CC BY
35
УДК 622.692.4.053
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2020-10101
ПРИМЕНЕНИЕ АНАЛИЗА ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПОДШИПНИКОВ ПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ_
APPLICATION OF STRAIN GAUGE SIGNAL ANALYSIS FOR DIAGNOSTICS OF BEARINGS OF PUMPING EQUIPMENT
А.Р. Валеев, А.А. Харисов, 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/0000-0001-5366-9160,
E-mail: kha9alm@gmail.com
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9568-4887,
E-mail: bkharrasov95@gmail.com
Резюме: В статье приведен анализ существующих методов диагностики подшипников нефтегазоперекачивающих агрегатов. Предложен новый метод диагностики, использующий информацию о динамических усилиях в опорах оборудования. Для реализации метода разработана электронная установка и проведены экспериментальные испытания на стенде с предварительно установленным дефектным подшипником. Результаты испытаний показали, что метод действительно позволяет определять различные дефекты оборудования.
Ключевые слова: нефтеперекачивающий агрегат, тензометрия, диагностика, подшипник, отказ.
Для цитирования: Валеев А.Р., Харисов А.А., Харрасов Б.Г. Применение анализа тензометрических сигналов для диагностики подшипников перекачивающего оборудования // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 1. С. 5-8.
D0I:10.24411/0131-4270-2020-10101
Anvar R. Valeev, Almaz A. Kharisov, 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/0000-0001-5366-9160,
E-mail: kha9alm@gmail.com
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9568-4887,
E-mail: bkharrasov95@gmail.com
Abstract: The article presents analysis of methods of diagnostics of bearings of oil and gas pumping units. A new method of diagnostics that use information about dynamic forces in equipment's support is proposed. For implementation of this method an electronic prototype was developed and experiments with installation with damaged bearings were provided. The results of experimental study show that method is applicable for diagnostics of various defects.
Keywords: pumping unit, strain gauge analysis, diagnostics, bearing, failure.
For citation: Valeev A.R., Kharisov A.A., Kharrasov B.G. APPLICATION OF STRAIN GAUGE SIGNAL ANALYSIS FOR DIAGNOSTICS OF BEARINGS OF PUMPING EQUIPMENT. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2020, no. 1, pp. 5-8.
DOI:10.24411/0131-4270-2020-10101
На сегодняшний день в России для перекачки нефти по магистральным нефтепроводам используется свыше 500 нефтеперекачивающих станций, в которых эксплуатируется более 2000 насосных агрегатов. Многие из них устарели и переживают период износа. Этот период характеризуется частыми отказами и выходом агрегатов из строя. Чтобы не допустить отказа, необходимо на ранних стадиях выявлять и предупреждать дефекты, ведущие к выходу агрегата из строя при дальнейшем развитии.
В нефтеперекачивающем агрегате одним из наиболее подверженных разрушению узлов являются подшипники. Необходимо выявлять повреждение подшипников на ранней стадии для своевременного ремонта или замены, не доводя агрегат до отказа. Для этого требуется применение методов диагностики, которые позволяют зафиксировать зарождение дефекта в реальном времени и определить, где и какой дефект может возникнуть.
Отказы насосов непосредственно по причине дефектов подшипников составляют 17% от общего числа [1], а для газоперекачивающих агрегатов - 7% [2] (табл. 1 и 2).
Для диагностики подшипников могут применяться следующие методы:
- диагностирование подшипников по уровню вибрации;
- спектральный анализ вибросигнала;
Таблица 1
Статистика отказов по насосам
Причина отказа Вероятность отказа, %
Повышение вибрации 37
Дефекты торцевых уплотнений 32
Дефекты подшипников 17
Дефекты зубчатых муфт 3
Прочие причины 11
1 Таблица 2
1 Статистика отказов по газоперекачивающим агрегатам
Причина отказа Вероятность отказа, %
Проточная часть 10
Подшипники 7
Маслосистема 18
КИПиА 41
Прочие элементы 24
1. Стенд для исследования состояния подшипников
' ■ 2. Пригруз-стенд для
исследования состояния подшипников
- ПИК-фактора;
- спектральный анализ огибающей вибросигнала;
- анализ сигнала ударных импульсов;
- анализ прямого спектра сигнала ударных импульсов;
- анализ сигнала с применением вейвлет-преобразования.
Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки.
Диагностирование подшипников по уровню вибрации является наиболее простым в плане реализации, но дает только общую информацию о состоянии оборудования. Метод спектрального анализа дает достаточно большую информацию о состоянии оборудования, но порой бывает сложно в общем спектре оборудования распознать признаки именно исследуемого подшипника и далее распознать характер дефекта. Несколько систематизировать данный подход позволяет метод ПИК-фактора. Согласно ему, анализируемой величиной является отношение пиковой амплитуды (ПИК) вибрации к среднеквадратическому значению уровня вибрации, отражающей ее энергию. Считается, что использование ПИК-фактора позволяет намного раньше обнаруживать дефект по сравнению с анализом уровня вибрации и анализом спектра.
Другой вариацией спектрального анализа является метод анализа огибающей вибросигнала. Поиск повреждений осуществляется на заранее определенных частотах возможных повреждений. Для анализа вибрационного спектра выделяются основные составляющие спектрального сигнала: оборотная частота, субгармоники, резонансные частоты, негармонические колебания, зубчатые частоты, боковые полосы, вибрации электрического происхождения, шумовые составляющие. Частотный состав спектра огибающей позволяет определить наличие дефектов, а превышение соответствующих составляющих над фоном показывает глубину каждого дефекта.
Интересным и информативным методом является анализ сигнала ударных импульсов, в основе которого лежит анализ затухающего переходного процесса каждого импульса источника вибрации. Метод основан на измерении и регистрации механических ударных волн, вызванных дефектом, и анализе затухающего колебания, определяемого датчиком. Пиковое значение амплитуды этого затухающего колебания прямо пропорционально скорости удара. Поскольку затухающий переходный процесс очень хорошо определяется и
имеет постоянную величину затухания, его можно отфильтровать от других сигналов, то есть от сигналов вибрации. Достоинством метода является высокая чувствительность, информативность и помехозащищенность.
Обобщением спектрального анализа является метод анализа с применением вейвлет-преобразования. Согласно ему, колебания представляются в виде совокупности вейвле-тов - коротких функций заданной формы, определяемых во времени и по частоте, в которых все функции получаются из одной базовой посредством ее сдвигов и растяжений по оси времени. Это делает некоторые величины исходного сигнала более поддающимися изучению и позволяет сжать исходный набор данных. Но при этом усложняется процесс преобразования.
В дополнение к существующим методам диагностирования рассматривается и исследуется метод, использующий тен-зометрический сигнал с опор оборудования. Полагаем, что дефекты оборудования создают динамическую силу, которая в свою очередь, и вызывает вибрацию и динамические реакции в опорах. Поскольку нефте- и газоперекачивающее оборудование изготовляется из стали, оно имеет высокую жесткость, следовательно, динамическая сила от колеблющихся элементов передается на опоры условно без потерь. Сигнал об усилиях в опорах, измеренный тензодатчиками,
Рис. 1. Спектр сил при установке бездефектного подшипника и частоте вращения ротора 20 Гц
х 1/200 кгс 500
400
300
200
100
Дефект механического происхождения
Дефект электрического происхождения
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
I
Рис. 2. Спектр сил при установке дефектного подшипника и частоте вращения ротора 20 Гц
Оборотная частота
Частота, Гц
х 1/200 кгс 500
400
300
200
100
0
Более высокий пик на оборотной частоте
05
I. ..1
Л.
20 40 60 80
"Ч-
100 120
140 160 180 200 Частота, Гц
0
0
0
преобразуется в частотный спектр при помощи разложения в ряд Фурье. И далее данный спектр анализируется.
