CN117846946A - 一种压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用扭矩信号、压力信号和相位信号三者的融合，构建泵阀正常条件下曲轴不同相位对应的扭矩波动阈值特征，计算扭矩信号与理论扭矩偏差，通过其与正常扭矩信号的对比，快速实现泵阀故障诊断。本发明相较于其他方式无干扰信号，不需要复杂的时域和频域数据处理和分析，能够快速实现泵阀故障诊断，而且能够定位到具体是哪一组泵阀存在异常，诊断可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及油田压裂柱塞泵诊断技术领域。更具体地说，本发明涉及一种压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法。
背景技术
在油气井压裂施工作业过程中，压裂设备作用是实现工作流体增压，其核心部件为压裂柱塞泵，由于工作压力高，且工作流体含有支撑剂(固体颗粒)，柱塞泵泵阀容易损坏。由于泵送压力或工作流体的不同，寿命也会存在显著差异，如果不能及时发现泵阀损坏会造成其他泵头体、阀座等相关部件的损坏。
目前已有的泵阀故障诊断方法主要采用振动、压力监测等方式分析泵阀故障特征，来判断泵阀是否损坏，例如专利CN202020935438.X一种柱塞泵状态监测与故障诊断系统。这些方式存在所采集的振动、压力监测等信号信息对泵阀故障敏感度低和噪音信号多等问题，实际使用过程中难以达到泵阀故障准确诊断的目的。其他的诊断系统主要针对动力端故障诊断，不涉及本申请所述内容，例如专利CN202110415612.7一种柱塞泵的故障诊断方法及诊断系统。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法，采用扭矩信号、压力信号和相位信号的融合，通过其与正常扭矩信号的对比，快速实现泵阀故障诊断，解决现有泵阀故障诊断准确率低的难题。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法，包括：采用扭矩信号、压力信号和相位信号三者的融合，构建泵阀正常条件下曲轴不同相位对应的扭矩波动阈值特征，计算扭矩信号与理论扭矩偏差，通过其与正常扭矩信号的对比，快速实现泵阀故障诊断。
优选的是，具体包括如下步骤：
步骤1：判断设备运行状态，当设备动力系统转速处于非调速状态，开启泵阀故障诊断；
步骤2：采集压裂泵曲轴输入扭矩、曲轴相位和排出压力信号；
步骤3：结合压裂泵结构参数及上述步骤2采集的信号数据，构建扭矩波动阈值数据库；
步骤4：对照扭矩波动阈值数据库，判断扭矩是否存在异常波动，当采集的实际扭矩波动超过波动阈值，异常次数加1，间隔2个曲轴旋转周期，重复上述步骤1至步骤3操作进行扭矩波动比较，判断是否为异常波动；
步骤5：扭矩波动异常次数大于等于设定次数时，结合相位给出对应的泵阀异常信号。
优选的是，所述步骤3构建扭矩波动阈值数据库具体为：
步骤31：结合压裂泵结构参数和排出压力，计算曲轴0～360°范围的理论扭矩；
步骤32：计算上述步骤2中采集的扭矩信号与理论扭矩的偏差，获得泵阀正常条件下曲轴不同相位对应的扭矩波动，并获得波动阈值特征，记录作为波动阈值数据库。
优选的是，柱塞泵为曲柄滑块机构，排出压力为柱塞端面压力，压裂泵结构参数包括柱塞直径、曲柄半径、冲程，曲轴理论扭矩的计算不考虑摩擦副，结合上述压裂泵结构参数及柱塞端面压力，通过曲轴扭矩理论计算公式计算曲轴0～360°范围的理论扭矩。
优选的是，所述步骤5中，扭矩波动异常设定次数为3次。
优选的是，所述步骤1中，设备动力系统转速处于调速状态时，异常次数清0。
优选的是，所述步骤2中，通过设置相互独立的传感器，分别采集压裂泵曲轴输入扭矩、曲轴相位和排出压力信号。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明提供的一种压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法，主要采集扭矩、相位、压力三种信号，并且每种信号布置1个传感器，相较于其他方式无干扰信号，不需要复杂的时域和频域数据处理和分析，能够快速实现泵阀故障诊断，而且能够定位到具体是哪一组泵阀存在异常，诊断可靠性高。
