ВВЕДЕНИЕ медицине, например, это — определение ... состояния объекта технической природы. Объект, ...
advertisement
ВВЕДЕНИЕ Диагноз в переводе с греческого «диагнозис» означает распознавание, определение. В медицине, например, это — определение состояния человека, а в технике-определение состояния объекта технической природы. Объект, состояние которого определяется, будем называть объектом диагноза. Диагноз представляет собой процесс исследования объекта диагноза. Завершением этого исследования является получение результата диагноза, т. е. заключения о состоянии объекта диагноза. Характерными примерами результатов диагноза состояния технического объекта являются заключения вида: объект исправен, объект неисправен, в объекте имеется такая-то неисправность. Диагностика есть отрасль знаний, включающая в себя теорию и методы организации процессов диагноза, а также принципы построения средств диагноза. Когда объектами диагноза являются объекты технической природы, говорят о технической диагностике. Чтобы более четко увидеть область, охватываемую технической диагностикой, рассмотрим три типа задач по определению состояния технических объектов. К первому типу относятся задачи по определению состояния, в котором находится объект в настоящий момент времени. Это - задачи диагноза. Задачами второго типа являются задачи по предсказанию состояния, в котором окажется объект в некоторый будущий момент времени. Это - задачи прогноза (от греческого «прогнозис» — предвидение, предсказание). Наконец, к третьему типу относятся задачи определения состояния, в котором находился объект в некоторый момент времени в прошлом. По аналогии можно говорить, что это задачи генеза (от греческого «генезис» - происхождение, возникновение, процесс образования). Задачи первого типа формально следует отнести к технической диагностике, а второго типа — к технической прогностике (или, как чаще говорят, к техническому ^прогнозированию). Тогда отрасль знания, которая должна заниматься решением задач третьего типа, естественно назвать технической генетикой (по гречески термин «генетикос» означает «относящийся к рождению, происхождению»). Задачи технической генетики возникают, например, в связи с расследованием аварий и их причин, когда настоящее состояние объекта отличается от состояния, в котором он оказался в прошлом в результате появления первопричины, вызвавшей аварию. Решаются эти задачи путем определения возможных или вероятных предыстории, ведущих в настоящее состояние объекта. К задачам технической прогностики относятся, например, задачи, связанные с определением срока службы объекта или с назначением периодичности его профилактических, проверок и ремонтов. Решаются эти задачи путем определения возможных или вероятных эволюции состояния объекта, начинающихся в настоящий момент времени. Таким образом, знание состояния в настоящий момент времени является обязательным как для генеза, так и для прогноза. Поэтому техническая диагностика представляет собой основу технической генетики и техничеcкой прогностики, и естественно, что последние развиваются в тесной связи с первой. Усиление интереса к технической диагностике в последние годы объясняется созданием и применением в народном хозяйстве все более сложных изделий, устройств и систем (объектов) при непрерывном увеличении темпов их производства, росте интенсивности их использования и повышении требований к их надежности. В этих условиях интуитивные методы и ручные способы определения состояния сложных объектов оказываются малоэффективными или даже непригодными. В «жизни» любого объекта всегда можно выделить два этапа: этап производства, когда объект создается, и этап эксплуатации, когда объект применяется по назначению (выполняет предписанный ему рабочий алгоритм функционирования), подвергается профилактическим проверкам, проверкам перед применением или после применения, ремонту и т. п. Иногда целесообразно выделять в качестве самостоятельного также этап хранения объекта или пребывания его в резерве. Для любого объекта на каждом этапе его жизни задаются определенные технические требования. Желательно, чтобы объект всегда соответствовал этим требованиям. Однако в объекте могут возникать неисправности, нарушающие указанное соответствие. Тогда задача состоит в том, чтобы создать первоначально (на этапе производства) или восстановить нарушенное неисправностью (на этапах эксплуатации или хранения) соответствие объекта техническим требованиям. Решение этой задачи невозможно без эпизодического или непрерывного диагноза состояния объекта. Во многих случаях необходимо убеждаться в том, что объект исправен, т. е. в нем нет ни одной неисправности. Это - проверка исправности объекта. На этапе производства, например, проверка исправности позволяет узнать, содержит ли созданный объект дефектные компоненты (детали, элементы, блоки, узлы и т. п.), а их монтаж — ошибки. Заметим, что проверка исправности лежит в основе деятельности производственных отделов технического контроля. В условиях ремонта проверка исправности позволяет убедиться, действительно ли устранены при ремонте все имевшиеся в объекте неисправности, а в условиях хранения — не возникли ли какие-либо неисправности за время хранения объекта. На этапе эксплуатации при профилактике объекта, перед применением его по назначению или после такого применения в ряде случаев необходимо убеждаться в том, что объект в состоянии выполнять все функции, предусмотренные его рабочим алгоритмом функционирования. Это — проверка работоспособности объекта. Проверка работоспособности может быть менее полной, чем проверка исправности, т. е. может оставлять необнаруженными неисправности, не препятствующие применению объекта по назначению. Например, резервированный объект может быть работоспособным несмотря на наличие неисправностей в резервных компонентах или связях. На этапе эксплуатации в процессе выполнения объектом его рабочего алгоритма функционирования часто необходимо осуществлять проверку правильности функционирования объекта, т. е. следить за тем, не появились ли в объекте неисправности, нарушающие его нормальную работу в настоящий момент времени. Проверка правильности функционирования дает возможность исключить недопустимое для нормальной работы объекта влияние неисправностей, возникающих в процессе применения объекта по назначению. Проверка правильности функционирования, вообще говоря, менее полна, чем проверка работоспособности, так как позволяет убеждаться только в том, что объект правильно функционирует в данном режиме работы в данный момент времени. Иными словами, в правильно функционирующем объекте могут быть неисправности, которые не позволят ему правильно работать в других режимах. Работоспособный объект будет правильно функционировать во всех режимах и в течение всего времени его работы. Таким образом, исправный объект всегда работоспособен и функционирует правильно, а неправильно функционирующий объект всегда неработоспособен и неисправен. Правильно функционирующий объект может быть неработоспособным, и значит, неисправным. Работоспособный объект также может быть неисправным. Одной из важнейших задач диагноза состояния объекта является поиск неисправностей, т. е. указание мест и, возможно, причин возникновения имеющихся в объекте неисправностей. Поиск неисправностей необходим для выявления и замены дефектных компонент или связей объекта, для устранения ошибок монтажа и т. п. После устранения неисправности объект становится исправным, работоспособным или правильно функционирующим. Поиск неисправностей является существенной составляющей деятельности служб наладки на этапе производства и ремонтных служб на этапах эксплуатации или хранения объектов. Исправное и все неисправные состояния объекта образуют множество Е его технических состояний. Задачи проверки исправности, проверки работоспособности, проверки правильности функционирования и поиска неисправностей представляют собой частные случаи общей задачи диагноза технического состояния объекта. На рис. В-1 множество технических состояний объекта диагноза условно ограничено замкнутой кривой, причем исправное состояние обозначено малым кружком, а неисправные состояния - крестиками. Результатами проверки исправности (рис. В-1, а), проверки работоспособности (рис. В-1, б) и проверки правильности функционирования (рис. В-1, в) является получение двух подмножеств технических состояний. Одно из них (левое на рис. В-1) содержит либо только исправное состояние (при проверке исправности), либо кроме исправного состояния также те неисправные состояния, находясь в которых объект остается работоспособным или правильно функционирующим. Второе подмножество содержит либо все неисправные состояния (при проверке исправности), либо такие, пребывание в которых делает объект неработоспособным или неправильно функционирующим. Результатами поиска неисправностей (рис. В-1, г, д, е) являются разбиения на классы не различаемых между собой неисправных состояний вторых подмножеств. Число классов и, следовательно, числа входящих в них неисправных состояний (мощности классов) определяют достигаемую при поиске степень детализации мест и состава имеющихся (или подозреваемых на наличие) в объекте неисправностей. Эту степень детализации принято называть глубиной поиска или глубиной диагноза. Рис. В-1. Представление задач диагноза через разбиения множества технических состояний объекта. Заметим, что при проверке правильности функционирования и при поиске неисправностей, нарушающих правильное функционирование объекта, разбиения относятся к определенному (настоящему) моменту времени и поэтому могут быть разными для разных моментов времени и разных режимов работы объекта. Диагноз технического состояния объекта осуществляется при помощи тех или иных средств диагноза. Взаимодействующие между собой объект и средства диагноза образуют систему диагноза. Протекающий и в системе диагноза процесс в общем случае представляет собой многократную подачу на объект определенных воздействий (входных сигналов) и многократное измерение и анализ ответов (выходных сигналов) объекта на эти воздействия. Воздействия на объект либо поступают от средств диагноза, либо являются внешними (по отношению к системе диагноза) сигналами, определяемыми рабочим алгоритмом функционирования объекта. Измерение и анализ ответов объекта всегда осуществляются средствами диагноза. Будем различать системы тестового диагноза, отличительная особенность которых состоит в возможности подачи на объект диагноза специально организуемых (тестовых) воздействий от средств диагноза, и системы функционального диагноза, в которых подача воздействий на объект от средств диагноза не производится (поступают только рабочие воздействия, предусмотренные рабочим алгоритмом функционирования объекта). Системы тестового диагноза обычно решают задачи проверки исправности, проверки работоспособности и поиска неисправностей (всех или только нарушающих работоспособность) и работают тогда, когда объект не применяется по прямому назначению. Использование систем тестового диагноза при работающем объекте также возможно, но при этом тестовые воздействия могут быть только такими, которые не мешают нормальному функционированию объекта. Системы < функционального диагноза используются, как правило, для решения задач проверки правильности функционирования и поиска неисправностей, нарушающих нормальное функционирование. Эти системы работают обычно тогда, когда объект применяется по назначению. В противном случае требуется имитация условий функционирования объекта (в частности, имитация рабочих воздействий). Процесс диагноза может состоять из отдельных частей, каждая из которых характеризуется поддаваемым на объект тестовым или рабочим воздействием и снимаемым с объекта ответом. Будем называть такие части элементарными проверками объекта. Результатом элементарной проверки является полученное при ее реализации значение ответа объекта. Тогда формальное описание процесса диагноза, т. е. алгоритм диагноза технического состояния объекта, представляет собой безусловную или условную последовательность элементарных проверок и правил анализа результатов последних. Процесс диагноза можно рассматривать как специфический процесс управления, целью которого является определение технического состояния объекта. Это хорошо согласуется с современным пониманием управления как процесса осуществления целенаправленных управляющих воздействий на управляемый объект, а кроме того, четко определяет предмет исследований и задачи технической диагностики с позиций общей теории управления и контроля. Основная цель технической диагностики состоит в организации эффективных процессов диагноза технического состояния сложных объектов. Одним из факторов, существенно влияющих на эффективность процесса диагноза, является качество алгоритмов диагноза. Возможность оптимизации алгоритмов диагноза определяется следующими обстоятельствами. Число элементарных проверок, достаточных для решения конкретной задачи диагноза, как правило, меньше числа всех допустимых (т. е. физически возможных и реализуемых) элементарных проверок данного объекта. Разные элементарные проверки могут требовать разных затрат на их реализацию и давать разную информацию о техническом состоянии объекта. Кроме того, одни и те же элементарные проверки могут быть реализованы в различных последовательностях. Поэтому для решения одной и той же задачи диагноза (например, для проверки исправности) можно построить несколько алгоритмов диагноза, различающихся между собой либо составом элементарных проверок, либо последовательностью их реализации, либо, наконец, тем и другим вместе, и поэтому, возможно, требующих разных затрат на их реализацию. Необходимость увеличения производительности труда на операциях диагноза, сокращения времени обнаружения, поиска и устранения неисправностей, уменьшения объемов и сложности средств диагноза вызывает интерес к разработке методов построения оптимальных алгоритмов диагноза, требующих минимальных затрат на их реализацию. Построение оптимальных алгоритмов во многих случаях сопряжено с большими вычислительными трудностями, и поэтому зачастую удовлетворяются оптимизированными алгоритмами диагноза, затраты на реализацию которых как-то уменьшены, но не обязательно минимальны. Интуитивные методы построения алгоритмов диагноза не могут гарантировать получения объективного заключения о действительном техническом состоянии объекта. Кроме того, при интуитивном подходе алгоритмы диагноза могут содержать избыточные элементарные проверки, последовательность реализации которых может быть далекой от оптимальной, что в конечном итоге приводит к непроизводительным затратам на реализацию алгоритмов в целом. Отсюда следует необходимость разработки формальных методов построения алгоритмов диагноза технического состояния объектов. Это особенно важно для сложных объектов, насчитывающих десятки, сотни и тысячи функционально и конструктивно взаимосвязанных компонент и зачастую требующих многих часов для обнаружения и поиска неисправностей интуитивными способами. Применение формальных методов, кроме того, позволяет автоматизировать процессы построения алгоритмов диагноза при помощи вычислительных средств. Эффективность процессов диагноза определяется не только качеством алгоритмов диагноза, но и в не меньшей степени качеством средств диагноза. Последние могут быть аппаратурными или программными, внешними или встроенными, ручными, автоматизированными или автоматическими, специализирован-ными или универсальными. Наличие объективных статистических данных о вероятностях возникновения неисправностей, а также о средних затратах на обнаружение, поиск и устранение неисправностей, расширяет возможности эффективной организации процессов диагноза. Сбор таких данных требует применения надежно работающих внешних и встроенных аппаратурных средств диагноза, обеспечивающих высокую точность измерений и автоматическое документирование данных. При этом будет гарантирована достоверность результатов диагноза, сведено к минимуму влияние субъективных факторов и упрощена статистическая обработка результатов. Эффективная организация процессов диагноза технического состояния сложных объектов на всех этапах их жизни требует совместного применения систем функционального и тестового диагноза. Без систем тестового диагноза невозможно обойтись на этапе изготовления и при ремонте объектов диагноза. На этапе эксплуатации положительный результат тестовой проверки исправности или