抽油机故障机理分析与智能化隐患排查技术研究

摘要：本文针对长庆油田第三采油厂在役游梁式抽油机运行特点，通过案例分析、现场试验与大数据监测相结合的方法，系统归纳抽油机常见故障类型及表征参数。基于故障树分析法构建多层级故障诊断模型，提出基于振动频谱分析、载荷曲线诊断与红外热成像技术的三位一体排查体系，并结合设备全生命周期管理理念形成分级处置对策。现场应用表明，该方法使抽油机故障停机率降低42%，维护成本下降28%，为油田智能化运维提供技术支撑。

关键词：抽油机；故障诊断；振动分析；预防性维护；长庆油田

一、引言

1.1研究背景

在石油开采领域，抽油机作为核心设备，其稳定运行直接关系到原油生产的效率与质量。长庆油田第三采油厂拥有各类抽油机3200余台，设备平均运行时长达6200小时/年。然而，随着油田开发步入中后期，井况日益复杂，抽油机故障率呈逐年上升趋势。根据2022年统计数据，机械故障占比高达67%，电气故障占比21%。机械故障中，诸如抽油杆断脱、减速箱齿轮磨损等问题频发；电气故障方面，电机绕组短路、配电系统缺相等现象严重影响设备正常运行。这些故障不仅导致原油产量损失，还增加了维修成本与安全风险。传统的设备维护方式已难以适应现代化油田高效、稳定生产的需求，因此，开展抽油机智能化故障排查技术研究迫在眉睫。

1.2研究意义

建立标准化、智能化的故障排查流程，对保障原油稳产、降低安全风险具有重要的现实意义。传统的“事后维修”模式，即设备故障发生后才进行维修，存在明显的滞后性。这种模式不仅无法及时应对突发故障，影响原油生产的连续性，而且维修成本高昂。在智能化油田建设的大背景下，需要一种能够实时监测设备运行状态、提前预警故障隐患的技术体系。通过智能化故障排查技术，可以实现对抽油机运行状态的实时感知、故障的精准诊断以及预防性维护，从而有效提高设备的可靠性和运行效率，降低设备故障率和维修成本，为智能化油田建设提供有力支撑。

二、抽油机故障分类与机理分析

2.1机电系统故障

（1）电机异常：电机作为抽油机的动力源，其运行状态至关重要。绕组过热是常见故障之一，当温升超过60℃时，电机效率将下降15%。这主要是由于电机长期过载运行、散热不良或绕组绝缘损坏等原因导致。轴承磨损也是电机的常见问题，当振动速度RMS值超过4.5mm/s时，表明轴承出现磨损。轴承磨损会导致电机振动加剧、噪声增大，严重时甚至会造成电机卡死。

（2）配电故障：配电系统的稳定运行是抽油机正常工作的保障。缺相运行是配电故障的一种常见形式，当电流不平衡度超过10%时，表明存在缺相运行情况。缺相运行会导致电机电流增大、发热严重，甚至烧毁电机。功率因数异常也是配电故障的表现之一，当cosφ小于0.8时，说明功率因数过低，这会增加电网的无功损耗，降低供电效率。

2.2传动系统故障

（1）皮带传动：皮带传动是抽油机传动系统的重要组成部分。V型带打滑是常见故障，当滑差率超过5%时，表明皮带出现打滑现象。皮带打滑会导致传动效率降低、皮带磨损加剧。皮带断裂也是常见故障之一，当预紧力偏离标准值±20%时，皮带容易发生断裂。皮带断裂会导致抽油机停机，影响生产。

（2）减速箱故障：减速箱在抽油机传动系统中起着减速增扭的作用。齿轮点蚀是减速箱的常见故障，当振动加速度超过10g时，表明齿轮出现点蚀现象。齿轮点蚀会导致齿轮啮合不良、噪声增大、振动加剧。润滑油劣化也是减速箱的常见问题，当Fe元素含量超过150ppm时，说明润滑油已经劣化，无法起到良好的润滑作用，会加速齿轮和轴承的磨损。

2.3平衡系统故障

（1）平衡块移位：平衡系统对于抽油机的稳定运行至关重要。当曲柄平衡度偏差超过5°时，系统效率将下降8-12%。平衡块移位会导致抽油机不平衡，增加电机的负荷，降低设备的使用寿命。

