Способ вибродиагностики технического состояния газоперекачивающего агрегата Российский патент 2023 года по МПК G01N19/08 

Изобретение относится к инженерным методам исследований технического состояния динамического оборудования: газоперекачивающих агрегатов (ГПА), турбоагрегатов, насосов, компрессоров, вентиляторов, трансмиссий с приводом от электрического двигателя, двигателя внутреннего сгорания и др., в частности, к области технической диагностики упругих твердых тел путем виброконтроля с целью выявления потенциально аварийно-опасных деталей.

Фактор высокого уровня напряжений деталей ГПА имеет динамическую составляющую как по параметрам линейной, так и угловой вибраций. В настоящее время большее внимание уделяется напряжениям, вызванным линейной вибрацией, которые возникают вследствие воздействия на подшипники ГПА дефектов типа дисбалансов, расцентровок и прочих нагрузок.

Стандартные методы, средства и технологии вибрационного контроля и диагностики ГПА включают измерение трендов виброскоростей абсолютной вибрации корпусов подшипников, в том числе, в вертикальном, горизонтально-поперечном и горизонтально-осевом (по отношению к оси вала) направлениях на всех корпусах подшипников, возникающей в результате воздействия изгибных и продольных колебаний роторной системы ГПА.

При этом изучение напряжений, вызванных угловой вибрацией, т.е. крутильными и крутильно-изгибными колебаниями валопровода ГПА проводится в существенно меньших объемах. Крутильные колебания валопровода машины возникают в результате переходных процессов в электрической сети (резкие скачки напряжения, короткие замыкания и др.), газопроводах (пуски газоперекачивающего агрегата, околопомпажные и помпажные пульсации природного газа и др.), а также в результате постоянно действующих возмущений (например, в двигателях внутреннего сгорания, из-за несимметрии линии электропередач в машинах с электроприводом, лопаточных и кратных им гармоник скоростей вращения центробежных нагнетателей, насосов масляной системы, дефектов зубчатых зацеплений, дефектов типа «трещина вала», дефектов типа «ослабление жесткости» или «повреждение деталей» муфтовых соединений и др.).

В практике вибродиагностики ГПА параметры крутильных колебаний валопровода, используют крайне редко.

При этом, часть наиболее опасных отказов ГПА происходит по причинам повреждения основных узлов кинематической структуры валопровода ГПА, несущих технологическую нагрузку (муфт, зубчатых передач, валов, лопаток, навесного оборудования и других). Согласно статистическому анализу производственных данных об отказах ГПА - до 41% случаев отказов /для ряда типов ГПА - до 100% случаев отказов, происходящих из-за механических причин, связанных с крутильными колебаниями. Соответственно, подобные отказы приводят к повышению эксплуатационных затрат, уменьшению наработки на отказ ГПА, простою ГПА и потерям эксплуатационной прибыли, возникновению рисков появления системных аварий.

Поэтому проблема контроля и диагностики технического состояния ГПА по параметрам крутильных колебаний валопровода является актуальной.

Известен способ измерения поперечной вибрации и угловой вибрации, способ измерения крутильной вибрации и ротодинамическая машина (Патент РФ №2539719, опубл. 27.01.2015). Способ основан на применении бесконтактного датчика приближения для обнаружения прохождения как опорной фазовой метки, так и дополнительных меток по мере их прохождения через зону обнаружения. При этом генерируется как опорный фазовый сигнал, так и опорный сигнал вибрации, и эти сигналы используют для расчета параметров поперечной и угловой (крутильной) вибрации вращающихся элементов.

Недостатком данного способа является то, что не проводят поиск месторасположения дефектов, например, расчетом собственных частот крутильных колебаний валопровода и параметров их описания (энергетических форм, спектров кинетических и потенциальных энергий).

Известно устройство и способ мониторинга крутильных колебаний вращающегося вала (варианты) (Патент РФ №2282741, опубл. 01.11.2022). Реализация способа достигается уточнением значений параметров крутильных колебаний вала, определяемых по сигналу датчика угловых маркеров вала, путем математической корректировки значений параметров крутильных колебаний вала значениями параметров сигналов дополнительных измерений, определяемых в моменты обнаружения маркеров угловых положений вала датчиком угловых маркеров вала, а именно: поперечного перемещения вала (первый вариант) и (или) вибрации датчика угловых маркеров вала (второй вариант). Технический результат заключается в повышении точности измерения параметров крутильных колебаний вала бесконтактным методом для повышения достоверности оценки напряженно-деформированного состояния вала и раннего обнаружения его дефектов.

