На правах рукописи

НАФИКОВ АЗАМАТ ФАНОВИЧ ВЫЯВЛЕНИЕ ДЕФЕКТОВ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ФАЗОВЫХ ПОРТРЕТОВ ПРИ ВИБРОДИАГНОСТИКЕ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ Специальность 05.02.13 - "Машины, агрегаты и процессы" (Машиностроение в нефтеперерабатывающей промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2004 2

Работа выполнена на кафедре "Машины и аппараты химических производств" Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, Закирничная Марина Михайловна.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Ямалиев Виль Узбекович;

кандидат технических наук, ст. научный сотрудник Белов Александр Иванович.

Ведущая организация ООО "Нефтехиминженеринг".

Защита состоится " 28 " декабря 2004 года в 11-30 на заседании диссертационного совета Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан "_" ноября 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Ибрагимов И.Г.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Увеличение эффективности, надежности и ресурса, а также обеспечение безопасной эксплуатации машин и механизмов тесно связано с необходимостью оценки их технического состояния. Самыми эффективными являются методы неразрушающего контроля, в частности - вибродиагностика. Именно вибросигнал, обладая достаточно емкой информацией о работе агрегата и его элементов, может являться достоверным показателем его состояния.

В настоящее время в нефтегазовой отрасли одной из самых распространенных разновидностей машин являются центробежные насосные агрегаты (ЦНА), оценка технического состояния которых производится на основе периодического контроля вибропараметров. Известно, что службы вибродиагностики в большинстве случаев применяют спектральный метод анализа вибросигналов, основанный на первичном Фурье-преобразовании. Наряду с неоспоримыми достоинствами, это преобразование обладает и определенными недостатками:

исходный сигнал заменяется на периодический, для всего исследуемого сигнала нестационарного процесса получаются усредненные коэффициенты. Все это затрудняет постановку диагноза, требует дополнительного применения вспомогательных методов или устройств. Особую сложность вызывает идентификация дефектов подшипниковых узлов на ранних стадиях и в процессе развития. Разрушение подшипников приводит к износу деталей ротора и, в некоторых случаях, посадочных мест под подшипник. Очевидно, что в ходе технологического процесса выход из строя насосного агрегата по вине дефектного подшипника может привести к аварийной ситуации, а также дополнительным затратам при ремонте. Поэтому своевременному выявлению возникновения и развития дефектов подшипников и, как следствие, предупреждению разрушения на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии придается особое значение.

Предыдущими исследованиями было доказано, что для оценки технического состояния насосных агрегатов может применяться метод реконструированных фазовых портретов, основанный на теории детерминированного хаоса.

Он позволяет достоверно определять такие дефекты, как дисбаланс, несоосность валов, потеря жесткости опор. Однако этот метод ранее не использовался для выявления конструктивных элементов подшипников насосных агрегатов из-за отсутствия их фазовых портретов и сложности извлечения информации из шума. В связи с этим актуальным является получение фазовых портретов и применение данного метода для выявления дефектов подшипников.

Целью работы является выявление дефектов подшипников качения центробежных насосных агрегатов на ранних стадиях развития с использованием метода реконструированных фазовых портретов, основанного на теории детерминированного хаоса.

В связи с этим решались следующие задачи:

1) анализ статистических данных по наработке отказов ЦНА;

2) исследование влияния шумовой составляющей на идентификацию основных частот подшипниковой вибрации. Проверка возможности очищения вибросигнала от шума и подбор параметров очищения;

3) подбор диагностических критериев оценки технического состояния подшипников качения насосных агрегатов;

4) разработка методики оценки технического состояния подшипников качения ЦНА на основе теории детерминированного хаоса;

5) проведение вибродиагностики ЦНА с целью выявления зарождающихся дефектов подшипников качения с помощью разработанного метода.

Методы решения задач. При решении поставленных задач использовались вероятностно-статистические методы, методы математической обработки, а также теория детерминированного хаоса.

