基于润滑油分析的钻井泵故障监测与诊断.pdf

总第 1 5 3期 2 0 1 6年第 1 期 机械管理 开发 M ECHANI CAL M ANAGEM ENT AND DEVELOPMENT 测试 与诊 断 技术 T o t a l o f 1 5 3 No ． 1 2 0 1 6 基于润滑油分析的钻井泵故障监测与诊断 刘 健 炜 南阳理 工 学院 ，河 南南 阳4 7 3 0 0 4 摘要 采用润滑油分析技术对钻井泵故障进行检测与诊 断，为正常安全运作提供保障 ，是一种较为 可靠的方法。通过利用润滑油分析技术 中的具体方法，如红外光谱技术对钻井泵的使 用及损耗情 况进行故障监测和诊断，以有效避免井下作业事故的发生，提 高钻井泵的安全性能。 关键 词 钻 井泵 ；故 障监 测 ； 故 障诊 断 ；润 滑 油分析 中图分 类号 T P 3 0 6 文献标 识码 A 文章 编 号 1 0 0 3 ． 7 7 3 X 2 0 1 6 0 1 ． 0 0 6 1 ． 0 3 D oI 1 0 ． 1 6 5 2 5 ／ i ． c n k i ． C r l 1 4 。 1 1 3 4 ／ t h ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 2 0 引 言 钻井泵 的安全性 对工作 和生产 的安全性 有着 直接 的影 响 ， 因此 需 要在 安全 隐 患发 生前 就进 行 维修 ， 而动力端 的判 断较为容 易 ， 液 力端 由于结构 较 为复杂 ， 装 拆难 度 大 ， 所 以会 定期 进 行大 修 ， 成 本较 高。石油 的钻井 作业所需 要 的重要设备 就是 三缸单作 用 的往 复式 钻井 泵 ， 因为特 殊 的工作 条 件 ， 导致很多问题是润 滑引起 的 ， 一 些零部件 磨损 使得 润滑油携 带 了一 些重 要 的可 检测 信息 ， 对 这 些有用信 息进 行监 测 ， 为基 于润 滑油 的分 析 中对 钻井泵 的故 障进行 监 测 和诊 断提 供 了条件 ， 使 得 对设备 的维修 转变为事前预 报。 1 钻井泵和润滑作用 三缸单作用往 复式钻井泵 是 目前石 油地下钻 井作业 中最 为常用 的钻井泵 。它 由液力端 和动力 端两部分组成 。钻井 泵 以及钻 井液 固控 系统是 用 来给钻井作业 中钻井 液 的循 环提供 源动 力 的。钻 井整个过程 的血 液就是 钻井 液 ， 它 有携带 、 悬浮 岩 屑 ， 使钻头和钻具冷却并且润滑的作用 ， 还能对井底 进行清洗和 冲刷 ， 以便于钻进 ； 同时也能保护井壁 。 一 般钻井 泵故障主要发 生在易 为磨损 的接触 收 稿 日期 i 2 0 1 5 1 1 2 2 作者简介 刘 健 炜 1 9 9 2 一 ，男，四 川 成 都 人 ， 本科，毕业于南阳理工学院机械 学院测控技术与仪 器专业 。 面， 例如活塞杆 、 缸套 、 十字 头、 齿 轮 、 中间拉杆 等 ， 需要 添加 润 滑 油进 行 润 滑 。一 旦 润 滑效 果 不 理 想 ， 或者摩 擦 面磨 损严 重 ， 将会 导致 磨 损加 剧 ， 直 至设备 出现故障 问题 。钻 井泵 的润 滑油 中携 带着 很多与工作 状 态及 磨损 情况 相关 的信 息 ， 因 此对 润滑油进行分析就能判 断钻井泵 的运行是否 安全 可靠 。 2 润滑油分析与故 障检测与诊断 及时对故 障进 行检 测 与排 除 ， 对 安全 生 产及 工作有很大 的意义 。对钻 井泵故 障诊 断有两 大 主 要技术 润 滑 油 监 测诊 断技 术 和 振 动 诊 断 技 术 。 前者不仅仅 对 检测 设备 是否 出现 故 障有作 用 ， 还 能及 时发现润滑油是 否变质 ， 以便及 时更换 ， 延缓 设备衰老 时 间。与振 动诊 断技 术相 比， 对 于 一些 设备早期 的故 障诊 断效果更好 。该 分析方法 监测 的主要是设 备 的润 滑 系统 和液压 系统 ， 检 测 与诊 断的信息主要是 因磨 损进入 到润滑油 中的微 粒 和 空气或其他污染源带来 的污染物颗粒 。 