Основы технической диагностики нефтегазового оборудования

П р и м е ч а н и е . Класс I — машина с мощностью привода до 15 кВт. Класс II — машина с мощностью привода 15...875 кВт без специального фундамента или до 300 кВт на специальном фундаменте. Класс III — большая машина с вращающимся ротором, смонтированная на мощном фундаменте, который обладает жесткостью в направлении измерения вибраций. Класс IV — большая машина с вращающимся ро­ тором, смонтированная на фундаменте, который обладает малой жесткостью в на­ правлении измерения вибраций. Упругое основание — собственная частота машины+опоры меньше частоты вращения. Жесткое основание — собственная частота машины+опоры больше частоты вращения.

Рассмотрим простейшие вибродиагностические признаки неко­ торых дефектов роторных машин. Дисбаланс проявляет себя в виде большой амплитуды на оборотной частоте вращения (1х). Амплитуда дисбаланса резко возрастает с увеличением скорости вращения, со­ ответственно увеличивается и частота вибрации.

Дефекты фундамента обнаруживаются за счет разницы величины вибросигнала в разных направлениях. Поскольку машина вследствие установки на фундаменте более податлива в горизонтальном направ­ лении, вибрация в горизонтальном направлении превышает вибрацию в вертикальном. При снижении жесткости фундамента за счет возник­ новения дефектов амплитуда оборотной частоты ротора увеличивает­ ся. Но в отличие от «чистого дисбаланса» рост амплитуды оборотной гармоники происходит только в одном из направлений, а именно в на­ правлении максимального снижения жесткости фундамента.

Соответственно погрешности монтажа соединяемых с ротором валов выявляются следующим образом. Наличие угловой погрешно­ сти приводит к увеличению амплитуды на оборотной частоте враще­ ния. Радиальная погрешность повышает вибрацию на двойной час-

ники генерируют импульсы соответствующей частоты, совокупность которых образует сигнал колебаний. К основным дефектам изго­ товления относятся овальность и волнистость дорожек качения, огранность тел качения и дисперсия их размеров, неравномерный радиальный зазор между кольцами и телом качения. Ось вала в под­ шипнике с зазором блуждает (совершает прецессию), при этом про­ исходит столкновение с телом качения, являющееся причиной им­ пульсных колебаний.

Подшипники качения устанавливаются обычно с гарантирован­ ным радиальным зазором. При этом радиальная жесткость подшип­ ника периодически изменяется из-за того, что внутреннее кольцо опирается поочередно на четное и нечетное число тел качения. Пе­ риодические составляющие радиальной жесткости могут достигнуть 25 % от среднего значения.

Частота периодической составляющей изменения жесткости рав­ на z f c , где z — число тел качения; / с — частота вращения сепарато­ ра относительно неподвижного наружного кольца:

/с = / B( l - |c o s P ) l/2 ,

где / в — частота вращения внутреннего кольца подшипника (вала), Гц, / в = п/60; п — число оборотов вала, об/мин; d — диаметр тел ка­ чения, мм; D — диаметр окружности, проходящей через центры тел качения (средний диаметр сепаратора подшипника), мм; Р — угол контакта тел качения в подшипнике.

Эта же частота и ее кратные гармоники будут соответствовать на­ личию единичного дефекта на наружном кольце подшипника при перекатывании по нему тел качения:

Аналогично при перекатывании тел качения по внутренему коль­ цу частота, соответствующая повреждению внутреннего кольца:

Частота, соответствующая повреждению тел качения при их вра­ щении, определяется по формуле

Наибольшее применение в настоящее время нашли следующие четыре метода виброакустической диагностики подшипников каче­ ния: по общему уровню (OL) вибрационного сигнала (по амплитуде виброперемещения или виброскорости); по спектральному анализу вибросигнала (автоспектру — AS); по методу ударных импульсов (SPM); по спектральному анализу огибающей высокочастотной виб­ рации (ES). В современных программах автоматической диагностики подшипников для повышения достоверности постановки диагноза, как правило, используется комбинация методов OL, AS и ES.

Диагностика по общему уровню вибросигнала (OL) является наименее информативной, осуществляется в низкочастотной облас­ ти и позволяет выявить только сильно развитые дефекты в предаварийном состоянии подшипника. Несмотря на недостатки, метод изза своей простоты продолжает использоваться в системах защитного мониторинга.

