CC BY
36УДК 621.311
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РЕСУРСА БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НАСОСНО-КОМПРЕССОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ М. Г. Баширов, И. В. Прахов
Проведен анализ достоинств и недостатков современных методов оценки технического состояния и прогнозирования ресурса безопасной эксплуатации насоснокомпрессорного оборудования с электрическим приводом. Показана перспективность применения спектрального метода диагностики, основанного на анализе взаимосвязи параметров высших гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, с техническим состоянием и режимами работы насоснокомпрессорного оборудования.
Ключевые слова: насосно-компрессорное оборудование, электрический привод, техническое состояние, дефект, спектральный метод диагностики.
Key words: the nasosno-compressor equipment, an electric drive, a technical condition, defect, a spectral method of diagnostics.
Уровень безопасности технологических процессов промышленных предприятий во многом определяется техническим состоянием насосно-компрессорного оборудования. Отказ насосно-компрессорного оборудования может привести к созданию аварийных ситуаций, сопровождающихся значительным экономическим и экологическим ущербом. Большая часть насосно-компрессорного оборудования имеет электрический привод. Отличительной особенностью насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом является то, что их техническое состояние определяется состоянием элементов как механической части, так и электрического привода.
На рис. 1 представлены основные элементы, из которых состоит насоснокомпрессорное оборудование с электрическим приводом.
На рис. 2 представлена классификация основных повреждений насоснокомпрессорного оборудования с электрическим приводом.
Рассмотрим основные дефекты и повреждения элементов насосно-компрессорного оборудования, приводящие к отказу всего агрегата.
Кабели питания электродвигателей. Непосредственно после монтажа и в процессе эксплуатации кабельные линии подвергаются разнообразным испытаниям, с помощью которых выявляются ослабленные места или дефекты в изоляции и защитных оболочках, соединительных и концевых муфтах. В настоящее время наиболее распространенным способом получения сведений о состоянии изоляции кабельной линии является плановопрофилактическое испытание повышенным выпрямленным напряжением (в 4...6 раз превышающим номинальное), в процессе которого происходит пробой изоляции на слабых участ-
ках. Такое испытание травмирует изоляцию, и если пробой не происходит при испытаниях, то кабель часто выходит из строя через непродолжительное время эксплуатации. Объективные данные о техническом состоянии кабельной линии можно получить современными методами диагностики, не травмирующими изоляцию: измерением возвратного напряжения, тока абсорбции, регистрацией частичных разрядов, методом рефлектометрии. Такие методы, основанные на использовании информативных характеристик изоляции, не только позволяют получать информацию о состоянии изоляции кабелей, но и могут быть использованы для прогнозирования остаточного срока службы длительно эксплуатирующихся кабелей [1].
Основные элементы насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом
п
Кабельная линия Электропривод Механизм
Обмотка ротора
- Обмотка статора Магнитопровод Подшипники
- Вал ротора
- Система охлаждения
Корпус ^ .
Рис. 1. Основные элементы насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом
- Подшипники
- Уплотнения
- Бал
- Система охлаждения
- Муфта
- Корпус Рабочее колесо
Магнитопровод элементов электропривода. Основными дефектами магнитопровода являются повреждения межлистовой изоляции и ослабление прессовки магнитопровода (рис. 2). Ослабление прессовки магнитопровода приводит к его повышенной вибрации, которую можно выявить вибрационным методом. Повреждения межлистовой изоляции приводят к местным перегревам, которые выявляются тепловым методом. Тепловой контроль состояния магнитопровода может осуществляться термодатчиками, установленными в активной стали, тепловизорами или с помощью специальных термоиндикаторных покрытий. Эти покрытия наносятся на поверхность критических по перегревам элементов электропривода и при достижении предельной температуры выделяют определенные газы и аэрозоли, которые выявляются при химическом анализе охлаждающего газа. На разные элементы электропривода наносят покрытия различного химического состава, что позволяет не только зафиксировать местные перегревы, но и идентифицировать их источники. Для фиксирования перегрева отдельных элементов электропривода могут использоваться термочувствительные «этикетки», изменяющие свой цвет при превышении порогового значения температуры в месте их установки. Осмотр «этикеток» возможен только во время ревизии на остановленном оборудовании [1].