理化指标分析和磨损 微粒分 析这两种 分析发 现是现在较 为普遍 应用 的润 滑油监测 技术 。理化 指标分析是通过对 润滑油 的理化性能指标 加 以分 析 ， 判断成分是否变质或 衰败 ， 进 而对设备 的润滑 状态和 因润滑 引起 的磨损 情 况进 行判 断_ 1 ； 而磨 损微粒分析是通过红外 光谱分 析 、 颗粒 计数技 术 、 铁谱分析技 术 、 原 子光谱 技术 等对 润 滑油 中夹 杂 的微粒形态 、 大小 、 数 目、 颜 色 等参 量进 行 检测 和 6 2 机械管理开发 j x g l Mb j b 1 2 6 ． c o m 分析 ， 诊断设备的运行情 况 ， 保 证润滑油 能及时更 换 ， 延长设备寿命 。通过实 验 已经证 明 ， 磨 损处 于 不同的时期 ， 其润滑油 中的磨粒有 不 同的特 征 ， 可 据此对钻井 泵故 障进行诊 断。本文 主要介 绍磨 损 微粒分析方 法 。 2 ． 1红外光谱技 术 红外光谱 技术 的测 试原理 是不 同物质有不 同 的特征吸收位峰值 、 数 目以及相对强度 ， 据此可以对 润滑油中的官能团进行检测 ， 以确 定它们的分子结 构。这种方法主要是对润滑油的性变、 劣化 、 污染等 做出高效 的准确定性 的分析 。这些变 化是化 学变 化 ， 不属于物理变化 ， 油 品中物质的分子结构发生了 变化 ， 理化分析无法对其进行判断 ， 但是利用红外光 谱就能较为直接和有效地对故障进行诊断 。 添加剂 在摩擦热 的作用 下会被 氧化 、 酸化 、 降 解 ， 进而生成氧化物 、 酸化物 、 硝化 物等 ， 设 备会 因 此被腐蚀 和堵塞 ； 设备 以外 的空气 中悬浮 的灰尘 、 砂石颗粒等 也会 进 入设 备 。润 滑油 也是 润 滑油 ， 油的氧化过程 较 为复 杂 ， 油 品成分 都很 有可 能 被 氧化 ， 所 以通过对氧化 物的变化趋 势进行检 测 ， 基 本就能满 足诊 断要求 。对其 分析有商业 化 的傅 里 叶变换 红外光 谱 ， 可 对上 述提 到 的氧化 物 的氧 化 值等进行 分析 ， 而取 代较 为复 杂且 繁琐 的理 化 分 析 。例如对 氧化 物 F e O。含 量多 的判 断 ， 可 诊 断 为泥浆 大量进入 ， 造成腐蚀 和切 削磨损 ， 磨 损状 况 严 重 ， 橡胶密封圈受损 。 2 ． 2 原子光谱技术 由于不 同原子 的电子运动状 态发生 改变 的时 候会发射 或者 吸 收特定 频 率 的电磁 光谱 ， 这 种 特 定 的频率 被称 作 特征频 率 ， 通 过检测 和 某一 特 征 频率相 同的光 子及 数 量 ， 即可 通过计 算 分析 得 到 对应元素 的含量 。这种 技术 主要 对油 品中金属 的 种类 以及 含量 进行 分析 ， 例 如 钙 、 钡 、 镁 等来 自于 油品中极压 或清净 分散剂 、 抗磨剂 ， 外界 污染物 所 携带 的钠 、 硅等 。由于燃油 的泄漏 ， 冷却水 渗入 或 者灰尘等掺 入也 是磨损来 源之一 。零部件 自身 表 面摩擦产 生 的铁 、 铝 、 铅 、 铬 等元 素数 量 也会 明显 增加 。所 以对 油 品中各 原子 进行 光谱 分 析 ， 并 依 靠相关的知识 与 经验 判 断其来 源 ， 可 以对故 障进 行较为全面的诊断 ] 。 第 3 1卷 虽然这种方法不需要对油样进行预处理 ， 但 是 适用范围是较小 的颗粒 ， 不能检测大于 1 0 1 T I 的磨 粒 ， 大尺寸误差较大 ， 所以这种方法一般是对设备的 正常磨损和初期较为轻微的磨损进行监测 的。 新润滑油 的金 属元 素 含量 是 一定 的 ， 一 旦油 品中的某些金属元素 数量发生 显著增加 就代表污 染或者磨 损 。例 如对齿 轮 的诊 断 ， 对 齿轮 失 效 的 标准定 义是 当齿轮 的磨损 间隙达 到 1 mm 时将齿 轮判定 为失效 ， 通 过对 润滑 油分 析对 齿 轮寿 命 的 诊 断经验显示 ， 磨 合期会有 少数磨合磨 粒 ， 少量 正 常磨粒是 寿命 的早 中期 ， 而 大量 的 磨粒 或者 氧化 铁磨粒是 寿命 晚期 ， 异常磨粒是失效期 。 