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.