CC BY
18
УДК 621.22
КОНТРОЛЬ СТАДИИНО/1 ДЕГРАДАЦИИ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ иЕНТРОЕЕЖНЫ X Н4СЭСН Ы X АГРЕ " АТОЗ В ЭКСПЛУАТАЦИИ
Е. В. Тарасов. 3. Н. Костюков.
ООО «ЧПЦ «Дтпшкп», л Омск. Россия
Анноташш - Эксплуатация центробежных насосных агрегатов на предприятиях нефтепереработки пол контролем систем мониторинга технического состояния п автоматической диагностики показала наличие процесса деградации узлов и легален проявляющегося в скачкообразном изменении вибрации агрегата. Разработаны диагностические признаки, позволяющие при работе центробежного насосного а1р?1Н1И ьы>.ь.1Н1ь на начальном л«ше прицепы сьиимном лшрндации и де1н.1ен, и при ллльней-
шей эксплуатации насоса контролировать развитие деградации, обеспечивать своевременное предупре-жденп« персонала по неотложным действиям, направленным на предотвращение аварийных ситуаций на предприятиях нефтепереработки.
Ключешеслова: авария, деградация, износ, насосный агрегат, стадии.
1. введение
Основным рабочим звеном технологической цепочки нефтеперерабатывающего предприятия является центробежный насосный агрегат. Количество центробежных насосных агрегатов на нефтеперерабатывающем предприятии варьируется от тысяч до десятков тысяч единил. На игфтеперерабатыэаюппгх предприятиях цел тробелные насосные агрегаты перекачивают большое количество разнообразных продуктов: нефть, бензин, дизель, мазут, гудрон, масло, вода и другие различные продукты нефтепереработки [1]. Из этого перечня видно, что перекачиваемые жидкости являются взрывопожэроогсеными. При возникновении аварийной ситуации они способны не только причинить вред экологии, загрязнять окружающую среду, но и привести к возгоранию, взрыву с возможными человеческими жертвами, нанести экономический ущерб предприятию [2].
В связи с этим актуальным является вопрэс обеспечения безаварийной эксплуатации агрегатов путем кон-фо.1л изменении хелническши состояния в режиме реального времени. О^ним ш основных покупателей технн-
ческого состояния центробежного насосного агрегата в эксплуатации является вибрация По мере работы цен-тробежногс насосного агрегата происходит взнос, старение, деградация деталей н узлов, увеличение зазоров, ослабление креплении и в результате уровень вибрации агрегата растет [3]. Оснащение центробежных насосных агрегатов на технологических установках неотеперерабатываюших производств стационарными системами мони-оринг.- техчиче-кого состояния и автоматической диагностики обеслеливает псстоянныи контроль ча работой оборудования н изменением его технического состояния б автонаппеском режиме. Контролируемый системой мониторинга набор диагностических параметров: вибрации. температура. ток. дазленне и др. ь автоматическом режиме позволяет отслеживать развитие неисправностей центрсбежных насосных агрегатов. Системы мониторинга обеспечивают своевременное предупреждение персонала о необходимости принятия мер пг проведение» технического обслуживания и планированию ремонтных рябст гто агрегатам г техническим состоянием «Требует принятия мер» и выводу га эксплуатации центробежных насосных агрегатов с техническим сосиянием «Недопус 1 ими»; [4].
П Постановка задачи
Опыт многолетнего использования стационарных систем мониторинга е автоматической диагностики КОМПАКС1 для контроля за работой центробежных насосных агрегатов на предприятиях нефтепереработки псказал. что на ряде агрегатов процесс деградации, особенно период разрушения, отличается от классической теории износа (рис. 3). При работе центробежного насосного агрегата наблюдаются периоды критически быстрого износа деталей - происходит скачкообразное изменение амплитуд вибропараметров, после которого процесс деградации деталей опять возвращается к равномерному износу н отказ агрегат; не происходит Данное явление при работе центробежного насосного агрегата проявляется неоднократно. При этом персонал на уста-невках не обращает внимания на выбросы вибрации, пока сне не превышают пороги диагностических параметров вибрации «Треб^-ет принятии мер» либо «Недопустимо».
