王 波，梁右其，沈心瑞，王西錄，王龍庭

(1.四川宏華電氣有限責任公司頁巖氣事業(yè)部，四川成都 610036；2.中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部，天津 300280；3.中國石油大學(華東)機電工程學院,山東青島 266580；)

電動壓裂系統(tǒng)越來越廣泛地應(yīng)用到頁巖氣開發(fā)中，為泵送各種液體和支撐劑提供動力，是頁巖氣安全開發(fā)的保證[1-2]。電動壓裂泵是電動壓裂系統(tǒng)的做功單元，液力端總成長期處于高壓強和周期性變載荷的惡劣工況，容易發(fā)生異常損壞；及時準確判斷和排除液力端故障對于頁巖氣壓裂施工安全具有重要意義。

目前，針對壓裂車的相關(guān)診斷研究工作中，利用自由觸發(fā)采集振動信號，分析時頻信號特征，應(yīng)用比較廣泛[3-6]；楊其俊等利用外觸發(fā)信號采集泵閥關(guān)閉激起的液缸上的振動信號，然后進行同步功率譜平均分析，提高故障信號的信噪比[7]；鐘功祥等通過在柱塞和中間拉桿之間的卡箍處安裝位置傳感器和力傳感器，建立了一種基于示功圖法的往復泵液力端故障診斷方法[8]；文章針對壓裂車在復雜工況高載荷環(huán)境下壓裂泵振動信號故障特征難以準確提取和辨識的問題，提出了直接采集ACS5000中壓變頻器上電機運行參數(shù)，基于電機扭矩波動曲線的電動壓裂泵液力端總成故障診斷方法。

1 電動壓裂泵結(jié)構(gòu)和工作原理

6 000馬力電動壓裂系統(tǒng)由35 kV變電站、10 kV配電房、中壓變頻房、電動壓裂泵撬、電動供液撬、電動混砂撬和儀表房等組成。電動壓裂泵由機架總成、曲軸總成、小齒輪及交流變頻電機、十字頭總成、液力端總成、潤滑系統(tǒng)和底座總成等構(gòu)成。電機為壓裂泵提供動力。壓裂泵動力端為偏置式曲柄連桿機構(gòu)，其作用是將電機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為柱塞的往復直線運動，將包含支撐劑的壓裂液從低壓轉(zhuǎn)化高壓注入地層。網(wǎng)電為壓裂泵提供電源，電機通過中壓變頻控制系統(tǒng)進行流量無級調(diào)節(jié)。PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)電動壓裂泵的自動控制[9]。

根據(jù)頁巖氣開發(fā)特點，6 000馬力電動壓裂泵設(shè)計為臥式五缸單作用柱塞泵，雙吸雙排，如圖1所示。額定輸入功率6 000馬力，根據(jù)現(xiàn)場施工需求，開發(fā)了5種柱塞直徑；其中采用Φ101. 6 mm柱塞時最大輸出壓力為120 MPa，采用Φ114.3 mm柱塞時最大輸出壓力為 95 MPa；沖程為 304.8 mm；最高沖數(shù)為230；齒輪副速比為5. 6；質(zhì)量約 37 t。

圖1 6000馬力電動壓裂泵撬Fig.1 6 000 HD electric fracturing pump skid

1.1 動力端總成

動力端機架采用高強度結(jié)構(gòu)鋼焊接結(jié)構(gòu)，焊后消除應(yīng)力，精密鏜孔加工；曲軸整體鍛造，熱處理后加工而成，由6個重型圓柱滾子軸承支撐；連桿和十字頭由高強度鑄鋼精加工而成；十字頭滑履、連桿兩端滑動軸承由耐磨鋁青銅精加工而成；齒輪采用斜齒輪，布置于曲軸的兩端；脹套連接大齒輪和曲軸；十字頭總成中間拉桿與柱塞采用卡箍連接；小齒輪和小齒輪軸(即電機軸)分開制作，最后組裝在一起。動力端采用壓力油強制潤滑。底座起支撐泵體和儲存動力端潤滑油的作用。

1.2 液力端總成

液力端總成剖視圖如圖2所示，當柱塞向左吸液時，吸入閥總成打開，排出閥總成關(guān)閉，液體通過吸入閥總成進入液缸；當柱塞向右排液時，吸入閥總成關(guān)閉，排出閥總成打開，液體被擠壓并通過排出閥總成和流道排出。