Недостатком данного способа является то, что не раскрыта технология определения места установки датчиков на объект диагностирования для формирования рационального поля амплитудно-частотных характеристик крутильных колебаний валопровода машины и выявления потенциально аварийно-опасных деталей (определения наиболее вероятных мест возникновения дефектов).

Известен способ контроля технического состояния машины (Патент РФ №2654306, опубл. 17.05.2018), взятый нами за прототип. В соответствии с данным способом, на машине, работающей под нагрузкой, измеряют параметры собственных колебаний ее конструктивных элементов, по наличию собственных колебаний судят о появлении дефектов, измеряют параметры полигармонических колебаний конструктивных элементов ГПА, по конструктивным данным изделия и его кинематической схеме производят построение математической модели вращающегося оборудования посредством компьютерной программы, выполняют расчет собственных частот крутильных колебаний валопровода и параметров их описания (энергетических форм, спектров кинетических и потенциальных энергий), периодически сопоставляют расчетные параметры собственных частот с экспериментальной информацией (спектрами вибрации) на основе параметров полигармонических колебаний и статистики отказов, по наличию собственных частот колебаний в экспериментальных спектрах вибрации фиксируют факт появления дефектов в конструкции, по совокупности экспериментальных уровней спектральных составляющих вибрации и расчетных уровней энергоемкости деталей в энергетических формах и спектрах кинетических и потенциальных энергий машины получают результат контроля объекта как вид его технического состояния с указанием места расположения, типа и причин возникновения дефектов.

Недостатками данного способа являются:

- низкая достоверность за счет того, что свободные крутильные колебания валопровода машины (при наличии зубчатых муфт и зубчатых передач) передаются на подшипниковые опоры в низкоэнергоемком виде и поэтому вызывают незначительную линейную вибрацию опорных узлов ГПА (с малой мощностью полезного сигнала для технического диагностирования). Это существенно затрудняет анализ параметров крутильных колебаний валопровода ГПА по результатам измерения параметров линейных вибраций;

- низкая точность за счет того, что в способе измеряют амплитудно-частотные параметры полигармонических колебаний на подшипниковых опорах машины, в линейных вибрациях которых расположен маломощный полезный сигнал крутильных колебаний относительно их источников, что не является достаточным для сопоставления с параметрами собственных крутильных колебаний валопровода ГПА.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением - создание достоверного и точного способа вибродигностики технического состояния газоперекачивающего агрегата.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении достоверности и точности способа вибродигностики технического состояния газоперекачивающего агрегата.

Технический результат достигается тем, что в способе вибродиагностики технического состояния газоперекачивающего агрегата, содержащего валопровод, в котором на газоперекачивающем агрегате, работающем под нагрузкой, вначале устанавливают датчики вибрации в местах измерения параметров, затем измеряют параметры крутильных колебаний его конструктивных элементов, судят о появлении дефектов по наличию собственных колебаний, после чего строят математическую модель вращающихся элементов оборудования по конструктивным данным газоперекачивающего агрегата и его кинематической схеме посредством компьютерной программы, рассчитывают собственные частоты колебаний валопровода и параметры их описания (энергетические формы, спектры кинетических и потенциальных энергий), периодически сопоставляют рассчитанные параметры собственных частот с ранее полученными на основе параметров колебаний и статистики отказов экспериментальными данными (спектрами вибрации), фиксируют факт появления дефектов в конструкции по наличию собственных частот колебаний в экспериментальных спектрах вибрации, получают результат контроля объекта с указанием мест расположения, типа и причин возникновения дефектов по совокупности экспериментальных уровней спектральных составляющих вибрации и расчетных уровней энергоемкости элементов энергетических формах и спектрах кинетических и потенциальных энергий газоперекачивающего агрегата, измеряют параметры вынужденных крутильных колебаний, датчики вибрации устанавливают в местах измерения параметров, расположенных вблизи вращающихся деталей, расчет собственных частот выполняют для крутильных колебаний, экспериментальные данные для сопоставления с расчетными параметрами получена на основе параметров крутильных колебаний валопровода газоперекачивающего агрегата, факт появления дефектов в конструкции фиксируют по наличию расчетных собственных частот крутильных колебаний в экспериментальных спектрах угловой вибрации, результаты контроля получают дополнительно учитывая угловую вибрацию и нормативные значения, которые устанавливают опытным путем для данного типа газоперекачивающего агрегата.

