CC BY
0
УДК 621.644
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2024-1-2-27-31
ОТСТРОЙКА ОТ РЕЗОНАНСА ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПОДПОРНЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ ЗА СЧЕТ УВЕЛИЧЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ НЕСУЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ
DETUNING FROM RESONANCE OF VERTICAL BOOSTER PUMPING UNITS DUE TO INCREASING THE STIFFNESS OF THE SUPPORTING STRUCTURE
Токарев А.П., Усманова А.М., Годовский Д.А., Валеев А.Р.
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450064, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8684-2011, E-mail: art-tokarev@yandex.ru ORCID: https://orcid.org/0009-0009-3715-9043, E-mail: maratovna.1997@bk.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2554-5069, E-mail: diingo1@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7197-605X, E-mail: anv-v@yandex.ru
Резюме: В работе рассмотрены причины вибрации и способы ее снижения для вертикальных подпорных насосных агрегатов. На основе экспериментальных данных и математического моделирования установлено, что оборотная частота модернизированного насосного агрегата НПВ 3600-90-М в рассматриваемом случае находится в резонансе с собственной частотой системы «двигатель - опорная конструкция», представляющей собой надземную часть рассматриваемого оборудования. При этом учитывалось, что оборотная частота модернизированного подпорного вертикального насоса отличается от оборотной частоты «классического» варианта. С учетом допустимых пределов отношения собственной и вынуждающей частот определены возможные способы отстройки от резонанса, возникающего в рассматриваемом насосном агрегате. В качестве способа отстройки от резонанса рассмотрено увеличение жесткости рассматриваемой системы за счет увеличения толщины стенки надземной части опорной конструкции.
Ключевые слова: вибрация, вибродиагностика, подпорный насос, вертикальный насосный агрегат, резонанс, отстройка от резонанса, виброизоляция.
Для цитирования: Токарев А.П., Усманова А.М., Годовский Д.А., Валеев А.Р. Отстройка от резонанса вертикальных подпорных насосных агрегатов за счет увеличения жесткости несущей конструкции // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2024. № 1-2. С. 27-31.
D0I:10.24412/0131-4270-2024-1-2-27-31
Введение
Вибродиагностический контроль совместно с параметрической диагностикой является основой мониторинга технического состояния центробежных насосных агрегатов и широко используется для оценки их работоспособности. В числе основных источников вибрации насосного оборудования можно выделить причины гидродинамического, механического или электромагнитного происхождения.
Снижение вибрации до допустимых значений может быть достигнуто с помощью различных средств и методов, однако каждый случай повышенной вибрации требует индивидуального анализа. При этом нужно учитывать, что
Tokarev Artem P., Usmanova Alina M., Godovskiy Dmitriy A., Valeev Anvar R.
Ufa State Petroleum Technical University, 450064, Ufa, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8684-2011, E-mail: art-tokarev@yandex.ru ORCID: https://orcid.org/0009-0009-3715-9043, E-mail: maratovna.1997@bk.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2554-5069, E-mail: diingo1@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7197-605X, E-mail: anv-v@yandex.ru
Abstract: The paper considers the causes of vibration and ways to reduce it for vertical booster pumping units. On the basis of experimental data and mathematical modeling, it has been established that the circulating frequency of the upgraded pumping unit NPV 3600-90-M in the case under consideration is in resonance with the natural frequency of the «engine - support structure» system, which is the above-ground part of the equipment under consideration. At the same time, it was taken into account that the turnover frequency of the upgraded vertical booster pump differs from the turnover frequency of the "classic" version. Taking into account unacceptable limits of ratio of natural and exciting frequencies, optimal range of natural frequency of above-ground part of pump unit is determined. As a method of detuning from resonance, an increase in the rigidity of the system under consideration due to an increase in the wall thickness of the above-ground part of the supporting structure is considered.
Keywords: Vibration, Vibration diagnostics, Booster pump, Vertical pump unit, Resonance, Resonance detuning, Vibration isolation.
For citation: Tokarev A.P., Usmanova A.M., Godovsky D.A., Valeev A.R. DETUNING FROM RESONANCE OF VERTICAL BOOSTER PUMPING UNITS DUE TO INCREASING THE STIFFNESS OF THE SUPPORTING STRUCTURE. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2024, no. 1-2, pp. 27-31
DOI:10.24412/0131-4270-2024-1-2-27-31
универсального метода гашения колебаний еще не выявлено. Малоизученным данный вопрос является для вертикальных подпорных насосных агрегатов магистральных нефтепроводов. Конструктивные особенности данного оборудования и наблюдение в ряде случаев повышенной вибрации, вызванной близостью оборотной частоты с собственными частотами насосного агрегата [1, 2], существенно осложняют решение данной задачи. Определение условий возникновения, возможности прогнозирования, а также разработка способов снижения вибрации вертикальных подпорных насосных агрегатов являются актуальной задачей трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов.
