СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ФУНДАМЕНТА ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАСОСНОГО АГРЕГАТА Российский патент 2013 года по МПК F04B51/00 G01M15/12 

Изобретение относится к области диагностики, обеспечению безопасности трубопроводного транспорта, а более конкретно к способам оценки технического состояния фундаментов электроприводов насосных агрегатов в составе газокомпрессорной станции на основе компьютерной вибродиагностики, и может быть использовано при эксплуатации насосных станций для своевременного предупреждения аварий насосных агрегатов при транспортировке газа, нефти и продуктов их переработки.

Известен способ определения физического состояния зданий и сооружений (патент RU №2140625, G01M 7/00, опубл. 27.10.2008 г.1999 г.), по которому измерение колебаний осуществляют трехкомпонентными вибродатчиками в частотном диапазоне 0,5-100 Гц, обеспечивающих регистрацию величин колебаний по координатам X, Y и Z одновременно. Колебания измеряют под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого постоянно находится обследуемый объект, определяют частоты и формы собственных колебаний объекта в целом, его блоков и отдельных элементов конструкции, спектры величин смешений, скоростей и ускорений точек объекта с координатами X, У, Z, декременты затухания (поглощения), передаточные функции грунт - фундамент объекта. На основании этих диагностических признаков устанавливают наличие изменений свойств подстилающего грунта и дефектов в конструкции объекта, возникающих в процессе эксплуатации, а также определяют физическое состояние объекта и оценивают безопасность дальнейшей его эксплуатации, возможность ремонта, реконструкции или необходимость сноса обследованного здания или сооружения.

Недостатком способа определения физического состояния зданий и сооружений является невозможность выявления дефектов фундаментов электроприводов насосного агрегата на основе компьютерного виброанализа в процессе эксплуатации агрегата ввиду повышенной жесткости монолитного тела фундамента и недостаточной в связи с этим амплитуды колебаний микросейсмического фона для возбуждения собственных колебаний фундамента.

Прототипом заявляемого изобретения является способ оценки технического состояния центробежного насосного агрегата по вибрации корпуса (патент RU №2068553, G01M 15/00, F04B 51/00, F04D 29/66, опубл. 27.10.1996 г.), в котором вибрацию измеряют в процессе эксплуатации насосного агрегата одновременно от совокупности входящих в него элементов, роторов насоса и двигателя, опорных подшипниковых узлов и других элементов, в том числе фундамента, на котором закреплен агрегат. Тренды строят с помощью системы компьютерного мониторинга по вибрации в отдельных частотных полосах, определяют по ним одновременно значения вибропараметров и скорость их изменения, выделяют быстрый, медленный и знакопеременный тренды. Параметры и тренды используют в качестве диагностических признаков. Предварительно обучают систему компьютерного мониторинга, вводя в нее пороговые значения и комбинации признаков, а оценку состояния агрегата и его элементов производят комплексно по табличной зависимости, сравнивая пороговые и текущие значения совокупности признаков и их комбинаций. Способ позволяет учитывать воздействие каждого элемента в совокупности с другими элементами на техническое состояние насосного агрегата.

Недостатком способа оценки технического состояния центробежного насосного агрегата по вибрации корпуса является невозможность своевременного выявления дефектов фундаментов электроприводов насосного агрегата на основе компьютерного виброанализа и предупредить аварию, вызванную повреждениями, трещинами, дефектами в теле фундамента.

Задача изобретения - оценить качество, физическое состояние фундамента и его безопасность в процессе эксплуатации насосного агрегата и предупредить аварии при транспортировке газа, нефти и продуктов их переработки, вызванные дефектами фундамента.

Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, достигается следующим образом. Как и в прототипе, в способе диагностики фундамента электропривода насосного агрегата техническое состояние фундамента оценивают по его вибрации в процессе эксплуатации насосного агрегата, измеряя на одной частоте текущие значения выбранных для диагностики вибропараметров и сравнивая их с допустимым значением колебаний.

В отличие от прототипа согласно заявленному способу вибродатчики в количестве не менее трех устанавливают вдоль оси электропривода насосного агрегата. Сначала определяют частоту первой гармоники собственных колебаний фундамента, затем на этой частоте в установленных точках измерения одновременно измеряют амплитуды горизонтальных колебаний фундамента и сравнивают их значения с допустимым значением амплитуды горизонтальных колебаний фундамента А_0доп.

В случае равенства и превышения текущего значения амплитуды горизонтальных колебаний фундамента в i точке A_0i допустимого значения А_0доп и соблюдения одновременно с условием A_0i≥А_0доп условия A_0i-1<A_0i>A_0i+1, где A_0i-1 и A_0i+1 - значения амплитуд горизонтальных колебаний фундамента в соседних i-1 и i+1 точках измерения, электропривод отключают и в зонах между i-1-той и i+1 точками измерения проверяют наличие в теле фундамента дефектов, повреждений и трещин, по которым оценивают качество, физическое состояние фундамента, безопасность его дальнейшей эксплуатации и возможность ремонта.

