Система контроля и диагностики технического состояния магистральных насосных агрегатов

Система контроля и диагностики технического состояния магистральных насосных агрегатов. Практика эксплуатации магистральных на­сосных агрегатов показывает, что при отсутст­вии постоянного контроля вибросостояния насо­сов и электродвигателей до 25% МНА эксплуа­тируются в условиях повышенного уровня виб­рации, что является причиной значительной ча­сти их аварийных остановок.

В связи с этим весьма актуальной является проблема выбора системы мониторинга и диа­гностики технического состояния МНА по пара­метрам вибрации.

Техническая диагностика технологического звена "насос-электродвигатель" производится с помощью анализа спектров огибающей вибра­ции, измеренной на их опорах.

Главными объектами диагностики при этом являются подшипники насосов и электродвига­телей.

Компанией RA-Entek разработан метод диа­гностики состояния подшипниковых опор по gSE-уровню энергии ударных импульсов, осно­ванный на том, что при контакте сопряженных поверхностей, которые движутся относительно друг друга, на уровне микронеровностей контак­тирующих поверхностей возникают микроудары, которые вызывают импульсную вибрацию в высокочастотной области.

Диагностику состояния узлов агрегата по вибрации можно вы­полнять методами спектрального анализа в низкочастотной или высокочастотной областях.

При измерении высокочастотной виб­рации с помощью акселерометра возникает ряд проблем, таких как возбуждение резонансных колебаний самого акселерометра при совпадении его собственной частоты с одной из частот в высо­кочастотной области колебания узла агрегата, а также значи­тельно меньший уровень высоко­частотной вибрации по сравне­нию с уровнем низкочастотной и среднечастотной вибрации, ис­точниками которой могут быть неуравновешенность ротора, расцентровка валов, ослабление опоры агрегата или подшипнико­вого узла и другие дефекты, не связанные с техническим состоя­нием диагностируемого подшип­ника. Принцип метода измерения огибающей заключается в том, что измеренный сигнал проходит через высокочастотный фильтр, который пропускает только час­тоты, превышающие частоту ни­жнего среза фильтра. Получен­ный высокочастотный сигнал, как правило, имеет признаки мо­дуляции низкочастотным сигна­лом дефекта или частотой вра­щения ротора, а в большинстве случаев обоим одновременно.

Для того, чтобы выделить только полезную информацию сигнал, полученный после ВЧ-фильтра, возводится в квадрат, а о затем строится ESP-спектр огибающей.

Поскольку ВЧ-сигнал анализируется в диапазоне частот от 5 до 25 кГц, то спектр огибающей не несет какой-либо количест­венной информации об уровне вибрации.

Спектр огибающей несет качественную информацию, но при этом по глубине моду­ляции сигнала, выделенного после ВЧ-фильтра, можно судить о серьезности де­фекта.

Если проводить периодические ESP-измерения, то можно получать инфор­мацию о развитии дефекта во време­ни и прогнозировать время безава­рийной работы агрегата. Для получения максимальной достоверности диагностики необходимо анализировать одновременно как среднечастотные прямые спектры вибрации, так и спектры огибающей, поскольку они включают составляю­щие проявления дефекта.

При этом в их основе лежат различные физичес­кие процессы.

Высокочастотная область вибросигнала характеризуется, как правило, силами трения меж­ду микронеровностями соприкасаю­щихся поверхностей при их относи­тельном движении, а среднечастотная область отображает силовое и вибрационное взаимодействие деталей агрегата.

Как показывает практика, час­тотная область спектра огибающей находится в диапазоне 100-25000 Гц. Однако, точные грани­цы диапазона должны определяться дополни­тельными измерениями в максимально возможном диапазоне частот.

Современные фильтры огибающей являются цифровыми системами, поэтому нужно исполь­зовать спектроанализатор, который позволяет выполнять спектральный анализ вибрации в ди­апазоне частот до 25 кГц. Сборщики данных enpac-1200А и dataРАС-1500 позволяют анали­зировать спектр в этом диапазоне частот, при этом частотный диапазон епрас-1200А достига­ет 40 кГц, а частотный диапазон сборщика дан­ных dataРАС-1500 - 75.3 кГц. Принципы диагностики дефектов по прямо­му спектру и спектру огибающей значительно отличаются.

Диагностика спектров по результатам анализа прямого спектра не обеспечивает оценку с большой достоверностью степени раз­вития дефекта с первого измерения.

Как прави­ло, в этом случае определяются диагностичес­кие частоты и, соответственно, периодически выполняется изменение уровня вибрации на этих частотах, анализируется измерение уровня вибрации по времени.

Диагностика в этом случае основывается на сравнении текущих уровней вибрации с эталонными (уровнями предупреж­дения), установленными на основе статистичес­ких исследований.

