王冬冬，孫 茜

(華北石油通信有限公司物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)研究所，河北 滄州 062552)

0 引言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展提高了石油需求量，如何保障油田安全、高效生產(chǎn)，已經(jīng)成為急需解決的問題。注水采油技術(shù)是目前油田應(yīng)用最廣泛的開采方式，注水泵作為采油系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，會隨著石油需求量的提高，增大注水壓力，同時(shí)需承擔(dān)的負(fù)載逐漸加重，故障發(fā)生頻率越來越高。此外，注水井在回注污水過程中，由于水質(zhì)差、溫度高，部件使用壽命縮短，容易引發(fā)重大事故，耽誤油田正常生產(chǎn)。現(xiàn)階段，注水泵狀態(tài)監(jiān)測還只能依賴工作人員通過便攜式儀器進(jìn)行故障診斷。由于油田面積廣闊，每個(gè)注水站的位置相距較遠(yuǎn)，為監(jiān)測工作帶來不便，工作效率極低，甚至因?yàn)椴荒芗皶r(shí)發(fā)現(xiàn)故障，造成經(jīng)濟(jì)損失。

因此，如何高效監(jiān)測注水泵機(jī)械振動(dòng)情況，成為相關(guān)學(xué)者重要課題。文獻(xiàn)[1]提出一種基于自適應(yīng)采樣的機(jī)械振動(dòng)算法。利用自適應(yīng)脈沖采樣采集當(dāng)前信號，從時(shí)域和頻域兩方面分解信號，使用突變檢測模型處理分解結(jié)果，通過差值算法重構(gòu)信號實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。文獻(xiàn)[2]利用調(diào)制寬帶轉(zhuǎn)換器監(jiān)測信號。在頻域內(nèi)根據(jù)振動(dòng)信號能量分布情況劃分頻譜片段；結(jié)合最高頻率、確定譜帶數(shù)與最大帶寬，設(shè)計(jì)一種調(diào)制寬帶轉(zhuǎn)換器完成振動(dòng)信號采樣與監(jiān)測。

上述方法雖然有效解決監(jiān)測效率低的問題，但采集的監(jiān)測信號中信息量較少，難以準(zhǔn)確看出離心式注水泵的故障類型。為進(jìn)一步提高監(jiān)測效果，本文利用小波分析方法實(shí)時(shí)監(jiān)測注水泵機(jī)械振動(dòng)狀況[3]，小波分析作為信號處理的有效手段，可清晰表達(dá)出信號的奇異性，與其他信號分析方法相比更加細(xì)致可靠。本文使用壓電式傳感器設(shè)備采集振動(dòng)信號，再通過連續(xù)小波變換提取信號特征，根據(jù)不同特征判斷設(shè)備是否出現(xiàn)故障，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。

1 離心式注水泵結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)特性分析

1.1 注水泵工作流程與特征

離心注水泵開啟后，葉輪跟隨泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，葉片間的液體也會旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下[4]，液體會甩向邊緣。在此過程中，液體得到能量，壓力升高，流速變大。

注水泵整體結(jié)構(gòu)具有下述特征：葉輪選取具有超高水力效率的封閉式葉輪；吸入室與壓出室分別采用圓形與半螺旋形結(jié)構(gòu)，保證液體均勻的流出；封閉環(huán)只安裝在泵體上，軸封利用機(jī)械密封[5]方式，延長使用壽命，減少能量消耗，避免液體泄漏。

1.2 常見故障類型分析

a.不平衡。在所有注水泵故障類型中，該故障發(fā)生頻率最高。造成故障的原因是軸心質(zhì)量分布不均，旋轉(zhuǎn)過程中生成離心力，進(jìn)而引起振動(dòng)。

b.不對中。指2根相互連接的軸線沒有完全重合，出現(xiàn)該現(xiàn)象時(shí)，徑向與軸向振動(dòng)也會同時(shí)發(fā)生，甚至嚴(yán)重時(shí)還會生成諧波。不對中產(chǎn)生的原因主要為：安裝時(shí)沒有考慮熱脹冷縮現(xiàn)象；設(shè)備自身內(nèi)應(yīng)力沒有完全去除，導(dǎo)致變形；附件質(zhì)量不佳，造成機(jī)組錯(cuò)位與變形。

c.機(jī)械松動(dòng)。因部件不夠緊固導(dǎo)致的，通常表現(xiàn)為諧頻上產(chǎn)生很大振幅。

d.電磁振動(dòng)。因電磁力因素生成的振動(dòng)，電源頻率是它的基本頻率形式。

e.油膜振蕩[6]。注水泵機(jī)組中，通常利用滑動(dòng)軸承支撐轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，滑動(dòng)軸承工作過程中需依賴油的粘性，當(dāng)油流受到擠壓時(shí)，生成油膜壓力，它會反作用于軸徑，導(dǎo)致軸徑與軸承面分開，起到潤滑效果。但如果出現(xiàn)壓力失穩(wěn)現(xiàn)象，會出現(xiàn)油膜振蕩。

