李开连，郑生宏，雷长森，张 昊，雷 萤

（1.长庆油田分公司，西安710018；2.北京长森石油科技有限公司，北京100085）①

根据长庆油田近几年对往复式注水泵故障的统计分析，动力端故障约占80%，主要是曲轴拉伤或断裂、中间杆断裂、十字头抱死，曲轴轴瓦、十字头销套间隙超标等。液力端故障约占20%，主要是吸入阀和排出阀故障、泵头开裂等［1－2］。采用振动频谱分析法对泵的工作状态进行监测，很难提取故障特征信号。北京长森石油科技有限公司采用电参数法监测泵的工作状态，可以及时发现故障点，采取维修措施，避免造成重大损失。本文介绍了电参数法的理论基础和现场应用情况。

1 振动频谱分析法在往复式注水泵故障诊断的难点

往复式注水泵产生振动的原因有很多，并且各缸（件）之间的撞击和噪声相互干扰，如果采用常规的频谱分析手段，频谱图上将呈现连续而密集的宽带谱线，随机信号、周期信号、冲击信号等混杂在一起，故障特征信号被背景噪声所湮没，难以提取和识别。许多研究单位采用短时谱、小波变换、混沌理论、神经网络对往复设备的故障进行研究，分析者面对这些纷繁杂乱的谱图，陷入迷茫的境地，现场成功应用较少［3］。

2 电参曲线分析法的理论基础

往复泵的常见故障与缸内压力变化具有对应关系。缸内压力与功率存在等式关系，因此可以通过测试电机的功率曲线来得到缸内压力曲线，及时发现泵的故障。

电参曲线分析法就是通过测试注水泵功率曲线变化，监测往复泵各缸压力、曲轴扭矩、连杆（柱塞）受力等参数，设立警戒值来检测和定位阀门泄露、柱塞拉伤、系统超压、应力或功率超载等故障。该方法可以大幅提高注水泵利用率，避免注水泵严重故障的发生。采用电参曲线分析法的前提是完成往复注水泵的键相设置，在一个做功周期内使相应的事件准确对应起来。

对于往复式注水泵，柱塞位移与曲柄转角的关系式为

式中：S为柱塞位移；R为曲柄半径；α为曲柄转角；L为连杆长度。

对式（1）求导，可得柱塞的速度表达式

式中：v为柱塞的速度。

以五缸往复柱塞注水泵为例，各缸柱塞的位移曲线如图1，速度曲线如图2。

图2 五缸往复泵柱塞速度曲线

由图2知，柱塞的速度曲线有点类似于正弦曲线，但并不对称，以上半周为例，速度上升角大约占100°，下降角只占80°。每个柱塞在运行中都会对水加压并做功，做功的功率是在速度为正的半个冲程中进行的（速度为负时不做功，在图2中未画出）。每个柱塞的截面积A是相同的，如果每个柱塞的缸内压力p也是一致的，那么每个柱塞的功率曲线与速度曲线成正比关系。各缸之间只差72°相角，各缸的功率曲线以及总的功率曲线也类似图2的各缸速度曲线和速度合成曲线。如果每个缸中的压力一致，总功率NSum如式（3）所示：

如果每个缸中的压力不一致，5个缸中的压力分 别 用 p1、p2、p3、p4、p5表 示，5 缸 的 总 功 率NSum为：

式中：v1、v2、v3、v4、v5分别为各缸柱塞的速度。

假设：总功率向量NSum的下标1～5分别对应5个不同的时间点；速度矩阵［v］的第1个下标对应不同时间点的编号，第2个下标对应不同的缸的编号；压力向量→p的下标则分别对应5个不同的缸的编号；即每一个时间点的总功率是由对应该时间点的5维速度向量以及对应5个缸的5维特征压力向量决定的。

只要取得合适的功率向量和速度矩阵，就能求出压力向量。

3 现场应用

长庆油田采油六厂胡一联合站共有5台五缸往复式注水泵，2012－11－20启泵时，发现3号泵的出水管线异常振动。在关闭回流阀的过程中，当管压刚到8MPa（设定为11MPa），出水管线就被强烈的振动而撕裂，被迫停泵。表1为该泵的测试数据。

采用北京长森公司的CSIPTS型注水泵状态监测系统对该泵的电机电压、电流、功率，泵出口压力，液力端及动力端的振动等信号进行测试。本文以3号泵为例应用电参数曲线法分析该泵振动过大的原因。图3为胡一联合站3号泵电功率变化曲线，毛刺部分为瞬时功率，中心骨架部分为平滑处理后的功率曲线。

图3 胡一联合站3号泵电功率变化曲线

表1 长庆油田胡一联合站所测试的3台往复注水泵参数

该泵理论冲次为275min－1，实测为 279.7 min－1（每秒12 800点采样率，每周期2 848点），一个周期相当于0.222 5s。本计算中，功率向量取每个柱塞到达顶点处的总功率，速度取对应点的5个柱塞的速度，则总功率向量和速度矩阵分别取值为：

柱塞直径53mm时，柱塞截面积为2 206 mm2；k为效率折算系数，在考虑效率的情况下，计算出柱塞所受的力，及缸内压力。

由式（4）计算得各缸等效压力向量：

图4是按式（6）中各缸等效压力值计算出的水功率，与实际测试的功率曲线有一定的相似度。说明从电参曲线分析可以得到各缸等效压力。由于测试误差、参数误差及数学模型的差异导致计算出的等效压力值不是十分精确，但还是符合实际情况。依此等效压力值与泵出口压力对比分析，可了解各缸的工作状态。

胡一联合站3号泵，只有1＃缸和5＃缸的等效压力与泵出口压力比较接近，说明这两个缸的工作比较正常。2＃缸和3＃缸的等效压力很低，说明这2个缸存在吸水不足或漏失问题。4＃缸的等效压力很高，说明4＃缸的排水阀工作不正常，阻力很大。各缸工况的巨大差异是该泵产生剧烈振动的根本原因。这也就解释了2012－11－20启泵时，3号泵出水管线振动的特别厉害，升压后出水管线强烈振动而被迫停泵的原因。

图4 胡一联合站3号泵功率仿真曲线

4 结论

1） 油田非常重视往复式注水泵的状态监测。以前采用振动测试和频谱分析方法，很难及时发现各缸不平衡的故障，影响了油田的注水工作。

2） 电参数曲线分析法较好地解决了注水泵的现场状态监测问题，可实现50ms内报警提示和紧急停机。

3） 由于注水系统供电质量、电机型号、传动方式、润滑状况等许多因素都会影响电参曲线，故在今后的研究中应进一步完善数学模型，排除缸内压力之外的其他因素的干扰，以提高计算准确度。

4） 在实际应用中可结合振动频谱分析及油液监测技术，使往复式注水泵的状态监测结果更全面、更可靠。

［1］祝效华，邓福成，童 华，等.注水泵液力端弹簧力学行为与优化［J］.石油矿场机械，2009，38（7）：1－5.

［2］万邦烈 ，李继志.石油矿场水利机械［M］.石油工业出版社，1990：1－63.

［3］袁宏义，牛明忠.设备振动诊断技术基础［M］.国防工业出版社，1991.