CC BY
51
УДК 622.692.4.053 https://doi.org/10.24411/0131-4270-2019-10401
АПРОБАЦИЯ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ПОЛОЖЕНИЯ МНОЖЕСТВЕННЫХ ДЕФЕКТОВ ПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ УДАЛЕННОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
APPROVAL OF THE METHOD FOR DETERMINING THE GEOMETRICAL POSITION OF MULTIPLE DEFECTS OF THE PUMPING EQUIPMENT USING REMOTE STRAIN GAUGE ANALYSIS
А.Р. Валеев, Б.Н. Мастобаев, Р.М. Каримов, Р.Р. Ташбулатов, Б.Г. Харрасов
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7197-605X, E-mail: anv-v@yandex.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5379-9520, E-mail: mastoba@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2459-4555, E-mail: karimov_rinat@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5406-2352, E-mail: tashbulatovradmir@gmail.com ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9568-4887, E-mail: bkharrasov95@gmail.com
Резюме: В статье приведены исследования метода по определению геометрического положения множественных дефектов перекачивающего оборудования с применением удаленной тензометрии. Разработан метод фильтрации и распознавания множественных дефектов. Проведена апробация на экспериментальном стенде с пятью источниками колебания. Применение разработанного метода позволяет получить следующую дополнительную информацию для диагностирования: местоположение источника возбуждения, частота возбуждения в источнике, интенсивность источника возбуждения, оценочная масса. Данная информация позволит более полно, надежно и своевременно диагностировать перекачивающее оборудование.
Ключевые слова: диагностика, техническое состояние, тензометрия, нефтеперекачивающий агрегат.
Для цитирования: Валеев А.Р., Мастобаев Б.Н., Каримов Р.М., Ташбулатов Р.Р., Харрасов Б.Г. Апробация метода определения геометрического положения множественных дефектов перекачивающего оборудования с применением удаленной тензометрии // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2019. № 4. С. 5-10.
DOI: 10.24411/0131-4270-2019-10401
Anvar R. Valeev, Boris N. Mastobaev, Rinat M. Karimov, Radmir R. Tashbulatov, Bulat G. Kharrasov
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7197-605X, E-mail: anv-v@yandex.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5379-9520, E-mail: mastoba@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2459-4555, E-mail: karimov_rinat@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5406-2352, E-mail: tashbulatovradmir@gmail.com ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9568-4887, E-mail: bkharrasov95@gmail.com
Abstract: The article presents studies of a method for determining the geometric position of multiple defects in pumping equipment using remote strain gauge analysis. A method for filtering and recognizing multiple defects has been developed. The method was tested to determine the geometric position of defects on an experimental bench with five vibration sources. Application of the developed method allows to obtaining the following additional information for diagnosis: the location of the excitation source, the frequency of excitation in the source, the intensity of the excitation source, estimated mass. This information will allow for more complete, reliable and timely diagnosis of pumping units.
Keywords: diagnostics, technical condition, strain gauge analysis, vibration analysis, oil pumping unit, compressor.
For citation: Valeev A.R., Mastobaev B.N., Karimov R.M., Tashbulatov R.R., Kharrasov B.G. APPROVAL OF THE METHOD FOR DETERMINING THE GEOMETRICAL POSITION OF MULTIPLE DEFECTS OF THE PUMPING EQUIPMENT USING REMOTE STRAIN GAUGE ANALYSIS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2019, no. 4, pp. 5-10.
DOI: 10.24411/0131-4270-2019-10401
Эффективная эксплуатация основного перекачивающего оборудования на нефтеперекачивающих и компрессорных станциях является одним из важнейших вопросов трубопроводного транспорта*. Магистральные насосные агрегаты и газоперекачивающие агрегаты - мощные энергоемкие машины, эффективная, надежная и экономичная эксплуатация которых - одна из ключевых задач отрасли.
Отмечаем, что повышение надежности и безопасности производственного оборудования входит в Программу
инновационного развития ПАО «Газпром» [2]. А повышение ресурса основного механоэнергетического оборудования, создание систем мониторинга его технического состояния, определение оптимальных сроков технического обслуживания и ремонта являются основными задачами научно-технической деятельности ПАО «Транснефть» [3].
Одним из инструментов поддержания высокой надежности перекачивающего оборудования является оценка технического состояния и своевременная диагностика.
* Представленные исследования являются продолжением авторских разработок, описанных в статье [1].
4
2 019
5
Применяемые на данный момент методы оценки технического состояния не универсальны и имеют свои недостатки. Для качественного совершенствования технической диагностики необходима разработка новых подходов, использующих исходную информацию другой физической природы. Перспективным является использование значений амплитуды, частоты и фазы усилий в каждой из опор оборудования, что позволит определить геометрическое местоположение источников возбуждения, а следовательно, и более надежно распознать развивающиеся дефекты.
