CC BY
22
УДК 622.692.4.053 https://doi.org/10.24411/0131-4270-2019-10302
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ПОЛОЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ УДАЛЕННОЙ ТЕНЗОМЕТРИИ
DEVELOPMENT OF A METHOD FOR DETERMINING THE GEOMETRICAL POSITION OF DEFECTS OF THE PUMPING EQUIPMENT USING REMOTE STRAIN GAUGE ANALYSIS
А.Р. Валеев, Б.Н. Мастобаев, Р.М. Каримов, Р.Р. Ташбулатов
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
Резюме: Работа посвящена определению геометрического положения дефектов перекачивающего оборудования с применением удаленной тензометрии. Применяемые на данный момент методы диагностики предлагается дополнить информацией о местоположении дефекта, что позволит повысить достоверность определения технического состояния оборудования. Предложена математическая модель колебания оборудования, позволяющая связать местоположение источника возбуждения и реакции на опорах. Разработаны экспериментальная установка, специальное программное обеспечение, экспериментальный стенд. Проведены экспериментальные исследования по определению одиночных дефектов. Анализы проведенных экспериментов показали достоверность разработанного метода. Данный метод можно использовать для различного нефте- и газоперекачивающего оборудования.
Ключевые слова: диагностика, техническое состояние, тензометрия, нефтеперекачивающий агрегат.
Для цитирования: 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.
DOI: 10.24411/0131-4270-2019-10302
Благодарность: Исследование выполнено при поддержке гранта Республики Башкортостан молодым ученым «Разработка технологии объективного распознавания и идентификации дефектов промышленного оборудования на основе удаленного тензометрического анализа».
Anvar R. Valeev, Boris N. Mastobaev, Rinat M. Karimov, Radmir R. Tashbulatov
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
Abstract: The research is devoted to determining the geometric position of defects in pumping equipment using remote strain gaugeanalysis. It is proposed to supplement the diagnostic methods currently used with information about the location of the defect, which improves the reliability of determining the technical condition of equipment. A mathematical model of the oscillation of the equipment is proposed, which allows connecting the location of the excitation source and the reaction on the supports. An experimental prototype, special software, an experimental stand have been developed. Experimental studies were carried out to determine single defects. Analysis of the experiments showed the reliability of the developed method. This method can be used for various oil and gas pumping equipment.
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. DEVELOPMENT OF A METHOD FOR DETERMINING THE GEOMETRICAL POSITION OF DEFECTS OF THE PUMPING EQUIPMENT USING REMOTE STRAIN GAUGE ANALYSIS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2019, no. 3, pp. 11-15.
DOI: 10.24411/0131-4270-2019-10302
Acknowledgments: The reported study was funded by grant of the Republic of Bashkortostan to young scientists «Development of technology for objective recognition and identification of defects of industrial equipment on the basis of remote strain analysis».
В настоящее время для поддержания эффективной эксплуатации перекачивающего оборудования на объектах транспорта и хранения нефти и газа используется техническая диагностика [1]. Исходная информация для оценки технического состояния нефтегазоперекачивающего оборудования во время его работы на данный момент ограничена следующим:
- информация об общих параметрах работы оборудования (параметрическая диагностика);
- вибрация оборудования в определенных точках;
- состояние масла;
- электрические параметры электродвигателя. Параметрическая диагностика, анализ состояния масла
и контроль электрических параметров электродвигателя дают только общую информацию о работе оборудования, и возможность данных методов сильно ограничена [2].
На данный момент наиболее используема вибрационная диагностика в разрезе получения наибольшей информации о техническом состоянии оборудования. Однако на данный момент развитие этого метода происходит за
счет совершенствования способов анализа сигнала. Используется как общий контроль уровня вибрации, анализ спектра вибрации, анализ трендов, метод ударных импульсов, применение оконных функций анализа сигнала, вейвлет-анализ [3].
Исходной информацией для вибрационной диагностики является уровень вибрации на поверхности корпуса оборудования в определенных точках. Это создает следующие недостатки, искажающие сигнал:
- датчик вибрации измеряет уровень вибрации не в самом источнике колебаний, а на некотором удалении от него;
- по мере достижения сигнала от источника вибрации к точке установления датчика происходит его искажение - как затухание, так и дополнительная модуляция за счет сторонних шумов, резонансов и т.п.;
- вибрационная диагностика отличается значительным уровнем шумов;
- на вибрацию в заданных точках влияет жесткость.
Данные недостатки приводят к тому, что уровень вибрации только косвенно отражает состояние дефектов, а следовательно, и технического состояния оборудования. Для современной вибрационной диагностики необходимы опытные данные о взаимосвязи вибрационных параметров с состоянием дефектов. Более того, для разного оборудования необходимы свои дефектные карты для определения дефектов. Таким образом, вибрационная диагностика является строго эмпирическим методом. Современные методы обработки сигналов хоть и расширяют возможности вибрационной диагностики, но требуют дополнительных опыт-ныех данных, что усложняет их применение.