работоспособности объекта, полученный непосредственно перед применением объекта по назначению, повышает вероятность успешного выполнения объектом возложенных на него функций. Во всяком случае, в указанных условиях эта вероятность выше, чем тогда, когда тестовая проверка исправности или работоспособности объекта не проводится. Системы функционального диагноза дают возможность немедленно реагировать на нарушение правильности функционирования объекта и тем самым путем замены отказавших узлов, включения резерва, повторного выполнения операций, перехода на другой режим функционирования и т. п. во многих случаях позволяют обеспечить нормальное или хотя бы частичное, (т. е. с потерей качества) выполнение объектом возложенных) на него функций даже при наличии неисправностей в нем. В настоящее время в большинстве случаев проектирование сложных объектов ведется без должного учета того, как они будут проверяться и налаживаться в условиях производства или ремонта, как будут организованы проверка работоспособности, правильности функционирования и поиск неисправностей в условиях их эксплуатации или хранения. Недооценка важности своевременной (на этапе проектирования объектов) и глубокой проработки вопросов организации эффективных процедур диагноза, в том числе автоматизации поиска неисправностей сложных объектов, ведет к непроизводительным материальным затратам, затратам времени и квалифицированной рабочей силы при наладке, профилактике и ремонте. Среди объективных причин такого положения следует назвать недостаточное развитие теории и методов технической диагностики, слабую проработку принципов построения технических средств диагноза, а также отсутствие налаженного производства таких средств. Существенным является также психологический фактор, состоящий в том, что почти все разработчики считают творческим, созидательным делом непосредственно разработку объектов (изделий, устройств, агрегатов, систем), выполняющих заданные им функции, и не придают должного значения вопросам организации наладки, профилактики и ремонта проектируемых объектов. Усугубляется это обстоятельство тем, что обязательная проработка этих вопросов пока не всегда регламентируется официальными требованиями к проектам новых объектов. Все это приводит к тому, что часто сложные объекты оказываются без хорошо организованных систем проверки 'правильности их функционирования, не говоря уже о системах поиска неисправностей в условиях применения по назначению. Задачи проверки исправности, проверки работоспособности и поиска неисправностей в условиях изготовления, профилактики, ремонта и хранения во многих случаях вынужденно решаются после того, как объект уже спроектирован или даже выполнен «в металле». Такой подход не позволяет своевременно учесть те изменения и дополнения, которые целесообразно внести в объект для того, чтобы обеспечить простоту и удобство диагноза его технического состояния на всех этапах жизни. При существующем положении заботы по созданию средств диагноза в значительной степени ложатся на изготовителей, эксплуатационников и ремонтников. Создаваемые ими средства, как правило, являются специализированными со всеми присущими «приставной автоматике» недостатками. Затраты на разработку и создание таких средств велики, а эффективность применения низкая. Многие из указанных недостатков будут исключены, если задачи диагноза решать на этапе проектирования объектов. Иначе говоря, разработку систем и средств диагноза следует считать такой же обязательной и важной частью проекта нового объекта, как и разработку самого объекта или других его систем и средств управления. 1___________ ЗАДАЧИ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И СИСТЕМ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩЕЙ СТАНЦИИ 1.1. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ Анализ условий эксплуатации различного оборудования и систем промышленных объектов указывает на наличие естественных факторов, оказывающих разрушающее воздействие на элементы оборудования. К ним относятся механический и гидроабразивный износ, молекулярно-механическое изнашивание, коррозия и эрозия, объемное или упругое деформирование материала, образование, микротрещин в результате усталости материала, релаксация и деструкция металлов. Дополнительно к этому имеются субъективные факторы, способствующие ускоренному выходу из строя отдельных деталей и узлов. Это некачественное изготовление и монтаж оборудования, работа с нагрузками выше допустимых, несоблюдение технологии технического обслуживания и ремонта. Своевременное обнаружение неисправностей и развивающихся дефектов из-за влияния указанных факторов возможно на основе методов технической диагностики. Она также изучает признаки дефектов, методы и средства, при помощи которых устанавливается диагноз, т.е. делается заключение о причине возникновения и месторасположения дефекта. Техническое состояние оборудования и систем НПС можно характеризовать с помощью показателей надежности оборудования в целом, а также надежности ее деталей и узлов. Оценить показатели надежности можно с помощью теории надежности. Выводы этой теории имеют статистический характер, т.е. значимы лишь с определенной вероятностью, что предопределило появление проблемы достаточной статистической достоверности. Техническая диагностика создает предпосылки для организации оптимальной работы оборудования НПС и в значительной степени компенсирует недостаточную достоверность выводов теории надежности. Кроме того, техническая диагностика помогает рационально управлять производственными процессами перекачки нефти по трубопроводу. Согласно ГОСТ 20911-89 [34] устанавливаются следующие термины и определения основных понятий в области технического диагностирования и контроля технического состояния объектов. Объект технического диагностирования (контроля технического состояния). Изделие и (или) его составные части, подлежащие (подвергаемые) диагностированию (контролю). Техническое состояние объекта (техническое состояние). Состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды значениями параметров, установленных технической документацией на объект. Техническая диагностика (диагностика). Область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов. Техническое диагностирование (диагностирование). Определение технического состояния объекта. П р и м е ч а н и я: 1. Задачами технического диагностирования являются: контроль технического состояния; поиск места и определение причин отказа (неисправности); прогнозирование технического состояния. 2. Термин «Техническое диагностирование» применяют в наименованиях и определениях понятий, когда решаемые задачи технического диагностирования равнозначны или основной задачей является поиск места и определение причин отказа (неисправности). Термин «Контроль технического состояния» применяется, когда основной задачей технического диагностирования является определение вида технического состояния. Контроль технического состояния (контроль). Проверка соответствия значений параметров объекта требованиям технической документации и определение на этой основе одного из заданных видов технического состояния в данный момент времени. П р и м е ч а н и е. Видами технического состояния являются, например, исправное, работоспособное, неисправное, неработоспособное и т.п. в зависимости от значений параметров в данный момент времени. Контроль функционирования. Контроль выполнения объектом части или всех свойственных ему функций. Прогнозирование технического состояния. Определение технического состояния объекта с заданной вероятностью на предстоящий интервал времени. Примечание. Целью прогнозирования технического состояния может быть определение с заданной вероятностью интервала времени (ресурса), в течение которого сохранится работоспособное (исправное) состояние объекта или вероятности сохранения работоспособного (исправного) состояния объекта на заданный интервал времени. Технический диагноз (результат контроля). Диагноз. Результат диагностирования. Рабочее техническое диагностирование. Рабочее диагностирование. Диагностирование, при котором на объект подаются рабочие воздействия. Тестовое техническое диагностирование. Тестовое диагностирование. Диагностирование, при котором на объект подаются тестовые воздействия. Экспресс-диагностирование. Диагностирование по ограниченному числу параметров за заранее установленное время. Средство технического диагностирования (контроля технического состояния). Аппаратура и программы, с помощью которых осуществляется диагностирование (контроль). Приспособленность объекта к диагностированию (контролепригодность). Свойство объекта, характеризующее его пригодность к проведению диагностирования (контроля) заданными средствами диагностирования (контроля). Система технического диагностирования (контроля технического состояния) или система диагностирования (контроля). Совокупность средств, объекта и исполнителей, необходимая для проведения диагностирования (контроля) по правилам, установленным в технической документации. Автоматизированная система технического диагностирования (контроля технического состояния) или автоматизированная система диагностирования (контроля). Система диагностирования (контроля), обеспечивающая проведение диагностирования (контроля) с применением средств автоматизации и участием человека. Алгоритм технического диагностирования (контроля технического состояния). Совокупность предписаний, определяющих последовательность действий при проведении диагностирования (контроля). Диагностическое обеспечение. Комплекс взаимоувязанных правил, методов, алгоритмов и средств, необходимых для осуществления диагностирования на всех этапах жизненного цикла объекта. Диагностическая модель. Формализованное описание объекта, необходимое для решения задач диагностирования. П р и м е ч а н и е. Описание может быть представлено в аналитической, табличной, векторной, графической и других формах. Диагностический (контролируемый) параметр. Параметр объекта, используемый при его диагностировании (контроле). Встроенное средство технического диагностирования (контроля технического состояния). Средства диагностирования (контроля), являющееся составной частью объекта. Внешнее средство технического диагностирования (контроля технического состояния). Средство диагностирования (контроля), выполненное конструктивно отдельно от объекта. Продолжительность технического диагностирования (контроля технического состояния). Интервал времени, необходимый для проведения диагностирования (контроля) объекта. Достоверность технического диагностирования (контроля технического состояния). Степень объективного соответствия результатов диагностирования (контроля) действительному техническому состоянию объекта. Полнота технического диагностирования (контроля технического состояния). Характеристика, определяющая возможность выявления отказов (неисправностей) в объекте при выбранном методе его диагностирования (контроля). Глубина поиска места отказа (неисправности). Характеристика, задаваемая указанием составной части объекта с точностью, до которой определяется место отказа (неисправности). Техническая диагностика базируется на общей теории распознавания образов и теории контролепригодности. Ее структура представлена на рис. 1.1 [14, 52]. Теория распознавания в составе технической диагностики включает разделы, связанные с построением диагностических моделей, правил принятия решений об отнесении объектов к определенным классам состояний, алгоритмов распознавания состояний. Теория контролепригодности связана с разработкой методов и средств получения диагностической информации об объекте, проверки его состояния и поиска возникших в нем дефектов. Под контролепригодностью понимают приспособленность объекта к оценке технического состояния с заданной достоверностью при минимальных затратах труда, времени и средств. Техническая диагностика Теория распознования Алгоритмы Правила решения Теория контролепригодности Модели Информация Рис. 1.1. Структура технической диагностики Проверка Поиск В процессе диагностирования устанавливается состояние объекта: исправное, работоспособное, предельное. Согласно ГОСТ 27.002-89 [25] устанавливаются следующие понятия. Работоспособное состояние (работоспособность) - состояние оборудования, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Неработоспособное состояние (неработоспособность) - состояние оборудования, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Исправное состояние (исправность) - состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Неисправное состояние (неисправность) - состояние объекта, при котором он не соответствует хотя бы одному из требований нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния оборудования. Эксплуатационный показатель надежности - показатель надежности, точечная или интервальная оценка которого определяется по данным эксплуатации. Проверка работоспособности при диагностировании является менее полной, чем проверка исправности, так как может оставлять необнаруженными скрытые дефекты (в виде трещин, раковин и др., которые в момент оценки технического состояния объекта не препятствуют выполнению всех предписанных функций). Диагностирование является одним из путей определения работ по повышению надежности оборудования. При диагностировании используют, в зависимости от типа объекта и решаемых задач, тестовое диагностирование и функциональное диагностирование. При тестовом диагностировании на объект подают специально организованные тестовые воздействия от средств диагностики и анализируют соответствующие реакции. Это применяется при контроле работоспособности систем энергообеспечения, автоматики и телемеханики, отдельных исполнительных механизмов. При функциональном диагностировании тестового воздействия на объект от средств диагностики не производится, а воспринимаются только рабочие воздействия от самого объекта. Например, для насоса измеряются и анализируются давления, потребляемая мощность, подача, вибрация, температура отдельных элементов и другие параметры, которые используются в алгоритме функционирования машины. Здесь также необходимо учитывать режим работы объекта. При диагностировании необходимо определять количественные показатели измеряемых параметров с оценкой погрешности на каждом рабочем режиме. Когда поддержание фиксированных режимов работы объекта затруднительно, диагностирование ведут при изменяющихся по случайному закону режиме с определением характеристик случайных функций контролируемых величин. Находясь в работоспособном состоянии, объект может быть неисправным по причине возникновения одного или нескольких дефектов. Например, при трещине в вале ротора насоса, последний может еще долго выполнять свои заданные функции в соответствии с нормативнотехнической документацией. Поэтому дефекты подразделяют с учетом последствия отказа и анализируют критичность отказа (ГОСТ 27.002). Решение о продолжении эксплуатации принимают с учетом требований безопасности и последствий отказа. Достоверная оценка последствия отказа из-за обнаруженного дефекта определяется полнотой технического диагностирования и глубиной поиска места неисправности при выбранном методе диагностирования объекта. В зависимости от природы контролируемых параметров объектов контроля различают параметрические и физические методы диагностирования [17, 65]. Параметрические методы базируются на контроле основных выходных и входных параметров, а также внутренних параметров, характеризующих правильное или неправильное функционирование объекта. Параметрические методы контроля работоспособности основаны на измерении, соответствующем функциональном преобразовании результатов измерений и оценке выходных и внутренних параметров, объектов контроля. Эти методы обеспечивают контроль объекта как при эксплуатации, так и в нерабочем состоянии. К параметрическим относятся методы контроля работоспособности в целом насосов, электродвигателей, а также отдельных элементов электроустановок и арматуры. Отдельные элементы электроустановок, изоляция, сопротивления, резисторы, как правило, контролируются в нерабочих состояниях объектов. Физические методы основаны на контроле характеристик тех явлений в объекте, которые являются следствием его правильного или неправильного функционирования (нагрев, напряженно-деформированное состояние, магнитные, электрические поля, шумы, вибрации и т.