泵売體振動的強度隨壓力升高而 加強，而加速度的功率譜線的能量分布不隨壓力變化而改變；4、通過轉速與売體振動關系試驗得到：泵柱塞的基頻諧波，且隨轉速的變化 而發生偏移。另外，隨著轉速的增加，振動的功率譜屮柱塞基頻高次諧波 的能量變人。3、注水系統管道破

16、裂原因分析在靖三聯注水系統管道系統中，管道集中的破裂位置是在喂水泵出口至注水 泵入口的一段管道。究其破裂原因分析，注水泵入口管道焊口破裂其直接原因是 管道振動過大，而管道振動的振動源來口注水泵，注水泵轉動時，將產生與該轉 速相關頻率的脈動，根據注水泵狀態監測系統實際檢測的數據，可以得到注水泵 振動幅值的大小，犬約在410 mm/s,以及與注水泵轉速相關的頻率為15hz 左右。這一振動將作用到入口、出口管道上。另外，由于活塞往復運行的結果， 使注水泵的入口、出口管道內的水呈現節律的流動，流體在遇到阻力（如：管道 彎頭、閥門、變徑管等）時，其一部分能量會轉換成管道脈動。當注水泵的負荷增大或出現故障

17、時，其振動幅值會明顯增人；其振動頻率也 會因注水泵轉速的變化而相應改變。當這一振動與某一段管道的固有頻率相同時，就將使管道的振動劇烈起來， 由于泵產生的產生振動和流體脈動的傳遞介質不同，其能量衰減幅度也不一樣， 當兩種振動能量衰減到某個位置，其振動頻率相同時，即產生共振，在管道最近 焊口出現裂恒或者導致管線破裂。對管道運行函數和變量參數進行傅立葉變換并求解，可以得出以下直觀解圖形:tll« k4m ” xav«m xax*vlllklet ii mmha »*4al f« qu3 k««a 4lai<t«litihc

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