На основании вышесказанного можно заключить, что применяемые на данный момент методы оценки технического состояния оборудования не универсальны и имеют недостатки. Для качественного совершенствования технической диагностики нефтегазоперекачивающего оборудования необходима разработка новых подходов, использующих исходную информацию другой физической природы.
В соответствии с этим была разработана концепция методики диагностирования технического состояния перекачивающего оборудования, позволяющей определить геометрическое местоположение источников возбуждения.
Согласно концепции, на опоры или раму агрегата устанавливаются тензодатчики, что позволяет определять динамические реакции в режиме реального времени. Принимается, что оборудование изготавливается из сталей, следовательно, динамическая сила от колеблющихся дефектов и деталей полностью и без потерь передается на опоры оборудования и тензодатчики. Таким образом, исходные данные для диагностирования являются предельно точными. Далее происходит анализ сил реакции на опорах, что позволяет получить спектр динамических сил и спектр фаз изменения реакций. На основе разработанной пространственной математической модели можно получить
Рис. 1. Расчетная схема для определения динамики оборудования на опорах при наличии вертикальной возбуждающей силы
точное положение источников колебания, иначе говоря, определить координаты дефекта в пространстве, расположение как в горизонтальной плоскости (в двух горизонтальных координатах), так и по вертикали. Информация о расположении дефекта, его частоте и интенсивности колебания позволит максимально полно и точно идентифицировать дефект и определить степень его опасности.
В соответствии с этим разработана плоская модель колебаний нефтегазоперекачивающего оборудования при наличии вертикальной и горизонтальной возбуждающих сил с учетом использования данных тензометрии (рис. 1).
Анализ динамики оборудования проводился на основе уравнений Лагранжа второго рода:
_С_ С
'дТ "
дЦ:
дГ_
дЦ]
(1)
Получены следующие уравнения установившегося колебания оборудования
т
Уа-в + у в-а -в + ¡Ув - у а -1
-а + -в
-а + -в
-а + -в -а + -в
= ДАа(0 +
-а + -в
Fy (О +
Н
-а + -в
Fx (0;
(2)
т
Уа-в + у в-а -а + ¡Ув - у а_1
-а + -в
= АИв (0 +
-а + -в
-а + -в -а + -в
-а + -в
F (0 -
Н
-а + -в
Fx (0,
(3)
где т - масса оборудования; I - момент инерции оборудования в плоскости рисунка.
Принимаем, что колебания оборудования установившиеся и описываются гармоническим законом. Следовательно, динамические реакции можно описать следующим образом:
АПа(0 = Па [ ■ cos(юt) + а2 ■ sin(юt)];
(4)
ДЯВ(0 = Яв [ • ^(юО + Ь2 • sin(юt)], (5)
где Я. и Яв - соответственно амплитуда реакции в опоре А и В.
При совместном анализе уравнений (2) - (5) получены следующие коэффициенты:
а =■
^НкА ( (-а + -в) + -атю2)
кАкВ (-А + -В ) "
-(I (кА + кв ) + (кА-А2 + кв-в2 )т)ю2 + т1 ю4
ЯА
(8)
ал =
ГукА (/ ( - -А - Ц)/-. + -в) + (/ + -А /-А - -1)т)ю2); кАкВ (-А + -в )2 -
I (кА + кв) + (кА-А2 + кв-в2) т) ю2 + т/ю4
Ь =
(
(
Яа
\
Fykt =
Ь2 =■
^Нкв (кл (-л + -в)- -вт®2)
(6)
кАкВ (-А + -В ) -
I (кА + кв ) + ^кА-А2 + кв-в2 )т)ю2 + т/ю4
(9)
Яв
я кАкВ (-А + -В )2 -
В (I (кА + кв) + (кА-А2 + кв-в2) т) ю2 + т/ю4
(7)
где ка и кь - соответственно жесткость опоры А и В.
Примем, что оборудование закреплено жестко, тогда жесткость опор во много раз больше соответственных значений, связанных с инерцией оборудования, иначе говоря, массой и моментом инерции, то есть М^-0 и ^0. После преобразований получаем выражение для определения координаты точки приложения возбуждающей силы (расстояние от опоры А ):
1. Экспериментальный прототип для измерения тензометрического сигнала, сбора данных и передачи их на компьютер
-хА = -
Яв ^(фв )
Я А ^(фл - фF) + Я в ^(фв - фF)
(10)
где фА - фаза колебаний реакции опоры А; фв - фаза колебаний реакции опоры В; фF - фаза колебаний суммы реакций.
Для определения высоты источника возбуждения необходимо перейти от плоской к трехмерной модели колебаний. Полагаем, что возбуждающая сила являются цикличной в некоторой вертикальной плоскости. При рассмотрении двух плоских моделей вдоль двух горизонтальных осей получаем высоту источника возбуждения:
Н =
^П(фхв )ЯхВ-х)2 +^П(ф7в )Ягв-г)
F
(11;
Рис. 2. Интерфейс разработанной компьютерной программы для сбора и анализа данных
где F - амплитуда силы источника возбуждения.