1.3 動(dòng)力學(xué)模型建立

分析注水泵動(dòng)力學(xué)特征可更好地了解注水泵工作原理，有助于傳感器設(shè)備選型和測量點(diǎn)確定，保證監(jiān)測范圍的最大化。

設(shè)定電流與電壓獲取電動(dòng)機(jī)的輸入功率為NS，則注水泵的輸入功率為

Nt=NS+PPin·GP/3.6

(1)

Nt和PPin分別為注水泵輸入功率與入口壓力；GP為注水泵流量。

設(shè)計(jì)算水泵輸出功率為Nu，則注水泵損失功率[7]為

Nmp=Nt-Nu

(2)

注水泵產(chǎn)生的效率為

(3)

上述即為綜合注水泵輸入、輸出功率與瞬時(shí)功率的動(dòng)力學(xué)模型。

2 基于小波分析的注水泵機(jī)械振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測

2.1 機(jī)械振動(dòng)信號采集

a.傳感器選型。

傳感器是采集振動(dòng)信息的主要設(shè)備，可完成非電量與電量二者的變換，是整個(gè)離心式注水泵機(jī)械振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測的基礎(chǔ)，其性能好壞直接影響監(jiān)測精度。

需要結(jié)合所測項(xiàng)目選取對應(yīng)傳感器材，一般要具備測量區(qū)間廣、靈敏度高且結(jié)構(gòu)不能太過復(fù)雜等特性，以滿足靜、動(dòng)態(tài)等不同信號測試要求。

本文針對的是離心式注水泵，其振動(dòng)特征表現(xiàn)為頻率高、加速度差異大，但位移相差很小。本文選用壓電式傳感器作為信號采集裝置。此類傳感器包括2個(gè)壓電片，在上方擺放較重的質(zhì)量塊，且行進(jìn)預(yù)加負(fù)載，當(dāng)傳感器獲得振動(dòng)信號時(shí)，質(zhì)量塊隨之振動(dòng)，因慣性因素，壓電片會生成電壓。

當(dāng)壓電傳感器和放大器同時(shí)使用時(shí)，靈敏度計(jì)算式為

(4)

Q為傳感器產(chǎn)生的電荷量；a為加速度。

b.信號采樣與量化。

采集振動(dòng)信號時(shí)，頻率需按照采樣定理進(jìn)行設(shè)置，如果信號中存在最高頻率fmax，當(dāng)采樣頻率fs符合下述要求時(shí)，得到質(zhì)量較好的信號，不容易出現(xiàn)混疊與失真狀況。

量化就是將模擬量變換成數(shù)字量，量化電平則是滿量程電壓VFSR和2的N次方之間的比值，N描述數(shù)字信號Xd的位數(shù)。

在量化過程中，碼位擴(kuò)展會受到制約[8]，存在一定誤差，考慮到這種不確定性因素會降低監(jiān)測精度，為此將其定義為噪聲。

(5)

經(jīng)過上述量化處理后，在完成模擬與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)化[9]的同時(shí)，也降低了噪聲影響，方便信號分析。

2.2 信號實(shí)時(shí)監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)

將小波分析法應(yīng)用在信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測中，經(jīng)過分解不同頻帶上的信號，獲得信號特征和對應(yīng)向量。對于注水泵不同故障狀態(tài)，通過小波分析獲得的特征向量是有很大差異的，結(jié)合此種差異即可獲得實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果。

機(jī)械振動(dòng)信號大多表現(xiàn)為時(shí)域波形，具備直觀、便于理解的特征，包含的信息量非常豐富。小波分析可完成時(shí)頻域的信號變換，準(zhǔn)確且全面提取機(jī)械振動(dòng)信息。

(6)

(7)

通過式(7)可獲取小波變換系數(shù)為

dj,k=Wψf(2-j,k2-j)=(f,ψj,k)

(8)

此時(shí)，ψ(x)為正交小波，重構(gòu)表達(dá)式為

(9)

假設(shè)ψj,k(x)組成L2(R)的正交規(guī)范基，則L2(R)可通過ψj,k(x)的線性變換得出，針對任意函數(shù)f(t)∈L2(R)，可獲得其展開形式，即

(10)

由上述分析可知，k實(shí)際上是平移位置，因真實(shí)信號能夠近似成時(shí)域有限，所以k的取值范圍也是有限的。j為信號所在頻率區(qū)間，同樣取值有限。

