CC BY
396
УДК 622.76.629.113
ВИБРОДИАГНОСТИРОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ГАЗОНАПОЛНИТЕЛЬНЫХ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ
С.А. Сапрыкин, ст. научн. сотр., к.т.н., УкрНИИГаз, г.Харьков
Аннотация. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологии вибродиагностирования основных узлов компрессорных установок отечественного и зарубежного производства, которые позволяют определять дефекты на работающих агрегатах на ранней стадии их возникновения.
Ключевые слова: компрессорная установка, автомобильная газонаполнительная компрессорная станция, вибродиагностика, аппаратные средства, шатунные подшипники, цилиндропоршневая группа.
Введение
Украина имеет развитую газотранспортную сеть протяженностью 36,7 тыс. км, в состав которой входят компрессорные станции (КС), подземные хранилища. Кроме того, установлено 87 автомобильных газонаполнительных
компрессорных станций (АГНКС) с пятью типами поршневых компрессорных установок (КУ), из них: 16,1% отечественного производства - 4ГМ2,5 - 1,2/10 - 250 (4ГМ2,5 - 1,8/5 - 250) АОО «Сумское НПО им. М.В. Фрунзе»; 13,8% -производства России 2ГМ4-1,3/12-250 завод «Борец»; 67,8% - двух типов производства Германии - 4Ж3ЮЧ - 20/210-5-249WLK и 2НВ2К 160/100; 2,3% - производства Италии 3ВУШ/3 фирмы «Нуово Пшьоне». В основном АГНКС были построены в 85-90-е годы. Специфика АГНКС ставит ряд особенных условий и требований к оборудованию: процесс компримирования газа - периодический, что значительно понижает надежность КУ; степень сжатия составляет 42, а на КС магистральных газопроводов находится в пределах 1,6-2,0; максимальное давление на выходе КУ составляет 25МПа, а на КС - 7,6 МПа. С 2005 г. АГНКС перешли за 20-летний рубеж эксплуатации.
Учитывая, что в поршневых компрессорах на узлы и детали действуют значительно большие динамические нагрузки, высокие давления и периодические пуски и остановки, а также анализ результатов эксплуатации КУ показал их низкую работоспособность. Наработка на отказ
находится в пределах от 60 часов до 1300 часов [1].
Опыт эксплуатации КУ выявил ряд существенных недостатков, снижающих надежность агрегатов. Основными узлами, лимитирующими
долговечность работы КУ, являются кривошипно-шатунный механизм, в частности подшипниковые узлы, цилиндропоршневая группа, клапаны и др. Работа агрегата с дефектными узлами в ремонтный период приводит зачастую к более серьезным повреждениям. На рис. 1 представлена поломка коленчатого вала КУ 4ЬШЗКЫ-20/210-5-249\¥ЬК.
• ■ I
Рис.1. Разрушение коленчатого вала
Сохранение низкого уровня надежности КУ АГНКС обусловлено отсутствием кардинального решения целого комплекса вопросов, связанных с организацией ремонта по фактическому состоянию с применением методов и средств виброконтроля и вибродиагностирования. В связи с этим проблема оценки технического состояния и продления срока эксплуатации КУ является акту-альной.
Актуальной проблемой остается определение конкретных диагностических признаков с помощью которых можно было бы своевременно остановить КУ в начальной стадии появления дефекта его узлов. Разработка методов вибродиагностирования усложнена тем, что АГНКС относится к объектам повышенной взрывопожарной опасности.
Анализ публикаций
Из анализа литературных источников и патентных исследований, связанных с вибродиагностированием КУ в условиях эксплуатации известно, что в России и странах СНГ разработаны и внедрены руководящий документ [2], а также формуляры вибрационного обследования КУ и трубопроводов технологической обвязки для всех типов и модификаций АГНКС. Оценка параметров вибрации КУ, трубопроводов и технологических аппаратов, фундаментов производится в соответствии с нормами: «допустимо», «требует принятия мер», «недопустимо». Рассмотрены основы комплексной системы диагностирования, включающие методы анализа параметров рабочего процесса КУ, вибрационной диагностики и накопления продуктов износа в масле [3]. Однако практического применения в эксплуатации не нашло. Сделаны первые попытки в разработке методов и средств для вибродиагностирования КУ типа 2ГМ4-1,3/12-250 [4-6]. Можно сделать вывод, что методы и аппаратные средства виброконтроля и вибродиагностирования КУ находятся в стадии становления.
Цель и постановка задачи
Целью исследования является разработка методов, аппаратных и программных средств вибрационной диагностики основных узлов КУ, которые позволяют осуществлять оперативный контроль технического состояния без остановки и разборки агрегатов.