Необходимо обеспечить ебкаружение процессов усталостной деградации деталей и углов цеятробежнк-х насосных агрегатов на ранней стадии развития, контроль технического состояния по изменению ьнбрсцин и своевременное иред^иреллгнас персонала о наличии проблем в рабогакмцем оборудовании
Ш. Теория
Клзсснческаа теория: износа деталей [5] при жизненном цикле изделия предстаЕлена в виде кривой (рис. 1):
- участок ОА на кривой износа - прнрасотка При приработке на начальном этап: работы центробежного насосного агрегата происходит притирка новых деталей н узлов друг другу, и данный процесс характеризуется псвышенной скоростью износа деталей и узлов. По мере приработки контактных поверхностей детален :ко-рсстк износа снижается процесс лриработки свершается Изменение вибрации центробежного насоса я процессе приработки представлено па участке 3. рис. 2;
- участок АВ на кривой нзнсса - период работы центрсбежного насосного агрегата с постоянной скоростью деградации. Данный период характеризуется равномерным износом, старением деталей и узлов, постепенным накоплением дислскапий з материале деталей (участки I е 4 на рис рис 2):
участок ВС па кривой пзпоса разрушение. Работа центробежного нассспого агрегата сопровождается высокой скорлчъю дарадации узлов и дехален Идет процесс сбразивднля и развития выраженных дефектув в деталях, приводящий к поломкам и отказам агрегатов. Как видно на участке 2 рис. 2. наолюдается оыстрын реет вибрации, сопровождающий отаа; агрегата
Работа деталей в центробежных насосных агрегатах связана с циклическим изменением приложенных к ним нагрузок, что. в свою очередь, прнзодит к циклическому изменению их напряженно-деформированного состояния [б]. Процесс развития трещины в материале, выход ее на поверхность детали отслаивание частиц с поверхности грешш кэтеикя б металле происходит стадийно [7]. По мере работы агрегата прэнсходит накопление дислокаций в материале, их рост, объединение. что приводит к зарождению, последующему развитию н росту трещин с последующим их выходом на поверхность деталей в местах коетагга с отслаиванием и выкрашиванием металла. Выход трешины на поверхность детали приведет :< скачкообразному росту виЗраини центробежного насосного агрегата, а после приработки и закатш краев образовавшейся трещины происходит снижение уровня вибрации (ри:. 3).
IV. Резул>таты экспериментов
В услов:1ях нефтеперерабатывающего пэопзоодства па базе системы КОМПЛКС* проведены экспернмеп тальные исследования по изучению скачкообразного изменения вибрации при работе центробежных нгсосных агрегатов. На рис. 3 представлен гренд I изменения вибрации при работе электродвигателя ЗА02-450ЬВ-2 в течение 86 часов.
Более суток внбросостояине электродвигателя было практически неизменным, уровень внброускорения находился в районе 2.3 мс\ Б 25:50:0С система мониторинга зафиксировала резкий рост, скачок виброускоре-ння до 3.9 м/с", последующий его спад до первоначального уровня и далее по мере работы агрегата установлен факт появления еще 45 выбрссов различного уровня (рнс. 3 позиции 1-46). На представленном тренде наблюдается общая тенденция роста уровпя выбрссов при работе агрегата. Выбросы 39 13 превысили порог «Требует принятия мер», а выброс позиции 46 превысил порог «Недопустимо», и пер:онат остановил агрегаг для проведения ремонтных работ по электродвигателю. На представленном к рассмотрению случае только за 5 часов до остановки агрегата, при появлении 39 выброса персонал получил первое предупреждение о несбходнмостн принятая мер для обеспечения безаварийной эксплуатации агрегата. Выбросы вибрации с 1 по 38 не достигли порогов, и деградация двигателя в течение 55 ча:ов была бесконтрольна. В то же время наличие выбросов вибрации при работе агрегата показывает, что в деталях и узлах агрегата идут процессы быстрой деградации с большими скоростями износа, что может в любую минуту привести к отказу оборудования.
Для своевременного выявлешхя скачкообразного изменешш уроопя гибредип по мере гамерешхя параметров вибрации выполняем расчет скользящего среднего уровня вибрации и относительного него выставляем порог (рнс. 3 тренд И) по превышению которого рост вибрации считаем скачкообразным и обращаем внимание персонала на наличие и работающем лборудотпнии скачкообразной деградации учлои и деталей По мере появления выбросов вибрации выполняем их фиксирование, начиная с ранних стадий развития дефектов, и проводим
по ним построение трендов выбросов (рис. 3. тренд П). При этом технологическому персоналу визуализируется тренд выбросов, таким образом, визуализируется процесс деградации в деталях н узлах агрегата и обеспечивается раннее предупреждение персснала о наличии стадийной деградации центробежного насосного агрегата [8].