В соответствии с вышесказанным авторами разработан метод определения геометрического положения дефектов перекачивающего оборудования с применением удаленной тензометрии. Суть метода заключается в том, что дефекты оборудования создают периодические динамические силы, которые передаются на опоры (раму) оборудования. На опоре или раме устанавливаются тензодатчики, улавливающие данные динамические силы. Для их анализа были разработаны математическая модель колебания оборудования, экспериментальная установка (фото 1), специальное программное обеспечение и экспериментальный стенд (фото 2). Проведена апробация метода по определению местоположения одиночных дефектов. Более подробно разработанный метод представлен в [1].
При реализации алгоритма определения местоположения дефекта производится разложение тензометрического сигнала в спектр, согласно которому определяется амплитуда и фаза усилий на опоре. В соответствии с этим разработанная математическая модель производит расчет положения и интенсивности источника возбуждения для любой частоты, входящей в построенный спектр сигнала. К примеру, если был построен спектр сигнала до 500 Гц с шириной полосы в 1 Гц, то математическая модель произведет расчет 500 источников возбуждения. Очевидно, что подавляющая часть из них - это шумы, и математическая модель покажет несуществующие источники возбуждения. Соответственно нужна разработка методики по их фильтрации. Один из очевидных подходов - это фильтрация источников возбуждения по их интенсивности путем отсечения всех слабых источников. Данный способ достаточно эффективный, но основная проблема заключается в неизвестности оптимальной границы фильтрации, и данный подход можно использовать только как вспомогательный в ручном режиме. Также можно произвести непреднамеренную фильтрацию источника с низкой интенсивностью, что по факту является искомым дефектом оборудования.
Поэтому был разработан следующий метод распознавания дефектов. Производятся многократные измерения, определяются средние значения координат источника возбуждения и интенсивности, производится расчет относительной погрешности. Для действительных источников уровень погрешности будет низким. Шумы будут показывать плавающие результаты, поэтому относительная погрешность будет высокой. Для удобной обработки определяется точность расчета - величина, обратная относительной погрешности. Точность находится при определении двух горизонтальных координат, вертикальной, интенсивности - и далее данное значение усредняется. Определяется среднеквадратичное отклонение значений от среднего и утроенное среднеквадратичное отклонение значений от
1. Экспериментальный прототип для измерения тензометрического сигнала, сбора данных и передачи их на компьютер
| 2. Общий вид разработанного экспериментального стенда
с указанием номера источника возбуждения
среднего. Величина выше полученного значения при случайном распределении Гаусса с достоверностью 99,7% не является шумом.
Пример вычисления точности представлен на рис. 1. Видно, что имеется источник возбуждения с частотой 22 Гц, который отличается высокой точностью - 78, в то время как среднее значение 1,8, а среднее значение точности плюс утроенное значение среднеквадратичного
■ Рис. 1. Пример расчета точности определения характеристик источника возбуждения
■
■ ■
■___ ■ . — м ~ "—■— 1,8и,1,81а|
точность
Частота источника возбкждения, Гц среднее значение точности —*— среднее значение точности + 3ст
I
Рис. 2. Спектр суммарной вертикальной динамической силы для апробации фильтрации признаков множественных источников возбуждения
I
Частота, Гц
Рис. 3. Пример расчета точности определения характеристик нескольких источников возбуждения
■
■ ■ •
■ ■ ■
■ ■ ■ ■ ■ . ■ ■ • ■ ■ ■ ■
V * ■■ 'с* ■ ■ .я ■ ■ ■ ;■ . ■ Г- "
о". У сл.- ■■С. : ■. у"
, ■ ■ ■ ■■■■■ « ■4 1 ■ ■ 1 ■ ■ ■ . -л. V: 1 л У**.
точность
Частота источника возбкждения, Гц среднее значение точности —*— среднее значение точности + 3ст
значения равно 5,0. Таким образом, с вероятностью 99,7% на частоте 22 Гц имеется источник возбуждения. Также имеется ряд других частот, на которых потенциально может находиться источник возбуждения (см. рис. 1).
Кроме того, предлагается те потенциальные источники возбуждения, которые находятся на соседних частотных полосах и по факту являются сопутствующими отклонениями одного источника, объединять в один. В этом случае ряд потенциальных источников заменяется на один с частотой, соответствующей потенциальному источнику с наибольшей интенсивностью.
Рассмотрим пример фильтрации признаков при множественных источниках возбуждения. Спектр измеренного сигнала представлен на рис. 2.