д.). Физические методы принято называть методами неразрушающего контроля [17, 65]. Они основаны на использовании различных физических явлений, сопутствующих работоспособным и неработоспособным состояниям объектов. Физические методы, в свою очередь, могут быть разделены также на две группы. Одна из этих групп методов используется для контроля деталей объектов при их нерабочем состоянии, а вторая - при статических режимах работы объектов контроля. В нерабочих состояниях объекта физические методы контроля обеспечивают определение скрытых механических повреждений и дефектов в деталях (появление скрытых сквозных и несквозных микротрещин, внутренних раковин и посторонних включений, надломов и т.д.). Для этих целей нашли широкое распространение магнитометрические, капиллярные, магнитные, токовихревые, ультразвуковые, радиолокационные, оптические методы. Физические методы для контроля объектов в их рабочих состояниях обеспечивают выявление недопустимых износов и повреждений в сопряженных подвижных деталях механизмов (подшипниках, кривошипных механизмах). К таким методам относятся тепловые и акустические, методы статистической обработки случайных колебаний выходных параметров объектов контроля. Контроль состояния деталей механизмов неразрушающими методами называется дефектоскопическим. Как правило, такой контроль осуществляется на стадиях ремонта насосов, арматуры, электродвигателей или их деталей и узлов. При таком контроле определяют механические повреждения, зоны, в которых возникают эксплуатационные дефекты (микротрещины, высокие напряжения). Задачи, решаемые технической диагностикой и прогнозированием, включают теоретическое и практическое направления, неразрывно взаимосвязанные друг с другом. В теоретическом направлении осуществляется построение логических моделей объектов диагностирования, отображающих логические связи между принятыми к распознаванию техническими состояниями и признаками состояний объектов, а также математических моделей объектов диагностирования, которые обеспечивают формальное описание взаимосвязей между техническими состояниями и их признаками. Разрабатываются применительно к конкретным объектам наиболее информативные методы диагностирования и прогнозирования работоспособного состояния оборудования на заданный период времени работы объекта. На практике решение задач диагностики идет в направлении анализа функционирования объекта с учетом изменений его контролируемых параметров при различных режимах и условиях эксплуатации; определения рациональных алгоритмов диагностирования объекта; уточнения логической и математической моделей по результатам эксплуатации; оптимального прогнозирования сроков последующих диагностических контролей и ремонтов; сбора и обработки статистических данных о показателях надежности; оценки затрат, связанных с проверками работоспособности объекта в процессе эксплуатации. Основу функционирования автоматизированной системы диагностики составляют алгоритмы и программы диагностирования технического состояния насосов, электродвигателей, задвижек, органически взаимосвязанные с процессами управления технологическим процессом перекачки, технического обслуживания и ремонта. При этом должно обеспечиваться решение следующих основных задач: - оперативное диагностирование и прогнозирование технического состояния оборудования НПС для формирования оптимальных решений в системе управления нефтепроводов; - выработка долгосрочных рекомендаций по оптимальному техническому обслуживанию и ремонту оборудования НПС с учетом морального и физического износа; - углубленное диагностирование для распознавания неисправностей, которые не могут быть выявлены автоматизированной системой контроля рабочих параметров оборудования. 1.2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И СИСТЕМ НЕФТЕПЕРЕКАЧИВАЮЩЕЙ СТАНЦИИ Магистральный трубопроводный транспорт нефти по решению стратегических и экономических задач страны является важнейшей отраслью. Бесперебойное функционирование нефтепроводов во многом определяется стабильной работой нефтеперекачивающих станций. Надежность и экономичность эксплуатации нефтеперекачивающих станций определяется следующими факторами: - начальным техническим состоянием используемых в технологическом процессе перекачки нефти насосов, электродвигателей, средств и элементов систем автоматики и телемеханики, оборудования регулирования давления, систем смазки, охлаждения, вентиляции и пр.; - качеством и своевременностью проведения технического обслуживания и ремонта (ТОР) оборудования и систем НПС; - надежностью контролирования и достоверностью оценки технического состояния оборудования и нормального функционирования систем при их работе; - оптимальной организационной структурой ремонта и технического обслуживания оборудования и систем НПС на базе передовой технологии и современных средств механизации ремонта и контроля его качества. Количественно надежность оценивается показателями, основные из которых следующие: вероятность отказа, вероятность безотказной работы Р(t), плотность распределения наработки до отказа f(t), и интенсивность отказов (t),. Вероятность отказа описывается функцией Q(t) = Q(ta ≤ t), при этом момент отказа tа для агрегата, детали и т.п. является случайной величиной. Поведение рассматриваемого элемента определяют два случайных события: отказ и безотказная работа. Вероятности отказа и безотказной работы взаимосвязаны следующей зависимостью: P(t) = l - Q(t), (1.1) а соответствующая ей функция имеет вид Р(t) - P(ta > t). Показатель Q(t) есть вероятность того, что отказ произойдет в интервале (0, t), а Р(t) - вероятность отказа после момента времени t. Время работы до отказа является непрерывной случайной величиной. Его плотность вероятности f (t ) dQ(t ) dP(t ) . dt dt (1.2) Другим важным показателем является интенсивность отказов (t), определяемая соотношением dP(t ) f (t ) f (t ) (1.3) Pdt P(t ) 1 Q(t ) Интенсивность отказов (t) так же, как показатели Q(t), Р(t), f(t), является характеристикой распределения вероятности отказа. С помощью каждой из этих четырех величин могут быть получены остальные три. Эта взаимосвязь представлена в табл. 1.1. Определение надежности системы или элемента является статистической задачей. При этом количественные показатели надежности определяются, как правило, экспериментально при обработке фактических эксплуатационных показателей оборудования НПС. Зависимость интенсивности отказов от времени для каждого конкретного оборудования имеет свой вид. Так, например, для электронных элементов системы автоматики НПС она имеет вид, изображенный на рис. 1.2 [64]. После периода приработки t1, причинами отказов в котором являются главным образом производственные дефекты, начинается период нормальной работы со случайными отказами, происходящими с интенсивностью = const (период времени от t1 до t2). Следующий период эксплуатации характеризуется более интенсивным износом и усталост ными повреждениями и вызывает рост числа отказов (t > t2). (t ) Таблица 1.1 Взаимосвязь между показателями надежности Показатель надежности Q(t) Р(t) f(t) f (t )dt t 1 exp f (t )dt 0 f (t )dt t exp f (t )dt 0 t Q(t) Q(t) P(t ) 0 P(t) Q (t ) P(t) 0 f(t) dQ (t ) dt dP (t ) dt (t) dQ (t ) / dt 1 Q (t ) dInP (t ) dt (t) f(t) t (t ) exp (t )dt 0 f (t ) f (t )dt (t) t Рис. 1.2. Зависимость интенсивности отказов от времени для электронных элементов В механическом оборудовании, как правило, имеет место другой характер зависимости интенсивности отказов от наработки (рис. 1.3). Рис. 1.3. Зависимость интенсивности отказов от наработки для механического оборудования [(t)const] Анализ надежности оборудования НПС, имеющих различные распределения случайных величин, проводится на основе однозначной зависимости характера распределения от конкретного вида рассматриваемого объекта. Применительно к оборудованию НПС основную роль в определении надежности имеют распределения Вейбулла и экспоненциальное (рис. 1.4). Табл. 1.2 показывает, что по (t) однозначно можно получить показатели Q (t), Р(t), f(t) [4]. Рис. 1.4. Распределение безотказной работы вероятности При определении среднего ресурса или среднего срока службы пользуются выражением Tcp P(t )dt (1.4) 0 Когда (t) = const, т.е. P(t) = e -t, получим Tcp 1 (1.5) На примере, представленном в работе [64], рассмотрим характер изменения функции надежности водяного насоса. Вероятность безотказной работы Р в течение определенного времени t выражается функцией надежности P(t). Оценки параметров этой функции получают с помощью выборки из генеральной совокупности элементов. Чтобы обеспечить требуемую вероятность безотказной работы, например насоса, до момента времени ti в соответствии с функцией, изображенной на рис. 1.5, может оказаться необходимым провести профилактические работы для поддержания его в исправном состоянии. Таблица 1.2 Показатели надежности при распределении Вейбулла и экспоненциальном распределении (для экспоненциального распределения параметр формы a = 1) Q(t) P(t) f(t) (t) 1-exp(-t) 1-exp(-t) exp(-t) exp(-t) t-1exp(-t) exp(-t) -t-1 Вид распределения Вейбулла Экспоненциальное Рис. 1.5. Функция водяного насоса охлаждения надежности агрегата Чем больше для момента времени t1 дисперсия плотности вероятности Р(t), тем шире при выбранной статистической достоверности доверительный интервал Р (рис. 1.6). Однако чем шире доверительный интервал, тем больше может быть расхождение между статистически предсказанным временем безотказной работы и реальной наработкой на отказ конкретного технического устройства. Если функция надежности данного изделия располагается выше статистически усредненной зависимости, то профилактические работы в момент времени t\ будут преждевременными. Если конкретная функция надежности лежит ниже, то отказ может произойти перед проведением профилактических работ. В противоположность такому положению обследование состояния машины с помощью методов и средств технической диагностики позволяет определить оптимальный момент времени для проведения мероприятий по поддержанию исправности или оптимального режима работы. Используемая на сегодня в магистральном транспорте нефти система плановопредупредительного ремонта (ППР) насосных агрегатов с использованием среднестатистических показателей надежности и экономичности сдерживает пути дальнейшего снижения удельного расхода электроэнергии на перекачку нефти и сокращения трудоемкости и численности обслуживающего и ремонтного персонала. Поэтому с учетом дефицита трудовых и энергетических ресурсов, необходимости обеспечения высокой Рис. 1.6. Распределение плотности вероятности и доверительный интервал надежности надежности функционирования нефтепровода особенно актуальным является решение проблемы разработки такой системы технического обслуживания и ремонта, которая позволила бы наиболее полно и рационально учесть ресурс и технические возможности каждого отдельно взятого агрегата или элемента системы, исходя из индивидуальных свойств и состояния его в любой момент времени. Такая структура ТОР, базирующаяся на фактическом техническом состоянии оборудования, может быть создана на базе системы диагностики с использованием специализированных средств и особых методов оценки работоспособности и прогнозирования ресурса всех основных элементов НПС. Глубина поиска неисправностей и необходимая достоверность информации о техническом состоянии объекта должна базироваться на фактических показателях надежности и строится с учетом функционирования двух принципиально различных типов систем: с избыточностью (резервированием) и без избыточности. Критериями, определяющими время и момент проведения диагностирования, являются: законы распределения плотности вероятности и доверительный интервал надежности, техникоэкономические факторы реализации методов диагностирования, достоверность и глубина поиска дефекта, фактически отработанное время оборудования и режимы его эксплуатации. Исходя из этого, часть оборудования и системы должны предусматривать непрерывное проведение технического диагностирования (например, основные и подпорные насосные агрегаты с определенным законом и циклом сбора данных о параметрах их работы) и прерывистое, с устанавливаемыми моментами проверок (как правило, при техобслуживании или ремонте изделий). К последнему относится диагностирование элементов энергооборудования (переключатели, пускатели реле и пр.); системы автоматики и телемеханики (первичные преобразователи измерения и контроля параметров работы оборудования, усилители и согласователи, датчики утечек и загазованности, измерительные каналы и др.); вспомогательных систем, вентиляторов и маслонасосов (параметры охладителей, качество масла и пр.); запорнорегулирующей арматуры. В то же время, развитие современных информационно-измерительных систем позволяет в реальном времени оценивать работоспособность указанных оборудования и систем. В настоящее время в отрасли наряду с методами диагностирования на базе портативных приборов получает развитие стационарная система диагностики как подсистема АСУ, охватывающая комплекс взаимосвязанных задач по созданию и реализации вибродиагностики, параметрической диагностики, определению фактических показателей надежности, планированию ТОР и др. [16]. та (ТОР) оборудования и их самостоятельное рассмотрение не позволит в полной мере решить задачи создания надежных дистанционно управляемых автоматизированных НПС [16]. При использовании методов диагностики, сочетающих систему математического обеспечения и аппаратурной части, система ТОР базируется на текущем техническом состоянии оборудования. Стратегия технического обслуживания, ориентированная на состояние машины, должна обеспечивать: - остановку насосного агрегата или отключение тех или иных систем только при необходимости, т.е. если состояние объекта этого требует, исходя из предотвращения аварийной ситуации или экономической целесообразности; - замену узлов, деталей отдельных изделий при достижении фазы износа или отклонении рабочих параметров за допустимые пределы; - регулировку элементов, восстановление деталей и рабочих параметров, если возможно (например, напор и КПД насоса), балансировку роторов, центровку машины; - определение элемента машины или системы, лимитирующих время между их обслуживанием или ремонтом, выдачи рекомендаций по повышению надежности такого элемента; - объективный контроль качества выполнения ремонта, монтажа, регулировок. Рис. 1.8. График затрат на ремонт или техобслуживание объекта при эксплуатации При этом рассматривается не только мгновенное состояние объекта, но и тренд измеряемых величин, по которому прогнозируется время наработки до ремонта или очередной проверки контролируемых параметров. Минимум затрат на выполнение ТОР будет иметь место, если определена оптимальная периодичность обслуживания и ремонта объектов (рис. 1.8). По данным фирмы Штерцик (Германия) при такой стратегии определения интервала проведения ТОР затраты на его осуществление составят 2-6% от затрат на восстановление работоспособности объекта после его отказа. Суммируя аналогичные, затраты по всему оборудованию и системам НПС, учитывая комплектность ремонтных бригад и транспортные издержки на их приезд, можно определить оптимальный цикл ТО Ра, когда ремонт становится неизбежным, чтобы сохранить эксплуатационную надежность оборудования. С учетом изложенного, укрупненная схема функционирования системы технического обслуживания и ремонта на базе диагностики, обеспечивающая эксплуатацию НПС без постоянного присутствия эксплуатационного персонала, изображена на рис. 1.9. С учетом выполненных работ можно сказать, что для более эффективного функционирования системы диагностики оборудования НПС и на ее базе новой системы ТОР по фактическому состоянию необходимо решить следующие задачи: - организовать единую систему автоматизированного сбора и анализа показателей надежности оборудования и систем НПС; - обеспечить получение достоверной информации по основным технологическим показателям работы насосных агрегатов (подаче, давлению, напору, мощности, частоте тока) и передачу ее на уровень ЭВМ РДП; - создать систему метрологического обеспечения измерений и обработки сигналов, включая автоматизированную систему поверки на основе тестовых и калибровочных программ, позволяющую оценивать техническое состояние (диагностировать) измерительных преобразователей и каналов; разработать методы диагностики механотехнологического оборудования, энергоустановок и вспомогательных систем; - организовать совершенную систему контроля качества ремонта и технического обслуживания оборудования. Рис. 1.10. Структурная схема оборудования, систем и