2015-01-21
662
Нагорный В.М. к.т.н., доц. каф. «Общей механики и динамики машин» Сумского Государственного Университета,
г. Сумы, Украина, тел. +38 (054) 333594, E-mail: marts@omdm.sumdu.edu.ua
Черевко А.А. аспирант каф. «Общей механики и динамики машин», СумГУ,
тел. +38 (054) 333594, E-mail: marts@omdm.sumdu.edu.ua
Скважинное оборудование, основу которого составляют электроцентробежный насос и погружной электродвигатель, опускаемые в скважину на колонне насосно - компрессорных труб (рис. 1), недоступно для непосредственного инструментального контроля. Поэтому традиционно диагностирование приходится проводить на основе незначительных по объему косвенных данных (давлению и расходу жидкости и силе тока, подаваемого на привод).
Основу оборудования составляют электроцентробежный насос и погружной электродвигатель, опускаемые в скважину на колонне насосно - компрессорных труб (рис. 1).
Рис. 1. Схема погружного агрегата и размещения на нем точек виброконтроля
1 - Погружной агрегат; 2 - Колонна насосно-компрессионных труб
Информативность этих данных можно увеличить за счет повышения точности проводимых измерений и определения частотного спектра измеряемого сигнала. Рассмотрение этой информации с учетом физики отказа машин позволит прогнозировать момент фактически потребной остановки оборудования на ремонт и указывать причину этого ремонта.
|
|
|
Традиционные измерения следует дополнить измерениями вибраций колонны насосно-компрессорных труб, вызываемых потоком протекающей по ней жидкости. Частотный состав пульсирующего давления жидкости содержит информацию об источнике этих пульсаций - электронасосном агрегате. Методы анализа этого спектра обычны для вибродиагностики и позволяют, при условии проведения периодических измерений, указывать с большой долей вероятности сроки и причину ремонта контролируемого оборудования.
В качестве примера подобной оценки технического состояния скважинного оборудования были проведены еженедельные в течении 9-ти месяцев замеры вибраций колонны насосно-компрессорных труб погружного электронасосного агрегата 1ЭЦВ14-210-300Х. Измерения проводились с помощью прибора VIBROPORT, а полученный сигнал записывался на магнитную ленту. После оцифровки сигнал обрабатывался компьютерной программой, в результате работы которой получался спектр вибрационного сигнала (рис. 2), график изменения информационных гармоник во времени (рис. 3), а по результатам анализа данной информации ставился диагноз состояния электронасосного агрегата (протокол диагностирования приводится).
Рис. 2. Спектр вибрационного сигнала
Анализ спектров показал, что он содержит гармонические составляющие, соответствующие кинематической схеме агрегата, т.е. содержит гармоники на частотах, совпадающих с:
|
|
|
- оборотной частотой (fоb = 50 Гц);
- второй оборотной частотой (Fras = 2х fоб);
- подшипниковой частотой насоса (Fp nas = fобх8);
- подшипниковой частотой двигателя (Fdv = fобх12);
- частотой роликовой муфты (Fm = fобх12);
- лопаточной частотой насоса (Fkol = fобх7);
- лопаточной частотой двигателя (Fkdv = fобх7).
Используемый в программе диагностики алгоритм рассматривает временной тренд уровня информационной гармоники как сумму трендов, обусловленных развитием усталостной трещины и износом трущихся пар. Данный тренд аппроксимируется суммой аналитических зависимостей, отражающих физику износа пар трения и развития трещин. Искомый ресурс является параметром этих зависимостей.
Пример подобного суммарного тренда и его составляющих для лопаточной гармоники, реагирующей на дефект рабочего колеса насоса, приведен на рис. 3.
Оценка текущего состояния проводится с помощью алгоритма, построенного по индуктивному принципу - от частного к общему. Диагностирование начинается с оценки степени развития дефектов отдельных узлов агрегата, на которых находятся контрольные точки.
Далее ставится локальный (точечный) диагноз в точке контроля, а затем на основе этих локальных диагнозов ставится диагноз узла в целом (узел может иметь более одной точек контроля), и на основе диагнозов узлов ставится диагноз агрегата в целом.
Этот диагноз излагается в кратком заключении протокола, а локальные диагнозы и оценка степени развития дефектов излагается в Приложениях к заключению.