Результаты вычисления усредненной точности измерений двух горизонтальных координат, вертикальной координаты, интенсивности, а также их отклонения представлен ниже (рис. 3). Найдено 26 потенциальных источников (рис. 4). На рис. 5 представлена визуализация расположения потенциальных источников возбуждения с модулем распознания источников возбуждения и фильтром слабых источников.
Анализ последнего рисунка показывает, что все потенциальные источники возбуждения благодаря предложенному методу фильтрации свелись к пяти, которые и отражают фактически источники возбуждения.
Далее проводилась апробация математической модели распознавания положения множественных источников возбуждения. Выполнялось планирование проведения экспериментальных исследований
Для проверки разработанной модели оформлен план экспериментальных исследований на разработанном стенде. Факторами назначены: номер источника возбуждения и скорость вращения ротора источника вибрации.
Экспериментальная установка позволяет выполнить многоуровневое изменение факторов, поэтому число уровней было увеличено до пяти в отличие от планов экспериментов на основе планов 3к-р, используемых для исследования нелинейных процессов.
Поскольку пятиуровневый полнофакторный эксперимент подразумевает выполнение большого количества опытов, то для их сокращения был предложен совмещенный план экспериментальных исследований, доведенный до пяти экспериментов. Достоинством предложенного плана является апробация возможности определения нескольких источников возбуждения, их местоположения одновременно, а также их взаимного влияния при использовании разработанной модели. В табл. 1 представлен рандомизированный план экспериментальных исследований.
4
2019
7
I
Рис. 4. Результаты расчета местоположения источников
возбуждения без применения методики распознавания
Рис. 5. Результаты расчета местоположения источников
возбуждения без применения методики распознавания с модулем распознавания источников возбуждения и фильтром слабых источников
¥=33,3
р=о,юео
¥-37,3
Р=0,1455
¥=20,2
Р=0,1227
¥=29,1 Р=0,0613 ¥=31,5 Р=0,1243
Таблица 1
Рандомизированный совмещенный план экспериментальных исследований
Номер эксперимента Частота вращения ротора относительно диапазона возможных скоростей источника возбуждения, Гц Источник 1 1 Источник 2 1 Источник 3 1 Источник 4 1 Источник 5
1 28,0 32,1 30,4 37,0 25,0
2 34,0 39,1 20,0 28,0 32,0
3 31,0 35,6 33,9 25,0 28,5
4 37,0 25,0 23,5 31,0 35,5
5 25,0 28,5 27,0 34,0 39,0
Таблица 2
Список обнаруженных источников возбуждения в эксперименте № 2
V, Гц кгс X, см I, см У, см dF, % dX, % а, % dУ, %
1,20 0,010 36,8 15,1 10,6 34,1 17,3 27,1 47,1
19,36 0,009 34,2 13,0 9,9 39,4 17,6 11,6 34,8
20,16 0,123 37,7 13,1 7,2 28,1 1,7 4,8 25,3
29,14 0,061 44,5 7,2 8,6 39,6 10,0 23,2 47,1
29,54 0,026 48,1 5,9 6,6 37,7 9,5 16,6 24,1
30,34 0,010 42,0 12,0 9,2 17,0 13,0 18,0 37,1
30,94 0,014 44,4 12,7 9,9 34,3 16,5 17,3 34,9
31,53 0,125 50,5 13,3 6,5 19,8 1,5 2,9 9,2
33,33 0,106 7,3 14,1 7,6 27,4 20,5 1,9 31,1
37,32 0,145 25,8 13,4 7,9 34,7 10,0 14,1 29,5
81,43 0,004 32,7 16,5 19,5 19,4 27,7 21,1 45,0
98,79 0,012 38,5 16,2 10,6 21,4 13,8 15,1 33,1
В качестве примера ниже представлены результаты проведения эксперимента № 2 (рис. 6, 7). Список обнаруженных источников возбуждения представлен в табл. 2. Перечень фактических дефектов помечен жирным шрифтом. Из полученного списка исключены все источники возбуждения меньше 0,03 кгс как незначительные, представляющие шумы. Схема расположения дефектов представлена на рис. 8.
Проведем анализ сходимости полученных результатов (проверка однородности) по определению местоположений источников возбуждения со значениями, определенными геометрическим путем с помощью ^рите-рия Стьюдента.
Исходя из табл. 3 видно, что для каждого расчета критерий Стьюдента меньше критического значения (2,228). Таким образом, можно заключить, что местоположения дефектов определены верно. В соответствии с этим предлагаемая методика определения положения источников возбуждения достоверна.