2 ． 3 颗粒计数技术 当光路照射到油 品上的时候 ， 光 路会被 阻 隔 ， 光点接 收器上 接收 到光 电强 度变 化 ， 并 转化 成 电 压脉 冲信 号 ， 经过 不 同的脉 冲高 度 分析 器通 道 分 别记 录不 同大 小颗 粒通 过 的数量 ， 可 以用来 对 润 滑油 中不 同颗 粒尺 寸 的分 布进行 测 定 ， 并且 计 算 不 同分 布的颗 粒数 ， 通 过对 油液 进 行分 析 可 以对 油液 的颗 粒度 、 清 洁 度 、 污 染 物 等 进 行 监 测 和 分 析 ， 进而及时对润滑油 中的污染物进 行处 理 ， 并 且 能保证合 理 的补给 和更 换 ， 提高 设 备 的安全 性 和 可靠性 。但是 这种 方法 无法 检测 小 于 1 0 0 m 的 颗粒 ， 不能进行定性 分析 。 例 如对 十字头 寿命 的诊 断 ， 通过 对 单位 体 积 润滑 油 中 的 滑 动 磨 粒 的 平 均 数 量 进 行 判 断 ， 0个／ ml ， 代表 正常 磨 损 ， 磨 粒 的增 加 趋 势 较 为 稳 定 ， 是正常的工 作状 态 ； 0 ～ 1 0个／ ml ， 代表 正常 的 磨合期 ， 磨粒的增加 趋势处 于逐渐减 少 的状 态 ， 诊 断为正常 的工作状态 ； 1 ～3个／ ml 为轻微 磨损 ， 轻 度故 障； 4 ～1 0个／ ml 为 中度磨损 ， 中毒故 障 ； 大于 1 0个／ ml 为严重 磨损 ， 严重 故 障 ， 寿命 处 于 晚期 ， 将失效_ 3 ] 。 2 ． 4 铁谱分析技术 铁谱分析借 助 于磁 力 ， 可 分 离 出油 品 中 的金 属颗粒 ， 并 对这 些金 属颗 粒进 行 分析 。直读 铁谱 仪和分 析 铁 谱 仪 是现 在 应 用 较 为普 遍 的两 种 类 型 。分 析铁谱仪又可 以进一 步分为直线 式铁谱 仪 和旋转 式铁谱仪 。直 读式铁谱 仪 的判 断依据 是磨 损颗粒会 因沉淀 的位 置不 同 ， 分 为大 颗粒 和 小颗 2 0 1 6年第 1 期 刘健炜 基 于润滑油分析 的钻井泵故 障监测与诊 断 粒 ， 两种不 同颗 粒类 型 有不 同的读 数【 4 ] 。这 种分 析是没有 严格 的物理 含 义的 ， 但 是大 量 的实 验数 据拟合 出的趋 势能够对零件 的磨损变化 作 出较 为 形 象的反 映 。 分析铁谱要借助高倍的显微镜 ， 对检测 出的金 属颗粒的种类 、 大小 、 特点 以及数 目进行仔 细观察 ， 对机器的磨 损状态加 以分析 。但是 因为 对铁谱 进 行分析依靠 的是个 人经验 ， 所 以分析结果 的正确 性 跟个人经验有十分紧密的联系 ， 所 以该 技术并不十 分成熟 ， 需要进行进一 步推广 。这 种方 法检测的微 粒尺寸大小范围在 1 ～1 0 0 0 p ． m。 进行铁谱分析的磨损颗粒有粘着擦伤磨损颗 粒 、 疲劳磨损颗粒 、 切削磨 损颗粒 、 有 色金属 颗粒 、 污染杂质颗 粒 以及 腐蚀 磨损 颗粒 等 ， 正 是 因为 上 述 的磨损 颗粒有 不 同 的特 征 ， 所 以可对 不 同 的磨 损类型进行分辨 ， 并结合磨 损颗粒 的数 目的尺 寸 ， 可 以对钻井泵零部件 的诊 断更加准确[ 5 ] 。 2 ． 5 磁塞与磁探测技术 上 边 提 到 的技 术 很 多 对 较 大 的颗 粒 无 法 探 测 ， 这种磁塞 与磁 探 测技 术是 利用 金 属 的磁性 原 理对所截获 的尺寸较大 的金属磨 粒 的形状 、 数 量 、 大小进行分析， 判 断设备及零部件 的磨损状态。 该 技术可 以检 测 较 大颗 粒 ， 与之 前用 于检 测 较小 颗粒 的 方 法 可 以 形 成 互 补 。它 能 检 测 1 0 0～ 1 0 0 0“ m 的微粒 。 6 3 3 结 语 钻井泵作 为石 油 地下 钻井 作 业 的心 脏 ， 有着 不可取代 的作 用 ， 而很 多故 障都 是 因 为润滑 原 因 引起 的 ， 润滑油不仅可 以起到润 滑作用 ， 还保 留有 很 多有 用 的磨 损信 息 ， 所 以对 润滑 油进 行分 析 可 以对设 备的工作情 况 、 零 部件 的磨 损状况 、 钻井泵 的故 障诊断进行 较为全 面和可靠 的掌握 。