сооружений НПС Таблица 1.3 Методы обнаружения основных неисправностей оборудования НПО Предлагаемый метод Периодичность измерения и Объект обнаружения неисправно- Диагностируемый параметр контроля параметров стей и дефектов 1 2 3 4 Основные и подпорные насосные агрегаты 1.1. Насосы 1. Вибродиагностика Параметры вибрации Постоянно при эксплуатации 2. Параметрическая диагностика 1.2. Электродвигатели 1. Вибродиагностика Напор, подача, мощность Параметры вибрации 2. Электрический Ток статора. Сопротивление изоляции 3. Термометрический Температура железа и меди 4. Тепловизионный Температура (тепловое поле) контактных соединений и поверхностей оборудования Уровень и характеристики частичных разрядов 5. Метод частичных разрядов (ЧР) 6. Метод приложенного напряжения Обнаруженные неисправности 5 Разбаланс роторов, расцентровка; дефекты подшипников и соединительной муфты; кавитация; замыкание обмоток электродвигателя, дефекты вала-трещины, овальность посадочных мест и др. Периодически Износ уплотнений; эксцентриситет в уплотнении, большая шероховатость и отклонение форм проточной части, дефекты рабочего колеса, некачественный монтаж ротора. Постоянно Разбаланс, расцентровка, дефекты подшипников и вала, короткое замыкание в обмотках, ослабление посадки клиньев. Периодически при эксплуатаУхудшение качества изоляции, обрыв ции и ремонте стержней, замыкание, неравномерность воздушного зазора между ротором и статором, заедание подшипников. Постоянно Дефекты вентилятора, системы охлаждения, загрязнение проточной части. Периодически Дефекты контактных соединений, токоведущих частей, под шипников Изменение напряженности Периодически электрического поля или тока проводимости Периодически Старение, нарушение прочности изоляции Дефекты изоляции 1.3. Валы 1.4. Узлы торцовых уплотнений 1. Акустическая эмиссия 2. Ультразвуковой 3. Вихретоковый 4. Магнитопорошковый 5. Вибрационный (при эксплуатации) 1. Термометрический 2. Визуальный 1.5. Маслосистема 1. Термометрический 2. Парциальный 3. Спектрографический 2. Запорная арматура (задвижки, клапана) 1. Акустический Величина сигнала Периодически в зависимости от наработки и нагрузки Постоянно Температура пар трения или перекачиваемой среды Перед монтажом около них Постоянно Величина микротрещин, сколы, раковины Температура 4. Магнитометрический 5. Ультразвуковой 1 3. Первичные пре – образователи, измерительные каналы телемеханики Разрушение импеллера и резиновых уплотнений, выход из строя пар трения; запарафинирование линий разгрузки Трещины, раковины Сужение проходных сечений магистрали, забивание фильтра, дефекты системы охлаждения, негерметичность трубопроводной обвязки, разрушение подшипников и фильтра Давление Постоянно Концентрация металличе- Периодически ских стружек в масле Спектральный звука уровень Периодически 2. Радиоизотопный (мечен- Концентрация изотопа ных атомов) 3. Рентгенографический Микротрещины, поры, раковины Деформация тарелок, осей и штока; попадание посторонних предметов; трещины, неплотное прилегание клапана к седлу Наличие трещин, неплотностей и др. Напряженность магнитного поля Величина сигнала 2 3 4 Статистической обработ- Величины математического Периодически в зависимости от ки информации ожидания и дисперсии, установленных критериев коэффициент вариации, корреляционные зависимости 5 Дефекты и неисправности преобразователей, измерительных каналов, коммутаторов 2_________________ ВИБРОДИАГНОСТИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ 2.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Вибродиагностический метод контроля технического состояния машин (вибродиагностика) является одним из информативных и доступных методов диагностики. Применительно к оборудованию НПС вибродиагностика позволяет контролировать техническое состояние магистральных и подпорных насосных агрегатов в режиме постоянного слежения за уровнем вибрации, а также оценивать работоспособность вентиляторов, насосов систем охлаждения, маслоснабжения, отопления, откачки утечек и прочего оборудования путем периодического измерения и анализа параметров вибрации. Широкое развитие вибродиагностики объясняется следующими факторами: - доступностью установки датчиков вибрации на магистральных и подпорных насосных агрегатах, малыми габаритами и массой датчиков; - возможностью осуществления постоянного автоматизированного контроля за техническим состоянием объекта путем непрерывного измерения и оценки вибрации, а в случае ее достижения предельных величин осуществлять «защиту» объекта путем подачи сигнала на аварийную остановку машины; - большой информативностью параметров вибрации, позволяющей идентифицировать гидромеханические, механические и магнитно-электрические источники колебаний и распознавать многие неисправности; - возможностью контролировать качество монтажа и ремонта оборудования. Величина вибрации является одним из важных критериев, определяющих эксплуатационную надежность насосных агрегатов НА и другого оборудования НПС. Контроль вибрации и меры, проводимые с целью поддержания ее на безопасном уровне, должны являться одним из важнейших технических мероприятий. Сфера применения вибродиагностики в первую очередь относится к магистральным и подпорным насосным агрегатам, как к оборудованию наиболее нагруженному и ответственному, причем контроль уровня вибрации насосов должен производиться постоянно в автоматическом режиме по общему уровню вибрации с применением контрольно-сигнальных измерительных систем, задействованных в системе автоматики и телемеханики НПС. При контроле текущих значений вибрации должна быть обеспечена автоматическая выдача предупредительной сигнализации при достижении первого порогового уровня. При дальнейшем росте вибрации должен автоматически подаваться сигнал на отключение насосного агрегата. До установки контрольно-сигнальных средств контроль и измерение величины вибрации осуществляются портативными (переносными) средствами виброметрии, которые должны быть на каждой НПС. Контроль уровня вибрации вспомогательных насосов - насосов откачки утечек, маслонасосов, насосов систем водоснабжения и отопления должен осуществляться с помощью переносной аппаратуры. Датчики контрольно-сигнальной виброаппаратуры устанавливаются обязательно на каждой подшипниковой опоре основного и горизонтального подпорного насосов для контроля вибрации в вертикальном направлении. Для вертикальных подпорных насосов датчики устанавливаются на корпусе опорно-упорного подшипникового узла насоса для контроля вибрации в вертикальном (осевом) и горизонтально-поперечном направлениях. При наличии многоканальной виброаппаратуры рекомендуется дополнительно устанавливать датчики для контроля вибрации в горизонтально-поперечном и осевом направлениях каждого подшипникового узла. Вертикальная составляющая вибрации измеряется в верхней части крышки подшипника над серединой длины его вкладыша. Горизонтально-поперечная и горизонтально-осевая составляющие вибрации измеряются на уровне оси вала насоса против середины длины опорного вкладыша. Вибрация всех элементов крепления насоса к фундаменту измеряется и контролируется в вертикальном направлении. У насосов, не имеющих выносных подшипниковых узлов (насосы со встроенными подшипниками), вибрация измеряется как можно ближе к оси вращения ротора. Средства контроля вибрации и методы вибродиагностики должны обеспечивать решение следующих задач: - своевременное обнаружение возникающих дефектов составных частей оборудования и предотвращение его аварийных отказов; - определение объема ремонтных работ и рациональное их планирование; - корректировка значений межремонтных интервалов и прогнозирование остаточного ресурса составных частей оборудования по его фактическому техническому состоянию; - проверка работоспособности оборудования после монтажа, модернизации и ремонта, определение оптимальных режимов работы оборудования. При эксплуатации насосных агрегатов имеет место два принципиально различных метода измерения вибраций (колебаний) - при помощи датчиков измерения абсолютных колебаний и относительных колебаний. Колебания насосных агрегатов создаются преимущественно их вращающимися частями и пульсациями давления в насосе и подводящих трубопроводах. При этом, главным возбудителем колебаний является неуравновешенность роторов насоса и электродвигателя. Ротор, имеющий дисбаланс, создает во время вращения свободные центробежные силы, зависимые от частоты вращения (рис. 2.1). Их величина вычисляется на основе следующего соотношения (рис. 2.1): F = и r 2, где F - центробежная сила; и - дисбаланс; r - радиус; - частота вращения. Рис. 2.1. Схема возникновения свободной центробежной силы F при дисбалансе ротора Рис. 2.2. Виды колебаний у машин Вызванные дисбалансом центробежные силы и действующие на ротор переменные силы (например, магнитные силы, гидравлические силы и т.п.) побуждают ротор и вал ротора к колебаниям. Через масляную пленку подшипников скольжения (или через подшипники качения) колебания и усилия передаются на опоры и на фундамент машины. Передаваемые колебания зависят от разных параметров. Самые существенные из них: жесткость и демпфирование масляной пленки, опор и фундаментов, а также масса роторов, опор и фундаментов. На рис. 2.2 и 2.3 изображены колебания (трех видов), измеряемые при эксплуатации большинства насосных агрегатов и других роторных машин. Рис.2.3. Виды колебаний и места их измерения (на примере подшипника скольжения) Различают колебания трех видов. Относительные колебания валов. Это быстрые движения вала ротора по отношению к вкладышу подшипника. Абсолютные колебания опор подшипников. Под этим подразумеваются быстрые движения вкладыша подшипника и корпуса подшипника по отношению к жесткой опорной точке в пространстве. Абсолютные колебания валов. Это быстрые движения вала ротора по отношению к жестко установленной опорной точке в пространстве. В области механических колебаний приняты три измеряемые величины: - вибросмещение (амплитуда колебаний) s - отклонение точки измерения от положения покоя; единица измерения - мкм (1 мкм = = 10-6 м); - виброскорость v - скорость движения точки измерения вокруг своего положения покоя; единица измерения - мм/с; - виброускорение а - ускорение движения точки измерения вокруг своего положения покоя; единица измерения - м/с2. Когда уровень вибрации оценивается для отдельной электрической машины в испытательном помещении, условия измерения и допустимые значения вибрации определяются по ГОСТ 20815 (МЭК 34-14-82) [33]. Этот же стандарт устанавливает, что при измерении вибрации на месте эксплуатации, следует пользоваться специальными методиками, разработанными для машин конкретных типов. По ГОСТ 20815 критерием, принятым для оценки интенсивности вибрации машин с частотой вращения 600 об/мин и выше, является среднее квадратическое значение виброскорости, имеющей размерность мм/с и обычно обозначаемой e или eff; ve определяют непосредственным измерением или по результатам спектрального анализа в диапазоне от частоты вращения, на которой проводят измерения, до 2000 Гц по формуле e n i 1 2 ei (2.1) где ei - среднее квадратическое значение виброскорости, полученное при спектральном анализе для iй полосы фильтра; i=1, 2...n, при этом первая и п-я полосы фильтра должны включать соответственно нижнюю и верхнюю граничные частоты заданной для измерения полосы частот. Для крупных машин (с высотой оси более 355 мм) с частотой I вращения менее 600 об/мин определяют и нормируют пиковое значение виброперемещения S (мкм). Интенсивность вибрации машины характеризуется наибольшим значением из числа измеренных в предписанных точках. Применительно к оборудованию НПС используют только характеристики вибросмещения (амплитуду колебания) и виброскорость. При измерении вибрации предпочтение отдается тому виду колебаний, который имеет самую большую информативность. Для насосов и электродвигателей НПС оценка вибрации проводится на основе измерения абсолютных колебаний корпусов подшипников и реже относительных колебаний валов. Для других ротационных машин (вентиляторов, насосов вспомогательных систем НПС) рекомендуется измерять абсолютные колебания корпусов и подшипниковых узлов. Для машин на подшипниках скольжения следует дополнительно учесть соотношения масс и жесткости объекта. Ротор с малой массой сможет побудить жесткую опорную конструкцию с большой массой только к незначительным колебаниям подшипников. Относительные колебания вала при этом в 10-30 раз больше, чем абсолютные колебания подшипников. Тогда в качестве измеряемой величины необходимо выбрать относительное колебание вала. Если масса роторов увеличивается не намного меньше массы подшипниковых узлов со стояками, то относительные колебания валов только в 3-10 раз больше, чем абсолютные колебания подшипников. В этом случае помимо измерения относительных колебаний валов рекомендуется измерять еще абсолютные колебания подшипников, чтобы получить более достоверную информацию о техническом состоянии машины. Когда масса роторов сопоставима с массой подшипниковых опор или больше, абсолютные колебания валов могут достигнуть примерно таких же самых значений, как абсолютные колебания подшипников. В таких случаях рекомендуется измерять абсолютные колебания валов и корпусов подшипников. Измерение абсолютных колебаний валов ввиду необходимости специальной измерительной аппаратуры вызывает большие трудности. Поэтому эти колебания учитываются, как правило, при эксплуатации только больших турбоагрегатов электростанций. Чтобы выяснить причины, вызывающие вибрации насосного агрегата, необходимо провести диагностические работы с частотным анализом вибраций насосного агрегата. При частотном анализе с помощью виброизмерительной аппаратуры определяются все частотные составляющие вибраций, которые вызывают колебание машины. Для правильной интерпретации частотных составляющих вибрации с присущими неисправностями, возникающими в диагностируемом оборудовании, необходимо четко представлять его конструкцию, знать характерные частотные составляющие вибрации, сопутствующие каждому виду неисправности для диагностируемого оборудования, иметь виброизмерительную аппаратуру, позволяющую определять необходимые частотные составляющие вибрации. Частотный анализ вибраций с помощью виброизмерительной аппаратуры можно осуществлять, в основном, тремя способами: гармоническим анализом вибраций, полосовым выделением частотных составляющих и при применении перестраиваемых фильтров. При гармоническом анализе вибрации виброизмерительная аппаратура сама определяет частоту вращения ротора машины, настраивает встроенный фильтр на эту частоту и фильтр «пропускает» только ту часть сигнала возмущения, которая соответствует частоте вращения ротора. Данная величина вибрации называется 1-й гармонической составляющей вибрации или основной гармоникой вибрации. Еще ее называют оборотной составляющей вибрации. Изменяя положение переключателя прибора, можно увеличить (или уменьшить) в 2, 3, 4 ... раза частоту, на которую настроится встроенный фильтр и тем самым определить 2, 3, 4 ... гармонические составляющие вибрации. Если мы настраиваем фильтр на частоту ниже 1-й гармоники, то составляющие вибрации называются субгармониками. Данный способ выделения гармонических составляющих вибрации является наиболее точным, но требует применения (кроме датчика вибрации) датчика, определяющего частоту вращения вала машины (например, фотоэлектрического или лазерного). Более простым способом выделения частотных составляющих вибрации является применение полосовых фильтров. Встроенные полосовые фильтры настраиваются на определенную частоту, которая зависит от положения переключателя прибора. При этом фильтр пропускает полосу частот, соответствующую его характеристикам. Поэтому, изменяя положение переключателя, мы можем определить, какие частотные составляющие присутствуют в общем уровне вибрации. Под общим уровнем вибрации понимается вся совокупность вибраций, вызванная имеющимися неисправностями в эксплуатируемом оборудовании. В ряде виброизмерительных приборов имеется перестраиваемый фильтр. Если это автоматически перестраиваемый фильтр, то прибор сам последовательно изменяет частоту пропускания фильтра, и по изменениям показаний индикатора можно определить, какие частотные составляющие и с какой величиной присутствуют в общем уровне вибрации. Однако визуально это сделать сложно. Поэтому для такого частотного анализа обычно используют самописцы, подключаемые к выходу прибора, и записывают амплитудно-частотную диаграмму, по которой впоследствии определяют отдельные частотные составляющие вибрации. Для диагностических работ можно использовать любой из этих способов частотного анализа вибрации. 