Указанный технический результат достигается также тем, что расчет собственных частот крутильных колебаний валопровода и параметров их описания (энергетических форм, спектров кинетических и потенциальных энергий) выполняют на основании измерений крутильных колебаний через каждые 600 часов машинного времени при работе газоперекачивающего агрегата в режимах пуска, холостого хода и выбега в фактическом диапазоне собственных частот. В качестве компьютерной программы, с помощью которой рассчитывают собственные частоты колебаний валопровода и параметры их описания, используют программно-техническое средство повышения эффективности вибродиагностического контроля энергомеханического оборудования. В качестве датчиков измерения параметров вибрации используют индуктивные и вихретоковые датчики вибрации.

В качестве пояснения приводим следующее.

В качестве компьютерной программы, с помощью которой рассчитывают собственные частоты колебаний валопровода и параметры их описания и осуществляют построение математической модели крутильных колебаний валопровода газоперекачивающего агрегата используют программно-техническое средство повышения эффективности вибродиагностического контроля энергомеханического оборудования (Решетов А.А., Захаров Н.А. Программно-техническое средство повышения эффективности вибродиагностического контроля энергомеханического оборудования, Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ от 09.01.2014 №2014610101. - М, 2014), а в качестве датчиков измерения параметров вибрации используют индуктивные и вихревые датчики вибрации, например, датчики 21120-3847010-82 (АО «АВТОВАЗ») и D201.V.08.0.A.M.000.025.000.060.003.000.20 (ООО «ГТЛаб»), соответственно.

Способ осуществляется в несколько этапов.

На первом этапе устанавливают датчики измерения вибрации. В целях формирования рационального поля амплитудно-частотных характеристик крутильных колебаний валопровода газоперекачивающего агрегата определяют места установки индуктивных, вихретоковых или другого типа датчиков. Места установки датчиков выбирают в непосредственной близости от вращающихся частей газоперекачивающего агрегата. Оптимальное расстояние датчиков от вершин зубьев зубчатого колеса определяют опытным путем, обычно -1,5 мм, и предусматривают приспособления для их крепления на газоперекачивающий агрегат по результатам модального моделирования крутильных колебаний валопровода машины и расчета поля параметров энергетических форм и энергетических спектров собственных крутильных колебаний ее валопровода вблизи энергоемких деталей (в местах с наибольшим числом отличных от нулевого положения собственных форм крутильных колебаний).

По результатам расчета собственных крутильных колебаний валопровода ЭГПА-12500 с ГДМ в целях формирования рационального поля амплитудно-частотных характеристик крутильных колебаний определяют место установки индуктивного датчика на объект диагностирования (вблизи энергоемких деталей насосной вставки ГДМ), например, датчик может быть установлен на газоперекачивающий агрегатсо стороны привода насосной вставки ГДМ, а именно - на внутренней крышке корпуса ГДМ, на расстоянии 1,5 мм от вершин зубьев зубчатого колеса.

На втором этапе измеряют параметры вынужденных крутильных колебаний конструктивных элементов газоперекачивающего агрегата.

Записывают рабочие сигналы импульсным торсиографом, например, конструкции ООО «НИЛИМ» по стандартной методике, при работе машины в режимах пуска, холостого хода и работы под нагрузкой.

На газоперекачивающем агрегате проводят контроль параметров крутильных колебаний ее валопровода с записью рабочих сигналов импульсным торсиографом в режимах пуска, холостого хода (длительностью записи не менее 1 минуты через 10 минут от момента пуска), работы агрегата под нагрузкой (длительностью записи не менее 1 минуты) и выбега в фактическом диапазоне собственных/вынужденных частот. Измерения параметров крутильных колебаний валопровода машины повторяют через каждые 600 часов машинного времени в различных режимах (пуска, нагрузки, выбега).

На третьем этапе, вначале по результатам обработки материалов торсиографирования, определяют максимальные суммарные амплитуды угловых перемещений деталей машины. Затем рассчитывают динамические параметры по техническим данным и чертежно-конструкторской документации при помощи указанного выше программно-технического средства повышения эффективности вибродиагностического контроля энергомеханического оборудования. По рассчитанным параметрам с помощью вышеупомянутого средства создают математическую модель крутильных колебаний валопровода. При этом, с помощью данного средства, определяют рациональное поле параметров энергетических форм и энергетических спектров ГПА.

На четвертом этапе, на основе математической модели крутильных колебаний валопровода, численно определяют чувствительность собственных частот крутильных колебаний валопровода ГПА к характеристикам инерционных и упругих элементов (чувствительность параметров деталей к зарождению дефектов как энергетический рейтинг элементов валопровода) через энергетические формы колебаний. Значение каждого коэффициента чувствительности соответствует проценту изменения собственной частоты системы при изменении соответствующей характеристики элемента на 100%.