Применение фильтров огибающей позволяет с большой достоверностью определять степень развития дефекта практически с первого изме­рения (при условии правильного выбора диапа­зона частот, в котором проявляются силы тре­ния и нижнего среза ВЧ-фильтра). Это обуслов­лено тем, что модуляция сигнала силами трения имеется только при наличии дефекта, поэтому о величине самого дефекта можно судить по глу­бине модуляции вибросигнала в высокочастот­ной области.

Глубину модуляции можно определить дву­мя способами: из формы высокочастотного сиг­нала, или непосредственно из спектра огибаю­щей. gSE-метод анализа вибра­ционного сигнала в высокочас­тотной области отличается от стандартного ESP-метода анализа огибающей тем, что он ис­пользует то обстоятельство, что дефект одной детали под­шипника при взаимодействии с другими его деталями будет являться причиной микроуда­ров, которые возбуждают кратковременные резонансы элементов подшипника и аксе­лерометра.

Поэтому при наличии де­фекта временной сигнал в вы­сокочастотной области будет иметь импульсный характер, причем частота прохода им­пульсов будет соответствовать частоте прохода дефекта.

Для того, чтобы выделить сигнал с частотой прохода дефекта, высокочастотный сигнал, полученный после ВЧ-фильтра, сначала анализируется во временной области по следующему алгоритму: находится последовательно каждый максимум импульса во временной форме сигнала, измеря­ется его размах (двойная амплитуда), задается время затухания импульса по экспоненциаль­ной кривой и строится пилообразная кривая в соответствии с очередностью прохода импуль­сов от дефектов. В результате этого получается временная пилообразная форма, которая отражает ударное взаимодействие трущихся поверхностей при прохождении дефекта мимо точки измерения.

Затем над этой пилообразной кривой строится спектр, который является спектром огибающей - "gSE-спектр". Величина размаха импульса во временной форме или величина амплитуды в "gSE-спектре" определяет глубину модуляции сигнала си­лами трения и микроударов. Глубина модуля­ции определяет степень разви­тия дефекта. gSE-метод является более чувствительным для выявления дефектов по сравнению со стан­дартным ESP-методом огибающей, поскольку реакция механической системы в точке измере­ния при прохождении под ней дефектной облас­ти в большинстве случаев имеет импульсный характер, а при выделении полезного сигнала из модулирован­ного высокочастотного сигнала происходит его осреднение (при возведении в квадрат), и, следо­вательно, точность оценки глубины модуляции уменьшается.

Диагностика подшипников с помощью gSE-метода огибающей обеспечивается переносными и стационарными приборами. а). Переносные приборы - виброметры и сборщики данных: - виброметр - обеспечивает оперативный контроль виброскорости в стандартном диапазоне частот 2(10) - 1000 Гц; позволяет вы­являть дефекты основных узлов агрегатов по уровню энергии ударных импульсов в диапазоне 5-20 кГц; выполняет измерения температуры и частоты вращения вала МНА; - сборщики данных епрас-1200А и dataPAC-1500 обеспечивают выполнение спектрального анализа вибрации, динамической балансировки роторов агрегатов на месте, а также возмож­ность определения технологических параметров эксплуатируемого технологического оборудова­ния. Приборы работают в комплексе с диагнос­тическим программным обеспечением EMONI-TOR Odyssey. б). Стационарные приборы - виброметр не­прерывного действия и система защиты непре­рывного действия: - виброметр непрерывного действия gSE-сигнализатор обеспечивает непрерывный кон­троль уровня вибрации и сигнализирует о повы­шении уровня вибрации с помощью блоков реле; - система защиты непрерывного действия серии ХМ™-122 обеспечивают непрерывный контроль технического состояния технологичес­кого оборудования по вибрации и технологичес­ким параметрам (температуре, давлении, расхо­ду, току, напряжению, нагрузке и т.д.); работает в комплексе с диагностическим программным обеспечением EMONITOR Odyssey.

Базовое программное обеспечение вибромониторинга и диагностики EMONITOR Odyssey обеспечивает сбор данных измерительных сис­тем, обработку и статистический анализ инфор­мации, поддерживает контроль соответствия измеренных параметров различным уровням предупреждения по вибродиагностике, обеспечивает графический интерфейс для представле­ния полученной информации на экране дисплея компьютера, позволяет пользователю генериро­вать любую форму отчетной информации по проведенным измерениям и полученным ре­зультатам диагностики с выдачей рекомендаций обслуживающему персоналу по выявленным де­фектам. Программное обеспечение также позво­ляет конфигурировать системы вибромониторинга и диагностики в локальных и глобальных вычислительных сетях.

Для обеспечения постоянного контроля тех­нологического состояния магистральных насос­ных агрегатов разработана надежная система диагностики их подшипниковых опор с исполь­зованием методов высокочастотного анализа.