Повреждение
кабеля
электропитания
Повреждение изоляции кабеля
Повреждение кабельных муфт
Основные виды повреждений насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом
Повреждения
электропривода
Электрические
повреждения
Механические
повреждения
Повреждение межлистовой изоляции магнитопровода
Ослабление
прессовки
магнитопровода
Обрыв обмотки статора и ротора
Трещины в изоляции обмотки статора и ротора
Повреждения корпусной изоляции и витковые замыкания обмотки статора и ротора
Загрязнение, замасливание и увлажнение изоляции обмотки статора и ротора
Ослабление крепления стержней в пазу обмотки
Повреждение
механизма
Повреждение
подшипников
Нарушение
герметичности
системы
охлаждения
Повреждение
корпуса
Искривление,
изношенность,
нарушение
балансировки,
наружные и
внутренние
дефекты ротора
Повреждение подшипников Пропуск уплотнений Нарушение _ герметичности системы охлаждения
Поломка, неправильная установка, наружные и внутренние дефекты рабочего колеса Повреждения муфты Нарушение центровки _ Повреждение корпуса
Искривление, изношенность, нарушение
- балансировки, наружные и внутренние дефекты вала
статора и ротора Рис. 2. Основные виды повреждений насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом
Обмотки статора и ротора электродвигателя. Основными повреждениями обмоток статора и ротора (см. рис. 2) являются: ослабление крепления стержней в пазу; загрязнение, замасливание и увлажнение изоляции; трещины в изоляции; повреждения корпусной изоляции и витковые замыкания; обрыв обмотки. Ослабление крепления стержней в пазу вызывает истирание изоляции и стержня, контролируется визуальным осмотром при разборке во
время ремонта электропривода. Загрязнение, замасливание, увлажнение, а также трещины в изоляции вызывают снижение ее электрической прочности. Электрическая прочность изоляции обмоток статора и ротора двигателя электропривода контролируется испытанием повышенным напряжением, методом частичных разрядов, измерением сопротивлений и проводимостей диэлектриков и проводников [1]. Повреждения корпусной изоляции, витковые замыкания, обрыв обмотки приводят к повышению вибрации, увеличению температуры статора и ротора, к снижению электрической прочности изоляции. Уровень вибрации контролируется вибрационным методом. Контроль теплового состояния обмоток статора и ротора электродвигателя может осуществляться с помощью встроенных датчиков температуры, с помощью тепловизоров или путем химического анализа охлаждающего газа, в котором находятся продукты термического разложения изоляции. По концентрации продуктов разложения можно судить о степени перегрева изоляции. Контроль за местными перегревами можно проводить с помощью нанесения термоиндикаторных покрытий или термочувствительных «этикеток».
Металлические конструктивные элементы насосно-компрессорного оборудования. Для выявления дефектов типа нарушения сплошности и неоднородности металлических конструктивных элементов насосно-компрессорного оборудования используются магнитные, электрические, вихретоковые, тепловые, оптические, радиационные и акустические методы неразрушающего контроля, а также метод проникающих веществ [3]. В таблице представлены ограничения в применении этих методов.
Наиболее распространенными методами для выявления нарушений герметичности корпуса электродвигателя или насоса (компрессора), приводящих к попаданию воды или пыли на обмотку статора, в систему смазки, на подшипники и на другие элементы насосно-компрессорного оборудования, согласно [4] и таблице, являются акустический, магнитный и оптический методы.
Нарушение герметичности системы охлаждения (рис. 2), приводящее к появлению дистиллята внутри корпуса и увлажнению изоляции, контролируется методом течеискания. Метод течеискания основан на проникновении газообразных и жидких веществ через сквозные дефекты с целью установления степени герметичности изделий [4], которая определяется потоком газа, расходом или наличием истечения жидкости, падением давления за единицу времени, размером пятна и др. Закупорка каналов системы охлаждения, приводящая к местным перегревам обмотки статора, подшипников и других элементов, контролируется термодатчиками, установленными в обмотке статора, на баббитовых вкладышах подшипников, на корпусе электродвигателя или насоса (компрессора), тепловизорами, инфракрасными пирометрами или датчиками для измерения давления в системе охлаждения.
Динамические элементы насосно-компрессорного оборудования. Поломка, неправильная установка, наружные и внутренние дефекты рабочих колес (рис. 2) приводят к повышению общего уровня вибрации. Диагностику рабочих колес насосно-компрессорного оборудования в процессе эксплуатации осуществляют преимущественно методами вибродиагностики.
Для обнаружения наружных и внутренних дефектов рабочих колес типа заусенцы, не-провары, трещины применяют в основном радиационные, капиллярные и акустические методы неразрушающего контроля (см. табл.) [4].