Таким образом, на основании уравнений (10) и (11) можно получить геометрическое положение дефекта оборудования.
Проведены экспериментальные исследования по апробации методики определения геометрического местоположения дефектов. С этой целью разрабатывались экспериментальная установка, программное обеспечение и экспериментальный стенд.
Экспериментальная установка (фото1) устроена следующим образом. Резистивные тензодатчики в режиме реального времени улавливают минимальные изменения реакций опор. Аналоговый сигнал с тензодатчиков усиливается в соответствующих инструментальных усилителях ^А125 с различным коэффициентом усиления, преобразуется в цифровой сигнал и подается в микроконтроллер Teensy со встроенным 12-битным АЦП для сбора данных. В микроконтроллере данные с тензодатчиков с заданной частотой записываются со всех датчиков. 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. На компьютере в специально разработанной компьютерной программе происходит анализ данных.
Интерфейс разработанной программы представлен на рис. 2.
Код программы условно состоит из следующих частей.
1. Блок приема данных с компьютера. Блок принимает информацию по USB-кабелю с дополнительной информацией о частоте измерений сигнала с каждого из тензодатчиков.
2. Блок первичной обработки данных. Производится преобразование Фурье сигнала с каждого из тензодатчиков, а также сочетаний пар опор вдоль каждой стороны стенда, и суммарного сигнала со всех датчиков. Производится преобразование сигнала в спектр с определением амплитуды сигнала по каждой частоте и фазы колебаний.
3. Блок вычисления координат источников возбуждения. Производится согласно разработанной математической модели. В рамках этого блока происходит вычисление динамических реакций на каждой из опор, определение горизонтальных координат дефекта. Далее с использованием данных по отставанию фаз колебаний между опорами определяется вертикальная координата источника колебаний.
4. Модуль однократных измерений. Производится однократное измерение спектров колебаний с вычислением
координат источников колебаний или несколько последовательных измерений спектров.
5. Блок фильтрации источников колебаний. Для этого исходя из нескольких последовательных измерений спектров определяется относительная погрешность вычисления каждой из координат пространства источников возбуждения, а также его интенсивность. Далее определяется точность определения каждой из полученных величин и оставляются для дальнейшего анализа только данные, обладающие высокой точностью. Более подробно о фильтрации источников колебании будет рассказано далее.
6. Блок распознавания дефектов. В тех случаях, когда на нескольких соседних полосах частот идентифицируются одинаковые дефекты, они объединяются в один источник колебаний.
7. Блок двухмерной и трехмерной визуализации расположения дефектов, а также построения графиков спектров колебаний.
8. Блок сохранения результатов расчетов в excel, а также графиков.
Таким образом, разработанная программа позволяет получить перечень дефектов с информацией об их интенсивности, частоте и расположении.
Также был разработан экспериментальный стенд (см. рис. 3, фото 2), моделирующий дефекты дисбаланса в разных точках.
Определялись характеристики дефектов экспериментального стенда с помощью предлагаемой методики.
Таблица 1
К определению достоверности гипотезы о сходимости результатов определения местоположения дефектов геометрическим путем и помощью разработанных математической модели, электронной установки и программного обеспечения
Номер источника
Источник № 1
Геометрические значения Расчетные значения
Координата среднее значение, см абсолютная погрешность, см относительная погрешность, % среднее значение, см относительная погрешность, % t-критерий
Z 13,5 0,5 3,7 13,9 2,55 0,653
51,5
0,5
1,0
50,65
3,72
0,435
X
Y 8 0,5 6,3 7,7 5,6 0,452
Z 5 0,5 10,0 5,3 16,3 0,301
Источник № 2 X 45 0,5 1,1 46,7 8,1 0,446
Y 8 0,5 6,3 6,14 35,9 0,823
Z 13,5 0,5 3,7 13,9 3,3 0,590
Источник № 3 X 36 0,5 1,4 37,7 8,1 0,549
Y 10 0,5 5,0 11,2 23,9 0,441
Z 13,5 0,5 3,7 13,3 2,7 0,325
Источник № 4 X 20 0,5 2,5 21,2 6,72 0,795
Y 8 0,5 6,3 12,2 32,4 1,054
Z 13,5 0,5 3,7 13,1 3,4 0,598
Источник № 5 X 5 0,5 10,0 5,7 21,2 0,535
Y 8 0,5 6,3 7,15 16,2 0,673
| Рис. 3. Чертеж разработанного экспериментального стенда | 2. Общий вид разработанного экспериментального стенда
Рис. 4. Спектр суммарной вертикальной динамической силы источника возбуждения № 1
Рис. 5. Трехмерная визуализация расположения источника возбуждения № 1