При соблюдения одновременно с условием A_0i≥А_0доп условия A_0i/A_0i±1>3 судят об аварийности фундамента.

Для диагностики измеряют значения амплитуд горизонтальных ускорений или скоростей и/или амплитуд горизонтальных перемещений фундамента.

Для измерения текущих значений вибропараметров и сравнения этих значений с соответствующим допустимым значением используют измерительно-вычислительный комплекс, например ИВК MIC-300, к которому подключают установленные в точках измерения вибродатчики.

В качестве вибродатчиков используют пьезоэлектрические акселерометры, или микромеханические инерциальные преобразователи, или емкостные микроэлектро-механические преобразователи.

Преобразование показаний вибродатчиков из аналоговой формы в цифровую осуществляют с помощью аналого-цифрового преобразователя с диапазоном не менее 16 двоичных разрядов.

Частота запуска регистрации вибродатчиков составляет не менее 2f₀ с временем записи измеренных значений t_изм не менее чем 1/f₀, где f₀ - частота первой гармоники собственных колебаний фундамента.

Качество бетона фундамента оценивают с помощью электронного измерителя прочности материалов ИПС - МГ4.

Передача динамической нагрузки на фундамент в процессе эксплуатации неравномерная. В момент пуска агрегата вынужденные колебания создаются на участке установки насоса. Изменение частоты вращения электродвигателя в процессе разгона от 0 до номинальной вызывает резонансные колебания в теле фундамента, и вследствие этого неизбежна работа на границе области пластических деформаций, при этом этот режим кратковременный. В эксплуатационном режиме работы агрегата включается в работу все тело фундамента, и его работа обеспечивается в области упругих деформаций в течение продолжительного времени.

В процессе исчерпания величины запаса рабочего ресурса в теле фундамента образуются трещины. Наличие трещин в теле фундамента приводит к нарушению его монолитности, способствует разуплотнению бетона под воздействием многократных циклических нагрузок и, как следствие, приводит к увеличению амплитуды горизонтальных и вертикальных колебаний фундамента. В свою очередь рабочий ресурс электродвигателя определяется временем работы подшипникового узла и определяется периодической диагностикой состояния подшипникового узла, что предусматривается регламентными работами. Достижение предельных значений ускорений в подшипниковом узле определяет исчерпание рабочего ресурса подшипникового узла электродвигателя и определяет межремонтный интервал. Снижение монолитности бетона фундамента сокращает межремонтный интервал и понижает эффективность работы насосного агрегата. Сокращение межремонтного интервала в свою очередь требует более частых пусков электродвигателя, что дополнительно ускоряет исчерпание рабочего ресурса фундамента и еще более понижает эффективность работы насосного агрегата.

Очевидно, что горизонтальные перемещения монолитного фундамента будут одинаковыми или будут незначительно отличаться с учетом погрешности измерений. Для аварийного фундамента экспериментально установлено, что A_0i/A_0i±1>3.

Можно записать условие нарушения монолитности фундамента через различие горизонтальных перемещений A_0i-1, A_0i, A_0i+1 в точках измерения i-1, i, i+1, выполненных с одинаковым шагом по горизонтальной оси фундамента: A_0i≥А_0доп, A_0i-1<A_0i>A_0i+1.

Экспериментально установлено, что выполнение этого условия однозначно позволяет обнаружить в теле фундамента дефекты, или повреждения, или трещины, по которым можно оценить качество, физическое состояние фундамента и принять решение о его дальнейшей эксплуатации и необходимости ремонта. Тем самым предупредить аварии, вызванные дефектами фундамента.

Указанная совокупность технических признаков получена впервые и в известных технических решениях не обнаружена, что подтверждает новизну изобретения. Изобретение соответствует условию изобретательского уровня, поскольку явным образом предложенное техническое решение не следует из уровня техники: в уровне техники не обнаружено способов, которые позволяют оценивать физическое состояние фундамента насосного агрегата по его монолитности и соблюдению условия A_0i-1<A_0i>A_0i+1 при A_0i≥А_0доп.

Изобретение промышленно применимо, поскольку его можно многократно использовать в процессе диагностики фундамента электропривода насосных агрегатов газокомпрессорной станции с достижением указанного технического результата.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема расположения вибродатчиков на фундаменте электропривода насосного агрегата.

На фиг.2 представлена таблица амплитуд горизонтальных ускорений (a_0i, a_0i) и перемещений (A_0i, A_0i) для двух исследованных фундаментов (Ф01-1 и Ф01-3) линейной газокомпрессорной станции п.Парабель Томской области в обозначенных на схеме точках расположения акселерометров фиг.1.