Таблица 1
Оценка методов неразрушающего контроля для обнаружения дефектов типа нарушения сплошности и неоднородности металлических конструктивных элементов насосно-компрессорного оборудования
Метод Типы обнаруживаемых дефектов Минимальные размеры обнаруживаемых дефектов Требования к объекту контроля
Акустический Внутренние трещины, раковины, неметаллические включения, расслоения, непровары Эквивалентная площадь дефекта более 1 мм2, эквивалентная глубина дефекта более 3 % от толщины объекта контроля Очистка поверхности от грязи, отслаивающейся окалины, обработка поверхности
Радиационный Трещины, раковины, пористость, непровары, шлаковые инородные включения, расслоения Раскрытие дефекта с чувствительностью (отношение протяженности дефекта в направлении просвечивания к толщине стенки детали) 1-5 % Двухсторонний доступ, отсутствие наружных дефектов, превышающих чувствительность контроля, радиационная безопасность
Магнитный Поверхностные и подповерхностные трещины, раковины, непровары, расслоения, волосовины, включения Раскрытие дефекта на глубине до 10 мм с минимальным размером более 0,1 мм Ферромагнитные металлы, чистота обработки поверхности
Оптический Поверхностные трещины, царапины, коррозийные пятна, механические повреждения Раскрытие дефекта размером более 0,01 мм Чистота обработки поверхности
Вихретоковый Поверхностные и подповерхностные трещины, раковины, непровары, расслоения, волосовины, включения Раскрытие дефекта глубиной более 0,1 мм для обнаружения более грубого дефекта - до 8-10 мм Чистота обработки поверхности
Электрический Поверхностные трещины, раковины, непровары, включения Раскрытие дефекта глубиной трещины 0,5-100 мм и более. Чистота обработки поверхности
Тепловой Поверхностные и подповерхностные трещины, раковины, непровары, расслоения, волосовины, включения Обнаружение дефектов размером от 0,1 мм до 100 мм и более Т еплопроводные материалы
Капиллярный Поверхностные открытые трещины, поры, коррозионные поражения Раскрытие дефекта более 1 мкм, протяженность более 3-5 мм Чистота обработки поверхности
Следует отдельно сказать о широко применяемых в настоящее время методах вибродиагностики. Современная вибродиагностика включает в себя не только простое определение общего уровня механических колебаний, но и анализ спектров вибрации, формы волны колебаний, фазовых углов колебаний, спектров огибающей высокочастотной вибрации и т.д. Применение современных методов вибродиагностики позволяет получить информацию о дефектах на ранней стадии их развития. Анализ изменения во времени частотных составляющих спектра вибрации позволяет прогнозировать момент, когда неисправность достигнет критического уровня, и принять меры для предотвращения аварийной остановки насос-но-компрессоного оборудования. При установке и эксплуатации комплексных систем виб-
родиагностики предъявляются высокие требования к качеству и месту монтажа в отношении возможности влияния вибрации от другого технологического оборудования [1,4].
К основным повреждениям подшипников относится неправильная установка подшипников, поломка или трещины в корпусе подшипника или в сепараторе, изношенность подшипников, неудовлетворительная система смазки подшипников. Повреждения подшипников приводят к повышению температуры опор, повышению общего уровня вибрации, к осевому сдвигу вала. Контроль за состоянием подшипников во время работы насосно-компрессорного оборудования осуществляется вибрационными и тепловыми методами неразрушающего контроля. При тепловом методе контроля в настоящее время наиболее широкое применение нашли дистанционные инфракрасные пирометры и тепловизоры. Для определения технического состояния подшипников осуществляют непосредственный (путем установки датчиков на баббитовых вкладышах) или косвенный (измерение температуры масла на входе и выходе подшипника) тепловой контроль. Для определения осевого сдвига применяются оптические методы неразрушающего контроля. Для определения трещин в корпусе подшипника или в сепараторе при изношенности подшипника с разборкой агрегата во время ремонта используют преимущественно капиллярные и вихретоковые методы неразрушающего контроля (см. табл.) [4].
Повреждение уплотнений приводит к появлению течи и образованию облака газа или лужи жидкости перекачиваемого (сжимаемого) вещества возле насосно-компрессорного оборудования. Контроль состояния уплотнений насосно-компрессорного оборудования осуществляется либо визуально, либо с помощью газоанализаторов.
Обследование технического состояния соединительных муфт проводят при росте вибрации насосно-компрессорного оборудования из-за возникающих в муфтах дефектов или визуальном обнаружении неисправностей или их признаков. В первую очередь, при этом контролируется точность центровки соединяемых валов. Далее проверяется плотность посадки полумуфт на валы, биение полумуфт, состояние зацепления, твердость зубьев, втулок и обойм. При признаках поверхностных и подповерхностных дефектов в районе шпоночных пазов и в зубьях выполняют их дефектоскопический контроль вихретоковым, капиллярным, магнитопорошковым методами [4].