Основной частью этой системы является gSE-сигнализаторы, которые обеспечивают не­прерывный контроль общего уровня высокочас­тотной вибрации (в gSE-единицах), источником которой являются импульсные периодические механические удары вызванные, например, де­фектами элементов подшипников или кавитаци­ей. Измерение вибрации выполняется акселеро­метром, который устанавливается непосредст­венно на объекте контроля (на подшипниковых опорах насосов и электродвигателей). Измеренный общий уровень gSE-виброускорения подается на выход прибора 4-20 мА. При­бор может передавать измеренную информацию на системы автоматического управления и кон­троля производственным процессом пли на внешние регистраторы.

Техническая характеристика gSE-сигнализатора Входы Адаптированы для подключения акселерометра Выходы 4-20мА (измеренный сигнал на выходе пропорционален общему уровню gSE-энергии ударных импульсов в диапазоне частот 5-65кГц Частотный диапазон анализа 5-65кГц Диапазон gSE-измерений 9 диапазонов измерения общего уровня энергии ударных импульсов (в gSE-единицах измерения), устанавливаемых с помощью перемычек: 0-5 0-7,5 0-10 0-20 0-30 0-40 0-60 0-90 0-120 Питание 18-48В постоянного тока Температура хранения, -55 +125 Температура работы, -20 +60 Влажность 0-95% (относительная влажность без конденсации) Технические характеристики сборщиков данных Прибор dataPAC-1500 епрас-1200А Динамический диапазон АЦП 18 бит, 96 дБ АЦП 20 бит,> 90 дБ Количество вибрационных каналов 1 2 Диапазон сигнала на входе ±10 В ±40 В Канал тахометра 1 Встроенный лазерный тахометр Высокочастотный фильтр на входе 3 фильтра () 8 фильтров () Дисплей ЖКД, 640x480 пикселей ЖКД, 240x160 пикселей Габаритные размеры, см 24,8x20,8x8,4 20,0x18,0x5,0 Вес, кг 2,27 0.7 Частотный диапазон, Гц 0.18-75,300 0,16-40,000 Максимальное разрешение 12,800 12,800 Диапазон «в реальном времени» 12,8 кГц 40 кГц Результаты измерений с помощью gSE-сигнализатора и систем контроля технологических параметров работы МНА будут непрерывно ото­бражаться на мониторах компьютеров операто­ра перекачивающей станции. gSE-сигнализаторы будут выявлять возник­новение дефектов в опорных узлах МНА на ста­дии их возникновения.

Для приведения экспертизы дефектов и определения их точных харак­теристик используются сборщики данных епрас-1200А или dataPAC-1600 и программное обеспечение EMONITOR Odyssey.

В результате экспериментов на подшипни­ках ряда однотипных агрегатов получены обоб­щенные зависимости между измеренными зна­чениями энергии ударных импульсов и степе­нью развития дефектов подшипников.

На базе этих экспериментов разработаны критерии, по которым можно оценить состояние подшипниковых узлов. В этих критериях диапа­зон изменения энергии импульсов разбит на зо­ны, соответствующие различным состояниям подшипников.

Предельные значения gSE для каждой зоны даны для различных режимов ра­боты агрегатов.

На рис. 7 приведены критерии оценки состояния подшипников по значениям энергии импульсов в диапазоне до 100 кГц. Достоверность выявления дефекта значи­тельно увеличивается при проведении монито­ринга технического состояния агрегата одновре­менно по нескольким параметрам, например: - вибрация в низкочастотной области; - общий уровень gSE-измерений; - температура подшипниковых узлов; - параметры характеризующие режим экс­плуатации (расход, давление и др.). 5. Пример оснащения системой непрерывного контроля и диагностики технического состояния насосных агрегатов типа НМ В состав агрегатной подсистемы входят: агрегат (насос типа НМ с электроприводом), первичные преобразователи (датчики вибрации, тока, температуры, давления и т.п.), фазоотметчик, согласующие усилители (в случае необходимости), модуль сбора и цифровой обработки информации CTD-2160. В качестве датчиков вибрации в системе используются корпусные ICP виброакселерометры.

Все датчики напрямую подключаются к модулям сбора и обработки информации CTD-2160. При необходимости можно контролировать и другие параметры (температура, давление, уровень, токи и т.п.). Количество и расположение датчиков может быть изменено в соответствии с требованиями заказчика.

Модули сбора и цифровой обработки информации CTD-2160 могут изготавливаться во взрывозащищенном исполнении и соответственно они могут быть установлены непосредственно у агрегата.

CTD-2160 непрерывно собирает и обрабатывает сигнал со всех датчиков одновременно.

Для каждой полосы канала настраиваются предупредительная и аварийная уставки.