Анализ автоспектра (AS) вибросигнала позволяет выявить нали­ чие и интенсивность пиков на характеристических частотах подшип­ ников и таким образом идентифицировать дефект и определить сте­ пень его развития. Как отмечалось выше, для каждого подшипника помимо частоты вращения имеется четыре характеристические час­ тоты — наружного кольца, внутреннего кольца, тела качения и сепа­ ратора. При анализе дефектов подшипника необходимо проводить исследование спектра на наличие и интенсивность пиков на характе­ ристических частотах подшипников и их гармониках. Эти пики яв­ ляются безусловным признаком дефекта. Вместе с тем автоспектр сложно поддается расшифровке и анализу из-за наличия большого числа источников вибрации, не имеющих отношения к подшипнику качения; наличие механических резонансов требует значительного времени для усреднения результатов и др.

Как уже отмечалось, даже идеальные подшипники качения явля­ ются виброактивными из-за параметрических и кинематических воздействий. Они возбуждают так называемую фоновую высокочас­ тотную вибрацию, мощность которой постоянна во времени. При появлении дефектов, например внешнего кольца, появляются спек­ тральные амплитуды (ударные импульсы) на участках, кратных час­ тоте возбуждения. Эти ударные импульсы накладываются на фоно­ вую вибрацию в виде пиков, затухающих во времени. При хорошем техническом состоянии подшипников пики превышают уровень фона незначительно. Сам уровень фона также невысок. Отношение пикового и среднеквадратического значений общего уровня фона, которое называется пик-фактором, является диагностическим при­ знаком, а метод, основанный на измерении пик-фактора на частоте 31,5...32,5 кГц, называется методом ударных импульсов (SPM). Принцип действия ударных импульсов поясняется на рис. 2.6, где представлены временные высокочастотные сигналы вибрации ис­ правного подшипника качения и подшипника с раковиной на по­ верхности качения [15]. Сигнал при наличии дефекта приобретает модулированную форму.

а

Рис. 2.6. Высокочастотная вибрация исправного (а) и дефектного (б) подшипников качения

С ростом дефекта ударные импульсы возрастают, величина пикфактора возрастает максимально и достигает значения десяти и бо­ лее. Далее пиковое значение импульса растет незначительно, но при расширении зоны распространения дефекта растет уровень фоновой вибрации. В предаварийном состоянии уровень фоновой вибрации становится соизмерим с уровнем пиков, так как вся фоновая вибра­ ция при развитом и распространенном дефекте состоит из системы пиков. Величина пик-фактора при этом снижается.

Достоинствами метода SPM являются высокая чувствительность к зарождающимся дефектам, быстродействие и простота измерений. Вместе с тем метод не позволяет идентифицировать вид зарождаю­ щегося дефекта. Приборы, в которых реализован метод SPM, явля­ ются по существу контрольными приборами со светофорной сигна­ лизацией: при исправном подшипнике и величине пик-фактора от 3 до 5 высвечивается зеленая зона, при зарождающемся дефекте и пик-факторе свыше 5 до 15 — желтая зона и при развитом дефекте с пик-фактором свыше 15 до 25 — красная зона. Кроме того, метод SPM перестает работать при наличии цепочки развитых дефектов, не чувствителен к дефектам сборки и не может быть использован для низкооборотных машин.

Наиболее информативным является метод ES, где вся информа­ ция о техническом состоянии подшипника содержится в огибающей высокочастотного сигнала. Частота модуляции высокочастотного сигнала определяет вид дефекта, а глубина модуляции — степень его развития. Помимо частоты модуляции, являющейся основным при-

жесткости зубьев по длине зацепления и из-за пересопряжения заце­ пления с нечетного на четное число пар зубьев (в прямозубых пере­ дачах с однопарного на двухпарное зацепление). Периодическое из­ менение жесткости зубьев возбуждает колебания на зубцовой частоте и ее гармониках:

/ = ifz = ifiZi = ifiZ2,

где / — порядковый номер гармоники; f z — зубцовая частота, Гц; f\ и / 2 — частота вращения соответственно ведущего и ведомого зуб­ чатых колес, Гц; Z\ и г2 — число зубьев ведущего и ведомого зубчатых колес.

На величину вибропараметров на зубцовой частоте и ее гармони­ ках влияют как погрешности изготовления (неравномерность боко­ вого зазора, непостоянство толщин зубьев и др.), так и степень изно­ са профиля зубьев при эксплуатации, наличие усталостного выкра­ шивания рабочих поверхностей и т.д., приводящих к изменению условий нагружения по линии зацепления. Кроме того, при выходе зубьев из зацепления возможно возникновение отрывных динамичет ских колебаний, что приводит к появлению спектральных состав­ ляющих в широком частотном диапазоне, в том числе в диапазоне частот колебаний роторов, корпусов подшипников, зубчатых колес и других элементов машин.