Научная новизна 1) получены фазовые портреты вибросигналов для дефектов конструктивных элементов подшипников качения, характеризующих их предельное состояние. На их основе возможно производить оценку технического состояния подшипников качения путем сравнения с фазовыми портретами реальных вибросигналов насосных агрегатов;

2) установлен характер изменения формы фазового портрета на примере дефекта сепаратора подшипника при различном соотношении амплитуды сепараторных частот и уровня шумовой составляющей;

3) установлено, что показателем развития дефекта подшипника является увеличение масштабного коэффициента до значения 15-18.

Практическая ценность работы Результаты работы позволяют выявлять дефекты подшипников качения на ранних стадиях развития, снижая риск возникновения отказов ЦНА. Разработанные методические рекомендации Оценка технического состояния подшипников качения ЦНА внедрены для использования в лабораториях вибродиагностики на предприятиях ООО "НОРТЭКС" и ООО "СИНТЕЗМЕХАНИК".

Апробация работы Материалы диссертационной работы обсуждались: на 54, 55-й научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, апрель 2003, 2004 г.); III Международной выставке и конференции "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности" (г. Москва, март 2004 г.); заседании секции "Вибродиагностика машин" Ученого Совета НИИИН МНПО "СПЕКТР" (г. Москва, июнь 2004 г.); Международной научно-технической конференции "Прикладная синергетика - II" (г. Уфа, октябрь 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и основных выводов. Работа изложена на 107 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 5 таблиц, список литературы из 105 наименований, 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, формулируются её цель и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена анализу области применения основных конструкций ЦНА, как имеющих наибольшее применение в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, описанию возникающих дефектов, приведших к отказам ЦНА, обзору и анализу распространенных методов виброакустического диагностирования роторных машин.

В настоящее время на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях используется большое количество насосно-компрессорного оборудования (НКО). К примеру, на одном из нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ) Республики Башкортостан для ведения технологических процессов нефтепереработки применяется 6680 единиц оборудования, 34,8 % из которых составляет роторное оборудование; 22,5 % - теплообменники; 18,3 % - емкости;

4,9 % - колонные аппараты. Такое распределение характерно для большинства НПЗ. Основную часть роторного оборудования составляют насосные агрегаты (более 2000 единиц), из которых лидирующую роль занимают центробежные насосы (более 65,0%). Весьма существенным преимуществом центробежных насосов являются малые габариты, зависящие от больших скоростей, с которыми работают движущиеся части насосов и перемещается жидкость.

Известно, что работа насоса сопровождается вибрацией. По мере износа машины, оседания фундамента и деформации деталей в динамических свойствах машины начинают происходить неощутимые изменения. Эти отклонения эффективней всего определяются при помощи вибрационных методов.

Источники вибрации приводят к образованию различных дефектов в оборудовании, таких как неуравновешенность ротора, разъединение (ослабление) посадки деталей ротора, задевания, нарушения соосности валов, нарушения жесткости опорной системы, кавитация и дефекты подшипников скольжения и качения. Каждому из дефектов свойственны свои диагностические признаки и соответствующие спектры.

Таким образом, на основании статистических данных в качестве объектов исследования были выбраны ЦНА как основная часть оборудования, применяемая для ведения технологических процессов переработки нефти. Анализ статистических данных по отказам ЦНА, выявленных в процессе ремонта, позволил установить, что наряду с уплотняющими устройствами наибольшим отказам подвержены подшипники качения (порядка 31% от всех выявленных дефектов).

Во второй главе приводится анализ выявления дефектов подшипников наиболее распространенными методами оценки технического состояния ЦНА.

Для извлечения полезной информации из вибросигнала используются различные способы, которые позволяют сформировать характерные диагностические признаки зарождающихся дефектов даже в тех случаях, когда спектр мощности сигнала практически не меняется. Но, несмотря на то, что различных методов по обработке сигналов достаточно много, статистический анализ современного состояния служб вибродиагностики в промышленности показал, что большинство приборов и систем, применяемых службами, основано на спектральном анализе входящего сигнала. Такое применение обусловливается как простотой метода, так и его универсальностью. Сущность спектрального анализа основана на первичном Фурье-преобразовании входящего сигнала.