Оценка степени развития контролируемных дефектов осуществляется путем расчета величины классифицирующей функции (дискриминантной, решающей и т.п.), аргументами которой являются безразмерные параметры, описывающие относительное изменение уровня информационной гармоники, отвечающей за данный дефект (Аотн) и относительной скорости изменения уровня информационной гармоники (Vотн). Эти параметры приведены к безразмерному виду, путем деления их фактических величин, соответственно, на предельно допустимый уровень гармоники (Апр.) и опорную скорость (Vопор). В классифицирующую функцию эти параметры входят в виде слагаемых с весовыми коэффициентами, изменяющимися от нуля до единицы и характеризующими степень влияния на оценку состояния дефекта степени изменения величины информационной гармоники и скорости её изменения.
Рассчитав фактическое значение классифицирующей функции, сравниваем его с её эталонными значениями. Эталонные значения функции изменяется от нуля до единицы, имея ряд промежуточных значений, отличающихся, так же, как и граничные значения норм виброактивности ISO 2372, на величину, порядка, 1,56 (точно - корень пятой степени из десяти). И, в зависимости от того, в какой эталонный интервал попадает фактическое значение функции, выдается одно из следующих сообщений:
- дефект отсутствует;
- степень развития дефекта ниже средней;
- степень развития дефекта средняя;
- степень развития дефекта выше средней;
- степень развития дефекта недопустимая.
Эти сообщения дополняются указанием наработки до оптимальной остановки на ремонт и до предельной степени развития дефекта; о доле, приходящейся в развитии дефекта на прочность (развитие трещины в силовых элементах) и на износ пар трения, характеристикой скорости развития дефекта.
Далее, по величине суммарного уровня вибрации, приведенного к безразмерному виду, путем деления его на предельно допустимую по нормам ISO 2372 величину и максимального значения классифицирующей функции, характеризующей дефект, имеющий наибольшую степень развития, ставят локальный диагноз в точке контроля:
|
|
|
- узел в точке контроля исправен;
- узел в точке контроля работоспособен;
- узел в точке контроля требует осмотра;
- узел в точке контроля требует ремонта.
Затем, на основе локального наихудшего диагноза, ставится диагноз узлу в целом:
- узел исправен;
- узел работоспособен;
- узел требует осмотра;
- узел требует ремонта.
И, наконец, на основе наихудшего диагноза отдельных узлов, ставится диагноз агрегату в целом:
- агрегат исправен;
- агрегат работоспособен;
- агрегат требует осмотра;
- агрегат требует ремонта.
Во всех случаях диагноз сопровождается указанием наработки до оптимальной остановки на ремонт и наработки до отказа и причину отказа и ремонта, соответственно.
При постановке диагноза принята достаточно жесткая концепция «слабого звена», в результате этого диагноз на более высоком иерархическом уровне ставится на основе наихудшего диагноза, полученного на более низком уровне. Это оправдано для оборудования опасных производств (АЭС, химпредприятия и т.п.). Для городского коммунального хозяйства и т.п. можно использовать менее жесткие правила, когда диагноз на более высоком уровне ставится на основе усредненного по тем или иным правилам диагноза, полученного на предыдущем более низком иерархическом уровне.
Приведенный в протоколе диагноз получил подтверждение при ремонте агрегата после его фактической остановки из-за заклинивания ротора двигателя, происшедшей при наработке агрегата, указанной в протоколе.
Проведение параллельно, принятых для скважин и традиционных для вибродиагностики измерений, позволяет создать несколько вариантов достоверных методик оценки фактического технического состояния скважинного оборудования, использующих либо уточненные традиционные измерения, либо комбинацию традиционных и принятых в вибродиагностике методов измерения и их анализа.
Рис. 3. Изменение за время эксплуатации агрегата лопаточной гармоники,
реагирующей на дефект рабочего колеса насоса
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
|
|
|
- Л.М. Замиховский, В.П. Калявин. Техническая диагностика погружных электроустановок для добычи нефти. - Снятын: Прут Принт, 1999 - 234 с.
