往复泵状态监测

来自PLC(控制器)的操作数据可被输入系统1(通过Modbus或OPC通信)，其中压裂数据与机器监测数据相关联。此外，发动机控制模块(ECM / ECU)的数据可以导出到系统1(使用can转Modbus/OPC转换器)。这有助于建立基于状态的监测、警报和分析。

将上述仪器连接到在线监控和保护系统以及资产健康管理平台System 1，可以检测到以下故障模式:

十字头间隙过大

安装在每个十字头导轨/滑块顶部的加速度计可以检测由于碰撞类型事件引起的机械问题，例如运行齿轮中的机械松动，手腕销衬套和十字头导轨与鞋之间的间隙过大。

十字头销与其衬套之间的间隙过大

在过滤后的十字头振动波形中，当十字头销受到的力由压缩方向变为拉伸方向时，十字头销与衬套之间的间隙过大会表现为两次高振幅爆震。

螺母/螺栓松动或开裂，或活塞/柱塞

安装在十字头导轨上的加速度计有助于检测松动或开裂的螺母/螺栓和松动的柱塞(也称为小马杆)，使用3-2000Hz的滤波振幅。

流体端问题(阀门和压力填料故障)

为了识别阀门和压力填料的故障，外部安装在气缸上的加速度计跟踪阀门开启和关闭时刻、冲击和同步的振动。曲轴位置用于精确定位问题源，并在发生意外故障时及时发出维修通知，避免不必要的更换。这些传感器安装在每个气缸的流体端后部，尽可能靠近阀门。这种定位为阀门更换和流体移除提供了清晰的通道。

被困废墟

通过十字头和/或气缸振动，可以检测流体端碎片的吸入情况。如果在头端(HE)腔内有碎片，柱塞将一直推动碎片，直到行程结束时的上止点(TDC)，在那里柱塞试图压缩碎片，从而在十字头销处产生冲击。这种高能过滤冲击在350 - 10度之间观察到，接近0度曲柄角的上止点。

传动问题(齿轮网故障、轴承故障)

变速器上安装了两个加速度计，用于检测齿轮啮合频率和故障，包括变速器和泵之间的距离过大引起的扭矩问题。我们的软件和硬件组合能够监测速度变化、压裂过程启动时的高冲击载荷、低速作业、振动敏感位置的访问限制以及多种故障频率等挑战。为了提高监控系统的能力，专利的边带能量比(SER)算法跟踪不同的变量，如nX波段，解调，SER和波形振幅。

发动机问题(轴承故障和过度不对中)

低频加速度计被放置在柴油发动机的适当位置。软件和硬件的结合可以检测滚动元件轴承故障和/或由于过度轴不对中而对轴承的影响。监测系统跟踪不同的变量，如nX波段，解调，SER和波形振幅，以增强诊断能力。

振动传感器连接到专门的振动监测架。在该装置中，将关键相量器、十字头加速度计和泵流体端的加速度计连接到Bently Nevada的3500振动监测系统(VMS)，并配置为监测往复泵的冲击事件。

安装在主轴承、传动齿轮和柴油电机上的加速度计连接到vbOnline监测系统，用于专门监测与滚动轴承和齿轮啮合力相关的力和故障频率。

来自PLC的过程数据也连接到网络，以便与机器数据进行关联。这有助于设置可操作的基于状态的监视阈值和分析。

在System 1资产健康管理平台上，在每次旋转过程中，通过曲柄角域进一步分析十字头和流体端上的加速度计信号，以识别与阀门打开和关闭、抽油杆反转力、碎屑吞入和十字头异常运动等事件相关的影响。Bently Nevada建议使用0峰值亚单元进行冲击监测，使用加速度计进行早期松动检测。

同样，来自安装在轴承和传动齿轮上的加速度计的信号通过监测设备和System 1软件被进一步处理成不同的频谱带。定义了频谱波段以识别与滚动元件轴承故障频率、齿轮啮合频率等相关的影响。