Экспериментальные исследования по применимости тензо-метрической диагностики к подшипникам проведены на установке «Протон-стенд» компании «Балтех» (фото. 1). Установка представляет собой металлическую стойку, на которой установлены электродвигатель и ротор, поддерживаемый за счет двух подшипников и имеющий три диска разного диаметра, к которым можно прикреплять пригрузы (фото. 2). Электродвигатель оснащен частотно-регулируемым приводом, позволяющим изменять частоту вращения ротора от 5 до 50 Гц. Четыре резистивных тензодатчика устанавливаются под опоры стенда, с помощью которых в режиме реального времени происходит измерение изменений реакций опор. Аналоговый сигнал с датчиков усиливается в соответствующих инструментальных усилителях ^125 с различным коэффициентом усиления, преобразуется в цифровой сигнал и подается в микроконтроллер Teensy 3.2 со встроенным 12-битным АЦП для сбора данных (фото 3). Обеспечивается минимальное время замера 9 мс, что позволяет в дальнейшем анализировать частоты до 22 кГц. По мере достижения необходимого объема данных соответствующий пакет данных отправляется на компьютер, где с помощью разработанного программного обеспечения производится разложение сигнала в спектр и его визуализация.
Проведены замеры спектра сил для бездефектных и дефектных подшипников. Частоты вращения вала устанавливались равными 20, 25, 30, 35 и 40 Гц. Далее в качестве примера приведены результаты для частоты 20 Гц (рис. 1 и 2).
Из обоих спектров видно, что наблюдается аналогия с вибрационными спектрами. При этом предложенный метод заметно отличается более низким уровнем шумов.
Анализ спектров показывает, что имеется динамическая сила на оборотной и кратной ей частотам, что является типичной картиной для дефектов, связанных с подшипником [3].
| Рис. 3. Динамическая сила на оборотной частоте при частоте
вращения ротора 20 Гц
1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
/ / / / / /
/ / /
/ У
20
25
30
30 40
Частота, Гц
дефектный подшипник
---бездефектный подшипник
Также имеется повышенная сила на частотах, кратных 50 Гц. Отмечаем, что данный дефект имеется и при других частотах вращения вала, следовательно, он немеханического происхождения, а является именно дефектом частотно-регулируемого привода электродвигателя.
В рис. 3 сведены результаты измерения динамической силы на оборотной частоте при установке дефектного и бездефектного подшипника. На нем видно, что наблюдается заметное повышение значения сил при установке дефектного подшипника при всех рассмотренных частотах вращения вала.
Таким образом, заключаем, что предложенный метод по использованию анализа динамических сил и их спектров
является перспективным для диагностики различных дефектов нефтегазоперекачивающего оборудования, и в частности дефектов подшипников и дефектов электрического характера. При этом наблюдается уменьшение количества шумов и возможно применение датчиков меньшей
стоимости. В целом использование предложенного метода позволит улучшить эффективность технической диагностики, а за счет простоты и меньшей стоимости - проводить стационарную диагностику большего количества оборудования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
3.
Баженов В.В. Анализ отказов оборудования нефтеперекачивающих станций // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов, 2006. № 66. С. 281-287.
Акимов В.И., Саубанов О.М., Харисов Р.М. и др. Разработка комплексного подхода к определению технического состояния насосно-компрессорного оборудования // Трубопроводный транспорт. Теория и практика. 2018. № 5 (69). С. 18-25.
Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев Ю.А. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации: учеб. пособие. СПб.: СПбГМТУ, 2004. 156 с.
REFERENCES
1. Bazhenov V.V. Failure analysis of equipment of oil pumping stations. Problemy sbora, podgotovki i transporta nefti i nefteproduktov, 2006, no. 66, pp. 281-287 (In Russian).
2. Akimov V.l., Saubanov O.M., Kharisov R.M. Development of an integrated approach to determining the technical condition of pumping equipment. Truboprovodnyy transport. Teoriya ipraktika, 2018, no. 5 (69), pp. 18-25 (In Russian).
3. Barkov A.V., Barkova N.A., Azovtsev YU.A. Monitoring i diagnostika rotornykh mashin po vibratsii [Monitoring and diagnostics of rotary machines by vibration]. St. Petersburg, SPbGMTU Publ., 2004.156 p.
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.
Харисов Алмаз Альфисович, студент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Харрасов Булат Гамилевич, инженер 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.
Almaz A. Kharisov, Student 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, Engineer of the Department of Construction and Repair of Oil and Gas Pipelines and Gas and Oil Storage Facilities, Ufa State Petroleum Technological University.