圖2 液力端總成剖視圖Fig.2 Sectional view of hydraulic end assembly

2 電機扭矩計算

電機扭矩來源于通過齒輪傳遞的曲軸扭矩，曲軸在工作時需承受相當大的交變載荷的作用，因此對材料的性能及可靠性要求較高，曲軸材料為40CrNiMoA, 許用應(yīng)力為585 MPa, 整體鍛后調(diào)質(zhì)處理，壓裂泵曲軸相鄰曲拐相位角相差144°[10]。

2.1 曲軸基本參數(shù)

曲柄偏心半徑:r1=152.4 mm

連桿長度:l1=850 mm

十字頭和柱塞質(zhì)量：m1=352 kg

十字頭摩擦系數(shù):μm=0.1

柱塞作用力:Fz=π/4(4.5×25.4)2×Pzy

2.2 曲軸受力假設(shè)

曲軸受力十分復雜，除了作用在曲軸上的重力是恒定的，其他如連桿力、慣性力、電動機驅(qū)動扭矩、支座反力、各聯(lián)間的縱向、橫向、扭轉(zhuǎn)振動慣性矩等都將隨轉(zhuǎn)角的變化而變化，因此在分析、計算曲軸受力時做如下假設(shè)[11]:

(1)六支撐曲軸看作以主軸承中點分開的分段簡支梁的剛性系統(tǒng)；

(2)把主軸頸中點看成支撐點，又看成集中反力的作用點；

(3)把連桿力和旋轉(zhuǎn)慣性看成集中力并作用在曲柄銷中點。

2.3 連桿作用力

曲柄主要受力為連桿作用力、齒輪作用力、軸承支撐力和重力，由曲柄連桿受力分析可知，連桿十字頭柱塞端受液體壓力、慣性力及摩擦力為：

Pl=Pzy+Fi+PMP

(1)

式中：Pzy為柱塞液體壓力；Fi為各運動組件慣性力；PMP為各運動組件摩擦力。

由圖3可知，連桿作用在曲軸上的力為:

圖3 電動壓裂泵曲柄連桿機構(gòu)傳動示意圖Fig.3 Transmission diagram of crank connecting rod mechanism of electric fracturing pump

PL=Pl/cosβ

(2)

PL沿著曲柄的切向和徑向分解為切向分力T和徑向分力R, 下面將分別求取曲柄對應(yīng)的連桿、柱塞的慣性力和摩擦力。

曲拐對應(yīng)的連桿、十字頭總成和柱塞的慣性力

Fi=m1·r1·ω2(cosφ+λ1·cos2φ)

(3)

由式(3)可以分別求得各連桿柱塞對應(yīng)的慣性力Fi1j、Fi2j、Fi3j、Fi4j、Fi5j，其中

Fi1j=m1·r1·ω2(cos(φ1i)+λ1·cos(2φ1i))

Fi2j=m1·r1·ω2(cos(φ2i)+λ1·cos(2φ2i))

Fi3j=m1·r1·ω2(cos(φ3i)+λ1·cos(2φ2i))

Fi4j=m1·r1·ω2(cos(φ4i)+λ1·cos(2φ4i))

Fi5j=m1·r1·ω2(cos(φ5i)+λ1·cos(2φ5i))

(4)

各曲拐在2個周期內(nèi)對應(yīng)角度:

十字頭豎直方向分力:

(5)

由式(5)可以求出各十字頭豎直方向分力PCP1i、PCP2i、PCP3i、PCP4i、PCP5i, 其中：

(6)

排出時十字頭與滑道摩擦力:

F=μm·PC

(7)

由式(7)所示，可以分別求得各十字頭的摩擦力為:

Fmp1i=μm1·PCP1i

Fmp2i=μm2·PCP2i

Fmp3i=μm3·PCP3i

Fmp4i=μm4·PCP4i

Fmp5i=μm5·PCP5i

(8)

吸入時摩擦力：

Fmx=μm·m1·g

(9)

連桿水平方向分力是一個隨著曲柄相位角變化而變化的值，計算公式如下：

(10)

求得了連桿的水平方向分力，就可以求得連桿沿曲軸的徑向分力和軸向分力，其計算公式如下：

(11)