• 2024
27
Технические характеристики вертикальных подпорных модернизированных насосных агрегатов
Насосы типа НПВ-М - центробежные вертикальные двух-корпусного секционного типа с предвключенным колесом, рабочими колесами одностороннего входа и торцовым уплотнением патронного типа [3]. В работе рассматривается модернизированный вертикальный насосный агрегат НПВ 3600-90-М на нефтеперекачивающей станции N. Синхронная частота вращения ротора составляет 1000 об/мин (16,7 Гц) [4].
Типичная надземная конструкция вертикального насоса НПВ 3600-90-М с тяжелым электродвигателем на вершине и проточной частью (рис. 1) является довольно гибкой. Устройство может быть ослаблено легкой опорной конструкцией с массой меньше поддерживаемого оборудования. На практике возможны случаи совпадения или близости частот вынуждающих сил и собственных частот колебаний электродвигателя с опорной конструкцией. Длительная эксплуатация такой системы в условиях резонанса может привести к отказам насосного агрегата.
В дополнение к колебаниям, вызванным механическими и электромагнитными причинами, гидравлические возмущения также могут усиливать вибрацию. Кавитация, пульсации давления на всасывании могут усиливать вибрацию в насосе [5]. В ряде случаев повышенные колебания перекачивающих агрегатов могут быть связаны с вибрационными параметрами трубопроводов обвязки. Причем данная проблема наблюдается как на насосных [2, 6-8], так и на газоперекачивающих агрегатах [9].
вибрационного анализа на характерные собственные частоты двигатель был подвергнут испытанию на ударное воздействие. Также замеры вибрации проводились при работающем электродвигателе, так как в этом состоянии существует не только вибрация, возникающая в результате ударных нагрузок, но и вибрация, создаваемая самим электродвигателем.
Уровень вибрации на первой гармонике собственной частоты f01 = 16,18 Гц (см. табл. 1) превышает допустимую величину 4,5 мм/с (см. рис. 2). Анализируя вибрационное состояние подпорных насосов, необходимо учитывать тот факт, что частота вращения их существенно ниже, чем у основных МНА. Так, для подпорного насосного агрегата НПВ 3600-90-М характерна частота вращения ротора 1000 об/мин в режиме холостого хода и 991 об/мин (16,5 Гц) в номинальном режиме.
| Рис. 1. Конструктивная схема насосного агрегата НПВ 3600-90-
Причины повышенной вибрации насосного агрегата НПВ 3600-90-М
По результатам проводившегося на нефтеперекачивающей станции оперативного и непланового диагностического контроля на рассматриваемом в данном исследовании насосном агрегате зарегистрирована вибрация, превышающая допустимые значения (рис. 2) во время пуска и испытания как в режиме холостого хода, так и на основных режимах в рабочем интервале подач. Для анализа вибрационного состояния в ходе проведенного непланового диагностического контроля были измерены собственные частоты системы «двигатель - опорная конструкция» (табл. 1). Для получения результатов
Таблица 1
Отношение вынуждающих частот к собственным частотам колебаний электродвигателя
Собственная частота опорной конструкции, Гц Вынуждающие частоты, Гц Отношение частот Значение виброскорости, мм/с
16,18 16,5 0,98 8,1
40,72 33 1,23 3,8
Рис. 2. Критерии отказа насоса НПВ 3600-90-М [4]
Критерии отказа насоса
Температура опорно-упорного подшипника выше +93°С
СКЗ виброскорости, измеренное на корпусе опорно-упорного подшипника на номинальном режиме работы более 3,0 мм/с, на остальных интервалах в рабочем интервале подач более 4,5 мм/с
Внешняя утечка через одно торцевое уплотнение более 7,010-8 м3/с (0,25 л/ч)
В рассматриваемом случае наблюдается практически полное совпадение собственной частоты колебаний опорной конструкции и оборотной частоты ротора двигателя - их отношение составляет 0,98, то есть система «двигатель - опорная конструкция» работает в режиме резонанса, что является причиной превышения допустимого уровня колебаний электродвигателя. Частота первой гармоники, или оборотная частота (16,5 Гц), и частота второй гармоники (33 Гц) являются главными показателями вибрации системы и приводят к резонансу, вызванному совпадением собственных частот конструкции с частотами возмущающих сил (см. табл. 1).