2.2. НЕФТЯНОЙ НАСОСНЫЙ АГРЕГАТ КАК ОБЪЕКТ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ Магистральный нефтяной насосный агрегат включает центробежный насос типа НМ и приводной трехфазный синхронный или асинхронный электродвигатель. Роторы насоса и двигателя соединяются зубчатой или упругой пластинчатой муфтой. Магистральные насосные агрегаты предназначены для перекачки нефти по магистральным трубопроводам в составе НПС в диапазоне подач номинального режима 1250-10 000 м3/ч и имеют частоту вращения ротора 3000 об/мин (50 Гц) для синхронных электродвигателей или близкую к ней для асинхронных двигателей. Насос, входящий в состав агрегата, - центробежный горизонтальный с двухсторонним подводом жидкости к рабочему колесу и двухзавитковым спиральным отводом жидкости от рабочего колеса. Ротор насоса состоит из вала с насаженным на него рабочим колесом, защитными втулками и крепежными деталями. Ротор центрируется относительно корпуса насоса перемещением корпусов подшипников с помощью регулировочных винтов. Опорами ротора являются подшипники скольжения с принудительной смазкой. Осевые усилия ротора воспринимают два спаренных радиально-упорных подшипника, установленных на конце вала. Концевые уплотнения ротора механические, торцовые, гидравлически разгруженные. Электродвигатель насосного агрегата выполняется с одним рабочим концом вала и выпускается как во взрывобезопасном, так и в нормальном исполнении. Сердечник статора состоит из пакетов, разделенных вентиляционными каналами, обмотка статора - двухслойная катушечная. Ротор двигателя имеет пазы, в которых уложена и опрессована обмотка возбуждения. На роторе установлены центробежные вентиляторы и направляющие аппараты, обеспечивающие безударный вход воздуха в вентиляторы. Опорами ротора служат литые стояковые подшипники скольжения с циркулирующей под давлением смазкой. Подача масла в подшипники насосного агрегата обеспечивается отдельно стоящей маслоустановкой. Насос и электродвигатель могут быть установлены на отдельных фундаментных рамах или на общей плите. Фундамент агрегата - общий, монолитный. Конструкцией насоса предусмотрены места для установки вибродатчиков, приборов дистанционного контроля температуры подшипников, утечек жидкости через концевые уплотнения ротора, температуры перекачиваемой жидкости, давления на входе и выходе насоса. Конструктивно насос и электродвигатель имеют выносные подшипники, корпуса которых используются для установки датчиков вибрации и датчика измерения частоты вращения ротора. При эксплуатации насосных агрегатов необходимо проводить периодический контроль и оценку интенсивности вибрации агрегата в соответствии с нормами вибрации на них. В общем случае вибродиагностические работы при эксплуатации насосного агрегата можно представить в следующем виде. В начале эксплуатации, после окончания ремонтных работ, необходимо провести контроль качества ремонта и паспортизацию начальных его технических параметров. В процессе эксплуатации до момента времени, после которого виброактивность машины превысит оценки «хорошо», проводится периодический экспресс-анализ по общему уровню вибрации. После превышения интенсивности вибрации оценки «хорошо» устанавливается предварительный диагноз, определяется срок очередного проведения обследования и возможность дальнейшей эксплуатации. При увеличении интенсивности колебаний выше уровня (0,8-0,9) от предельно допустимого проводится техническое обследование с установкой окончательного диагноза, определяется срок и объем ремонтных работ. В качестве нормируемого параметра вибрации устанавливается среднее квадратическое значение виброскорости. Оценка интенсивности вибрации агрегатов электронасосных центробежных нефтяных магистральных (нормы вибрации эксплуатационные) осуществляется в соответствии с РД 153-39ТН008-96 [86], РД 153-39ТН-009-96 [87] и представлена обобщающей табл. 2.1. Таблица 2.1 Оценка интенсивности вибрации насосного агрегата Насос Определяющие величины среднего квадратического значения виброскорости, мм /с До 2,8 2,8-4,5 Оценка интенсивности вибрации Отлично Хорошо Оценка длительности эксплуатации Длительная Длительная Электродвигатель Оценка интенсивности вибрации Отлично Хорошо Оценка длительности эксплуатации Длительная Длительная 4,5-7,1 (для номинальных подач) 4,5 -7,1 (для подач, отличных от номинальной) 7,1-11,2*(для подач, отличных от номинальной) Свыше 11,2 Удовлетворительно Удовлетворительно Ограниченная Удовлетворительно Длительная Удовлетворительно, Ограниченная необходимо улучшение Не допускается Не допускается Удовлетвори- Ограниченная тельно, необходимо улучшение Не допускается Не допускается Не допускается Ограниченная Не допускается * Эксплуатация НА ограничена до замены рабочего колеса насоса на меньшую подачу. Измерение относительных колебаний валов и абсолютных колебаний подшипников стандартизовано разными международными и отечественными стандартами и рекомендациями. Большинство из этих стандартов и рекомендаций дает, кроме определения измеряемых величин, методы измерений и требований к измерительному прибору, также числовые значения для оценки колебательного состояния машин. Особенное значение для предохранения машин от повреждений имеют предельные значения для выдачи предупредительного сигнала тревоги и отключения. Предельные значения колебаний валов, действительные для приемки некоторых машин по стандарту API, представлено в табл. 2.2. Таблица 2.2 Предельные значения колебаний валов по стандарту API Предписание по приемке стандарта API 610 Лопастные Область применения насосы насосных станций Допустимые колебания (включая радиальное биение) Роторы на подшипниках качения: - относительные колебания валов 2,5 mils (63,5 мкм) и абсолютные колебания подшипников 0,3 inch/s (7,6 мм/с). Роторы на подшипниках скольжения: - относительные колебания валов 2,5 mils (63,5 мкм) и колебания подшипников 0,4 inch/s (19,2 мм/с) API 611 API 612 API 616 API 617 Промышленные газовые турбины турбокомпрессоров и насосных установок API 613 Редукторы 1200 mils ; max 2,0 mils nmax API 619 Компрессоры 2500 mils ; max 2,5 mils nmax 1200 1200 ; max 2,0 mils mils 0,25 nmax nmax Таблица 2.3 Оценка колебаний машин по стандарту VDI 2056 Амплитуда колебаний Vэфф, мм/с Группа К Малогабаритные машины 28 18 Группа М Средние машины Группа G Большие машины Не допускается Группа Т Турбомашины 11 7 Еще в допуске 4,5 2,8 Годно 1,8 1,1 0,7 Хорошо 0,45 0,28 В табл. 2.3 приведены оценки колебательных свойств различных машин согласно международному стандарту VDI 2056. Предельные значения для абсолютных колебаний подшипниковых опор некоторых электродвигателей согласно стандарту ISO 2373 приведены в табл. 2.4. Предельные значения интенсивности абсолютных колебаний подшипников больших вращающихся машин с частотой вращения ротора от 10 до 200 с-1 в зависимости от вида фундамента приведены в табл. 2.5. В зависимости от требований по вибрации электрические машины при испытаниях подразделяются по ГОСТ 20815 [33] на три категории: - нормальное N; - с пониженной вибрацией R; - с особо жесткими требованиями по вибрации S. Таблица 2.4 Предельные значения абсолютных колебаний подшипниковых опор электродвигателей по стандарту ISO 2373 N (нормальная) R (приведенная) 600-3600 600-1800 1800-3600 Пределы эффективного значения виброскорости для высоты оси Н в мм 80 < Я < 132 132 < Я < 225 225 < Я < 400 мм/с дюйм /с мм/с дюйм/с мм/с дюйм/с 1,8 0,071 2,8 0,110 4,5 0,177 0,71 0,028 1,12 0,044 1,8 0,071 1,12 0,044 1,8 0,071 2,8 0,110 S (специальная) 600-1800 1800-3600 0,45 0,71 Интенсивность колебаний Частота вращения, об /мин 0,018 0,028 0,71 1,12 0,028 0,044 1,12 1,8 0,044 0,071 Таблица 2.5 Предельные значения интенсивности абсолютных колебаний вращающихся машин с частотой вращения ротора от 10 до 200 с-1 Интенсивность колебаний , мм/с , дюйм/с 0,46 0,018 0,71 0,028 1,12 0,044 1,8 0,071 Жесткий фундамент Упругий фундамент Годно Годно 2,8 4,6 7,1 11,2 18,0 28,0 Удовлетворительно Неудовлетворительно Недопустимо 0,11 0,18 0,28 0,44 0,71 1,10 Удовлетворительно Неудовлетворительно Недопустимо Таблица 2.6 Допустимые значения вибрации Категория машины Номинальная частота вращения, об /мин Максимальное среднее квадратическое значение виброскорости машины, мм/с, для высот оси Я, мм, установленной N 600 < п < 1800 1800 < n <6000 56<Я<71 1,12 1,12 71<Я<132 1,8 1,8 132<Я<225 1,8 2,8 Я>225 2,8 4,5 в жестко закрепленном состоянии Я>400 2,8 2,8 R 600 < п < 1800 1800< n <6000 0,71 0,71 0,71 1,12 1,12 1,8 1,8 2,89 - S 600 < п < 1800 1800<n<6000 0,45 0,45 0,45 0,71 0,71 1,12 1,12 1,8 - в свободно подвешенном состоянии Допустимые значения вибрации для машин с различной высотой оси вращения и двумя способами установки на фундамент приведены в табл. 2.6. 2.3. ИЗМЕРЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ МАШИН 2.3.1. ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ВАЛОВ Ротор, имеющий дисбаланс, приводит к колебаниям вала. Центр вала движется во время вращения по траектории, именуемой кинетической траекторией вала (рис. 2.4). В случае изотропного вала и изотропных подшипников кинетическая траектория, вызванная дисбалансом, составляет круг для каждого сечения ротора. Но обычно подшипники машин анизотропные, т.е. они имеют разную податливость в своих обоих главных направлениях жесткости. Поэтому их кинетическая траектория вала принимает характер эллипса, который в крайнем случае может приобрести форму прямой (см. рис. 2.4). Величина, форма и положение кинетической траектории вала изменяется в зависимости от частоты вращения. Обычно кинетические траектории с наибольшим отклонением от оси вращения достигают максимума при критической частоте вращения вала. Кинетическая траектория вала содержит все информации о колебаниях вала ротора. Для получения кинетической траектории вала в одной радиальной плоскости ротора следует закрепить два датчика относительной вибрации в двух перпендикулярных к друг другу направлениях (рис. 2.5). Каждый датчик принимает измеряемые в соответствующем направлении вибросмещения вала Si(t) и s2(t). Синфазное сложение мгновенных вибросмещений дает мгновенную кинетическую амплитуду вала в плоскости измерения: s k (t ) s12 (t ) s 22 (t ) (2.2) Рис. 2.4. Кинетическая траектория вала с изотропными (А) и анизотропными (В и С) подшипниками, вызванная дисбалансом: Ц – центр вала или центр вращения ротора; К – кинетическая траектория вала Рис. 2.5. Схема установки датчиков относительной вибрации для регистрации кинетической траектории вала: 1, 2 – направления измерений вибрации Рис.2.6. Пример кинетической траектории вала и соответствующие вибросмещения в двух, находящихся под прямым углом, направления Пример кинетической траектории вала и соответствующие вибросмещения в двух, находящихся под прямым углом направлениях, приведен на рис. 2.6. Движение содержит две гармоники - f и 2f; s1 s2 - мгновенные значения амплитуд колебаний s1(t) и s2(t) в направлении измерений 1 и 2; so1 so2 - наибольшие значения; sи1 sи2 - наименьшие значения; smax1 smax2 максимальные значения; spp1 spp2 - размах колебаний; sk -мгновенная кинетическая амплитуда вала; smax - максимальное значение амплитуды вала, максимальная амплитуда; К - кинетическая траектория вала; t - время. Из возможных величин измерения - вибросмещение, скорость и ускорение - для оценки колебаний вала принимается вибросмещение, измеряемое в микронах (мкм или т). Величину вибросмещения можно оценить максимальной амплитудой smax или наибольшим размахом колебаний sppm. Измерение колебаний вала следует всегда проводить в зоне опоры. Максимальная амплитуда колебаний smax определяется как наибольшее значение кинетической амплитуды smax в плоскости измерения. Наибольший размах колебаний sррт определяется как наибольшее значение зарегистрированных в обоих направлениях измерения размаха колебаний. Для измерения относительных колебаний вала используются бесконтактные датчики вибросмещения, работающие по принципу вихревых токов. 2.3.2. АБСОЛЮТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ОПОР Колебания вала представляют непосредственную реакцию ротора на воздействующие на него переменные усилия. Через реагирующую как пружина пленку масла подшипника скольжения или через тело качения подшипника качения колебания вала передаются частично на опорную конструкцию, на раму и на фундамент. Эти колебания представляют косвенную реакцию на усилия ротора и называются как «колебания опоры». Соотношение величин между колебаниями вала ротора и возникающими на поверхности машины колебаниями опор зависит от многих факторов влияния. Поэтому его заранее нельзя с уверенностью предопределить. Вообще же, как правило, на основании колебаний вала заключений по поводу колебаний опор, и наоборот, делать нельзя. При абсолютных колебаниях опор, рассматриваются колебания, возникающие на поверхности машины и, в особенности, при колебаниях вблизи опор или на самих опорах. Эти колебания чаще всего замеряются без особых трудностей в трех координатных направлениях на корпусах подшипниковых опор. Для машин горизонтального исполнения (магистральные и горизонтальные подпорные насосные агрегаты), вибрации замеряются в горизонтальном, вертикальном, осевом направлениях. Полученные в этих местах результаты измерения учитываются раздельно и контролируются. Из возможных величин измерения абсолютных колебаний опор принимается эффективное значение виброскорости eff (мм/с). Часто эта величина называется среднеквадратическим значением виброскорости. Определяющим значением, характеризующим вибрационное состояние агрегата, является максимальная величина эффективного значения виброскорости (среднего квадратического значения виброскорости), измеренной на всех подшипниковых опорах насоса и электродвигателя во взаимноперпендикулярных направлениях. Эффективное значение виброскорости помимо выражения (2.1) можно определить следующим образом: eff T 1 1 2 2 2 2 (t ) dt 12eff 22eff 32eff ... nff ( S1m 12 ... snm n2 ) , T 0 2 (2.3) где - виброскорость; smax - максимальное значение вибросмещения; - частота вращения; Т длительность периода измерения. При сложении отдельных частот колебаний принимаются во внимание лишь те части колебаний, частота которых заключается в пределах от 10 до 1000 Гц. Наибольшее из замеренных в заданном направлении измерения эффективных значений частоты колебаний машины называется интенсивностью колебаний. Интенсивность колебаний это обширная и просто замеряемая характеристика, хорошо описывающая колебательное состояние машины. Эксплуатация агрегата допускается при вибрации подшипниковых опор не хуже оценки «удовлетворительно» (см. табл. 2.1). При вибрации, лежащей в области оценки «удовлетворительно», «необходимо улучшение», должны быть приняты меры по ее снижению. После монтажа, технического обслуживания и ремонта агрегат должен сдаваться в эксплуатацию с оценкой «хорошо» при подачах насоса от 0,8 до 1,1 от номинальной. При подачах насоca ниже 0,8 и более 1,1 от номинальной сдача насосного агрегата в эксплуатацию допускается при уровне вибрации насоса до 7,1 мм/с. Рис. 2.7. Зависимость усредненной оценки относительного изменения интенсивности вибрации от относительной подачи (штриховая кривая): 1 - поле изменения относительной интенсивности вибрации нефтяных магистральных насосов в зависимости от типоразмера и применяемого сменного ротора Среднее квадратическое значение виброскорости на элементах крепления насоса и электродвигателя к фундаменту не должно превышать 2 мм/с при подаче насоса от 0,8 до 1,1 от номинальной. При подаче насоса ниже 0,8 и более 1,1 от номинальной среднее квадратическое значение виброскорости на элементах крепления насоса к фундаменту не должно превышать 2,8 мм/с. Средние квадратические значения виброскорости для номинального режима работы насосного агрегата, равные 7,1 мм/с для электродвигателя и 11,2 для насоса, являются аварийным порогом вибрации соответственно электродвигателя и насоса. При оценке интенсивности вибрации берут максимальное ее значение в любом из трех взаимно перпендикулярных направлениях. Эксплуатация насосных агрегатов происходит на различных режимах, поэтому рекомендуется производить оценку интенсивности вибрации на насосе в зависимости от подачи согласно рис. 2.7. Рис. 2.8. Зависимость рекомендуемых значений снижения ресурсов центробежных насосов от уровня вибрации Эксплуатация насоса при подачах ниже 0,8 и более 1,1 от номинальной с уровнями вибрации от 7,1 до 11,2 мм/с допускается ограниченно по времени до замены рабочего колеса насоса на сменное (в соответствии с требуемой подачей). Ориентировочные рекомендуемые значения снижения длительности межремонтного периода насосов при его эксплуатации на подачах менее 0,8 и более 1,1 от номинальной приведены на рис. 2.8. 