R=-Pl·(cosφ-λ1·sin2φ)

(12)

由式(11)、(12)可以分別求得各連桿的徑向分力和切向分力。其中

(13)

2.4 電機扭矩

連桿推力對曲軸的合力矩就是各切向力產(chǎn)生的力矩之和，公式如下：

Mi=(T1i+T2i+T3i+T4i+T5i)·r1

(14)

電機扭矩等于曲軸扭矩除以齒輪的速比：

Mei=(T1i+T2i+T3i+T4i+T5i)·r1/5.6

(15)

對電機扭矩進行仿真，如圖4所示。從圖4可以看出，電機所受的扭矩隨著曲柄相位角的不同，存在一定的波動，波動范圍較小，約6%。

圖4 電機扭矩仿真曲線Fig.4 Simulation curve of motor torque

ACS5000中壓變頻器對電動壓裂泵電機參數(shù)測量后計算出電機扭矩，儀表房VFD監(jiān)視系統(tǒng)直接采集變頻器計算結(jié)果用于狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

(16)

(17)

3 電機扭矩波動曲線分析

通過多個頁巖氣壓裂施工平臺，得到電動壓裂泵液力端無故障運行和12種常見故障狀態(tài)下電機扭矩波動曲線，并對其進行逐一分析。

中石化西南井下威頁43平臺為全電動壓裂施工，8臺電動泵用于主壓裂，2臺電動泵用于泵送橋塞射孔；威頁9平臺為全電動壓裂施工，8臺電動泵用于主壓裂和泵送橋塞射孔。中石化勝利井下寧209H17平臺和華東井下彭頁5井為6臺電動泵參與主壓裂。

通過現(xiàn)場施工總結(jié)了無故障與吸入閥膠皮斷裂與閥座損壞、排出閥膠皮斷裂與閥座損壞、吸入閥彈簧斷裂、排出閥彈簧斷裂、吸入閥座豎直面刺漏、排出閥座豎直面刺漏、吸入和排出缸貫穿、吸入缸相貫線處裂紋刺漏、吸入管線堵塞、吸入缸砂堵、液缸本體側(cè)壁刺漏和盤根嚴重漏液等12種異常工況下的扭矩波動曲線。

3.1 無故障曲線分析

圖5是威頁9平臺2020-03-23第2段7號泵正常運行時的電機扭矩波動曲線，排量0.9 m3/min，泵壓約80 MPa。電機扭矩波動曲線特征可以概括為在泵壓穩(wěn)定時，扭矩平均值不變，波動量約6%；說明泵正常運行時的吸入缸和排出缸液體完全充滿，非常接近電機扭矩理論計算值。

圖5 威頁9平臺無故障運行Fig.5 Failure free operation of Weiye 9 platform

3.2 吸入閥膠皮斷裂與閥座損壞

圖6是威頁9平臺2020-03-22 2井第14段6號泵4缸吸入缸閥膠皮斷裂和閥座損壞后電機扭矩波動曲線圖。吸入閥膠皮斷裂和閥座損壞后，在柱塞排液時吸入缸內(nèi)部分液體會通過膠皮缺口流入吸入管路，在前部分行程中無法憋壓到泵壓，排出閥延遲打開，扭矩最小值低于正常值；在柱塞吸液時，與無故障時基本一致，扭矩為正常值。當膠皮斷裂缺口不斷擴大時，電機扭矩最大值不變，最小值逐步下降。

圖6 威頁9平臺吸入缸閥膠皮斷裂和閥座損壞Fig.6 Rubber fracture and seat damage of suction cylinder valve on Weiye 9 platform

3.3 排出閥膠皮斷裂與閥座損壞

圖7是威頁43平臺2019-08-21 5井試擠中1號泵4缸排出缸閥膠皮斷裂和閥座損壞后電機扭矩波動曲線圖。排出閥膠皮斷裂和閥座損壞后，排出管路內(nèi)高壓液體將持續(xù)從排出缸漏入吸入缸，使吸入缸內(nèi)壓力不能及時下降，吸入閥不能及時打開。當故障缸柱塞吸液時，吸入缸內(nèi)柱塞端面壓強大于0；當故障缸的柱塞排液時，柱塞端面壓強比正常時更快增加到泵壓。電機扭矩最大值不變，最小值降低到一定值后將等副運行。