Резюмируем, что становится доступной следующая дополнительная информация для диагностирования различных дефектов:
- местоположение источника возбуждения;
Рис. 6. Спектр суммарной вертикальной динамической силы источников возбуждения для эксперимента № 2
I
Рис. 7. Трехмерная визуализация расположения источников возбуждения для эксперимента № 2
40 50 00
Частота, Гц
- частота возбуждения в источнике;
- интенсивность источника возбуждения.
При оценке уровня вибрации вблизи источника возбуждения также можно оценить массу вибрирующей детали.
Для приблизительной оценки можно принимать, что виброскорость источника колебаний равна значению виброскорости, замеренной около него при помощи штатной или переносной системы вибродиагностики:
Fх тую. (1)
Таким образом, оценочная масса будет равна:
V®
I
Рис. 8. Расположение источников возбуждения для эксперимента № 2
т I
(2)
Таблица 3
Результаты проведения экспериментальных исследований № 2
Номер источника Геометрические значения Расчетные значения
Частота, Гц Координата среднее значение, см относительная погрешность, % среднее значение, см относительная погрешность, % ^критерий
Источник 1 23,8 г 13,5 3,7 13,3 1,9 0,427
X 51,5 1 50,5 20,5 0,096
Y 8 6,3 6,5 31,1 0,720
Источник 2 29,6 г 5 10 7,2 23,2 1,252
X 45 1,1 44,5 10,0 0,103
Y 8 6,3 8,6 47,1 0,139
Источник 3 29,2 г 13,5 3,7 13,1 4,8 0,459
X 36 1,4 37,7 1,7 2,091
Y 10 5 7,2 25,3 1,497
Источник 4 37,0 г 13,5 3,7 13,4 14,1 0,041
X 20 2,5 25,8 10,0 2,200
Y 8 6,3 7,9 29,5 0,045
Источник 5 20,0 г 13,5 3,7 14,1 1,9 1,100
X 5 10 7,3 20,5 1,462
Y 8 6,3 7,6 31,1 0,175
4 • 2019
9
Оценочную массу можно использовать для различия крупных и малых по массе источников возбуждения, в первую очередь для дифференциации дефектов ротора от других дефектов. Чем ближе датчики вибрации к потенциальному дефекту, тем точнее будет рассчитана оценочная масса.
Отметим, что расчетное местоположение для стабильных источников возбуждения будет показываться одно и то же, а для нестабильных - будет «прыгающим» при достаточно
стабильном спектре динамической силы. Таковыми могут быть дефекты и источники колебаний гидродинамического происхождения; дефекты, связанные с нежестким закреплением, а также с бифуркацией.
В соответствии с этой дополнительной информацией о дефектах, можно проводить диагностирование перекачивающего оборудования с большей достоверностью и на более ранней стадии, что в конечном счете повысит его надежность и долговечность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Валеев А.Р., Мастобаев Б.Н., Каримов Р.М., Ташбулатов Р.Р. Разработка метода определения геометрического положения дефектов перекачивающего оборудования с применением удаленной тензометрии // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 2019. № 3. С. 11-15.
2. Паспорт Программы инновационного развития ПАО «Газпром» до 2025 года. URL: https://www.gazprom.ru/f/ posts/97/653302/prir-passport-2018-2025.pdf (дата обращения 19.06.2019).
3. Программа стратегического развития ОАО «Ак «Транснефть» на период до 2020 года. URL: http://www.transneft. ru/files/2012-03/2JQvOV0j7cuBsm6.pdf (дата обращения 19.06.2019).
REFERENCES
1. Valeev A.R., Mastobaev B.N., Karimov R.M., Tashbulatov R.R. The use of remote tensometry to detect and determine the location of defects during the diagnosis of an oil pumping unit. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2019, no. 3, pp. 11-15.
2. Pasport Programmy innovatsionnogo razvitiya PAO «Gazprom» do 2025 goda (Passport of the innovative development program of PJSC Gazprom until 2025) Available at: https://www.gazprom.ru/f/posts/97/653302/prir-passport-2018-2025.pdf (accessed 19 June 2019).
3. Programma strategicheskogo razvitiya OAO «AK «Transneft» na period do 2020 goda (Strategic development program of JSC Transneft for the period until 2020) Available at: http://www.transneft.ru/files/2012-03/2JQvOV0j7cuBsm6.pdf (accessed 19 June 2019).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Валеев Анвар Рашитович, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Мастобаев Борис Николаевич, д.т.н., проф., завкафедрой транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Каримов Ринат Маратович, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Ташбулатов Радмир Расулевич, ст. преподаватель кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Харрасов Булат Гамилевич, техник кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Anvar R. Valeev, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Boris N. Mastobaev, Dr. Sci (Tech.), Prof., Head of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Rinat M. Karimov, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Radmir R. Tashbulatov, Senior Lecturer of the Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University. Bulat G. Kharrasov, Technician of the Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University.