- Надежность установок погружных центробежных насосов для добычи нефти. Цинтихимнефтемаш. Москва 1983
- Вибрации энергетических машин. Справочное пособие. Под ред. д-ра техн. наук проф. Н.В. Григорьева. Л., "Машиностроение", 1974. 464 с. С.442 - 454
- М.Д. Генкин, А.Г. Соколова. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. - М.: Машиностроение, 1987.-288 с. С.168 - 183
ДИАГНОСТИКА И ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ВЕРТИКАЛЬНОГО НЕФТЯНОГО НАСОСА НПВ 3600-90
В.А. Смирнов
Приведено описание процесса диагностирования и прогнозирования остаточного ресурса радиально-опорного подшипника вертикальных насосов, применяемых на нефтеперекачивающих станциях на подпорных линиях. Кратко даны особенности объекта, принципы его диагностирования, краткое описание диагностической программы. для системы ДСА-2001
Рис.1. Нефтеперекачивающий насос НПВ 3600-90
ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА.
Вертикальные нефтеперекачивающие насосы типа НПВ 3600-90 применяются на подпорных линиях подачи нефти к магистральным насосам, установленным на нефтеперекачивающих станциях (НПС). В состав агрегата входят одноступенчатый вертикальный насос производительностью 3,6 м3/с и приводящий его во вращение вертикальный 3-х фазный асинхронный электродвигатель типа ВАОВ-710/L-4 с короткозамкнутым ротором, выполненный во взрывозащищенном исполнении мощностью 1250 кВт. Двигатель предназначен для работы на открытых площадках от сети переменного тока с номинальным напряжением 10000 В и частотой 50 Гц (ток статора-130А) во взрывоопасных помещениях и наружных установках. Соединение двигателя с насосом осуществляется посредством шлицевых муфт, компенсирующих осевые усилия, действующие на вал двигателя.
УСТРОЙСТВО ДВИГАТЕЛЯ.
- Основные узлы двигателя: статор, ротор, подшипниковые узлы взрывозащиты, крышки подшипников, подшипники, внутренние и наружные центробежные вентиляторы, подставки.
Статор состоит из станины, пакета статора, обмотки. Станина состоит из двух торцевых плит, стянутых между собой продольными ребрами, и наружного цилиндра, приваренного к плитам. От осевого перемещения пакет статора зафиксирован при помощи шпонки.
Ротор состоит из вала с напрессованным на него сердечником, пазы которого залиты алюминием. Сердечник ротора состоит из отдельных пакетов. Сам ротор динамически отбалансирован совместно с внутренними вентиляторами, насаженными на вал двигателя.
Подшипниковый узел взрывозащиты состоит из двух неподвижных крышек, образующих кольцевой паз, в котором размещены три "плавающих" латунных кольца, свободно установленных на валу.
На двигателе в верхней его части установлен сдвоенный шариковый радиально-упорный подшипник серии 6-44633ОЛ, в нижней части - роликовый подшипник серии 70-32330. На насосе в верхней части установлены два радиально-упорных шарикоподшипника серии 46330, а в нижней части - упрочнённый подпятник. В промежуточной части насоса установлена опора скольжения.
Конструктивной особенностью агрегата является наличие высоконагруженного радиально-упорного подшипника двигателя, который определяет межремотный ресурс агрегата в целом.
В настоящее время период между осмотрами и заменами смазки подшипников двигателя установлен равным 2000 часам, но, как правило, в силу объективных причин этот срок в среднем выше на 1000...2000 часов, поэтому основной задачей диагностирования агрегатов данного типа является оценка степени износа подшипников и выдача рекомендаций по сроку и объему ремонта.
Характерные частоты проявления некоторых неисправностей подшипников агрегата НПВ-3600-90 приведены в табл.1.
ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ВИБРАЦИЮ АГРЕГАТА:
- подшипники качения;
- роторы электродвигателя и насоса;
- подшипник скольжения насоса;
- узел соединения валов двигателя и насоса.
Таблица 1. Частоты проявления некоторых неисправностей подшипников качения агрегата
НПВ-3600-90.
| Тип подшипника | Кратности от частоты вращения ротора электродвигателя | |||
| Дефект сепаратора | Дефект тел качения | Дефект дорожек внутренн. кольца | Дефект дорожек внешнего кольца | |
| 6-446330(дв.) | 0,406 | 2,552 (5,104) | 7,728 (15,456) | 5,272 (10,544) |
| 70-32330 (дв.) | 0,411 | 2,298 | 8,251 | 5,749 |
| 46330 (насос) | 0,406 | 2,552 | 7,728 | 5,272 |
МЕТОДИКА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ.