基 于润 滑油的分析技术 对钻井泵进行 故障监测与诊 断的 发展还 处于 急需 完善 的 阶段 ， 综合 应 用各种 检 测 和诊断手 段就可 以使设备 工作情况 的监测 和故障 诊断更 为 可 靠 ， 提 高设 备 运 行 的 安 全 性 并 延 长 寿命 。 参考文献 裴峻峰 ， 姜雪丽 ， 朱 恩全 ． 保 证钻井泵 运行 可靠性 的有 效方法 润滑油分析 技术 E J 3 ． 石油 工业技 术监督 ， 2 0 0 7 1 0 4 3 4 6 ． 卢群辉 ， 韩蓓 蓓 ， 裴峻 峰 ， 等．基于润 滑油分 析 的钻井 泵故障监测与诊断 [ J ] ．煤矿机械 ， 2 0 0 8 1 2 2 1 6 2 1 8 ． 张英堂 ， 任 国全． 油液监测技术的现状与发展E J ] ． 润滑 与密封 ，2 0 0 0 2 6 5 6 6 ． 刘淑真 ， 付洪瑞． 油液监测技术及其方法I - J ] ． 机械工程 师 ，2 0 0 9 5 1 3 7 - 1 3 8 ． 王 志坚．铁谱 技 术在 内燃机 车 柴油 机监 测 中 的应用 E J - I ．内蒙古科技与经济 ， 2 0 0 5 4 4 4 4 5 ． 编辑 贾娟 Fa u l t S up e r v i s i o n a n d Di a g n o s e o n Dr i l l i n g Pu mp Ba s e d o n Lu br i c a t i n g Oi l Ana l y s i s Li u J i a n we i Na n y a n g I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y ,Na n y a n g H e n a n 4 7 3 0 0 4 I- Ab s t r a c t ] Th e l u b r i c a t i n g o i l a n a l y s i s t e c h n o l o g y f o r d r i l l i n g p u mp f a u l t d e t e c t i o n a n d d i a g n o s i s g u a r a n t e e s s a f e o p e r a t i o n a n d i t i s a r e l i a b l e me t h o d ． Us e t h e me t h o d i n t h e l u b r i c a t i n g o i l a n a l y s i s t e c h n o l o g y ，s u c h a s i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y f o r t h e u s a g e o f t h e d r i l l i n g p u mp a n d l o s s o f f a u l t mo n i t o r i n g a n d d i a g n o s i s i n o r d e r t O e f f e c t i v e l y a v o i d a c c i d e n t s o f u n d e r g r o u n d wo r k a n d t o i mp r o v e t h e s a f e t y p e r f o r ma n c e o f t h e d r i l l i n g p u m p ． E K o y wo r d s ] d r i l l i n g p u mp ； f a u l t s u p e r v i s i o n ；d i a g n o s e ； l u b r i c a t i n g o i l ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 [ [ [ [ [