状态监测考虑两个方面:

• 确定基线和振幅的进一步变化。
• 识别与高冲击、增大间隙、流量等相关的条件/可能的故障模式。

安装在泵上的关键相量器有助于识别每个气缸的上止点(上止点)，用于曲柄角域分析。十字头销间隙、十字头滑动间隙、轴承间隙、阀门启闭时间和阻力的任何增加都会导致冲击幅度从基线幅度的变化。因此，任何异常都很容易识别，也可以与泵的特定异常部分相关联。

**注:本次安装(2019年)采用3500齿条(往复泵)和vbOnline(滚动轴承监测)组合。然而，在未来，单一的监测系统“Orbit 60”将同时用于往复应用和滚动轴承监测。

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监测系统(在本例中为3500 VMS和vbOnline Pro)放置在靠近泵撬的防风雨接线盒内。它们通过无线调制解调器与本地系统1(传输- Tx)服务器连接到网络。本地运维团队可以访问system1tx服务器中的状态监控数据。

Bently Nevada可以进一步实现复制，将数据从Tx服务器传输到任何基于云的或完全符合网络安全标准的企业数据中心。复制系统1 (Rx)服务器提供远程访问功能，使用web上的安全连接在任何地方查看状态监测数据，因此全球的主题专家(sme)可以访问和分析实时数据，并立即提供可操作的见解——“移动数据而不是移动人员”。

图像

加速度计安装在主动力轴承、曲轴轴承和每个十字头导轨上。此外，近距离探头被安装来观察曲轴上的缺口，以获得用于速度和曲柄角度参考的关键相量脉冲。

安装在十字头导轨上的加速度计监测高频振动冲击。当十字头销与衬套间隙增大时，杆杆倒转力的大小增大，在波形上表现为振幅增大的冲击。

此外，如果在十字头导轨和鞋之间的滑动表面失去润滑，将导致磨损和间隙增加。增加十字头导向间隙也会导致由于异常运动而增加的冲击。

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观察到过滤后的(3Hz - 2kHz)振动超过了3号柱体的警报阈值水平，与基线相比，冲击振幅增加。注:这些泵在每个压裂循环中工作2-3小时，因此趋势图中的较低振幅是在泵停止时。

在每次旋转过程中，冲击都发生在特定的瞬间(@40度曲柄角)。系统1具有自动生成不同级别告警的能力，为维护团队提供足够的时间来规划执行和确保部件可用性。从下面的3d波段瀑布图中可以看出，从8月2日到8月4日，撞击的严重程度不断增加。

十字头处振动振幅的增加被怀疑是由于发展的松动条件。系统1支持泵连续运行2天，并密切观察随着时间推移可能出现的任何恶化。在此期间，维护工作提前进行，减少了泵的停机时间。

泵被拆卸下来进行维修，在拆卸泵的过程中，十字头故障得到确认。根据操作团队的说法，如果泵继续故障运行，他们可能会失去整个泵。该泵仅在2天的维护停机时间后就恢复了运行，对生产的影响最小，同时节省了大量的维护成本。根据客户的说法，由于减少了停机时间和维修成本，这一及时的发现节省了约30万美元。

安装在流体端上的加速度计监测阀门的开启和关闭事件。在经过滤波的波形中，开启和关闭事件被记录为冲击，而在阀门开启事件期间的流体流量在未经滤波的波形中显示为高频内容。阀门运行中的任何阻力，阀座间隙的增加或阀门弹簧刚度的增加都会在阀门打开时在振动波形中显示出高振幅的影响。压裂液由水、化学物质和支撑剂的混合物组成;使用过滤器避免结石，因为它们会迅速损坏流体端的内部成分。在整个旋转过程中，当柱塞不断地将石块卡在柱体内时，观察到较高振幅的冲击事件频带。据推测，这是石头/碎片进入钢瓶，经检查发现侵蚀了吸入阀的阀座。