Основой методики диагностирования подшипников качения агрегатов НПВ-3600-90 является определение вибрационных параметров, характеризующих износ и разрушения подшипников. По результатам проведенных исследований на агрегатах JАО "Верхневолжскнефтепровод" (JАО "ВВН") были определены частотные области, характерные для разрушений высоконагруженных подшипников качения.
Эти области располагаются в диапазоне 3...7 кГц. Высокочастотный характер возбуждения в этих областях определяется изменением сил трения в высоконагруженном подшипнике, работающем в условиях частичного или полного проскальзывания тел качения.
Сравнительные данные для нормального и изношенного подшипников приведены в табл. 2.
Наиболее чувствительной характеристикой износа подшипников качения электродвигателя является спектральная плотность виброускорения - (м/c2)2 в полосе 3...7 кГц.
Характерные спектры для плохих и хороших подшипников качения электродвигателя вертикальных насосов приведены на рис. 2-4.
На рис.5 представлена усредненная прогнозная кривая, позволяющая приближенно оценивать время до замены подшипников. Кривая получена по данным обследований агрегатов НПВ-3600-90 АО "ВВМН".
Указанные характеристики вибрации вертикальных насосов, а также ряд других, полученных в процессе исследований, были использованы для разработки программы диагностики, которая была разработана с использованием редактора методик из состава "Эксперт-1".
Автоматизированное диагностирование состояния подшипников может осуществляться по шагам или полностью автоматически (в зависимости от желания оператора).
Рис.2. Спектры виброускорения (т.1о) плохого (1) и хорошего (2) радиально-упорного подшипника электродвигателя вертикального насоса.
Рис.3. Спектры виброускорения (т.3о) плохого (1) и хорошего (2) радиально-упорного подшипника электродвигателя вертикального насоса.
Рис.4. Спектры виброускорения (т.2о) плохого (1) и хорошего (2) радиально-упорного подшипника электродвигателя вертикального насоса.
Рис.5. Усредненная прогнозная зависимость спектральной плотности виброускорения в полосе 3...7 кГц от времени наработки подшипников качения электродвигателя агрегата НПВ-3600-90.
МАРШРУТ ОБСЛЕДОВАНИЯ
Виброобследование проводится по. маршруту, который определяет перечень точек и направлений измерений, а также режимы анализа вибрационных сигналов.
Маршрут сформирован в виде отдельных заданий, каждое из которых содержит необходимую информацию по его выполнению. Количество заданий для исследования состояния подшипников агрегата- 6. Измерения проводятся в 3-х точках на рабочем режиме работы агрегата (рис.6). В каждой точке измерения проводятся в 2-х направлениях- осевом и радиальном и в 2-х частотных диапазонах - 2 и 8 кГц с разрешением, соответственно, 0,8 и 3,2 Гц. Измеряемый параметр- виброускорение. Время выполнения маршрута - 10-15 мин.
Каждое задание обеспечивает одновременное измерение вибрации по двум каналам при использовании диагностической системы ДСА-2001. Полученные в ходе выполнения маршрута данные автоматически заносятся в базу данных.
Для выполнения маршрута оператору следует устанавливать датчики в точки измерения, правильно сориентировав их по направлениям измерения, и запустить режим "Измерение" прибора ДСА-2001 (далее следовать подсказкам на дисплее). При измерении предусмотрен визуальный контроль измеренных спектров.
ДИАГНОСТИРУЕМЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ
Программа позволяет диагностировать износ и разрушение дорожек и тел качения подшипников качения двигателя и насоса.
Рис. 6. Схема установки датчиков в точки измерения: 1 - вибродатчик; 2 - кронштейн; 3 - объект.
Таблица 2. Сравнительные данные уровня виброускорения (м/с2) и спектральной плотности ((м/с2)2) для изношенного и хорошего радиально-упорного подшипника электродвигателя агрегата НПВ-3600-90.
| Подш - к | Точка 1 | Точка 2 | Точка 3 | Спектральная плотность в полосе 3-7 кГц в т.1-осевая | |||
| осевое | рад-е | осевое | рад-е | осевое | рад-е | ||
| Хороший | 1,2 | 0,8 | 1,1 | 0,8 | 0,8 | - | |
| Плохой | 4,2 | 1,6 | 2,5 | 1,2 | 1,3 | - |
Метод оценки технического состояния машин