Искривление, изношенность, нарушение балансировки вала (ротора) в процессе работы насосно-компрессорного оборудования приводят к повышению температуры опор и общего уровня вибрации всего агрегата, которые контролируются методами вибродиагностики и тепловыми методами. При тепловом методе контроля применяются термодатчики, установленные на опорах, а также дистанционные инфракрасные пирометры и тепловизоры. Искривление, изношенность, шероховатость, выступы, заусенцы вала (ротора) определяют во время ремонта с разборкой агрегата магнитными, вихретоковыми, оптическими и акустическими методами неразрушающего контроля. Трещины в различных частях вала (ротора) во время ремонта с разборкой агрегата определяют акустическими методами неразрушающего контроля [4].
В последнее время интенсивно развиваются методы диагностики, основанные на анализе параметров токов, потребляемых двигателем электропривода. Физический принцип, положенный в основу метода, заключается в том, что любые возмущения в работе электрической и механической частей насосно-компрессорного оборудования приводят к изменениям магнитного потока в зазоре электрической машины и, следовательно, к модуляции тока, потребляемого электродвигателем. Таким образом, наличие в спектре тока двигателя характерных частотных составляющих свидетельствует о наличии повреждений электрической или механической части насосно-компрессорного оборудования.
В настоящее время ведутся разработки программно-аппаратных комплексов для диагностики насосно-компрессорного оборудования на основе спектрального анализа токов, потребляемых электродвигателем [2, 5, 6]. В состав программно-аппаратного комплекса входят: датчики токов и напряжений с линейными частотными характеристиками; кондиционер
сигнала (фильтр низких частот, препятствующий появлению ложных сигналов); аналого-цифровой преобразователь, персональный компьютер с необходимым программным обеспечением для сбора и обработки информации (рис. 3).
Спектральный метод диагностики позволяет обнаружить неисправности элементов как электрической, так и механической части насосно-компрессорного оборудования: повреждения в обмотках статора и ротора электродвигателя; повреждения подшипников и рабочего колеса; эксцентриситет ротора; повреждения муфты; ослабление прессовки пакета стали обмотки статора или ротора; ослабление крепления к фундаменту и др.
Важным достоинством спектрального метода диагностики является то, что он позволяет осуществлять удаленный контроль технического состояния работающего насоснокомпрессорного оборудования, при этом параметры токов электродвигателя могут быть измерены в местах подключения кабелей питания.
Рис. 3. Структурная схема программно-аппаратного комплекса для реализации спектрального метода диагностики насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом
Несмотря на перечисленные достоинства спектрального метода диагностики, для доведения его до широкого практического промышленного применения необходимо решить ряд важных задач, связанных с выделением информативных параметров из широкого спектра гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых двигателем электропривода, распознаванием технического состояния, режимов работы и характерных повреждений насосно-компрессорного оборудования по значениям параметров гармонических составляющих токов и напряжений.
Библиографический список
1. Баширов, М. Г. Диагностика электрических сетей и электрооборудования промышленных предприятий : учеб. пос. для вузов / М. Г. Баширов, В. Н. Шикунов. - Уфа : Изд-во УГНТУ, 2004. - 220 с.
2. Баширов, М. Г. Обеспечение безопасности эксплуатации насосно-компрессорного оборудования с электрическим приводом электромагнитными методами диагностики / М. Г. Баширов, Д. М. Сайфутдинов // Нефтегазовое дело : сетевой журнал. - Режим доступа: http://www.ogbus.ru, свободный. - Заглавие с экрана. - Яз. рус.
3. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. - М. : Изд-во стандартов, 1979.
4. Неразрушающий контроль и диагностика : справочник / В. В. Клюев, Ф. Р. Соснин, А. В. Ковалев и др. ; под ред. В. В. Клюева. - М. : Машиностроение, 1995. - 487 с.
5. Петухов, В. С. Диагностика состояния электродвигателей. Метод спектрального анализа потребляемого тока / В. С. Петухов, В. А. Соколов // Новости электротехники. - 2005. - № 1 (31). - С. 50-52.
6. Пономарев, В. А. Комплексный метод диагностики асинхронных электродвигателей на основе использования искусственных нейронных сетей / В. А. Пономарев, И. Ф. Суворов // Новости электротехники : сетевой жу рнал. - Режим доступа: http://www.news.elteh.ru, свободный. - Заглавие с экрана. - Яз. рус.