通过在流体端安装加速度计，可以用基于状态的维护方法来代替基于时间的维护，从而延长组件的生命周期，通过检测婴儿死亡率来降低操作风险，减少维护活动，优化维护成本。

• 阀门更换的平均生命周期延长了27%，即根据时间的方法每22小时更换一次阀门，现在根据情况平均每28小时更换一次阀门。平均35小时后更换离群阀。
• 在15 - 17小时内检测到早期故障的阀门，并及时更换(而不是在22小时内进行PM);因此，避免了流体端其他组分的降解。
• 阀座更换的平均寿命周期延长了50%，即与之前的40小时相比，现在每60小时更换一次(平均)。考虑到同时更换吸入阀和排出阀的阀座，阀座寿命延长至66小时。
• 通过对泵的连续状态监测，封隔箱的平均使用寿命延长至66小时。

在另一种情况下，流体端振动显著增加(从5g pk增加到38g pk)，泵被安全关闭进行检查。结果表明，岩石随着压裂混合物进入了储层。这些信息对作业者来说非常关键，他们可以采取适当的措施来避免阀门和阀座的快速退化，并避免由于高排放背压导致吸入流量损失而迫使泵停止运行的汽蚀。通过成功检测支撑剂中的结石，减少了泵的退化，流体端生命周期延长了40%。在流体端有结石的情况下继续作业，会导致整个泵迅速失效。

图像

当机器在第2档运行时，观察到传动齿轮上的整体壳体振动有所增加。

查看系统1的数据，确定了导致变速器遇险的操作条件，这些条件可能会缩短变速器的生命周期。在与运营团队进行评估后，基于对传输的监测和诊断，实施了以下操作更改:

1. 换挡应该是连续的，并且在换挡之间有一定的延迟，避免在速度变化期间产生影响。
2. 在压裂作业过程中，注意到同时启动泵会增加振动级别和负载，因此启动每个泵的顺序启动。
3. 建议避免在2档操作，因为在3档操作更平稳，减少变速箱的加速退化。

如果机器继续在第二齿轮上运行，可能会导致传动齿轮完全故障，估计维修/更换成本为10万美元。

石油和天然气行业中使用的大多数往复泵都是根据API 674指南设计的，该标准没有明确提供振动监测的建议。从历史上看，这些机器配备的地震开关不足以进行全面监测，也不能洞察机器状况随时间的变化。采用本文描述的监测策略，用户可以更有效地安全运行往复泵，降低维护成本，减少停机时间。

状态监测解决方案可以产生足够的信息来检测几个部件的初步故障模式，如十字头间隙过大、螺母、螺栓或活塞松动或开裂、十字头销衬套间隙过大、阀门启闭故障、润滑问题、滞留碎片、填料故障、错中、齿轮啮合故障和抗摩擦轴承故障。

除了降低30%的维护成本，智能压裂解决方案还将HSE风险降至最低，并通过先进的警报提高了效率，可以对机械操作做出可靠的决策。结果，每天压裂作业的次数增加了，每一次都提高了服务效率。

作为试点的一部分，一名专门的机械诊断工程师被指派持续研究(静态和动态)数据，并根据不断发展的故障提供对机器状况的洞察，以便运营团队做出明智的决策。然而，由于压裂作业的间歇性，持续的远程监控并不总是可行的。诊断工程师应该伴随车队，这可能是成本密集的，或者系统应该具有自主诊断能力。决策支持软件(系统1的扩展程序)提供了自动诊断的功能，其中软件不断地摄取所有机器、过程和辅助数据;运行它通过预先编程的逻辑块(称为DS Analytics)或自定义规则，并根据故障模式的严重程度生成警报通知。因此，运营团队可以专注于解决问题，而不是寻找问题，即优化资源利用。此外，系统1中的HMI提供了仪表板功能，从而可以更有效地监控整个舰队的资产。

1. Weir油气水力压裂方案及流程说明(https://www.youtube.com/watch?v=YGOtFUYtCaM）
2. bently_nevada_smartfrackingsensors_brochure_a4 - 070219