2.3.3. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИЗМЕРЕНИЮ ВИБРАЦИИ Вибрацию опор подшипников насосных агрегатов следует измерять и регистрировать контрольно-сигнальными средствами измерения, соответствующими требованиям ГОСТ 25865 [36], ГОСТ 17168 [32]. Вибрацию на элементах крепления агрегата к фундаменту следует измерять и регистрировать портативными средствами измерения, соответствующими требованиям ГОСТ 25865 и ГОСТ 25275 [35]. Исполнение средств измерения вибрации должно отвечать требованиям ГОСТ 12.2.020 [24], «Правил устройства электроустановок (ПУЭ)», соответствовать классу помещения, категории и группе перекачиваемых взрывоопасных сред по ГОСТ 12.1.011 [23]. Диапазон измерения среднего квадратического значения виброскорости средств измерения вибрации 0-30 ммс-1. Класс точности средств измерения вибрации должен быть не более 10 согласно ГОСТ 25865. Средства измерения вибрации должны иметь пломбы и свидетельства ведомственной поверки согласно ГОСТ 8.513-84* [22]. Вибрацию основных магистральных и горизонтальных подпорных насосных агрегатов измеряют и контролируют на всех подшипниковых опорах во взаимно перпендикулярных направлениях. Вертикальную составляющую вибрации измеряют на верхней части крышки подшипника над серединой длины его вкладыша. Горизонтально-поперечную и горизонтально-осевую составляющие вибрации измеряют на уровне оси вала агрегата против середины длины опорного вкладыша. Вибрацию вертикальных подпорных насосных агрегатов измеряют на корпусе опорно-упорного подшипникового узла насоса в вертикальном осевом и горизонтально-поперечном направлениях. Вибрацию всех элементов крепления агрегата к фундаменту измеряют и контролируют в вертикальном направлении. Рис. 2.9. Расположение точек измерения вибрации для машин с высотой оси вращения 56-400 мм Вибропреобразователи контрольно-сигнальных средств измерения вибрации должны быть установлены на основании рекомендаций предприятия-изготовителя на подшипниковых опорах насосного агрегата для измерения вибрации в вертикальном направлении. Вибрацию подшипниковых опор электродвигателей следует измерять постоянно также и в горизонтально-поперечном и осевом направлениях, как при испытаниях согласно ГОСТ 20815 [33] (рис. 2.9, 2.10, 2.11). Измерения вибрации в точках, обозначенных знаком*, проводят в случае доступности при соблюдении требований безопасности. Вибрацию подшипниковых опор агрегата в направлениях, не контролируемых контрольно-сигнальными средствами измерения, следует измерять портативными средствами измерения. Жесткость крепления вибропреобразователя к объекту должна быть такой, чтобы основная частота собственных колебаний крепления была существенно выше (в 2-3 раза) максимальной частоты колебаний, подлежащих измерению. Вибропреобразователи контрольно-сигнальных средств измерения следует крепить механическим способом (с помощью шпилек, винтов и т.д.). При измерении вертикальной составляющей вибрации вибропреобразователь крепится к площадке верхней крышки подшипников, горизонтальной - к специальным площадкам, жестко связанным с корпусом опоры в непосредственной близости к горизонтальному разъему корпуса подшипника. Рис. 2.10. Расположение точек измерения вибрации для машин с высотой оси вращения более 400 мм (применимо для обеих сторон машины) Рис. 2. 11. Расположение точек измерения вибрации для машин с высотой оси вращения более 400 мм со стояковыми подшипниками (применимо для обеих сторон машины) Вибропреобразователи портативных средств измерения следует крепить с помощью шпильки, клея, специального магнита. Допускается применение виброщупа. При использовании виброщупа необходимо обеспечить достаточную силу прижатия (не менее 50 Н) вибропреобразователя к месту измерения. В процессе эксплуатации необходимо периодически контролировать работоспособность контрольно-сигнальных средств измерения вибрации. Контроль проводится при появлении сомнений в показаниях аппаратуры, но не реже одного раза в месяц. Периодический контроль работоспособности контрольно-сигнальных средств измерения вибрации проводится методом сличения с контрольными средствами измерения, соответствующими требованиям ГОСТ 25865 и ГОСТ 25275. Допустимая величина расхождения в показаниях контрольно-сигнальных и контрольных средств измерения определяется суммой систематических погрешностей обоих применяемых средств измерений. При величине расхождения в показаниях, превышающей сумму систематических погрешностей применяемых средств измерений, контрольно-сигнальное средство измерения должно быть подвергнуто внеочередной поверке согласно ГОСТ 8.513 [22] или ремонту. 3_____________ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕИСПРАВНОСТЕЙ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ МЕТОДОМ ВИБРОДИАГНОСТИКИ 3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Когда интенсивность вибрации НА приближается к предельно допустимым значениям, необходимо выяснить причины такого явления. Однозначно универсального «рецепта» по определению неисправностей выдать невозможно из-за большого числа факторов, влияющих на вибрационное состояние насосного агрегата и порой одинакового уровня вибрации при развитии различных дефектов. Поэтому иногда предлагается наиболее простой и доступный подход при постановке диагноза - метод исключения («отбрасывания»). При применении этого метода исключаются из рассмотрения те неисправности, которые не проявляются при анализе вибросостояния машины. Для этого необходимо сгруппировать неисправности (дефекты) таким образом, чтобы можно было при достаточном объеме измерений однозначно исключить их из рассмотрения. Условно можно сгруппировать все неисправности по трем направлениям: - неисправности, связанные с нарушением жесткости крепления машины и ее узлов; - дефекты электромагнитного происхождения; - неисправности механического и гидродинамического происхождения. Разбиение на три большие группы неисправностей (рис. 3.1) позволяет упростить постановку диагноза, но увеличивает время его постановки. Нарушения жесткости крепления, выделенные в первую группу неисправностей, если они присутствуют, вызывают изменение диагностических признаков у всех других дефектов и приводят к ложной постановке диагноза. С другой стороны, их легко обнаружить - при Измерение и анализ вибраций Определение причин колебаний Определение неисправностей, связанных с жесткостью крепления агрегатов Определение дефектов электромагнитного происхождения Определение неисправностей механического и гидродинамического происхождения Контурное обследование Анализ вибрации на выбег Частный анализ вибрации Частотный анализ (полосовой или гармонический) Рис. 3.1. Этапы диагностирования насосного агрегата проведении контурного обследования интенсивности вибрации объекта. Многим дефектам электромагнитного происхождения характерна закономерность уменьшение вибрации при «снятии» электрического питания с электродвигателя. Таким образом, измеряя вибрацию на выбеге электродвигателя, такие дефекты часто можно обнаружить, а используя, наряду с этим, частотный анализ, достоверность определения неисправности увеличивается. Если не обнаружены дефекты первых двух групп, то причины повышенной вибрации вызваны наличием неисправностей механического или гидродинамического происхождения. Возможны варианты, когда присутствуют несколько неисправностей. В таком случае рекомендуется вначале определить и устранить причины электромагнитного происхождения. Прежде чем сделать окончательный диагноз, необходимо проверить крепление машины к фундаменту и если обнаружены дефекты, то их необходимо устранить до виброобследования объекта. После этого необходимо приступить к выяснению причин механического и гидродинамического происхождения. Так как многие неисправности имеют сходные признаки измерения вибрации, то рассмотрим характерные неисправности для каждой из указанных групп в отдельности. 3.2. ОСНОВНЫЕ ПРИЗНАКИ НЕИСПРАВНОСТЕЙ КРЕПЛЕНИЯ АГРЕГАТА НА ФУНДАМЕНТЕ Основными дефектами установки насоса или электродвигателя на фундаменте или раме являются неплотные прилегания лап или стояков оборудования к раме или фундаменту, ослабление крепления, коробление рамы, трещины в фундаменте, разрыв анкерных болтов. Эти факторы увеличивают вибрацию объекта из-за уменьшения жесткости установки, а также уменьшения общих масс, колеблющихся вместе с объектом. При достаточной жесткости системы «машина - рама - фундамент» вибрация крышки подшипника в 5-7 раз превышает вибрацию рамы рядом с анкерными болтами. Если жесткость системы по каким-либо причинам нарушена, то это соотношение уменьшается. Кроме того, происходит скачкообразное изменение вибрации в месте нарушения жесткости. Например, если вибрация на лапе подшипниковой опоры составляет порядка 7 мм/с, а на раме рядом с лапой порядка 3 мм/с и меньше, то можно говорить о плохом креплении лапы к раме. Таким образом, если происходит резкое изменение вибрации в 2 раза и более в локальной точке системы, то можно считать, что это связано с плохой жесткостью крепления. Плохая жесткость крепления рамы к фундаменту из-за некачественной подливки бетона или его разрушения в процессе эксплуатации, коробления рамы или фундаментной плиты, «отставания» анкерного болта от фундамента или его разрыв легко обнаруживаются при снятии контурной характеристики. Например, если вибрация на раме рядом с анкерным болтом составляет порядка 4 мм/с и на анкерном болту вибрация тоже порядка 4 мм/с, а на бетоне фундамента около 0,5-0,8 мм/с и меньше, то можно предположить, что анкерный болт плохо залит в бетоне фундамента. При плохом контакте стойки подшипниковой опоры с рамой вблизи от центра возрастают вертикальные вибрации, поскольку вместо нормальной деформации стойки от сжимающих сил возникают напряжения изгиба. Если имеются неплотности прилегания не в середине, а по краям подшипникового стояка, то в этом случае ослабляется жесткость установки в горизонтальном направлении и соответственно возрастают горизонтальные вибрации. Если установлено, что жесткость крепления насосного агрегата не нарушена, можно приступить к дальнейшему анализу причин вибрации. 3.3. НЕИСПРАВНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Для неисправностей электромагнитного происхождения характерно то, что уровень вибрации электродвигателя более резко падает при отключении электродвигателя от сети. Для более достоверной оценки неисправности рекомендуется осуществить анализ вибрации без соединения двигателя с насосом. Для обнаружения причин вибрации электромагнитного происхождения необходимо тщательно контролировать геометрические и электрические параметры электродвигателей при их ремонте. Так, расстояния между полюсами ротора и статора, называемые воздушными зазорами, а также соотношения между ними, определяют силу магнитного потока. Последний создает радиальные электромагнитные силы притяжения. При неравномерности зазоров равнодействующая электромагнитных сил, приложенных к ротору или статору, имеет постоянную составляющую, направленную в сторону меньших зазоров и создающую силу одностороннего притягивания между ротором и статором. Помимо этого из-за изменения магнитной проводимости при вращении ротора в равнодействующей электромагнитных сил имеется составляющая, которая периодически изменяется с двойной частотой сети. Это вызывает виброперемещение статора и ротора со стороны на сторону с двойной частотой сети. При неравномерности зазоров равнодействующая электромагнитных сил вращается вместе с ротором и может вызвать в радиальном направлении периодические виброперемещения ротора и статора с частотой вращения. Короткое замыкание обмотки возбуждения синхронного двигателя приводит к периодическому изменению магнитной индукции по окружности воздушного зазора. Возникающие при этом силы приводят к равнодействующей, вращающейся вместе с ротором и вызывающей периодические колебания ротора или статора с частотой вращения в радиальном направлении. Виброперемещение при витковом замыкании зависит от числа замкнутых витков и податливости ротора или статора. При вращении ротора магнитная проводимость по оси каждого полюса периодически изменяется из-за наличия пазов для обмотки. Частота изменения магнитной проводимости полюса изза зубцов и соответственно вибрации машины fz nZ Z fp, 60 (3.1) где Z - число пазов; fp - частота вращения ротора. Амплитуда вибрации от электромагнитных сил, как правило, по величине небольшая. При совпадении частот колебаний электродвигателя от таких сил с частотами колебаний от других источников может возникнуть резонанс, способствующий разрушению наиболее слабых элементов машины. Эллипсность шеек ротора и двойная его жесткость вызывают вибрацию с двойной частотой вращения, которая может суммироваться с колебаниями электромагнитного происхождения. Низкочастотные составляющие вибрации электродвигателей (меньше основной гармоники) не обусловлены причинами электромагнитного характера и, как правило, объясняются неустойчивым вращением вала на масляной пленке. При анализе вибрации электромагнитного характера должны контролироваться электрические параметры работы машины (напряжение, ток, мощность и пр.), показатели нагрева, состояние фундамента и надежность крепления к нему, соединение электродвигателя с насосом и другие факторы. Если неисправности электромагнитного происхождения не обнаружены, то причины повышенной вибрации могут быть вызваны механическими дефектами или нарушением гидромеханических процессов в насосе. 3.4. НЕИСПРАВНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОГО И ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Группа неисправностей механического и гидродинамического происхождения обладает наибольшим числом дефектов, которые чаще встречаются при эксплуатации насосных агрегатов. Очень часто они уже присутствуют после пуска в эксплуатацию нового или отремонтированного агрегата. Для насоса наиболее часто встречающиеся дефекты являются дефектами гидродинамического происхождения или вызваны дисбалансом ротора, а также некачественной центровкой. Дефекты гидродинамического происхождения Ротор насоса механически уравновешенный, при работе насоса на нефти может оказаться гидродинамически неуравновешенным. Это происходит в тех случаях, когда рабочее колесо изготовлено недостаточно точно и различается по шагу, углу между лопастями, по длине, толщине и углам установки лопастей. Силы, действующие на отдельные лопасти рабочего колеса, при этом не уравновешиваются и создают вибрацию с оборотной частотой. Различие в размерах межлопастных каналов рабочего колеса приводит к различному заполнению их нефтью и, как следствие, к несовпадению центра массы нефти, заполняющей колесо, с осью вращения ротора. Этот эффект усиливается при кавитации из-за появления газовой фазы в кавернах, возникающих у входных кромок лопастей рабочего колеса. Выявление гидродинамической неуравновешенности аналогично механической. Однако силы, ее вызывающие, существенно меньше и обнаруживаются, когда ротор отбалансирован с высокой степенью точности. Следующие (по частотной шкале) гидродинамические источники колебаний - динамические составляющие радиальных и осевых сил, воздействующие на ротор насоса и обусловленные неравномерностью распределения давлений в проточных каналах насоса. Размах (амплитуда) этих составляющих может быть соизмерим со статическими составляющими радиальных и осевых сил. По частотному составу пульсации этих сил являются сложными колебаниями, содержащими компоненты на оборотной частоте, лопастной частоте и их гармоники. Одним из наиболее характерных и интенсивных источников гидродинамических колебаний в насосах являются гидродинамические силы от неоднородности потока на выходе из рабочего колеса насоса. Основной фактор, определяющий неравномерность поля скоростей и давлений по шагу между лопастями колеса, циркуляция вокруг лопасти. Вторая причина обусловлена вязкими средами - «провалами» скорости при обтекании вращающихся лопастей рабочего колеса. Механизм возникновения вибрации от неоднородности потока за колесом, вызываемый приведенными факторами, срабатывает при наличии в потоке препятствия в виде языка спирального отвода. Первичным явлением в потоке жидкости следует считать импульсы давления при прохождении лопастей рабочего колеса мимо языка. Частота следования импульсов - произведение оборотной частоты на число лопастей. В насосе могут быть два типа источников лопастных колебаний, действующих с основной лопастной частотой: нестационарный возбуждающий момент и пульсация давления жидкости. При прохождении лопаток мимо языка возникает пульсация давления, воздействующая на стенки корпуса и вызывающая их колебания на лопастных частотах. При этом могут возникать также крутильные колебания корпуса под действием нестационарного крутящего момента. Специфический источник колебаний насоса - кавитация, возникающая при местном понижении давления в тех областях потока, где скорость ее достигает максимального значения, т.