圖7 威頁43排出缸閥膠皮斷裂和閥座損壞Fig.7 The rubber of the discharge cylinder valve of Weiye 43 is broken and the valve seat is damaged

3.4 吸入閥彈簧斷裂

圖8是威頁43平臺2019-09-07 4井第9段中7號泵1缸吸入缸彈簧斷裂后電機扭矩波動曲線圖。吸入缸閥彈簧發(fā)生斷裂時，對吸入閥的作用力變小。當故障缸的柱塞排液時，吸入閥關(guān)閉會伴隨遲滯現(xiàn)象，部分液體將從故障缸的吸入閥流入吸入管路；柱塞吸液時，吸入缸內(nèi)閥體總成被更快推開。電機扭矩最大值不變，最小值逐步下降。

圖8 威頁43平臺吸入缸彈簧斷裂Fig.8 Suction cylinder spring fracture of Weiye 43 platform

3.5 排出閥彈簧斷裂

圖9是威頁43平臺2019-09-09 4井第12段壓裂施工中6號泵5缸排出缸彈簧斷裂后電機扭矩波動曲線圖。排出缸閥彈簧發(fā)生斷裂后，排出管路內(nèi)高壓液體將更多地從排出缸漏入吸入缸，使吸入缸內(nèi)壓力不能及時下降，吸入閥不能及時打開。當故障缸的柱塞吸液時，吸入缸內(nèi)柱塞端面壓強大于0；當故障缸的柱塞排液時，柱塞端面壓強比正常時更快增加到泵壓。電機扭矩最大值不變，最小值降低到一定值后將等副運行。

圖9 威頁43平臺排出缸彈簧斷裂Fig.9 The spring of discharge cylinder of Weiye 43 platform is broken

3.6 吸入閥座豎直面刺漏

圖10是威頁43平臺2019-09-14 5井第4段壓裂施工中8號泵4缸吸入閥座豎直面刺漏后電機扭矩波動曲線圖。某一缸吸入閥座豎直面裂紋擴展發(fā)生刺漏時，在柱塞前推時吸入缸內(nèi)部分液體會通過刺漏缺口流入吸入管路，在前部分行程中無法憋壓到泵壓，排出閥延遲打開，扭矩低于正常值；在柱塞吸液時，與無故障時基本一致，扭矩為正常值。當吸入閥座刺漏時，電機扭矩最大值不變，最小值逐步下降，但是梯度低于同等工況下閥膠皮斷裂的情況，因為閥座材料強度更大。

圖10 威頁43平臺吸入閥座豎直面異常損壞Fig.10 Abnormal damage of vertical surface of suction valve seat of Weiye 43 platform

3.7 排出閥座豎直面刺漏

圖11是威頁43平臺2019-11-09 1井第10段壓裂施工中3號泵3缸排出閥座豎直面刺漏后電機扭矩波動曲線圖。排出閥座刺漏時，排出管路內(nèi)高壓液體將持續(xù)從排出缸漏入吸入缸，使吸入缸內(nèi)壓力不能及時下降，吸入閥不能及時打開。當故障缸的柱塞后拉時，吸入缸內(nèi)柱塞端面壓強大于0；當故障缸的柱塞前推時，柱塞端面壓強比正常時更快增加到泵壓。電機扭矩最大值不變，最小值降低到一定值后將等副運行。

圖11 威頁43平臺排出閥座豎直面刺漏Fig.11 Leakage on vertical face of discharge valve seat of Weiye 43 platform

3.8 排出和吸入缸之間貫穿

圖12是威頁43平臺2019-10-19 2井第13段壓裂施工中2號泵5缸排出缸液缸本體與閥座配合處刺漏后電機扭矩波動曲線圖。排出和吸入缸之間刺漏時，排出管路內(nèi)高壓液體將從排出缸漏入吸入缸，吸入閥不能及時打開。當故障缸的柱塞吸液時，柱塞端面壓強大于0；當故障缸的柱塞排液時，柱塞端面壓強比正常時更快增加到泵壓。加砂過程中，砂子一直分布在排出缸和排出管路內(nèi)，會不間斷堵塞刺漏點；液缸強度極大，本體上的裂紋導致的刺漏點發(fā)展較慢，損壞后可能還可以持續(xù)工作10 min以上。泵壓一定時，電機扭矩最大值不變，最小值降低一定值后將不間斷的等副運行。