小波分析比較適合含有豐富低頻成分的信號，如果信號中低頻成分較少，此時(shí)需引入小波包理論分割小波空間，生成多個(gè)子空間，保證信息不丟失前提下，收集更多低頻信號特征。

(11)

其中，x=1,2,…,2j；H(x)與G(x)均為正交濾波器[10]，H(x)和尺度函數(shù)相關(guān)，G(x)和小波函數(shù)相關(guān)。

經(jīng)上述操作后，傳感器信號映射在由小波伸縮與平移形成的基函數(shù)中，分解各頻帶上的信號，并保證初始信息不丟失，實(shí)現(xiàn)注水泵振動(dòng)信號的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備選取與參數(shù)設(shè)定

為驗(yàn)證所提監(jiān)測方法性能，選取某采油廠作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，對場內(nèi)的離心式注水泵機(jī)械振動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。本次實(shí)驗(yàn)使用的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中注水泵的主要技術(shù)參數(shù)為：型號為5ZB，135 m沖程，380次/min沖數(shù)，0.05 MPa吸入壓力，35 MPa排除壓力，80.23%泵效。

傳感器的主要技術(shù)參數(shù)：型號為YD-64D，0.3～8 000 Hz頻率，15.2～16.8 pC/ms-2靈敏度，-25～+130℃工作溫度，21 kHz諧振頻率。

除圖1顯示的系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備外，額外需要液晶顯示器、激光打印機(jī)與不間斷電源各1臺，確保系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的完整性，提高監(jiān)測設(shè)備的可靠性。

3.2 測點(diǎn)選取

針對注水泵機(jī)械振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，選取合適的測點(diǎn)尤為重要。通常情況下，測點(diǎn)應(yīng)選擇在注水泵容易發(fā)生振動(dòng)的部位，能夠清晰反映設(shè)備自身運(yùn)行狀況。因此，選取過程中需遵循下述原則：

a.原則一，最大程度與注水泵軸承接近。

b.原則二，分別在水平、垂直與軸向等不同方向均設(shè)置數(shù)量相同的測試點(diǎn)。

c.原則三，對選取的測點(diǎn)做好標(biāo)記，保證采集數(shù)值的可比性，便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析。

3.3 機(jī)械振動(dòng)信號去噪能力測試

假設(shè)監(jiān)測過程中共存在方波信號、調(diào)幅信號、正弦信號與白噪聲4種信號源，初始信號波形如圖2所示。利用隨機(jī)混合矩陣對4種信號源進(jìn)行混合處理，獲得的信號如圖3所示。利用小波分析法處理該監(jiān)測信號，處理效果如圖4所示。

圖2 初始信號波形

圖3 混合后的信號波形

圖4 處理后的信號波形

由圖2～圖4能夠看出，混合后的信號基本看不出原始信號波形，但是利用小波分析方法重構(gòu)后的信號與初始信號波形基本一致，且白噪聲信號被有效去除，只有在正弦信號的峰值處存在一些。這是因?yàn)樵诓蓸舆^程中，嚴(yán)格遵循采樣定理，保證小波重構(gòu)后的信號不會出現(xiàn)混疊與失真現(xiàn)象，使監(jiān)測信號包含更多信息。

3.4 故障監(jiān)測結(jié)果測試

隨機(jī)進(jìn)行15 896次監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，設(shè)定不平衡故障286次、不對中152次、機(jī)械松動(dòng)201次、電磁振動(dòng)52次、油膜振動(dòng)89次，利用所提算法、自適應(yīng)采樣方法和調(diào)制寬帶轉(zhuǎn)換器進(jìn)行監(jiān)測。對于不同故障類型，根據(jù)監(jiān)測波形得到的各方法故障檢出次數(shù)如圖5所示。

圖5 不同監(jiān)測算法故障檢出次數(shù)對比

由圖5可知，本文方法無論對于哪種類型的故障均有很好地檢出效果，檢出率都能在95%以上。這是因?yàn)楸疚姆椒ǐ@得信號波形較為清晰，能夠更好地表現(xiàn)出每種故障信號的特征，因此具有較高的識別率。

4 結(jié)束語

本文將離心式注水泵作為研究目標(biāo)，采用小波分析方法監(jiān)測其機(jī)械振動(dòng)信號，通過信號特征識別出故障類型。仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方法具有較好的信號處理能力，提高故障識別率，為注水機(jī)組運(yùn)行提供安全保障。雖然通過振動(dòng)可反映出注水泵的運(yùn)行狀態(tài)，但是在工作時(shí)，溫度、壓力等其他因素同樣會對系統(tǒng)造成影響，因此要進(jìn)一步提高監(jiān)測效果，還要綜合考慮多方面因素影響。