Поставленная цель достигается путем решения следующих задач: анализ показателей надежности эксплуатации пяти типов КУ;
исследование динамических процессов КУ, которые определяют их виброактивность; установление причин колебаний и их идентификация в эксплуатационных условиях; экспериментальные исследования для
определения вибрационных характеристик основных узлов; разработка алгоритмов диагностирования; внедрение методов и средств виброконтроля.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований
Виброактивность КУ определяется технологиями изготовления и монтажа, конструктивными особенностями основных узлов. Источниками виброактивности являются газодинамические процессы в компрессорных цилиндрах при трехи
четырехступенчатом сжатии природного газа, удары в кинематических соединениях, трение в цилиндрах и подшипниковых узлах, а также дисбаланс, который характеризуется
колебаниями, связанными с частотой вращения электродвигателя. Исследование динамики работы КУ производится с целью определения спектральных и ударных характеристик силового взаимодействия их конструктивных элементов. Спектральные и ударные характеристики силового взаимодействия необходимы для исследования причин возникновения вибрации и выявления связей между силовыми взаимодействиями и вибрационными
параметрами.
Величины сил, действующих на подшипниковые узлы КУ, определяются давлением газов в цилиндрах, силами инерции, трения, полезного сопротивления и особенностями кинематической схемы кривошипно-шатунного механизма (рис. 2,
3).
4
Угол повс рота вала, град
/ \
г V— 1 ступень
i \
\
\
90 180 270 |
г -III ступень
Рис. 2. Реакция газов на поршне 1-Ш ступени КУ 2ГМ4-1,3/12-250
Рис. 3. Годограф сил, действующих на шатунный подшипник Г-ГГГ ступени КУ 2ГМ4-1,3/12-250
Расчет усилий, действующих на подшипниковые узлы, производился согласно методике, изложенной в работе [7]. Полярные диаграммы сил, действующих на подшипники, КУ АГНКС представлены на рис. 3-4. Они позволяют определить значения и направления действия сил в любой момент времени для заданного положения вала. Для выявления спектральных характеристик сил, действующих в поперечном и вертикальном направлениях, необходимы их проекции и F которые определяются на
основе полярных диаграмм сил.
№
2X10 Н
Рис. 4. Годограф сил, действующих на шатунный подшипник ГГ-ГУ ступени КУ 2ГМ4-1,3/12-250
У 4 РЛ 10 Н
/ 90 \ 180 /270 360
угол поворота вала, град.
Рис. 5. Вертикальная составляющая сил, действующих на первый коренной подшипник КУ 2ГМ4-1,3/12-250
V 4 РЛ 10 Н
90 180 270 360
У
угол поворота вала, град
Рис. 6. Поперечная составляющая сил, действующих на первый коренной подшипник КУ 2ГМ 4-1,3/12-250 На рис. 5-6 представлены проекции и спектральные характеристики сил (рис. 7), действующих на подшипники.
V 3 РЛ 10 Н
а)
1 1 1 1 1
20
40
60
100 120 номер гармоники
У 3 Рл 10 н
7 6 5 4 3 2 1 0
20
40
60
100
120
номер гармоники
направлении КУ 2ГМ 4- 1,3/12-250
Рис. 7. Спектральные характеристики сил, действующих на первый коренной подшипник КУ 2ГМ - 1,3/12-250: а -поперечное направление; б - вертикальное направление
На рис. 8-9 представлены значения скорости изменения нагрузки в зависимости от угла поворота коленчатого вала, полученные с помощью
- =
<И АГ 1 2
(1)
Полярные диаграммы сил и скоростей их изменения, приведенные на рисунках, иллюстрируют резкие изменения нагрузки по величине и направлению, по характеру схожие с толчками и ударами.
^ X 105,Н/
сЛ /с
\
180
угол поворота вала, град
Рис. 8. Скорость изменения сил, действующих на коренной подшипник в вертикальном направлении КУ 2ГМ - 1,3/12-250
^ X 105. сИ
Н
-12 -16 -20 -24 -28 -32 -36 -40
л7
а
Так, на рис. 9 имеется два ярко выраженных максимума скорости изменения сил, которые могут быть причиной ударов в подшипниках и источниками высокочастотной вибрации.
Интенсивность ударов импульсами сил [8]
характеризуется
I = т ^ (г )бг
Л
(2)
угол поворота вала, град
где t и - соответственно начало и конец ударного импульса; ^ - значение силы за время
*=Ъ - V
Импульсы сил определены с помощью полярных диаграмм сил и могут достигать значений 10001200 Н/с.