（2）游梁失衡：游梁失衡也是平衡系统的常见故障，当悬点载荷波动系数超过0.3时，需要立即调整。游梁失衡会导致抽油机振动加剧，影响设备的正常运行。

2.4井口装置故障

（1）光杆密封泄漏：井口装置的正常运行是保证原油正常开采的关键。光杆密封泄漏是常见故障，当盘根磨损量超过3mm时，漏失量可达0.8m³/d。光杆密封泄漏会导致原油泄漏，污染环境，同时也会造成原油产量损失。

（2）悬绳器断裂：悬绳器是连接抽油杆和光杆的重要部件。当断丝数超过钢丝绳总丝数10%时，必须更换悬绳器。悬绳器断裂会导致抽油杆脱落，造成严重的生产事故。

三、智能化故障排查技术体系

3.1振动频谱诊断法

振动频谱诊断法是通过对抽油机关键部件的振动信号进行采集和分析，来判断设备是否存在故障。首先，需要建立关键测点数据库，包括曲柄销、减速箱输入轴等关键部位。这些测点的振动信号能够直接反映设备的运行状态。然后，通过特征频率识别来判断故障类型。例如，齿轮啮合频率的计算式为f=z×n/60，其中z为齿轮齿数，n为转速。通过计算齿轮啮合频率，并与实际测量的振动频率进行对比，可以判断齿轮是否存在故障。

3.2示功图分析法

示功图分析法是通过对抽油机示功图的分析，来判断设备的运行状态。首先，需要建立典型功图库，包括正常功图、气锁功图、泵漏功图等。这些典型功图是判断设备故障的重要依据。然后，应用改进型卷积神经网络（CNN）进行功图分类。通过对大量示功图的学习和训练，CNN可以准确地识别出不同类型的功图，准确率超过92%。

3.3红外热成像监测

红外热成像监测是通过对抽油机设备表面温度的监测，来判断设备是否存在故障。首先，需要制定温度预警阈值，例如轴承温升应不超过40℃，电机外壳温度应不超过65℃。当设备表面温度超过预警阈值时，表明设备可能存在故障。红外热成像监测还具有热斑定位精度高的特点，可达±2cm，能够准确地定位故障部位。

四、分级处置与预防性维护策略

4.1紧急故障处理

对于紧急故障，必须采取及时有效的处理措施，以避免事故扩大。例如，对于断杆事故，应首先切断电源，以防止发生触电事故；然后安装防喷盒，防止原油泄漏；最后进行起抽油杆作业，作业过程应符合APISPEC11B标准。对于电气火灾，应首先使用CO₂灭火器进行扑救，然后进行绝缘检测，最后对绕组进行重绕，作业过程应符合GB50183-2004标准。

4.2预防性维护方案

预防性维护是降低设备故障率、提高设备可靠性的重要手段。周期维护方面，每季度应调整平衡度，将平衡率控制在85-110%，以保证抽油机的平衡运行。状态监测方面，应安装无线振动传感器，采样频率应不低于5kHz，以便实时监测设备的振动状态。油品管理方面，应采用三级过滤制度，将NAS清洁度等级控制在≤8级，以保证润滑油的质量。

五、现场应用案例

5.1案例1：皮带传动失效

某抽油机出现电流波动±15%，皮带异响的故障现象。通过激光对中仪检测，发现皮带轮偏差2.8mm，热像仪显示主动轮温度78℃。经分析，故障原因为皮带磨损和中心距偏差。处理措施为更换SPB型窄V带，并将中心距调整至标准值±1%。经过处理，抽油机恢复正常运行，电流稳定，皮带异响消失。

5.2案例2：减速箱轴承损伤

某抽油机在运行过程中，监测到2倍转频处出现边频带，加速度总值8.7m/s²。经分析，判断为减速箱轴承损伤。由于现场条件限制，首先采用高分子合金修补剂进行临时修复，以保证设备的正常运行。同时，安排在72小时内更换SKF22220轴承。更换轴承后，设备运行恢复正常，振动和噪声明显降低。

六、结论与展望

通过对长庆油田第三采油厂抽油机故障的研究，建立了一套完整的智能化故障排查技术体系和分级处置与预防性维护策略。现场应用案例表明，该技术体系和维护策略能够有效地提高抽油机的故障诊断准确率和维修效率，降低设备故障率。所建立的故障诊断模型可实现85%以上常见故障的快速识别。

参考文献

[1]周海元.游梁抽油机故障排查与隐患处理对策研究[J].中国设备工程，2024（19）：187-189.