Отстройка от резонанса с увеличением жесткости конструкции
Вопросы разработки и применения современных методов и средств виброзащиты машин и сооружений тесно связаны с проблемами обеспечения качества изготовления, надежности и безопасности эксплуатации, продления срока безаварийной эксплуатации и снижения затрат на ремонт сложного механического оборудования.
Вибрация насосных агрегатов и связанных с ними трубопроводных систем во многом определяются:
- соотношением основных гармоник возмущающего воздействия и собственного спектра частот конструкции; при совпадении составляющих спектра (вынуждающие частоты с собственными частотами) возникают резонансные колебания;
- значениями возмущающих воздействий, которые непосредственно определяют амплитуды вибрации;
- направлением действия внешних возмущающих сил и их распределением по агрегату;
- демпфирующими свойствами агрегата [8].
Выбор наиболее эффективного метода устранения вибрации можно сделать только после тщательного анализа всех этих факторов. Иначе применение метода, эффективного в одних случаях, может привести к увеличению вибраций и разрушению конструкции в других [10].
Задача снижения интенсивности вибрации машин является основной частью общей задачи защиты объектов от ударных воздействий и колебаний [11-13].
Отстройка собственных частот f0 от частот вынуждающих нагрузок /¡р является основным средством обеспечения вибропрочности конструкции. При этом должно выполняться условие [14]:
// < 0,75 и /0//р > 1,3. (1)
Поскольку изменение частоты вращения ротора для данных насосов не предусмотрено, оптимальным вариантом отстройки от резонанса может являться изменение собственной частоты опорной конструкции для оптимизации работы системы. С учетом недопустимых пределов по условию (1) диапазон собственных частот опорной конструкции относительно оборотной частоты электродвигателя fоб = 16,5 Гц должен находиться в диапазоне /0 < 12,7 Гц и /0 > 22 Гц. Для двойной оборотной частоты /2об = 33 Гц допустимый диапазон собственных частот - /0 < 25,38 Гц и /0 > 44 Гц. Оптимальный диапазон собственных частот системы «двигатель - опорная конструкция» находится, таким образом, в пределах от 22 до 25,38 Гц.
Добиться изменения собственной частоты опорной конструкции рассматриваемого насоса можно за счет увеличения жесткости конструкции. Суть метода заключается в упрочнении оборудования. Основная задача - увеличение коэффициента запаса от резонанса, который определяется отношением вынужденной частоты к собственной частоте колебаний элемента.
Данный метод может быть реализован только на стадии проектирования, так как требует реконструкции объекта. Уже на начальном этапе должны быть обеспечены такие собственные частоты системы «электродвигатель - опорная конструкция», чтобы они не входили в диапазон вынужденных частот. Увеличение жесткости сопровождается повышением собственных частот, а следовательно, и смещением резонанса в область более высоких частот.
Толщина стенки несущей конструкции составляет 15 мм. Ее масса равна тнк = 508,8 кг. Масса электродвигателя тэп = 8350 кг.
Характерные собственные частоты несущей конструкции рассматриваемого насосного агрегата при разных толщинах стенки определены модальным анализом в ПО ANSYS (рис. 3). Результаты расчета приведены в табл. 2.
Рис. 3. Модальный анализ опорной конструкции
электродвигателя насоса НПВ 3600-90-М при толщине стенки 25 мм
Н-0) 3*.И
6. мел |[Г темп«
] , 1 1 1 ь V 1 ?Т.И1 1 ы.ш л. 1«.« 1 'ШИ 6 М.З*
3 5 4 5 С
Таблица 2
Собственные частоты несущей конструкции в зависимости от толщины стенки
Толщина стенки несущей конструкции, мм Масса несущей конструкции, кг Собственная частота, Гц
15 508,8 16,64
20 675,97 18,94
25 841,9 20,55
30 1006,6 22,54
35 1170,1 24
1-2 • 2024
29
Согласно данным табл. 2 и при соблюдении условия (1) для достижения оптимальных частот первой гармоники /0 > 22 Гц и /0 < 12,7 системы «электродвигатель - опорная конструкция» требуется увеличить толщину стенки несущей конструкции до 30 мм, что позволит получить собственную частоту /0 = 22,54 Гц.
