0引言
钻井泵是油田重要的钻井循环设备，由于钻井过程中工况恶劣，钻井泵经常会出现液力端或动力端故障，影响整个钻井作业。钻井泵上零部件很多，出现故障的类型也呈多样化和复杂化［1］，当前对钻井泵故障的诊断主要靠工程师的观测与经验判断，很难及时准确地预测钻井泵存在的风险，发生故障时，往往也难以准确判断故障的类型与位置，这导致泵的工作效率低下，严重影响了钻井作业。随着随钻测量技术、粗糙集理论等的发展，对钻井泵的故障监测与诊断，亟需从简单的人工监测参数曲线和超阈值检测等方式转移到信号处理等更为先进的方式［2-4］。振动诊断技术通过监测机械设备运行过程中的振动信号来判断设备故障，是一种先进的诊断方法，本文探讨了其在钻井泵中的应用。
1钻井泵故障分析
了解钻井泵的结构，对常见故障与产生原因进行分析和总结，这对确定传感器的合理安装位置、做好故障监测与诊断都有重要意义。钻井泵的结构主要分液力端、动力端，本节分析了不同部位产生故障的情况。
1.1液力端常见故障分析
液力端中易损件有：吸入、排出阀，密封高压泥浆的钢圈、橡胶垫和O形圈、虹套及活塞总成。在钻井泵运转时，由于冲击和阀隙液体的高速反向流会对阀体或阀座造成冲蚀磨损；密封圈受到高压泥浆的磨损可能会出现密封不严的情况；活塞在虹套内做往复运动，受摩擦力和冲击力的作用较大，且不容易散热，易造成磨损。
1.2动力端常见故障分析
钻井泵的动力端主要包括主螺栓、轴承、齿轮、十字头总成等。主螺栓和轴承承受了交变应力的作用，会因应力集中出现材料疲劳的破坏；大小齿轮是钻井泵动力输出的核心部件，在重载、高温、润滑失效等情况下，齿轮齿面出现胶合现象，引起齿面磨损，接触点的应力呈脉动循环变化，进而产生细小的疲劳裂纹，形成点蚀或变形；十字头与导板直接接触，受到的摩擦力较大，若有杂质混入，极易造成十字头与导板面磨损。
1.3故障分级
根据故障的严重程度，将故障分为两个等级，再制定出相应的检修方案。Ⅰ类故障是指故障非常严重，必须停产维修的，主要包括：主螺栓断裂；吸入、排出阀弹簧断裂；阀座与阀箱间刺漏；杂物卡住吸入或排除阀；大齿轮或传动齿轮轮齿断裂；轴承、轴承圈和滚柱断裂；十字头与导板间隙大于设计允许值等。II类故障是指轻微故障，可以使用一段时间后再维修的，主要有：齿轮明显磨损变形；轴承磨损间隙增大；阀体和阀座明显磨损；活塞严重偏磨虹套；十字头与导板磨损间隙明显增大等。
2振动诊断技术的应用步骤
2.1振动诊断技术
机械设备在运行时一定会产生振动信号，正常工作时振动的频域和时域都在一定范围内，特征值具有一定的规律，如果设备存在隐患或者已经出现故障，其振动信号就出现异常，通过监测设备的振动信号，根据波形分析法或者频谱分析法来判断其故障隐患和类型，从而制定出合理的检修方案，这就是振动诊断技术。该技术可以实现对设备的在线监测和实时诊断，是具有综合性、智能性的先进故障诊断技术［5-6］。
2.2诊断步骤
振动诊断技术在钻井泵故障诊断时，如图1所示，一般采取的步骤为：1）确定诊断范围，对钻井泵的各个零部件，特别是液力端和动力端容易出现故障的主要零部件的基本结构、工作原理、连接关系、运行特性、工艺参数等充分掌握；2）选择诊断方案，根据不同的诊断需要，可以制定出不同层次的诊断方案，如简易诊断，主要是采用振动计、振动测量仪等仪器，采用有量纲幅域参数、无量纲幅域参数或者振动趋势等方法，而精密振动诊断，则是采用振动信号分析仪和离线监测与巡检系统，采用时域分析或频域分析的方法；3）安装测量仪器，在确定诊断方案后选用相应测量仪器安装在钻井泵需要监测的零部件上，应确保测量位置的合理性，并检查其是否能正常运行；4）对测量数据进行判断，通常采用标准识别法或者图像识别法对设备的振动状态进行判断，标准识别法主要是将幅域参数、g/SE值、冲击脉冲值等，与绝对标准、相对标准、类比标准等进行对比，图像识别法则是将测量的频谱（或波形）与同一工况下标准模式进行对比；5）作出判断决策，通过对运行参数的识别，对钻井泵的运行状态做出判断，并给出相应的处理意见，如果钻井泵存在的故障属于II类故障，可以进一步监测，使用一段时间后再进行维修；若属于Ⅰ类故障，则需要立即停机修理；6）事后检查验证，振动诊断后还要向具体的故障修理人员了解故障的详细情况，以验证诊断结果是否准确，从而能够不断改进诊断方法，使其更加准确。
3故障诊断实例
因钻井泵工作环境恶劣，齿轮是最重要的、也是最容易出现故障的零部件之一。本节以钻井泵中某齿轮为例，分析了振动诊断技术在其故障诊断中的应用。钻井泵动力端上某齿轮的参数为：电动机额定转速为500r/min，小齿轮齿数为40，大齿轮齿数为150。在其上面安装振动传感器，当电动机转速为180r/min时，测得大齿轮上的频谱如图2（a）所示，对频谱进一步细化得到图2（b）。根据齿轮的运行参数已知，齿轮的啮合频率为（180/60）×40=120Hz，大齿轮低速轴的频率为0.8Hz，但在测试点的频谱图1（a）上却没出现啮合频率的峰值，而是在183Hz处出现最大峰值；观察细化频谱图1（b）发现183Hz两侧有0.8Hz的边频带，而0.8Hz为低速轴的频率。为了查找出现183Hz的原因，将运行转速调至500r/min，发现频谱中仍有183Hz的峰值，这说明183Hz为大齿轮的固有频率，大齿轮因存在严重故障而出现的固有频率。停机检查发现，大齿轮有3个齿顶严重凸起，其他的齿面严重磨损，出现凸凹不平的现象，认为频谱中183Hz峰值是由其引起的。更换大齿轮后，再检测时频谱中异常峰值消失。这则实例说明，故障的实际情况与振动诊断结论具有一致性，振动诊断技术准确性较好。
4结语
作为油田钻井开发过程不可或缺的一部分，钻井泵起着举足轻重的作用，而钻井泵故障严重影响着生产效率和经济效益。随着测量技术、粗糙集理论及信息技术等的进步，振动诊断获得了快速的发展。将振动诊断技术应用在钻井泵故障的诊断中，能够对钻井泵的运行状态进行监测，可以实时判断设备运行是否存在异常，对其故障隐患进行早期预报，从而减少或避免事故的发生；当故障出现时，采用振动诊断技术也能判断故障的类型和位置，从而使维修人员能够有针对性地修理故障，使钻井泵能尽快恢复生产。振动诊断技术能够提高钻井泵故障诊断的自动化和智能化程度，具有高效、及时、准确等优点，具有一定的实际工程价值。
作者：李大双 单位：西部钻探吐哈钻井公司