В случае превышения предупредительного уровня срабатывает аварийная сигнализация, информирующая персонал о необходимости принять меры. Если вибрации превысят аварийный уровень, агрегат может быть остановлен автоматически.

Также CTD-2160 может контролировать не только уровни вибраций, но и другие важные параметры технического состояния агрегатов. В случае останова агрегата есть возможность просмотреть информацию о состоянии агрегата непосредственно перед остановкой, функция «черного ящика» (временной интервал «черного ящика» настраивается программно). Из модуля CTD-2160 через RS485 интерфейс вся информация о состоянии насосного оборудования передается на компьютер для последующей обработки.

Выводы В данной работе мы рассмотрели методы диагностирования магистральных насосных агрегатов. Расширение возможностей для обеспечения высокой надежности при эксплуатации насосных агрегатов связывается с вибродиагностикой и комплексным диагностированием состояния основного и вспомогательного оборудования на базе микропроцессорной и компьютерной техники. Контроль вибраци­онных характеристик насосных агрегатов пере­качивающих станций МНПП предус­матривает наличие в системе автоматики магис­тральных и подпорных насосных агрегатов маги­стральных нефтепродуктопроводов аварийной аппаратуры по измерению величины виброско­рости на корпусах подшипников электродвига­телей и насосов, обеспечивающей своевремен­ную остановку насосных агрегатов для проведе­ния последующего ремонта.

Эффективным меропри­ятием в совершенствовании существующей системы виброконтроля магист­ральных и подпорных насосных агрегатов является оснащение систем автоматики перекачивающих станций МНПП оборудованием с большими возможнос­тями анализа контролируемых параметров. Одна из рассмотренных диагностик – комплексная техническая диагностика магистральных насосных агрегатов (МНА) с при­менением технологии "СКАТ", обеспечивающая по­вышение надежности их эксплуатации, увели­чение ресурса подшипниковых узлов трения и снижение потребления электроэнергии.

Работы по комплексной технической диагностике МНА с применением технологии "СКАТ" включают следующие этапы: 1. Виброобследование до применения техно­логии " СКАТ". 2. Определение наличия трещин на теле ро­тора электродвигателя резонансным методом. 3. Термографическое обследование электро­оборудования и электроконтактных соединений. 4. Проведение наладочных работ по резуль­татам обследования. 5. Обработку подшипниковых узлов МНА по технологии "СКАТ". 6. Виброобследование после применения тех­нологии " СКАТ". 7. Проведение мониторинга МНА. 8. Анализ результатов проведенных работ.

Каждый из этих этапов рассмотрен в данном докладе.

Эксплуатация магистральных трубопрово­дов (МТ) на оптимальных режимах перекачки, не вызывающих повышенной вибрации магист­ральных насосных агрегатов (МНА), обеспечива­ет их надежность, долговечность и значительное снижение расходов на ремонт и эксплуатацию. Внедрение средств мониторинга и вибродиагностики МНА является одним из важнейших факторов повышения экономической эффектив­ности использования насосного оборудования на магистральных трубопроводах.

Основная цель вибродиагностики - обнаружение повреждений на начальной стадии их возникновения (разви­вающихся дефектов). Применение современных методов измере­ния вибрации и алгоритмов обработки результа­тов полномасштабных измерений обеспечивает достижение вероятности обнаружения аварий­но-опасных дефектов - до 95%. Практика эксплуатации магистральных на­сосных агрегатов показывает, что при отсутст­вии постоянного контроля вибросостояния насо­сов и электродвигателей до 25% МНА эксплуа­тируются в условиях повышенного уровня виб­рации, что является причиной значительной ча­сти их аварийных остановок.

В связи с этим весьма актуальной является проблема выбора системы мониторинга и диа­гностики технического состояния МНА по пара­метрам вибрации. Техническая диагностика технологического звена "насос-электродвигатель" производится с помощью анализа спектров огибающей вибра­ции, измеренной на их опорах. Главными объектами диагностики при этом являются подшипники насосов и электродвига­телей.

Компанией RA-Entek разработан метод диа­гностики состояния подшипниковых опор по gSE-уровню энергии ударных импульсов, осно­ванный на том, что при контакте сопряженных поверхностей, которые движутся относительно друг друга, на уровне микронеровностей контак­тирующих поверхностей возникают микроудары, которые вызывают импульсную вибрацию в высокочастотной области. Диагностика подшипников с помощью gSE-метода огибающей обеспечивается переносными и стационарными приборами.

К переносным приборам относят виброметры и сборщики данных, а к стационарным - виброметр не­прерывного действия и систему защиты непре­рывного действия. Также был рассмотрен пример оснащения системой непрерывного контроля и диагностики технического состояния насосных агрегатов типа НМ. Выбор метода диагностирования производится исходя из характеристик данного магистрального насосного агрегата.