На фиг.3 представлена фотография трещины в теле аварийного фундамента Ф01-1 на боковой поверхности фундамента в точке «2» с амплитудой горизонтальных колебаний A_0i=0,0566 мм.

Способ выполняют следующим образом.

В качестве вибродатчиков применяют пьезоэлектрические акселерометры (например, типа 4382(4383) с усилителями заряда 2634 и блоком питания 2805 датской фирмы «Брюль и Къер»), микромеханические инерциальные преобразователи (например, типа ADXL 202) или емкостные микроэлектромеханические преобразователи (Ляпунов Д.Ю. Исследование микроэлектромеханических емкостных преобразователей с пленочными элементами: Автореф. дис. … канд. техн. наук. - Томск, 2010. - 24 с.) и подключают к аналоговым входам измерительно-вычислительного комплекса ИВК MIC-300, имеющего разрешение 16 двоичных разрядов. Применяют вибродатчики в количестве не менее трех, устанавливают вибродатчики вдоль оси электропривода, регистрируют одновременно показания всех вибродатчиков с частотой запуска на регистрацию f_изм не менее чем 2f₀ согласно теореме Котельникова - Шеннона (Справочник по теоретическим основам радиотехники. Под ред. Б.Х.Кривицкого. В 2-х т. Т.2, М., «Энергия», 1977.- С.33) с временем записи зарегистрированных значений t_изм не менее чем 1/f₀ для достоверного определения частоты f₀ собственных колебаний фундамента.

Колебания фундамента создают функционированием электропривода насосного агрегата в номинальном режиме работы. Работы по диагностике проводятся на работающем насосном агрегате газокомпрессорной станции.

Для этого измеренный массив ускорений разлагается в ряд Фурье и выделяется первая гармоническая составляющая f₀. На основе информации о собственной частоте колебаний фундамента должны быть удалены с помощью цифровой фильтрации нижних частот из анализируемого массива колебания с частотами выше f₀. Далее из преобразованных массивов определяются амплитудные значения ускорений, на основе которых рассчитываются амплитудные значения перемещений (Марк Серридж, Торбен Р. Лихт. Справочник по пьезоэлектрическим акселерометрам и предусилителям. К.Ларсен и сын. Глюструн. Дания, 1987, 186 с , с.92) - определяют A_0i - амплитуду горизонтальных колебаний фундамента для i точки регистрации на частоте f₀ первой гармоники колебаний фундамента.

Сравнивают значения A_0i с допустимыми значениями амплитуды горизонтальных колебаний фундамента, в случае выявления превышения в i точке измерения допустимого значения А_0доп амплитудой первой гармоники колебаний фундамента A_0i≥А_0доп и при отсутствии превышения амплитуд горизонтальных колебаний в соседних точках регистрации i-1 и i+1: A_0i-1<A_0i>A_0i+1, проверяют на интервалах между i-1 и i+1 точками регистрации наличие дефектов или повреждений, трещин в теле фундамента, для чего снимают декоративно-защитный слой железобетонного тела фундамента в указанных зонах и выявляют наличие дефектов или повреждений и величину раскрытия трещин.

Проверяют и оценивают качество бетона фундамента прибором определения прочности бетона ИПС-МГ4. Взятие пробы прочности бетона конструкций осуществляют со всех сторон фундамента не менее чем в трех точках, затем принимают среднее арифметическое значение и оценивают соответствие измеренных и проектных значений.

Определяют физическое состояние фундамента и оценивают безопасность его дальнейшей эксплуатации и возможность ремонта фундамента.

Предложенный способ был испытан на линейной ГКС п.Парабель Томской области. На фиг.1 представлена схема расположения акселерометров на фундаментах электроприводов насосных агрегатов №1 и №3, Ф01-1 и Ф01-3 соответственно. Как видно из таблицы (фиг.2), амплитуда горизонтальных колебаний тела фундамента Ф01-1 изменяется в пределах 0,008…0,0566 мм по всем точкам измерений. В точке «1» (точка измерения i-1) амплитуда A_0i-1=0,015 мм, в точке «2» (точка измерения i) амплитуда A_0i=0,0566 мм и в точке «3» (точка измерения i+1) амплитуда A_0i+1=0,0166 мм. Соотношение амплитудных значений перемещений для точек «1» и «2» составляет 0,0566/0,015=3,77. Соотношение амплитудных значений перемещений для точек «2» и «3» оставляет 0,0566/0,0166=3,4. Согласно таблице 2 СНиП 2.02.05-87 «Фундаменты машин с динамическими нагрузками» нормированию подлежит предельно допустимая амплитуда горизонтальных колебаний фундамента, которая составляет 0,05 мм (А_0доп). В точке «2» фундамента Ф01-1 амплитуда горизонтальных колебаний перемещений составила 0,0566 мм, что превышает допустимое значение. Условие A_0i-1<A_0i>A_0i+1 выполняется. Удаление декоративно-защитного слоя фундамента в указанной зоне (на боковой поверхности фундамента соответствующей точке «2» фундамента Ф01-1) позволило выявить наличие трещины с шириной раскрытия более 0.3 мм, что подтверждает возможность применения предложенного способа. На фиг.3 представлена фотография визуально видимой трещины в теле аварийного фундамента, выявленной согласно предложенному способу.