Экспериментальным путем в эксплуатационных
условиях получены спектры вибрации пяти типов
КУ АГНКС в низкочастотном и высокочастотном
диапазонах (рис. 10). Проведен угол Поворота вала,
активный эксперимент с установкой
узлов и деталей ЦПГ (разрушенш
ШП, поршневое кольцо, клапан). Р
спектральных составляющих, по сравнению с
бездефектным КУ, наблюдается в информативных
диапазонах (0-600 Гц, 1,0-2,7 кГц).
Вибродиагностические признаки технического
состояния КУ АГНКС определены на основе
анализа интенсивности вибрации в различных
частотных полосах и точках измерений, с
использованием динамических особенностей
работы узлов КУ.
Полученные результаты исследований явились основой для разработки аппаратных и программных средств виброконтроля и вибродиагностирования ГПА и КУ.
Впервые разработана переносная система вибродиагностирования основных узлов пяти типов КУ АГНКС на базе микропроцессорной техники, которая позволяет определять существующие дефекты в условиях эксплуатации. Система подключается к ПЭВМ для обмена информацией и глубокого диагностического анализа (рис. 11) [9].
Низкочастотный спектр точка 10
Рис. 9. Скорость изменения сил, действующих на коренной подшипник в поперечном
Высокочастотный спектр точка 10
Чг .у. АМ V,
0 1 2 3 4 5 КГЦ
Рис. 10. Спектры вибрации КУ 4HR3ZKN- Рис 12 Схема Расположения т°чек измерения 200/210-5-249WLK вибрации КУ 4ГМ2,5-1,2/10-250
Рис. 11. Устройство АСОК для виброконтроля и диагностирования КУ АГНКС
Для пяти типов КУ АГНКС технология вибродиагностирования заключается в снятии вибродиагностической информации о состоянии узлов в характерных точках рис. 12-13, автоматизированной обработке результатов виброизмерений непосредственно на АГНКС с выдачей результатов диагностирования на экран жидкокристаллического индикатора.
В КУ 2ГМ4-1,3/12-250 диагностируются следующие дефекты: увеличенные зазоры в сопряжениях цилиндр-поршень 1-й, 2-й, 3-й, 4-й ступеней сжатия (2300-2500 Гц, 2500-2800 Гц); разрушение компрессорных колец и износ рабочих поверхностей цилиндров и поршня 1-й ступени сжатия (1500-2800 Гц), 2-й ступени (1500-3000 Гц), 3-й ступени (800-2100 Гц) и 4-й ступени (1000-2500 Гц); расцентровки в 1-й и 3-й, 2-й и
4-й ступенях сжатия; увеличенные зазоры либо разрушение трущихся поверхностей шатунных
Рис. 13. Схема расположения точек измерения вибрации КУ 2НВ2К - 160/100С
подшипников (1100-1300 Гц); износ роликов коренных подшипников (1700-1950 Гц); дефекты в роликовых подшипниках (55, 221, 441,443, 553, 882, 1107 Гц); неуравновешенность ротора электродвигателя (12,3 Гц).
Вибродиагностические признаки КУ 2НВ2К-160/1ООС и 4Ш.3К№200/210-5-249
представлены в табл. 1, 2. Аналогично установлены признаки и для КУ 2BVTN/3 и КУ4ГМ2,5-1,2/10-250.
За период с 1995 по 1996 гг., в соответствии с графиком виброобследований, проведено 245 контрольных диагностирований компрессорных установок типа: 4Ш. 3KN-200/210-5-249W (100 обследований); 2ГМ4-1.3/12 - 250 (109 обследований); 4ГМ 2,5 - 1,2/10-250 (15 обследований); 2BVTN/3 (12 обследований);
2НВ2К - 160/100С (9 обследований). В том числе по АГНКС:
Таблица 1 Уровни вибрации и частотные полосы диагностических признаков КУ 2НВ2К-60/1ООС
Номер Границы, Гц Уровень
нижняя верхняя
1 150 600 0,6
2 600 1000 1,2
3 1000 2200 1,2
4 2200 3300 4,1
5 3300 4400 2,5
6 4400 5500 2,6
7 5500 6600 3,1
8 6600 15000 10,6
9 1500 45000 28,6
10 6 15000 20,0
11 9 11 5,0
12 18 22 18,3
13 27 33 4,0
Таблица 2 Уровни вибрации и частотные полосы диагностических признаков КУ 4HR3KH-200/210-5-249
Номер Границы, Гц Уровень вибрации, м/с
нижняя верхняя
1 7 9 0,6
2 14 18 1,2
3 23 27 1,2
4 30 36 4,1
5 7 70 2,5
6 2000 2500 2,6
7 1700 2000 3,1
8 1000 1700 10,6
9 2500 3000 28,6
10 3000 4000 20,0
11 1600 2000 5,0
12 2500 2800 18,3
13 850 950 4,0
14 1600 1900 2,0
15 2000 2300 1,8
16 2300 3000 20,0
17 1500 3500 33,0
18 1100 1300 5,0
В Управлении магистральных газопроводов (УМГ) Харьковтрансгаз - Харьков-1, Харьков-2, Харьков-3, Днепропетровск-1, Днепропетровск-2, Николаев-1, Запорожье-1, Херсон-1, Кривой Рог-1, Лозовая; Шебелинкагазпром - Купянск; УМГ Львовтрансгаз - Львов-2, Ровно, Тернополь, Стрый; УМГ Прикарпаттрансгаз - Ивано-Франковск, Черновцы, Ужгород; УМГ Киевтрансгаз -Киев-1, Киев-2, Киев-3, Киев-4, Хмельницкая; УМГ Донбасстрансгаз - Донецк-2, Донецк-3.