Таким образом, даже идеальная (без дефектов) зубчатая передача обладает высокой виброактивностью, спектр которой занимает ши­ рокую полосу частот и имеет сложный характер. Вместе с тем основ­ ные составляющие вибрации зубчатых передач, позволяющие осуще­ ствлять их практическую диагностику, укладываются в три гармони­ ческих ряда с частотами, кратными зубцовой частоте //z, а также частоте вращения ведущего ifx и ведомого //2 валов передачи.

Причинами возникновения вибрации в промысловых и магист­ ральных трубопроводах, в отличие от роторных машин, является пульсация давления перекачиваемой технологической среды. Часто­ та собственных колебаний трубопроводов определяется целым ря­ дом факторов: геометрией трубопроводов (наличием вертикальных, наклонных и горизонтальных участков), диаметром и толщиной стенки трубы, расстоянием между опорами и способом закрепления (защемления) трубопровода на опорах, наличием сосредоточенных масс на различных участках трубопровода (затворов, клинкетов и т.п.). В настоящее время разработаны мощные вычислительные про­ граммные средства, позволяющие рассчитывать/^, с учетом всех воз­ можных влияющих факторов. С течением времени величина Д, мо­ жет меняться из-за различных причин: отложения парафинов из нефти, скопления газового конденсата на низких участках газопро­ водов, износа трубопроводов, сезонных колебаний грунтов, просад­ ки опор и др.

Для предупреждения преждевременного разрушения трубопрово­ дов необходимо в самом первом приближении соблюдать условие,

ции характеризуются высокими частотами, малыми амплитудами и значительными ускорениями;

•трение в кинематических парах. Вибрации имеют место в ши­ роком диапазоне частот, имеют малую амплитуду, создавая фоновый шум акустического сигнала от соударения деталей;

•гидроакустические колебания технологической среды (транс­ портируемого газа, жидкости);

•колебания связанных с машиной элементов технологической системы (трубопроводов и др.).

Выбор диагностических параметров вибрации зависит от типов исследуемых механизмов, амплитудного и частотного диапазонов из­ меряемых на них колебаний.

В зависимости от частоты вибрацию разделяют на низко-, сред­ не-, высокочастотную и ультразвуковую. Основной особенностью низкочастотной вибрации (обычно с частотой не более 300...500 Гц) является то, что под действием вынужденной силы машина или ее элементы колеблются как единое целое. Низкочастотная вибрация отличается большой мощностью и содержит преимущественно гар­ монические составляющие на частотах, кратных частоте вынуждаю­ щей силы. Диагностическими являются среднеквадратические зна­ чения параметров вибрации этих составляющих.

Параметры вибрации на средних частотах (в диапазоне от 300...500 Гц до 3...5 кГц) редко используются в качестве диагностиче­ ских. Это связано с тем, что данной области соответствует большое число собственных форм колебаний как агрегата в целом, так и его отдельных узлов и элементов, что весьма усложняет выделение по­ лезной диагностической информации.

Сложность машин и оборудования как колебательных систем еще более затрудняет использование параметров вибрации в области высо­ ких частот. Вместе с тем высокочастотная область позволяет контро­ лировать состояние конкретного узла при установке датчиков, регист­ рирующих сигнал непосредственно на узле. Это обусловлено быстрым затуханием колебаний при увеличении их частоты. Поэтому высоко­ частотные колебания распространяются на небольшие расстояния и могут быть зарегистрированы только при расположении датчиков в непосредственной близости от источника колебаний.

Основные методы, применяемые при обработке вибрационных сигналов, можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся так называемые метрические методы, основанные на измерении тех или иных параметров вибрации и сравнении их с эта­ лонными или предельными значениями, характерными для исправ­ ного или предельно допустимого состояния. В зависимости от спек­ трального состава, распределения уровней вибрации во всем диапа­ зоне частот и во времени, а также от нормирования допустимого уровня измеряют амплитудные, средние или среднеквадратические значения. Основным преимуществом измерения среднеквадратиче­ ских значений является независимость этих значений от сдвигов фаз между отдельными составляющими спектров измеряемой вибрации.