В рассматриваемом случае отстройка от резонанса приводит к увеличению собственных частот колебаний конструкции. До увеличения толщины стенки частота собственных колебаний была равна /1 = 16,18 Гц. После увеличения массы конструкции собственная частота увеличилась до /2 = 22,54 Гц, что обеспечивает соблюдение условия (1) и, следовательно, снижение амплитуды колебаний на частоте вынуждающих сил.
Выводы
На основе анализа причин вибраций вертикальных насосных агрегатов выявлено, что надземная конструкция вертикального насоса с тяжелым электродвигателем на вершине и проточной частью может быть довольно гибкой. Дополнительное ослабление придает опорная конструкция с массой намного меньше поддерживаемого оборудования. Причинами высоких показаний вибрации в рассматриваемом
случае является резонанс между вынуждающими силами и собственными частотами колебаний электродвигателя с опорной конструкцией. Электродвигатель имеет частоту вращения / =16,5 Гц, очень близкую к собственной частоте колебаний /0 = 16,18 Гц. Отстройка от возникающего резонанса возможна за счет увеличения жесткости опорной конструкции. Достичь этого можно, увеличив толщину стенки несущей конструкции в 2 раза, что позволит получить собственную частоту /0 = 22,54 Гц. Применение данного метода целесообразно применять на стадии проектирования насосной станции с учетом собственных частот как самой опорной конструкции, так и трубопроводов обвязки [6]. При этом нужно учесть, что сопутствующее увеличение массы оборудования приводит к повышению затрат на сооружение элементов, а также к трудностям при транспортировке и монтаже тяжелых объектов.
Схожий эффект в плане отстройки от резонанса может быть достигнут добавлением ребер жесткости на опорной конструкции электродвигателя насосного агрегата, однако это требует вывода насосного агрегата из эксплуатации на период проведения работ, то есть возможно лишь во время реконструкции НПС или среднего ремонта насосного агрегата.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
9.
10.
11. 12. 13.
14.
Гумеров А.Г., Гумеров Р.С., Акбердин А.М. Эксплуатация оборудования нефтеперекачивающих станций. М.: Недра-Бизнесцентр, 2001. 475 с.
Гумеров А.Г., Гумеров Р.А., Исхаков Р.Г. и др. Виброизолирующая компенсирующая система насосно-энер-гетических агрегатов. Уфа: ИПТЭР, 2008. 328 с.
Нефтяные подпорные насосы типа НПВ. Москва, Группа ГМС. URL: https://www.hms.ru/catalog/299/656 (дата обращения 18.12.2023).
ТУ 28.13.14-002-32570437-2016. Насосы нефтяные подпорные вертикальные типа НПВ и агрегаты электронасосные на их основе.
Allan R. Budris (2016) Special Vibration Considerations for Vertical Turbine Pumps. URL: https://www.waterworld. com/technologies/pumps/article/16191296/special-vibration-considerations-for-vertical-turbine-pumps. (Accessed 12 Dec 2022).
Токарев А.П., Зотов А.Н. Применение пассивных виброизоляторов с отрицательной жесткостью для магистральных насосных агрегатов // Нефтегазовое дело. 2017. Т. 15. № 1. С. 133-139.
Valeev A., Karimov R., Tokarev A. Diagnostics of industrial equipment by locating and identification of defects via remote strain gauge analysis. URL: https://doi.org/10.1109/RUSAUT0C0N.2019.8867794 (дата обращения 18.12.2023).
Самарин А.А. Вибрации трубопроводов энергетических установок и методы их устранения. М.: Энергия, 1979. 228 с.
Бураншин А.Р., Годовский Д.А., Токарев А.П. Устранение тупиковой вибрации трубопроводной обвязки компрессорного цеха в условиях эксплуатации // Изв. ТПУ. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 9. С. 164-171 Drozyner P. (2011) Determining the limits of piping vibration. Scientific problems of machines operation and maintenance. №1 (165). pp 97-103.
Никитин Н.Н. Курс теоретической механики. М.: Высшая школа, 1990. 607 с. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. Л.: Политехника, 1990. 271 с. Петухов В.С., Соколов В.А. Диагностика состояния электродвигателей на основе спектрального анализа потребляемого тока. URL: https://masters.donntu.ru/2010/etf/tsukanov/library/article_2.htm?ysclid=lqajckca27626877755 (дата обращения 18.12.2023).