圖12 威頁43平臺排出缸液缸本體與閥座配合處刺漏Fig.12 Leakage is found at the matching part between the hydraulic cylinder body and the valve seat of Weiye 43 platform discharge cyliner

3.9 吸入缸相貫線處裂紋刺漏

圖13是寧209H17平臺2018-12-31 3井第33段中4號泵5缸吸入缸相貫線處裂紋擴展貫穿與閥座配合面后電機扭矩波動曲線圖。電機扭矩最大值不變，最小值逐步下降。

圖13 寧209H17平臺吸入缸相貫線處裂紋刺漏Fig.13 Cracks and leakage at the intersection line of suction cyliner of Ning 209H17 platform

3.10 吸入管線堵塞

圖14是威頁9平臺2020-03-08 3井第1段中7號泵吸入管路濾網(wǎng)堵塞后電機扭矩波動曲線圖。由于配液凍膠黏度過高導致吸入管路濾網(wǎng)堵塞，泵上水困難。柱塞排液時，吸入缸內(nèi)液體不能完全充滿，排出閥開啟將延時；當故障缸的柱塞吸液時，吸入閥體總成被更快推開。扭矩最大值不變，最小值降低到一定值后將等副運行。

圖14 威頁9平臺7號泵吸入管路凍膠堵塞Fig.14 The suction pipeline of No.7 pump on Weiye 9 platform is blocked by gel

3.11 吸入缸砂堵

圖15是彭頁5平臺2019-05-01 1井第5段中4號泵4缸吸入缸砂堵后電機扭矩波動曲線圖。柱塞排液時，吸入缸內(nèi)砂子將抱住柱塞產(chǎn)生摩擦力；砂子內(nèi)液體被不斷擠干，排出閥開啟將延時；當故障缸的柱塞吸液時，吸入閥無法及時開啟。扭矩最大值將大于正常值，最小值逐步下降。再次重啟泵時，最大值增大。

圖15 彭頁5 吸入缸砂堵Fig.15 Sand bloking of Pengye 5 suction cyliner

3.12 液缸本體側(cè)壁刺漏

圖16是威頁43平臺2019-10-15 2井第8段中3號泵液缸本體側(cè)壁刺漏后電機扭矩波動曲線圖。在柱塞前推時吸入缸內(nèi)部分液體會通過刺漏點流出，在前部分行程中無法憋壓到泵壓，排出閥延遲打開，扭矩最小值低于正常值；在柱塞后拉時，作用在柱塞端面的壓強接近0，與無故障時基本一致，扭矩為正常值。當刺漏點不斷擴大時，電機扭矩最大值不變，最小值逐步下降。

圖16 威頁43平臺液缸本體側(cè)壁刺漏Fig.16 Leakage on the side wall of hydraulic cylinder body of Weiye 43 platform

3.13 盤根嚴重漏液

圖17是威頁43平臺2019-10-22 6號泵2井第19段中電動壓裂泵4缸盤根嚴重漏液后電機扭矩波動曲線圖。

圖17 威頁43平臺盤根嚴重漏液Fig.17 Servious liquei leakage of Weiye 43 platform packing

4 結(jié)論

1)電機扭矩的理論計算值和施工時實際值基本一致；電機扭矩異常波動超過6%時，一般伴隨電動壓裂泵液力端總成內(nèi)易損件損壞或者本體裂紋，電機扭矩成為液力端故障診斷可靠標準之一；

2)吸入缸相貫線處裂紋刺漏、閥體、閥座和彈簧等損壞時，電機扭矩最大值基本保持不變，電機扭矩最小值將持續(xù)階梯降低；吸入缸砂堵后，最大值變大；

3)排出缸閥體、閥座和彈簧等易損件損壞或者排出和吸入缸之間貫穿時，電機扭矩最大值基本保持不變；電機扭矩最小值迅速降到一定值后保持基本不變；

4)液缸本體側(cè)壁刺漏和盤根嚴重漏液初期，電機扭矩波動正常，發(fā)現(xiàn)故障一般通過現(xiàn)場視頻巡查；

5)現(xiàn)有采樣周期為1s ，縮短采樣周期后可能會發(fā)現(xiàn)更多故障診斷規(guī)律。