е. при обтекании тел или в районе ядер вихрей. На режимах, отличных от оптимального, усиливается влияние вихреобразования. При больших расходах наличие интенсивных вихрей в отводах и колесе приводит к тому, что давление в вихревых областях понижается, способствуя возникновению кавитационных процессов. При малых расходах наблюдается неоднородная работа межлопаточных каналов колеса, что также приводит к усилению вибрации. В областях подач, близких к нулевым, сильно возрастает низкочастотная вибрация, которая крайне опасна. Рост вибрации насоса при отклонении его работы от расчетного режима (номинальная подача) объясняется изменением величины и вектора скорости потока, выходящего из рабочего колеса, которое приводит к ударам об язык и более вихревому движению жидкости в спиральном отводе. Проведенными в ИПТЭР исследованиями установлено, что виброакустические характеристики насосных агрегатов позволяют представить вибрацию и шум агрегата как функцию состояний, определяемую условиями функционирования [101]. Условиями функционирования, влияющими на вибрацию и шум НА, являются: - подача насоса Q; - давление на приеме насоса рвх; - ступень работы НА в технологической цепи J; - состояние узлов и деталей НА SНА) - состояние технологических трубопроводов 5тр, V, L =f(Q, рвх i,-, SHA, TТР (3.2) Так как условия функционирования в общем случае являются случайным событием, то виброакустическое состояние отдельного насосного агрегата является случайным событием. В то же время условия функционирования НА, определяемые режимом работы насоса, подача, входное давление, ступень работы насоса в технологической цепи, - могут быть определены при проведении виброакустических измерений на НПС по стационарной контрольной аппаратуре. Этот фактор позволяет снизить степень неопределенности виброакустического состояния путем учета режимных составляющих вибрации. Из-за отсутствия в настоящее время зависимостей, позволяющих аналитически определять виброакустические характеристики всех типоразмеров насосных агрегатов при изменении условий функционирования, влияние режимов работ магистрального насоса на уровни вибрации и шума определялись эмпирическим путем с последующей математической обработкой полученных опытных данных. Полученные при промышленных исследованиях магистральных насосов типа НМ опытные данные были подвергнуты графическому анализу для эмпирического выбора вида зависимости уровней вибрации и шума от подачи насоса. Результаты анализа позволили сделать вывод, что в общем виде закономерность изменения виброакустических характеристик насоса от подачи можно аппроксимировать полиномом n-й степени: _ _ _ _n _2 V , L a0 a1 Q a2 Q ... an Q , _ (3.3) _ _ V ; L L Lн ; Vн V, L - текущие значения уровня вибрации и шума насоса; Vн, Lн ~ значения уровня вибрации и шума _ где V , L - относительные изменения уровня вибрации и шума, V _ насоса при номинальной подаче; Q Q / Qн - относительная подача насоса; Q - текущее значение подачи насоса; Qн — номинальная подача насоса, определяемая его типоразмером; а0, а1... ап постоянные коэффициенты. Выбор вида модели, описывающей зависимость уровня вибрации и шума насоса от подачи, можно выполнить методом последовательного оценивания. Например, для одного из насосов типа НМ 10000-210 с ротором 1,0 Qном режимные модели, отображающие зависимость изменения уровня вибрации и шума от величины подачи, можно представить выражениями: 2 V 23,79 11,04Q 52,17Q 13,9Q L0 0,7 77,9Q 152,9Q 2 74,19Q 3 3 (3.4) (3.5) Полученные режимные модели представлены графически на рис. 3.2. Там же точками нанесены опытные данные. Значения среднего квадратичного отклонения а и средней квадратичной погрешности а опытных данных от полученной аналитической кривой также приведены на рисунке. Рис. 3.2. Зависимость изменения относительного уровня вибрации (а) и шума (б) насоса Нм 1000-210 от подачи Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что изменение уровня вибрации и шума магистральных насосов типа НМ от подачи может быть описано полиномом третьей степени. Режимные модели магистральных НА позволяют оценивать влияние режима работы магистрального насоса на уровни вибрации и шума, приводить виброакустические характеристики насосов к нормальному (расчетному) режиму функционирования, идентифицировать состояние НА в режиме функционирования без изменения технологического процесса перекачки. Неидентичность конструктивного исполнения насосов, их рабочих колес, обвязки технологических трубопроводов, применяемых рам агрегатов и муфт, соединяющих насос с электродвигателем и другие факторы, указывают на необходимость получения для каждого насоса индивидуальной характеристики изменения уровня вибрации и шума в зависимости от подачи (рис. 3.3). Такая характеристика должна быть положена в основу виброакустической модели конкретного насосного агрегата. С учетом изложенного конкретные неисправности насосного агрегата будут оказывать различное влияние на вибрационные характеристики насосов. Рис. 3.3. Зависимость относительного уровня вибрации магистральных насосов типа НМ от подач: 1- зона вибрации насоса НМ 10000-210 с роторами на подачу 0,7; 1,0; 1,25 от номинальной ( в зависимости от подачи); 2 – зона вибрации насосов типа НМ 2500-230 и НМ 3600-230 с ротороми 0,7 и 1,0 от номинальной ( в зависимости от подачи) На рис. 3.4 и 3.5 представлена обобщающая картина зависимости вибрации от подачи и кавитационного запаса насоса с учетом характерных неисправностей. Цифры I-V обозначают области различного вида кавитации в насосе. Рис. 3.4. Типичные зависимости суммарных уровней основных составляющих вибрации насосов от подачи: 1- суммарный уровень; 2 – неуровновешенность ротора; 3- неоднородность потока; 4 – вихреобразование, кавитация (Q – подача насоса; h – кавитационный запас; L0 –уровень вибрации; Н – напор насоса) Влияние конструктивных параметров насосной установки, коэффициента быстроходности насоса, исполнения агрегата на уровень вибрации в зависимости от режима работы можно проследить по результатам промышленной эксплуатации установки ПГНУ-2жр с регулируемым газотурбинным приводом [6]. Рис. 3.5. Типичная зависимость суммарного уровня вибрации и уровней основных составляющих вибрации насосов от кавитационного запаса: 1суммарный уровень вибрации; 2 – неуровновешенность ротора; 3 – неоднородность потока; 4 – вихри и кавитация Турбонасосный блок установки ПГНУ-2жр включает магистральный центробежный насос 1 ОНД-10x2 номинальной подачей 800 м3/ч и напором 260 м, газотурбинный двигатель АИ-23У, мультипликатор и другие агрегаты. Все оборудование размещено на общей раме, которая крепилась к 'бетонной подушке анкерными болтами. Всасывающий и выходной трубопроводы на подходе к блоку имели жесткую опору. Измерения вибрации проводились при изменении подачи насоса и при изменении частоты вращения ротора насоса. Подача насоса изменялась в диапазоне 240-960 м3/ч (0,3-1,2) QHOM> частота вращения - 1950-2950 об/мин, (0,65-1,0) nном. Давление на входе в насос на всех режимах работы установки было в диапазоне 0,45-0,77 МПа (4,6-7,9 кгс/см2), на выходе насоса 1,22-2,4 МПа (12,4-24,5 кгс/см2). Рис. 3.6. Зависимость вибрации переднего подшипника насоса от давления при подаче Q Измерение вибраций проводилось на переднем и заднем подшипниках и лапе насоса 10НД102, на передней и задней опорах и редукторе двигателя АИ-23У, раме установки в месте крепления мультипликатора. По результатам испытаний построены графики, представляющие зависимость вибрации от указанных параметров (рис. 3.6-3.8). На рис. 3.6 и 3.7 изображены зависимости вибраций подшипников насоса в вертикальном и поперечном направлениях от напора, развиваемого насосом. Вертикальная вибрация переднего подшипника увеличивается монотонно почти в два раза, на заднем подшипнике имеется перегиб в диапазоне 1,37-1,77 МПа (14-18 кгс/см2). Максимальная вибрация имеет место на обоих подшипниках в поперечном направлении при тех же давлениях, причем вибрация в поперечном направлении больше вертикальной. Замеры проводились при трех значениях подачи насоса путем изменения частоты вращения ротора насоса и положения выходной задвижки. На рис. 3.8 изображена зависимость вибраций в вертикальном направлении от частоты вращения ротора насоса. Режим работы установки задавался изменением частоты вращения ротора насоса при постоянном положении выходной задвижки. Установка имеет максимальную вибрацию при частоте вращения ротора насоса 2500-2600 об/мин. Характер кривых не меняется от затрачиваемой мощности при изменении гидравлического сопротивления трубопровода, меняются только величины вибрации. Рис. 3.7. Зависимость вибрации заднего подшипника насоса от давления при подаче Q Рис. 3.8. Зависимость вибрации элементов конструкции установки от частоты вращения ротора насоса Вибрация на переднем, заднем подшипниках и лапе насоса – кривые 1, 2, 3, на передней и задней опорах и редукторе двигателя - 4, 5, 6, на раме установки - 7. Построены зависимости величин вибрации от частоты вращения турбокомпрессора (см. рис. 3.9). Вибрации в поперечном направлении больше, чем в вертикальном, максимум вибрации соответствует оборотам (76-78) % nном. Рисунки показывают, что имеет место максимум вибрации при давлении, развиваемом насосом 1,37-1,77 МПа (14-18 кгс/см2), частоте вращения ротора насоса 2500-2600 об/мин и частоте вращения турбокомпрессора (76-78) % nном. Двигатель АИ-23У до оборотов турбокомпрессора 76+2 % номинальных работает при открытых клапанах перепуска воздуха из компрессора, при дальнейшем росте частоты вращения клапаны закрываются. При открытых клапанах двигатель имеет большую вибрацию, что повышает уровень вибрации всей конструкции установки на данных режимах работ. Рис. 3.9. Зависимость вибрации элементов конструкции установки от частоты вращения турбокомпрессора Анализ кривых выявил, что максимальным значениям вибрации соответствует частота вращения ротора насоса 2500 2600 об/мин. По характеру кривых можно предположить, что этой частоте вращения соответствует зона критической частоты вращения валопровода установки и ротора насоса. Таким образом, кроме режима работы турбокомпрессора на величину вибрации влияет частота вращения валопровода установки и ротора насоса. Расслоение кривых вибрации в зависимости от подачи насоса объясняется тем, что большей подаче при одном и том же давлении на выходе насоса соответствуют большие числа частоты вращения. Увеличение вибрации при росте частоты вращения можно объяснить механическими источниками - остаточной неуравновешенностью ротора насоса, зубчатых колес мультипликатора, валопровода, наличием опорных шариковых подшипников. Испытания насосной установки с газотурбинным приводом показали, что вибрационное состояние установки при данной обвязке турбонасосного блока - удовлетворительное. С целью уменьшения вибрации в поперечном направлении требуется усилить крепление насоса и жесткость рамы установки. При работе установки следует избегать режимов работы с частотой вращения турбокомпрессора двигателя 76-78 % от номинальных и частотой вращения ротора насоса 2500-2600 об/мин. Вибрация, вызванная неуравновешенностью ротора, наиболее ярко проявляется на оборотной частоте F0. Неуравновешенность ротора - это состояние ротора, характеризующееся таким распределением масс, которое во время вращения вызывает переменные нагрузки на опоры ротора и его изгиб с частотой, равной частоте вращения ротора Статическая неуравновешенность ротора - это неуравновешенность ротора, при которой ось ротора и его главная центральная ось инерции параллельна (рис. 3.10). При этом амплитуда виброскоростей опор ротора на обратной частоте одинаковы и имеют одинаковый фазовфй угол. Такая неуровновешенность полностью определяется главным вектором дисбаланса или эксцентриситетом центра массы ротора, или относительным смещением главной центральной оси инерции и оси ротора, равным значению эксцентриситета центра его массы. Моментальная неуравновешенность ротора – это неуровновешенность ротора, при которой ось ротора и его главная центральная ось инерции пересекаются в центре масс (см. рис.3.10). Моментальная неуравновешенность полностью определяется главным моментом лисбалансов ротора или двумя равными по значению антипараллельными векторами дисбалансов, лежащих в двух произвольных плоскостях, перпендикулярных к оси ротора. Другими словами, на опорах возникают одинаковые по величине и смещению на 1800 амплитуда виброскорости на оборотной частоте. Рис. 3.10. Виды неуравновешенности ротора насоса: а – статическая неуравновешенность; б – динамическая неуравновешенность; в – моментальная неуравновешенность; А, В – подшипниковые узлы; R – усилие реакции подшипниковых узлов; F – главный вектор сил инерции; РР – пара сил моментной составляющей неуравновешенности Динамическая неуравновешенность ротора - это неуравновешенность, при которой ось ротора и его главная центральная ось инерции пересекаются не в центре масс или перекрещиваются (см. рис. 3.10). Динамическая неуравновешенность включает статическую и моментную неуравновешенности и полностью определяется главным вектором и главным моментом дисбалансов ротора или двумя векторами дисбалансов, в общем случае различных по значению и непараллельных, лежащих в двух произвольных плоскостях, перпендикулярных к оси ротора («крест дисбалансов»). При этом амплитуды виброскорости на оборотной частоте, измеряемые на опорах в радиальной плоскости, различаются как по значению, так и по фазе. Квазистатическая неуравновешенность ротора - это неуравновешенность, при которой ось ротора и его главная центральная ось инерции пересекаются в центре масс ротора. При этом главный вектор дисбалансов ротора перпендикулярен к оси ротора, проходит через центр его масс и лежит в плоскости, содержащей главную центральную ось инерции и ось ротора, а главный момент дисбалансов перпендикулярен к этой плоскости. Дисбалансы ротора лежат в одной плоскости, содержащей ось ротора и его центр масс. Наиболее распространенными на практике следует считать динамическую и квазистатическую неуравновешенности. Величину неуравновешенности уменьшают путем установки добавочных грузов или снятием металла в одной или двух плоскостях коррекции ротора с целью достижения допустимой величины дисбаланса. Установка добавочных грузов при балансировке рабочих колес или ротора в виде приварки к боковой поверхности колеса пластин может привести при работе насоса к значительному вихреобразованию и, как следствие, росту вибрации. Механическая неуравновешенность может быть вызвана: - обрывом или деформацией отдельных вращающих элементов насосного агрегата и характеризуется внезапными однократными скачками амплитуд виброскоростей в радиальной плоскости; - эрозией, коррозией, износом трущихся частей, загрязнениями, что вызывает появление дисбаланса векторной величины, равной произведению неуравновешенной массы на ее эксцентриситет. Термическая нестабильность дисбалансов ротора (иногда это явление называют тепловым дисбалансом или термодинамической неуравновешенностью) возникает в результате деформации оси вращения ротора из-за изменения по длине его температуры и характерна для роторов электродвигателей. Такая нестабильность может быть постоянной или временной. Она вызывается неравномерным нагревом или охлаждением активной части ротора, что приводит к тепловому изгибу вала. Несимметричный нагрев ротора может возникнуть из-за виткового замыкания в обмотке ротора, неравномерной толщины изоляции обмотки ротора. Тепловой прогиб возможен и при равномерном прогреве, например, при разогреве ротора после пуска двигателя до достижения ротором стабильной температуры. При этом дисбаланс может меняться вследствие изменения остаточных напряжений от термомеханической обработки под воздействием нагрева ротора, что вызывает перераспределение масс относительно оси ротора. Термическая нестабильность может возникнуть из-за ослабления посадки железа ротора на вал. Такое ослабление возможно при работе двигателя под нагрузкой, когда расширение пакета железа ротора происходит вследствие тепловых потерь. Ослабление посадки в некоторых случаях может вызвать нестабильность вибраций во времени из-за перемещения пакета железа по валу. Ослабление посадки железа ротора под действием центробежных сил и теплового расширения пакета при его ориентации относительно вала приводит к тому, что вал изгибается в направлении смещения пакета. Такой изгиб обусловлен тем, что участок вала, контактирующий с пакетом, имеет более высокую температуру, чем его противоположная сторона. Нарастание прогиба сопровождается увеличением вибрации, пока центробежные силы не переориентируют его на полную величину зазора, образовавшегося в результате освобождения посадки. Затем происходит выравнивание и нарастание в противоположную сторону, т.