Модель крутильных колебаний валопровода ЭГПА-12500 (фиг.1)

Условные обозначения:

J_m и C_k – осевые моменты инерции сосредоточенных m-x масс (деталей) и жесткости при кручении k-x участков валов;

ГЭД – главный электрический двигатель;

ЗМ – зубчатая муфта;

МП – мультипликатор;

6 – вал-колесо z₂=88 мультипликатора;

7 – вал – шестерня z₃=51 мультипликатора;

8 – рабочее (насосное) колесо ГДМ z₁₁^л=49;

9 и 10 – цилиндрические шестерни z₄=78 и z₅=79;

11 и 12 - конические шестерни z₆=33 и z₇=33;

13, 14 и 15 - инерционные массы вала насоса;

16 – шестеренчатый насос жидкой смазки;

17 – рабочее колесо z₁₀^л=11 лопастного насоса рабочего масла

М₁- М₅, М₈, М₁₆, М₁₇ – моменты, действующие на ротор ГЭД, зубчатую муфту, рабочее (насосное) колесо ГДМ, насосы ГДМ, (моменты, возбуждающие крутильные колебания);

М_с1, М_с8, М_с16, М_с17 – моменты, демпфирующие крутильные колебания (моменты сопротивления).

Пример осуществления способа.

Необходимо выполнить контроль параметров крутильных колебаний валопровода ЭГПА-12500 с ГДМ с записью рабочих сигналов импульсным торсиографом в режимах пуска и работы ГПА под нагрузкой на трассе магистрального газопровода в фактическом диапазоне собственных/вынужденных частот.

По результатам обработки материалов торсиографирования определяют максимальные суммарные амплитуды угловых перемещений зубчатого колеса z₇=33 насосной вставки ГДМ, которые составляют: в режиме пуска агрегата A_ϕ≈ 2,02×10^-1 рад; в режиме работы агрегата A_ϕ≈5,97×10^-2 рад.

Затем выполняют спектральный анализ сигналов крутильных колебаний валопровода ЭГПА-12500 с ГДМ по компьютерной программе.

На основании анализа расчетно-экспериментальных данных по параметрам крутильных колебаний валопровода ЭГПА-12500 с ГДМ получают следующие результаты:

- режим прогрева рабочего масла Тп-30 в гидросистеме ЭГПА с ГДМ за время его работы от момента пуска в течении ~10 мин существенно повлиял на развитие крутильных колебаний валопровода агрегата, а именно амплитуда угловой скорости зубчатого колеса z₇=33 боковой гармоники ~600 Гц лопаточной частоты ~543 Гц лопастного насоса рабочего масла снизилась в 4,6 раза с ~19 рад/с при пуске агрегата до ~4,1 рад/с при работе агрегата (при этом кинематическая вязкость масла Тп-30 также снизилась в 4,3 раза с ~137 мм²/с при 20°С до ~32 мм²/с при 50°С согласно его температурно-вязкостной характеристике);

- вблизи боковой гармоники ~600 Гц лопаточной частоты ~543 Гц лопастного насоса рабочего масла выявлена одна из гармоник собственных частот крутильных колебаний валопровода ƒ₅ ≈ 600 Гц с энергоемкими деталями насосной вставки ГДМ;

- амплитуды угловой скорости зубчатого колеса z₇=33 боковых гармоник ~500 Гц и ~600 Гц лопаточной частоты ~543 Гц лопастного насоса рабочего масла превышают ее амплитуду при пуске агрегата в 20 раз (19/0,95 = 20); при работе агрегата в 2,6 раз (4,7/1,8 = 2,6), что существенно выше допустимого уровня 10% и значительно снижает ресурс деталей насосной вставки ГДМ (см., например, Русов В.А. Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам. - Пермь: ООО «ПВФ «Вибро-Центр», 2012. - 250 с);

- амплитуды боковых гармоник ~650 Гц и ~730 Гц зубцовой частоты ~691 Гц шестеренного насоса жидкой смазки превысили ее амплитуду при пуске агрегата в 1,47 раз (2,8/1,9 = 1,47) и при работе агрегата в 1,22 раз (2,8/2,3 = 1,22), что выше допустимого уровня 10% (см. там же).

По результатам контроля формулируют технический диагноз:

- в системе ЭГПА-12500 с ГДМ возбуждаются акустико-механические режимы резонансного характера из-за наличия дефектов как в конструкции насосной вставки ГДМ, так и в проточной части гидросистемы комбинированного насоса ГДМ;

- вид технического состояния объекта контроля - аварийное состояние.