зп.пп 28.00
о ^
с' <
ГС
г
н
с; с
о о о о о о о о о с о о о о о о о
о о о о о о о о о с о о о о о о о
о о о о о о о о о с: о о о о о о о
о о о о о о о о о С о о о о о о о
о <г> сч со ^ о о с>1 со о со СЧ со о ¿>
см со со 1Г ю СО оо о> О)
Время
Рис. 3. Тренд вибрации электродвигателя ВА02-450ЬВ-2 центробежного насосного агрегата
Установив начальный уровень повреждения деталей центробежного насосного агрегата по уровню амплитуды первого выброса ВЕбрадни (Рис. 3, тренд I. позиция 1) далее выполняем сравнение степени деградации агрегата при его дальнейшей эксплуатации, для этого при появлении новых выбросов вибрации, определяем ошишеиие адшлыуды последующих выбросив вибрадии к. амплшуде первох с выброса вибрации
Вп = Ап/А^ (1)
где. А] - амплитуда первого выброса вибрации. Аг - амплитуда последующих зыбросов вибрации.
Выполняем построение трендов относительной амплитуды выбросов вибрации Вп (рис. 4. позиции 1—45).
Для относительной амплитуды выбросов вибрации Вг. устанавливаем порэгоЕые значения «Требует принятия мер» (ТПМ) на 25% и «Недопустимо» (НДП) на 50% превышения амплитуды первого выброса вибоацнн [9]
К рассматриваемом случае при появлении пятого выброса (риг 3 тренд Т поаици* .тгносите.льная амплитуда выбросов вибрации превышает порог «Требует принятия мер» (рис. 4. позиция 5) и технологический персонал установки, более чем за 56 часов до вызодз из эксплуатации центробежного насосного агрегата получает информацию о том. что степень деградации деталей в агрегате выросла более чем на 25% относительно уста новленного начального уровня повреждения деталей и необходимо провести планирование ремонтных работ и усилить Еонтроль за работой данного агрегата. При продолжении эксплуатации при появлении седьмого выброса. относительная амплитуда выбросов вибрации превышает порог «Недопустимо» (рис. 4. позиция 7). то есть степень повреждения детх-ей машины увеличилась более чем на 5С% относительно установленного начального уровня повреждения деталей машин. Таким обрззом. персонал получил информацию о необходимости остансва центробежного насосного агрегата за 51 час до остановки агрегата согласно принятым на настсящсс время нормам [4].
8.00 7.50 7.00 6.50 6.00 5.50 5.00 5 4.50 < 4.00
и
£ 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
24:00:00 36:00:00 48:00:00 60:00:00 72:00:00 34:00:00 96:00:00
Время
Рнс. 4. Тренл относительней амплитуды выбросов вибрации
2 3 6 9 К)
ч Норог ТПМ
14 18 19 20 22 24 26 27 30 32
84:00:00 96:00:00
4.00 3.75 3.50 3.25 3.00 2.75 2.50
1 2.25
<
с 2.00
и
5 175
1.50 1.25 1.00 0.75 0.50 0.25 0.00
24:00:00 36:00:00 48:00:00
60:00:00 72:00:00 Время
Рис. 5. Тренд относительного приращения амплитуд выбросов вибрации
Фиксируя каждый зыброс вибрации, провсднм оперативнее сравнение степени повреждения деталей и узлов центробежного насосного агрегата от стадии к стадии на интервале между двумя соседними выбросами вибрации.
Оцениваем относительные приращения амплитуд последующих выбросов вибрации к амплитуде предыдущего выброса
С„ - К/К-х- (2)
где. Ап — амплитуда последующих выбросов внбрацнн. An-¡ - амплитуда предыдущего выброса вибрацЕН.
Тренд относительного приращения амплитуды выбросов вибрации С„ (рнс. 5. позиции 1-46) показывает степень повреждения деталей и узлов от стадии к стадии [9].
Установив пороговые значения «Требует принятия мер» на превышение текущих значений соответствующих трендов относительного приращения амплитуд выбросов вибрации на величину 25% н «Недопустимо* дл* эксплуатации на величину 50%. выполняем отслеживание степени опасности повреждения деталей и узлоз относительно предыдущей стадии повреждения.
При появлении пятого выброса вибрации (рис. 3. тренд I. позиция 5). относительное приращение амплитуды выбросов вибрации (рис. 5. позиция 5) превысило порог «Требует принятия мер», таким образом, более чем. за 2 суток до остановки центробежного насосного агрегага. согласно принятым на настоящее время нормам, персонал проинформирован системой мониторинга о неооходимостн планирования ремонтных раоот н усиления контроля за работой насосного агрегата, а за 51 час до вывода агрегата из эксплуатации при появлении седьмого выброса вибрации (рнс. 3, тренд I позиция 7) параметр относительного приращения амплитуд Быоросов вибрации (рис. 5Т позиция 7) превысил порог «Недопустимо» для эксплуатации и персонал получил информацию oí системы минишриша о шм. чш степень иоврежденю; детален н узлов увеличилась более чем на 50% относительно предыдущего уровня повреждения деталей зафиксированного при предыдущем 6 выбросе вибрации (рнс. 3. тренд L позиция 6, и необходимо провести мероприятия по выводу из эксплуатации центробежного насосного агрегата.