е. временное уменьшение вибрации и последующее нарастание с периодичностью 2-18 ч. Одним из факторов, указывающих на наличие теплового прогиба, является рост виброскорости на оборотной частоте после пуска двигателя по мере нагрева ротора до рабочей температуры, а затем стабилизация виброскорости (при этом следует учитывать, что аналогично проявляется нарушение центровки агрегата под действием меняющихся температурных полей на опорах). Уменьшение термической нестабильности дисбаланса ротора достигается проведением окончательной балансировки после прогрева двигателя. Если неуравновешенность ротора является одной причиной повышенной вибрации, то основное возмущение происходит на оборотной частоте, вибрации на других частотах в 5-10 раз меньше. В том случае, когда этого не наблюдается, присутствует еще и другая неисправность или их несколько. Работы по выявлению и устранению причин повышенной вибрации рекомендуется начинать с проверки центровки насоса с электродвигателем. Расцентровка Следует выделить два возможных варианта расцентровки: расцентровка из-за несовпадения осей валов и расцентровка, обусловленная дефектным изготовлением соединительных муфт. В первом случае необходимо различать расцентровку, связанную с радиальным смещением валов (излом линии вала) и с угловым смещением валов (изгиб линии вала). При радиальном смещении валов (рис. 3.11, а) на концы валов через полу муфты действуют дополнительные изгибающие силы, стремящиеся отклонить валы от осевого первоначального положения, данному отклонению препятствуют подшипниковые опоры, воспринимающие дополнительную нагрузку. Нагрузки, действующие на подшипниковые опоры, противоположны друг другу по направлению и вызывают рост вибрации подшипниковых узлов. Значительные нагрузки возникают при изгибе линии валов (рис. 3.11, б, в). Однако в данном случае нагрузки могут как совпадать по направлению, так и принимать противоположные направления. Возникающие дополнительные нагрузки на подшипниковые узлы асимметричны и являются суммой статической и динамической составляющих. Последняя является результатом неравномерного силового взаимодействия в зацеплении полумуфт. Расцентровка, возникающая в результате сборки по дефектным полу муфтам, возникает реже. Возникающие в данном случае дополнительные нагрузки на подшипники аналогичны нагрузкам, возникающим при несовпадении осей валов. Они могут на подшипниковых узлах как совпадать по направлению, так и принимать противоположные направления, т.е. действовать в противофазе. Характерной особенностью данных нагрузок является их динамический характер. Точки приложения нагрузок жестко связаны с полумуфтами и в процессе вращения нагрузки меняют свое направление на 360° за один оборот вала, что приводит к изменению нагрузок на подшипники с частотой, совпадающей с частотой вращения вала соответственно. Рис. 3.11. Схема расцентровок валов типа радиального (а) и углового (б, в) смещений осей: А, В, С, Д – подшипниковые опоры; R – реакции подшипниковых опор; 1,2 – ведомый и ведущий валы; 3 – проставки; 4 – полумуфты Наличие расцентровок, приводящих к дополнительным нагрузкам, может служить причиной появления других неисправностей, а именно интенсивного износа вкладышей подшипников скольжения, износа элементов зубчатого зацепления полу муфт, разрушения тел и дорожек качения радиально-упорных подшипников. При вращении валов, сопряженных муфтами, без перекосов и смещений осей валов, а также при точном изготовлении муфт, все зубцы или пальцы последних нагружены равномерно, и на соединенные валы действуют только вращающие моменты. При наличии неточностей в шагах и форме зацеплений или втулок и пальцев нагрузка на зубцы или пальцы распределяется неравномерно, в результате чего на каждую полумуфту будет действовать радиальная неуравновешенная сила, вращающаяся вместе с муфтой. В предельном случае момент может передаваться ограниченным числом зубьев (пальцев). При этом действующая на вал неуравновешенная сила достигает наибольшего значения. Сила, действующая на палец, вызывает радиальную силу, момент относительно оси муфты. Противоположно направленная радиальная сила приложена к ведущей полумуфте. Эти силы вращаются с муфтой и создают дополнительный изгибающий момент на валу, т.е. в любой осевой неподвижной плоскости вызывают противофазные колебания с частотой враще- ния. Так как окружное усилие пропорционально передаваемому крутящему моменту, то размах виброперемещения каждого подшипника возрастает пропорционально передаваемой мощности. В дополнение к указанным неуравновешенным силам действующим на валы при их вращении, перекос или смещение осей валов вызывают силы трения, препятствующие перемещению полумуфт. Эти силы создают периодически изменяющийся момент, который изгибает валы в плоскости перекоса или смещения их осей и вызывает вибрацию подшипников, а также периодически изменяющиеся изгибные напряжения на валах На вибрацию основной частоты накладываются высокочастотные вибрации из-за неравномерной работы зубцов или пальцев Муфты с хорошим состоянием рабочих поверхностей обеспечивают нормальную работу агрегата при расцентровке, достигающей значений 0,2-0,3 мм. Расцентровка приводит к быстрому износу элементов муфт. Состояние подшипников как скольжения, так и качения может оказать значительное влияние на вибрационную характеристику насосного агрегата. Основные неисправности оборудования, выявляемые при измерении вибрации на подшипниковых узлах, приведены в табл. 3.1 и 3.2. Интенсивным источником вибрации подшипника скольжения (особенно для машин с легкими роторами, большой длиной опорной части подшипника и при существенном снижении нагрузки и излишне вязкой смазке) на частоте 0,42-0,48F0 является «вихревая смазка». Эта вибрация является результатом прецессии вала в подшипнике под действием смазки Пленка смазки, непосредственно соприкасающаяся с валом в граничном слое, вращается со скоростью вала, а пленка, находящаяся на неподвижной поверхности Таблица 3.1 Характерные причины вибрации оборудования и их роторов (валов) на подшипниках качения Причина Дисбаланс ротора Неправильный монтаж (неточная выверка соосности, зазор и биение муфтового соединения, заедание в соединительных муфтах) Дефектные подшипники качения Частота F0 - основная гармоника Примечание Устранение Как правило, постоянная. Максимальное значение в радиальном направлении ротора k-F0, где k ~ 2; редко k - 4 Наряду с радиальными трениями в большинстве случаев возникают сильные осевые биения Самая частая причина колебаний машин Балансировка Надежным признаком являются сильные колебания ротора в осевом направлении Выверка вращающихся частей. Проверка радиального и осевого биения Разные, обычно очень высокие частоты, зависящие от числа шариков в подшипнике, вращающегося кольца (внутреннее или наружное}, количества и размера язв на беговых дорожках k Fot где k = 2; 3; 4 Величина амплитуды постоянно меняющаяся Максимальная амЗамена подшипников плитуда встречается на качения опоре с дефектным подшипником Сильные радиальные биения с постоянной амплитудой Овальная шейка создает биения ротора с частотой 2-F ротора Некруглость места посадки подшипника, заклиненный подшипник качения Слишком большой зазор в F0 подшипнике качения, ослабленное внутреннее кольцо Электрические или магk Fot где k = 2; 2 нитные факторы Продолжение табл. 3.1 Амплитуда Величина амплитуды постоянно меняющаяся с каждым пуском Постоянная, небольшая по величине Доработка опорной шейки и вкладыша подшипника Замена подшипника качения, проверка допусков сопрягаемых деталей Возникают только при В большинстве случаев включенном сетевом устраняется ремонтом или напряжении заменой ротора или статора Причина Частота Амплитуда Гидравлические факторы Разные частоты в завиОбычно нестабильная Примечание. симости от числа рабочего колеса Примечание Устранение Вибрация часто обус- Устранение возможно ловлена работой насоса только путем изменения в зоне малых подач конструкции рабочего колеса или отвода Примечание. F0 - основная гармоника; k - целое число (номер гармоники) Таблица 3.2 Характерные причины вибрации оборудования и их роторов (валов) на подшипниках скольжения Временная хаГрафическое рактеристика Зависимость от Характерные Форма кинетиизображение Причины колемаксимального эксплуатациончастоты в спектре ческой временной баний валов изменения вибных факторов колебаний характеристики функции амплирации туды колебаний Постоянный Постоянная Зависимость от Основная гарЭллипс, круг, Синус дисбаланс частоты враще- моника прямая ния Термический Изменяется в те- Зависимость от Основная гарЭллипс, круг, Синус дисбаланс чение пуска до мощности, тем- моника прямая установившегося пературного ретемпературного жима режима Дисбаланс Медленно изме- Зависимость от Основная гарЭллипс, круг, Синус вследствие кор- няется по мере частоты враще- моника прямая розии, эрозии наработки ния или загрязнения проточной части рабочего колеса Дисбаланс вследствие излома частей лопаток рабочего колеса насоса или вентилятора электродвигателя Самовозбуждающиеся колебания из-за неравномерного зазора в подшипнике или нестабильности смазки Вынужденные колебания из-за некачественного монтажа, заклинивания в подшипниках или муфте Дефект зубчатых передач Резкое (вне- Зависимость от Основная гарзапное) частоты вращения моника увеличение Сильно меняющаяся Постоянная Постоянная Зависимость от частоты вращения, мощности, температуры масла подшипника, величины зазора в подшипнике Зависимость от частоты вращения и мощности Эллипс, прямая круг, Синус Устранение Балансировка Замена ротора (вала) Замена рабочего колеса насоса, заварка коррозионно-эрозионных язв при ремонте, механическая очистка от загрязнений Замена рабочего1 колеса насоса или вентилятора Половина основ- Непостоянная, ной гармоники, редко замкнутая собственная час- кривая тота изгиба вала с учетом подшипника Часто похоже на синус, с меняющейся во времени характеристикой Изменение конструктивных параметров подшипниковых узлов и режимов смазки Основная и вторая гармоника Часто замкнутая кривая различной формы (например октаэдр) Непостоянное, как правило, периодически повторяемое Ревизия подшипников, муфты, повторный тщательный монтаж Непостоянная, в большинстве случаев не замкнутая кривая Периодически повторяющаяся кривая, не похожая на синус Разборка, контроль зубчатых колес, тщательная сборка Часто эллипс Синус или кривая, похожая на синус, иногда с амплитудной демодуляцией Устранение ремонтом статора, ротора, обмоток электромашины Зависимость от Частота вращения частоты вращения зубчатых колес, и мощности ведущего и ведомого валов передачи Электрические или Постоянная или Как правило, заОсновная и втомагнитные силы в иногда с висимость от рая гармоника электродвигателях периодическими мощности и генераторах колебаниями подшипника, неподвижна. Возникает масляный вихрь. Вихревой смазки можно избежать изменением условий работы подшипника. А именно увеличением нагрузки, уменьшением зазора в подшипнике до номинального, увеличением вязкости масла, уменьшением температуры подшипника, увеличением расхода и давления масл а. Другим источником вибрации является неравномерная и неправильная смазка подшипника. Вибрация проявляется на частотах 1/2, 1/3 или 1/4 от основной гармоники. В неправильно смазанных подшипниках может возникнуть сухой контакт поверхностей вала и подшипника, появляется «скрип» в результате скачкообразного движения шипа вала по поверхности опоры. Во время пуска насоса может возникнуть контакт металлических поверхностей шипа и вкладыша. С увеличением частоты вращения увеличивается поверхность, которая смазывается тонким слоем масла в месте контакта. В условиях полной гидродинамической смазки вал свободно плавает на масляной пленке. Даже при обильной смазке возможен разрыв пленки при достаточно больших колебаниях шипа, вызванных овальностью или огранкой поверхности цапфы, неравномерным или большим зазором между элементами подшипника. Уменьшение вязкости масла, связанное с повышением температуры, также может привести к разрыву пленки, поскольку уменьшается его демпфирующая способность. Демпфирование увеличивается при использовании масла более высокой вязкости, однако это приводит к увеличению сил трения. Вибрации от некруглости шейки ротора проявляются в основном на частоте 2F0. В поперечном сечении всегда имеется отклонение реальной формы шейки ротора от окружности. В самом общем случае профиль поперечного сечения шейки ротора имеет произвольную форму. Неисправности гидродинамического происхождения присущи только насосу. Поэтому их наличие можно определить в первую очередь. Эти неисправности характеризуются тем, что они вызывают повышенную вибрацию одновременно на обоих подшипниковых опорах насоса. Вихреобразование на лопатках рабочего колеса, стенках отвода, турбулентные пульсации, кавитация в колесе и отводе вызывают образование сплошного спектра вибрации в области высоких частот (в основном с 800 Гц и выше). В то же время для срывной кавитации сопутствует вибрация в частотной полосе 20-500 Гц; для газовой кавитации - от 1000 Гц и выше, для паровой - от 2500 Гц и выше. Если убедились, что такая вибрация отсутствует, то следует выяснить присутствие: гидродинамической неуравновешенности ротора, пульсации радиальных и осевых сил, неоднородности, потока на выходе из рабочего колеса и при обтекании языка отвода. Для гидродинамической неуравновешенности характерна вибрация на оборотной составляющей F0 и более высоких гармониках, т.е. kF0. При этом амплитуды вибраций убывают по экспоненте с увеличением k (1, 2, 3,...). Когда происходит пульсация радиальных и осевых сил, тогда вибрация содержит значительные по величине составляющие на оборотной и лопаточной частоте ZF0, где Z - число лопастей насоса. Кроме радиальной вибрации присутствует осевая вибрация. При неоднородности потока на выходе из рабочего колеса вибрация на лопаточной частоте, т.е. ZF0, как правило, преобладает над другими и над оборотной составляющей. Четко представляя характерные признаки и измеренные частотные составляющие вибраций, можно определить, какая из неисправностей вызывает вибрацию насосного агрегата. Неисправности механических происхождений встречаются чаще других неисправностей и присущи как для электродвигателя, так и для насоса. Как уже указывалось, неуравновешенность ротора (дисбаланс, разбаланс) вызывает вибрацию на оборотной составляющей F0, которая обычно существенно больше вибрации на других частотах. Неуравновешенности ротора насоса характерно то, что амплитуда и фаза оборотной составляющей вибрации на переднем подшипнике должна быть соответственно равна вибрации на заднем подшипнике, так как масса рабочего колеса находится примерно по середине между подшипниковыми узлами. Для неуравновешенности ротора электродвигателя амплитуда и фаза вибрации на оборотной составляющей могут быть различными для каждой подшипниковой опоры. Это вызвано тем, что масса ротора электродвигателя распределена неравномерно по длине вала. Термодинамическая неуравновешенность ротора электродвигателя вызывает изменение амплитуды и фазы оборотной составляющей вибрации в процессе нагрева электродвигателя при выходе его на стационарный тепловой режим. Таким образом, анализируя интенсивность вибрации при нагревании, можно установить наличие термодинамической неуравновешенности ротора.