На основании технического диагноза предлагают мероприятия по обеспечению надежности ЭГПА-12500 с ГДМ:

- необходимо выполнять частотную отстройку системы от возбуждения крутильных колебаний путем изменения конструктивных параметров энергоемких деталей насосной вставки ГДМ;

- следует регулировать (настраивать) обратные клапаны гидросистемы ГДМ по параметрам акустических пульсаций столба рабочего масла Тп-30 в проточной части гидросистемы насоса.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет осуществить способ вибродиагностики технического состояния ГПА с высокой точностью за счет того, что в способе учитывают параметры не только вынужденных, но и собственных крутильных колебаний валопровода. Способ является достоверным, за счет установки датчика вибрации для измерения параметров в местах, расположенных вблизи вращающихся деталей ГПА, т.е. вблизи энергоемких деталей, для формирования рационального поля амплитудно-частотных характеристик крутильных колебаний.

Использование: изобретение относится к инженерным методам исследований технического состояния динамического оборудования, такого как газоперекачивающие агрегаты (ГПА), турбоагрегаты, насосы, компрессоры, вентиляторы, трансмиссии с приводом от электрического двигателя, двигатели внутреннего сгорания, в частности к области технической диагностики упругих твердых тел путем виброконтроля с целью выявления потенциально аварийно-опасных деталей. Сущность: при реализации способа измеряют параметры вынужденных крутильных колебаний, датчики вибрации устанавливают в местах измерения параметров, расположенных вблизи вращающихся деталей. Расчет собственных частот выполняют для крутильных колебаний, экспериментальные данные для сопоставления с расчетными параметрами получены на основе параметров крутильных колебаний валопровода газоперекачивающего агрегата. Факт появления дефектов в конструкции фиксируют по наличию расчетных собственных частот крутильных колебаний в экспериментальных спектрах угловой вибрации. Результаты контроля получают дополнительно учитывая угловую вибрацию и нормативные значения, которые устанавливают опытным путем для данного типа газоперекачивающего агрегата. Технический результат: повышение достоверности и точности способа вибродиагностики технического состояния газоперекачивающего агрегата. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ вибродиагностики технического состояния газоперекачивающего агрегата, содержащего валопровод, в котором на газоперекачивающем агрегате, работающим под нагрузкой, вначале устанавливают датчики вибрации в местах измерения параметров, затем измеряют параметры крутильных колебаний его конструктивных элементов, судят о появлении дефектов по наличию собственных колебаний, после чего строят математическую модель вращающихся элементов оборудования по конструктивным данным газоперекачивающего агрегата и его кинематической схеме посредством компьютерной программы, рассчитывают собственные частоты колебаний валопровода и параметры их описания, периодически сопоставляют рассчитанные параметры собственных частот с ранее полученными на основе параметров колебаний и статистики отказов экспериментальными данными, фиксируют факт появления дефектов в конструкции по наличию собственных частот колебаний в экспериментальных спектрах вибрации, получают результат контроля объекта с указанием мест расположения, типа и причин возникновения дефектов по совокупности экспериментальных уровней спектральных составляющих вибрации и расчетных уровней энергоемкости элементов в энергетических формах и спектрах кинетических и потенциальных энергий газоперекачивающего агрегата, отличающийся тем, что измеряют параметры вынужденных крутильных колебаний, датчики вибрации устанавливают в местах измерения параметров, расположенных вблизи вращающихся деталей, расчет собственных частот выполняют для крутильных колебаний, экспериментальные данные для сопоставления с расчетными параметрами получают на основе параметров крутильных колебаний валопровода газоперекачивающего агрегата, факт появления дефектов в конструкции фиксируют по наличию расчетных собственных частот крутильных колебаний в экспериментальных спектрах угловой вибрации, результаты контроля получают дополнительно учитывая угловую вибрацию и нормативные значения, которые устанавливают опытным путем для данного типа газоперекачивающего агрегата.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расчет собственных частот крутильных колебаний валопровода и параметров их описания выполняют на основании измерений крутильных колебаний через каждые 600 часов машинного времени при работе газоперекачивающего агрегата в режимах пуска, холостого хода и выбега в фактическом диапазоне собственных частот.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве компьютерной программы, с помощью которой рассчитывают собственные частоты колебаний валопровода и параметры их описания, используют программно-техническое средство повышения эффективности вибродиагностического контроля энергомеханического оборудования.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве датчиков измерения параметров вибрации используют индуктивные и вихретоковые датчики вибрации.