本发明提供的一种压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法，可广泛应用于固井、压裂、注水、泥浆泵等高压柱塞泵送设备，可以对此类柱塞泵泵阀的状态进行提前预判并提前更换泵阀等易损件，避免运行过程中由于泵阀损坏导致停机或损坏泵头，也可避免重复拔泵导致的人工浪费，有效降低设备运行成本，应用前景广阔。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的诊断方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法，采用扭矩信号、压力信号和相位信号三者的融合，构建泵阀正常条件下曲轴不同相位对应的扭矩波动阈值特征，计算扭矩信号与理论扭矩偏差，通过其与正常扭矩信号的对比，快速实现泵阀故障诊断，解决现有泵阀故障诊断准确率低的难题。
一种压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法，具体内容如下：
S01：判断设备运行状态，当设备动力系统转速处于非调速状态，开启泵阀故障诊断；设备动力系统转速处于调速状态时，异常次数清0；
S02：通过设置相互独立的传感器，分别采集压裂泵曲轴输入扭矩、曲轴相位和排出压力信号；
S03：结合压裂泵结构参数和上述S02采集的排出压力，计算曲轴0～360°范围的理论扭矩；
柱塞泵为曲柄滑块机构，排出压力为柱塞端面压力，压裂泵结构参数包括柱塞直径、曲柄半径、冲程，曲轴理论扭矩的计算不考虑摩擦副，结合上述压裂泵结构参数及柱塞端面压力，简化为曲柄滑块机构对应的参数，通过曲轴扭矩理论计算公式计算曲轴0～360°范围的理论扭矩。本申请的计算是为了较为精确计算曲轴扭矩。
S04：计算上述S02采集的扭矩信号与理论扭矩偏差，获得泵阀正常条件下曲轴不同相位对应的扭矩波动，并获得波动阈值特征，记录作为波动阈值数据库；
S05：对照扭矩波动阈值数据库，判断扭矩是否存在异常波动，当采集的实际扭矩波动超过波动阈值，异常次数加1，间隔2个曲轴旋转周期，重复上述S01～S04操作进行扭矩波动比较，判断是否为异常波动；
S06：扭矩波动异常次数大于等于3，结合相位给出对应的泵阀异常信号，能够定位到具体是哪一组泵阀存在异常，诊断可靠性更高。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法，其特征在于，包括：采用扭矩信号、压力信号和相位信号三者的融合，构建泵阀正常条件下曲轴不同相位对应的扭矩波动阈值特征，计算扭矩信号与理论扭矩偏差，通过其与正常扭矩信号的对比，快速实现泵阀故障诊断。
2.如权利要求1所述的压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1：判断设备运行状态，当设备动力系统转速处于非调速状态，开启泵阀故障诊断；
步骤2：采集压裂泵曲轴输入扭矩、曲轴相位和排出压力信号；
步骤3：结合压裂泵结构参数及上述步骤2采集的信号数据，构建扭矩波动阈值数据库；
步骤4：对照扭矩波动阈值数据库，判断扭矩是否存在异常波动，当采集的实际扭矩波动超过波动阈值，异常次数加1，间隔2个曲轴旋转周期，重复上述步骤1至步骤3操作进行扭矩波动比较，判断是否为异常波动；
步骤5：扭矩波动异常次数大于等于设定次数时，结合相位给出对应的泵阀异常信号。
3.如权利要求2所述的压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法，其特征在于，所述步骤3构建扭矩波动阈值数据库具体为：
步骤31：结合压裂泵结构参数和排出压力，计算曲轴0～360°范围的理论扭矩；
步骤32：计算上述步骤2中采集的扭矩信号与理论扭矩的偏差，获得泵阀正常条件下曲轴不同相位对应的扭矩波动，并获得波动阈值特征，记录作为波动阈值数据库。
4.如权利要求3所述的压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法，其特征在于，柱塞泵为曲柄滑块机构，排出压力为柱塞端面压力，压裂泵结构参数包括柱塞直径、曲柄半径、冲程，结合上述压裂泵结构参数及柱塞端面压力，通过曲轴扭矩理论计算公式计算曲轴0～360°范围的理论扭矩。
5.如权利要求2所述的压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法，其特征在于，所述步骤5中，扭矩波动异常设定次数为3次。
6.如权利要求2所述的压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法，其特征在于，所述步骤1中，设备动力系统转速处于调速状态时，异常次数清0。
7.如权利要求2所述的压裂柱塞泵泵阀故障诊断方法，其特征在于，所述步骤2中，通过设置相互独立的传感器，分别采集压裂泵曲轴输入扭矩、曲轴相位和排出压力信号。
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