Однако погрешности изготовления и монтажа ЦНА, температурные изменения геометрических параметров деталей и зазоров в сочленениях, изменение вязкости смазки и множество факторов приводят к флуктуациям амплитуд и размытию дискретных линий спектра полигармонических колебаний. Поэтому методы, основанные на спектральном анализе, не позволяют в полной мере производить всесторонний анализ вибросигнала, что приводит к общим характерным погрешностям при проведении вибродиагностических обследований.

Для различных дефектов, в ряде случаев, спектры гармонических составляющих идентичны. Например, анализ приведенного спектра на рисунке 1 не дает однозначного ответа. Высокое значение второй гармоники частоты вращения ротора (частота показана стрелкой) может указывать на несоосность соединения привода и насоса, перекос и неравномерный износ внутреннего кольца подшипников привода или вибрацию электромагнитного происхождения.

Высокий уровень шумовой составляющей может указывать на ослабление жесткости конструктивных элементов привода или дефекты в подшипниках привода. В процессе спектрального преобразования вибросигнала теряется информация о временном факторе, а также представление о динамике изменения спектрального состава сигнала.

2.2.2.1.1.1.0.0.0.0 100 200 300 400 Частота, Гц Рисунок 1 - Спектр вибрации электродвигателя На рисунке 2 приведен спектр, анализ которого не позволил выявить спектральным методом дефект сепаратора. На следующий день после замера произошло разрушение сепаратора, которое привело к аварийному останову насосного агрегата.

3.0 Частота, Гц 2.2.1.1.0.50 100 150 200 250 300 а б Рисунок 2 - Спектр вибрации (а) насосного агрегата за день до разрушения сепаратора и поврежденный сепаратор (б) после демонтажа Из рисунка 2, а видно, что ни одна частотная составляющая не совпадает с сеткой частоты вращения сепаратора (показаны пунктирными линиями).

На рисунке 3, а приведен спектр для подшипника насоса, у которого в результате некачественного монтажа произошел сильный износ конструктивных элементов подшипника. На рисунке 3, б показана внутренняя обойма подшипника, где дорожка качения накатана по краю и имеет неравномерный износ.

Виброскорость, мм / с Виброскорость, мм / с 1.D D D D D D 1.0.> D 0.0.0.1000 1500 2000 б Частота, Гц а Рисунок 3 - Спектр вибрации (а) насосного агрегата за четыре дня до разрушения подшипника и дефектная внутренняя обойма (б) Поэтому для предотвращения таких ситуаций в настоящее время активно разрабатываются новые типы виброанализаторов. В связи с этим возникает необходимость в разработке дополнительных методов анализа вибросигналов, не зависящих от условий работы агрегата и позволяющих более качественно оценивать информацию, получаемую в результате замеров вибрационных параметров дефектных агрегатов. Конструкцию центробежного насоса можно рассмотреть с позиции синергетики, изучающей поведение сложных систем, условия их устойчивости, природу неустойчивостей и эволюцию систем вдали от термодинамического равновесия. Методы синергетики, представляющие собой не что иное, как методы нелинейной физики, дают возможность описать процессы в сложных системах различной природы с помощью некоторых универсальных представлений и моделей. Использование элементов теории детерминированного хаоса в областях нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности в тех или иных аспектах отразилось в работах Мирзаджанзаде А.Х., Ишемгужина Е.И., Хасанова М.М., Смородовой О.В., Солодовникова Д.С. и др.

Например, Солодовниковым Д.С. было показано, что для оценки технического состояния насосно-компрессорного оборудования возможно применения метода реконструированных фазовых портретов с использованием теории детерминированного хаоса для достоверного определения таких дефектов, как дисбаланс, несоосность валов, потеря жесткости опор. Эти предпосылки позволяют использовать метод построения фазовых портретов, основанный на теории деВиброскорость, мм / с терминированного хаоса, для определения дефектов подшипников качения центробежных насосных агрегатов.

В связи с этим необходимо определить алгоритм для построения реконструированных фазовых портретов, характеризующих динамическое поведение ЦНА, непосредственно из самой амплитудно-временной характеристики вибросигналов, а также подобрать количественные характеристики для оценки фазовых портретов применительно к дефектам подшипников как узлов с повышенной вероятностью отказа.