ГОСТ 32388-2013. Трубопроводы технологические. Нормы и методы расчета на прочность, вибрацию и сейсмические воздействия.
REFERENCES
1. Gumerov A.G., Gumerov R.S., Akberdin A.M. Ekspluatatsiya oborudovaniya nefteperekachivayushchikh stantsiy [Operation of equipment at oil pumping stations]. Moscow, Nedra-Biznestsentr Publ., 2001. 475 p.
2. Gumerov A.G., Gumerov R.A., Iskhakov R.G. Vibroizoliruyushchaya kompensiruyushchaya sistema nasosno-energeticheskikh agregatov [Vibration-isolating compensating system of pump-energy units]. Ufa, IPTER Publ., 2008. 328 p.
3. Neftyanyye podpornyye nasosy tipa NPV. Moskva, Gruppa GMS (Oil booster pumps of the NPV type. Moscow, GMS Group) Available at: https://www.hms.ru/catalog/299/656 (accessed 18 December 2023).
4. TU 28.13.14-002-32570437-2016. Nasosy neftyanyye podpornyye vertikal'nyye tipa NPV i agregaty elektronasosnyye na ikh osnove [TU 28.13.14-002-32570437-2016. Vertical oil booster pumps of the NPV type and electric pumping units based on them].
7
3.
5. Allan R. Budris. Special vibration considerations for vertical turbine pumps Available at: https://www.waterworld. com/technologies/pumps/article/16191296/special-vibration-considerations-for-vertical-turbine-pumps (accessed 12 December 2022).
6. Tokarev A.P., Zotov A.N. Application of passive vibration isolators with negative stiffness for main pumping units. Neftegazovoye delo, 2017, vol. 15, no. 1, pp. 133-139 (In Russian).
7. Valeev A., Karimov R., Tokarev A. Diagnostics of industrial equipment by locating and identification of defects via remote strain gauge analysis Available at: https://doi.org/10.1109/RUSAUTOCON.2019.8867794 (accessed 18 December 2023).
8. Samarin A.A. Vibratsii truboprovodov energeticheskikh ustanovok i metody ikh ustraneniya [Vibrations of pipelines of power plants and methods for their elimination]. Moscow, Energiya Publ., 1979. 228 p.
9. Buranshin A.R., Godovskiy D.A., Tokarev A.P. Elimination of dead-end vibration of the compressor shop piping under operating conditions. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov, 2019, vol. 330, no. 9, pp. 164-171 (In Russian).
10. Drozyner P. Determining the limits of piping vibration. Scientific problems of machines operation and maintenance, 2011, no. 1 (165), pp 97-103.
11. Nikitin N.N. Kurs teoreticheskoy mekhaniki [Course of theoretical mechanics]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1990. 607 p.
12. Panovko YA.G. Osnovyprikladnoy teoriikolebaniyiudara [Fundamentals of applied theory of vibrations and impact]. Leningrad, Politekhnika Publ., 1990. 271 p.
13. Petukhov V.S., Sokolov V.A. Diagnostikasostoyaniyaelektrodvigateleynaosnovespektral'nogoanalizapotreblyayemogo toka (Diagnostics of the condition of electric motors based on spectral analysis of current consumption) Available at: https://masters.donntu.ru/2010/etf/tsukanov/library/article_2.htm?ysclid=lqajckca27626877755 (accessed 18 December 2023).
14. GOST 32388-2013. Truboprovody tekhnologicheskiye. Normy i metody rascheta na prochnost', vibratsiyu i seysmicheskiye vozdeystviya [State Standard 32388-2013. Processing pipes. Standards and calculation methods for the stress, vibration and seismic effects].
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Токарев Артём Павлович, к.т.н., доцент кафедры гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Усманова Алина Маратовна, магистр кафедры гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Годовский Дмитрий Александрович, к.т.н., доцент кафедры гидрогазодинамики трубопроводных систем и гидромашин, Уфимский государственный нефтяной технический университет. Валеев Анвар Рашитович, д.т.н., проф. кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Artem P. Tokarev, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Fluid dynamics of pipeline systems and hydraulic machines, Ufa State Petroleum Technological University. Alina M. Usmanova, master of the Department of Fluid dynamics of pipeline systems and hydraulic machines, Ufa State Petroleum Technological University.
Dmitriy A. Godovskiy, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Fluid dynamics of pipeline systems and hydraulic machines, Ufa State Petroleum Technological University.
Anvar R. Valeev, Dr. Sci. (Tech.), Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
1-2 •
2024
31