V. Обсуждение результатов
Применение новых диагностических признаков относительной амплитуды (В») и относительного приращения амплитуд (С„) [9] совместно со стандартными диагностическими параметрами вибрации [4] позволяет повысить безопасность эксплуатации центробежных чагссньгс агрегатов
Полученные экспериментальные результаты показали, что первые предупреждения об усилении контроля за работой агрегата и планировании ремонта, по новым диагностическим признакам, были получены более чем за двэс суток до вывода агрегата и эксплуатации по параметрам внбрацнн.
Данный подход к мониторингу технического состояния центробежных насосных агрегатоз позволяет контролировать деградацию деталей и узлов, начиная с ранних стадий разЕитш.
'Экспериментальные результаты по диагностическому признаку относительной амплитуды выбросов виора-цин Вп (рнс. 4. позиция 1^46) нокззалн. что на начальном этапе деградации с i по 15 выброс (Рис.З, тренд I) на интервале времени 42 часа деградация узлов н деталей относительно начального уровня составила 2.1 (рис. 4. позиции 1-15). После 21 Еыброса (рис. 4. позиция 21) скорость деградации узлов возросла, начался интенсивный износ дс1ален. На ишерьале времени 16 часов ишосихе.Аьнал амплитуда выбросов вибрация с 21 ио 40 выброс (рис. 4. позиции 21-46: выросла с 3.36 до 7 36 относительно начального уровня деградации.
Экспериментальные результаты по диагностическому признаку относительные приращения амплитуд вибрации Сп (рнс. 5, позиции 1-46) показали, что по мере работы агрегата деградация узлев и деталей от выброса к выбросу меняется, при этом наблюдается общая тенденция к ухудшению состояния. На временном интервале 62 часа относительное приращение амплитуд достигло 3.26 (Рис. 5Т позиция 46).
VI. Вьшодыи ЗАКЛЮЧЕНИИ
1. Предложенная методика позволяет своевременно и последовательно отслеживать деградацию узлов и деталей центробежного насосного агрегата, визуализировать процесс деградации деталей, отслеживать рост дефектов. стадии деградации и степень их опасности на протяжении всего периода эксплуатации агрегата. В отличие от действующего в настоящий момент стандартного подхода по контролю параметров внбрацнн. приме нение новой методики позволяет применять корректирующие меры, лока степень деградации деталей не достигла критического уровня, и объем ремонтно-восстановнгельных работ будет минимально необходимым.
2. Использование относительной амплитуды выбросов вибрации позволяет выполнять долговременную диагностику деградации деталей центробежного нзсосного агрегата с момента появления гериого иьтброга
3. Использование относительного приращения амплитуд выбросов вибрации позволяет обеспечить оперативною диагностику повреждения, отслеживать деградацию детален н узлов центробежного насосного агрегата от стадии к стадии, ее рост и опасность на интервале между двумя соседними выбросами вибрации.
Список ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ломакин А. А. Центробежные н осевые насосы. М : Машиностроение. 1966. 260 с.
2. Костюков Б. Н. Мониторинг безопасности производства / Б. Н. Костюков. М_: Машиностроение. 2002. 224 с.
3. Костюков В. Н.г Науменко А. П. Основы внброaiyстическсн диагностики и мониторинга машин. 2-е изд., с уточи Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2014.378 с.
4. ГОСТ 32106-2013. Контроль состояния и диагностика машин. Мониторинг состояния оборудования опасных производств. Вибрация центробежных насосных и компрессорных агрегатов. Введен 14—11—01. М: ФГУП Стандартннформ, 2014. & с.
5. Решетов Д. Н. Детали машин:: учео. для студентов машиностроительных и механических специальностей вузов.Ml: Машиностроение. 1989. 496 с.
6. Бнргер И. А.. Шорр Б. Ф.. Иоснлевич Г. Б. Расчет на прочность детален машин: справочник. М.: Машиностроение. 1993. 640 с.
7. Владимиров И. В. Физическая природа разрушения металлов. М: Металлургия. 1984 2&0 с.
8. Костюков В. Н., Тарасов Е. Б. Мониторинг усталостного разрушения подшипников И Сборник научных трудов по проблемам двнгателестроення. посвящ. 175-летню МГТУ ем. Н.Э. Баумана. М 2005. С. 36-39.
9. Пат. 2540195 Российская Федерация. Способ диагностики повреждения детален машин : Костюков В. Н., Тарасов Е. В.. Костюков Ал. В.. Бонченко С. Н.; опубл. 10.02.15, Бнш № 4.