Согласно графика виброобследований ряд АГНКС подвергались повторным
диагностированиям перед выходом КУ в ремонт и после проведения ремонта. По результатам виброобследований и вскрытий агрегатов во время ремонтов была установлена высокая достоверность диагностирования КУ АГНКС с помощью разработанной системы сбора и обработки вибродиагностической информации. В результате проведенных диагностирований выявлен 71 дефект, из них подтвердилось 56, не подтвердилось 7, не проверялось 8. Достоверность вибродиагностирования составила 78%.
Выводы
Определены зависимости между вибрационными параметрами и техническим состоянием основных узлов и деталей КУ АГНКС.
Разработана система вибродиагностирования, которая в условиях эксплуатации определяет дефекты основных узлов работающих КУ на ранней стадии их возникновения, предупреждают аварийные ситуации, снижает объемы ремонтов, обеспечивает надежность и эффективность работы АГНКС. Годовой экономический эффект составляет 520 тыс. грн.
Создан ряд основополагающих отраслевых нормативных актов по техническому обслуживанию КУ АГНКС [10-11].
Литература
1. Анализ показателей надежности компрессорных установок АГНКС ПО Укргазпром / Божко А.Е. Бойко М.В., Козак СР., Сапрыкин С.А. - Харьков, 1991. - 18 с. - Препр. / АН УССР. Ин-т пробл. машиностроения;
№ 352.
2. Автомобильные газонаполнительные компрессорные станции. Нормы вибрации. Методика виброобследования. Виброзащита оборудования. РД 51-132-88. - М., 1988. - 20 с.
3. Орлов 1.О. Проведення дiагностичних робгг на
АГНКС ДК «Укртрансгаз» // Нафт. i газова промисловiсть. - 1999. - №4. - С.43-46.
4. Сапришн С.О. Ддагностування основних вузлiв
КУ АГНКС / С.О. Сапришн, М.В. Бойко, С.В. Козак, 1.1. Гембарський // Нафтова i газова промисловють. - 1993. - № 4. - С.41-43.
5. Козак В.Р. Розробка методiв i засобiв для
вiбродiагностування компресорних
установок АГНКС // Нафт. i газова промисловють. - 1997. - №3. - С.39-42.
6. Засецкий В.Г., Яковлева И.Е. Методическое
обеспечение системы виброконтроля компрессорных установок АГНКС // Совершенствование газотранспортного оборудования, 1989. - С. 136-142.
7. Двигатели внутреннего сгорания: Учебник для
вузов в 3-х томах. Т.2. Конструкция и расчет /общая редакция А.С. Орлин - М.: Машгиз, 1962. - 380 с.
8. Луканин В.Н., Гаврилин В.В. К анализу
ударных явлений в шатунном подшипники // Изв. вузов. - М.: Машиностроение. - 1971. -
№7. - С. 41-45.
9. Сапришн С.О. Вiброконтроль та мошторшг
техшчного стану компресорних установок АГНКС // Питання розв. газово! промис ловосп Укра1ни: Зб. наук. пр. / УкрНД1газ. -Харшв. - 2004. - Вип. ХХХ11. - С.302-308.
10. СТП 320.30019801.027-2001 ^вш документа на проведення техшчного опосввдчення та генерально! ревiзil АГНКС -500 / Сапришн С.О., Бойко М.В., Гембарський 1.1. - К., 2001. - 51 с.
11. ДНАОП 1.1.23-1.06.-02. Правила безпечно! експлуатаци та обслуговування обладнання автомобiльних газонаповнювальних компресорних станцш (АГНКС). - К., 2002. - 125 с.
Рецензент: В.Д. Мигаль, профессор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 16 марта 2006 г.