Способ диагностики фундамента электропривода насосного агрегата относится к области компьютерной вибродиагностики и может быть использован для оценки качества и технического состояния фундамента электроприводов при эксплуатации насосных агрегатов газокомпрессорной станции. Задача способа - обеспечить безопасность и своевременно предупредить аварии при транспортировке нефти, газа и продуктов их переработки, вызванные дефектами фундамента. Для оценки технического состояния фундамента вдоль оси электропривода насосного агрегата устанавливают вибродатчики в количестве не менее трех. Сначала определяют частоту первой гармоники собственных колебаний фундамента. На этой частоте в установленных точках измерения одновременно измеряют амплитуды горизонтальных колебаний фундамента и сравнивают их значения с допустимым значением амплитуды горизонтальных колебаний фундамента А_0доп. В случае превышения текущего значения амплитуды горизонтальных колебаний фундамента в i-той точке допустимого значения А_0доп и соблюдения одновременно с этим условия A_0i-1<A_0i>A_0i+1, где A_0i-1 и A_0i+1 - значения амплитуд горизонтальных колебаний фундамента в соседних i-1 и i+1 точках измерения, электропривод отключают. В зонах между i-той и i-l точками измерения, а также между i-той и i+1 точками измерения проверяют наличие в теле фундамента дефектов, повреждений и трещин и оценивают качество, физическое состояние фундамента, безопасность его дальнейшей эксплуатации, возможность ремонта. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ диагностики фундамента электропривода насосного агрегата, согласно которому техническое состояние фундамента оценивают по его вибрации в процессе эксплуатации насосного агрегата, измеряя на одной частоте текущие значения выбранных для диагностики вибропараметров и сравнивая их с допустимым значением колебаний, отличающийся тем, что вибродатчики в количестве не менее трех устанавливают вдоль оси электропривода насосного агрегата и сначала определяют частоту первой гармоники собственных колебаний фундамента, затем на этой частоте в установленных точках измерения одновременно измеряют амплитуды горизонтальных колебаний фундамента и сравнивают их значения с допустимым значением амплитуды горизонтальных колебаний фундамента А_0доп в случае равенства и превышения текущего значения амплитуды горизонтальных колебаний фундамента в i-точке A_0i допустимого значения А_0доп и соблюдения одновременно с условием A_0i≥А_0доп условия A_0i-1<A_0i>A_0i+1, где A_0i-1 и A_0i+1 - значения амплитуд горизонтальных колебаний фундамента в соседних i-1 и i+1 точках измерения, электропривод отключают и в зонах между i-1 и i+1 точками измерения проверяют наличие в теле фундамента дефектов, повреждений и трещин, по которым оценивают качество, физическое состояние фундамента, безопасность его дальнейшей эксплуатации и возможность ремонта.

2. Способ диагностики по п.1, отличающийся тем, что при соблюдении одновременно с условием A_0i≥А_0доп условия A_0i/A_0i±1>3 судят об аварийности фундамента.

3. Способ диагностики по п.1, отличающийся тем, что для диагностики измеряют значения амплитуд горизонтальных ускорений или скоростей и/или амплитуд горизонтальных перемещений фундамента.

4. Способ диагностики по п.1, отличающийся тем, что для измерения текущих значений вибропараметров и сравнения этих значений с соответствующим допустимым значением используют измерительно-вычислительный комплекс, например ИВК MIC-300, к которому подключают установленные в точках измерения вибродатчики.

5. Способ диагностики по п.1, отличающийся тем, что в качестве вибродатчиков используют пьезоэлектрические акселерометры, или микромеханические инерциальные преобразователи, или емкостные микроэлектромеханические преобразователи.

6. Способ диагностики по п.4 или 5, отличающийся тем, что преобразование показаний вибродатчиков из аналоговой формы в цифровую осуществляют с помощью аналого-цифрового преобразователя с диапазоном не менее 16 двоичных разрядов.

7. Способ диагностики по п.1, отличающийся тем, что частота запуска регистрации вибродатчиков составляет не менее 2f₀ с временем записи измереннных значений t_изм не менее, чем 1/f₀, где f₀ - частота первой гармоники собственных колебаний фундамента.

8. Способ диагностики по п.1, отличающийся тем, что качество бетона фундамента оценивают с помощью электронного измерителя прочности материалов ИПС-МГ4.