автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Научные основы вибрационной диагностики газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций

Т1р8 3Щ . ::. .....

(решение от" " Яз

присудил ученую с

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И.М.ГУБКИНА

На правах рукописи УДК622,691.4.052.006

ТОЛСТОВ АЛЕКСЕЙ ГЕОРГИЕВИЧ

"НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ

■В~! А га ¿-^-гттг И Ц» Г/* 4 ТПГЖта А А 1~>1>17> Т"" А Т/ЧЦ Я1~П>ТЛ ёТУ 1"<§.~

1 гЛЛ.ААА гы шзмдгьъъиг И яй

СТАНЦИЙ"

05,1 э, 13 - «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов,

баз и хранилищ»

05.11.16 - «Информационно-измерительные системы»

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................7

ГЛАВА! СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ОСНОВНЫЕ

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ..........................................22

1.1. Существование решения.............................................................22

1.1.1. Стратегия эксплуатации до отказа...................................24

1.1.2. Стратегия периодического технического обслуживания.............................................................................25

1.1.3. Стратегия эксплуатации по состоянию...........................28

1.2. Сравнительные оценки эффективности методов диагнос-

тики ГПА....................................................................................29

1.3. Состояние в области практических разработок систем

диагностики ГПА......................................................................54

1.3.1. Общая постановка задачи технической / вибрационной диагностики...........................................54

1.3.2. Состояние методологии и практики применительно

к задачам диагностик ГПА.............................................60

1.4. Базовые принципы исследования..............................................66

1.4.1. Управление и управляемое поведение............................66

1.4.2. Место проблемы управляемого поведения в общей структуре научных знаний.............................................70

1.4.3. Общие принципы поиска решения научных

проблем............................................................................76

1.4.4. Принцип минимакса полезной информации..................84

1.4.5. Общие принципы задач классификации........................90

1.5. Особенности задач диагностики ГПА и основные

требования к системам диагностики.........................................97

Выводы......................................................................................102

ГЛАВА 2. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ.............................................104

2.1. Способы представления вибрационной информации...........104

2.2. Выбор измерительных каналов...............................................107

2.3. Вибрационные портреты объектов диагностического контроля...................................................................................120

2.4. Преобразования приведения..................................................123

2.5. Практические приложения......................................................127

Выводы.....................................................................................128

ГЛАВА III. НОРМИРОВАНИЕ УРОВНЕЙ ВИБРАЦИИ УЗЛОВ ГПА ПО

СТАТИСТИКАМ ВИБРАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ....................129

3.1. Определение и выбор объекта нормирования........................130

3.2. Контроль и диагностика...........................................................133

3.3. Математическая модель нормирования уровней

вибрации..................................................................................136

3.4. Практические приложения......................................................147

Выводы.....................................................................................150

ГЛАВА IV. МЕТОДОЛОГИЯ СИНТЕЗА АДАПТИВНЫХ СВД ГПА............152

4.1. Системы диагностики..............................................................154

4.1.1. Требования к функциональным возможностям подсистемы экспертного анализа (ПЭА и ОК)

в составе адаптивной СВД ГПА...................................160

4.1.2. Требования к функциональным возможностям исполнительной подсистемы диагностического контроля (ИПДК) в составе адаптивной СВД ГПА.....162

4.1.3. Априорная и апостериорная информация...................164

4.1.4. Основные трудности.....................................................178

4.1.5. Основания для принятия решения о практической разработке конкретной СВД ГПА.................................180

4.2. Системы экспертного анализа вибрационной информации.............................................................................182

4.3. Практические приложения......................................................194

Выводы....................................................................................197

ГЛАВА V. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ. ОБРАБОТКА ВИБРАЦИОННОЙ И СОПУТСТВУЮЩЕЙ ИНФОРМАЦИИ..............................................................................200

5.1. Базовые условия анализа.........................................................200

5.2. Математическая модель статистического анализа.................203

5.3. Структурные параметры узлов ГПА.......................................210

5.4. Практические приложения......................................................215

Выводы.....................................................................................216

ГЛАВА VI. МЕТОДОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ДОСТАТОЧНЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ ДЕФЕКТОВ УЗЛОВ ГПА.....................................................................................218

6.1. Математическая модель..........................................................220

6.2. Практические приложения.....................................................246

Выводы...................................................................................250

ГЛАВА VII. ФУНКЦИИ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

УЗЛОВ ГПА.................................................................................252

7.1. Математическая модель.......................................................253

7.2. Практические приложения..................................................267

Выводы.................................................................................269

ГЛАВА VIII. ОСНОВНЫЕ ДОСТОИНСТВА И ОСОБЕННОСТИ

ПРАКТИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ..................................................271

8.1. Измерительная информация...............................................271

8.2. Структура СВД ГПА и использование адаптивных методов.................................................................................273

8.3. Адаптивные методы обучения СВД ГПА распознаванию дефектов в предложенных

моделях СВД ГПА...............................................................275

8.4. Функции оценки технического состояния узлов ГПА.......279

8.5. Статистическая обработка вибрационной информации.........................................................................282

8.6. Нормирование уровней вибрации узлов ГПА по статистикам организованного вибрационного

контроля...............................................................................284

Выводы.................................................................................295

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ........................................................296

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................298

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Программный комплекс «STATIST»..................................311

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программный комплекс «DIASCOP».................................350

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Программный комплекс «EXPERT»...................................377

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Программный комплекс «SPECTROSCOP».......................409

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Документы по стадиям внедрения.....................................472

-5-

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

APR - Априорная информация.

APOST - Апостериорная информация.

АС - Адаптивные системы.

АСУ - Автоматизированная система управления.

АСУ ТП - Автоматизированная система управления технологическими

процессами.

АСВД - Автоматизированная система вибрационной диагностики.

БД - База данных.

вд - Вибрационная диагностика.

ви - Вибрационная информация.

ВУ - Вычислительное устройство.

гп - Газотранспортное предприятие.

ГПА - Газоперекачивающий агрегат.

ГТУ - Газотурбинная установка.

ДАО - Дочернее Акционерное Общество.

ДП - Диагностический признак.

ипдк - Исполнительная подсистема диагностического контроля.

кмп - Класс метрических преобразований.

кпд - Коэффициент полезного действия.

КПП - Класс преобразований подобия.

КС - Компрессорная станция.

лсвд - Локальные системы вибрационной диагностики.

мг - Магистральный газопровод.

мнк - Метод наименьших квадратов.

НАГ - Нагнетатель природного газа.

оп - Опорный подшипник.

ОУП - Опорно-упорный подшипник.

ПАНДР - Подсистема анализа динамических рядов.

ппдп - Подсистема построения диагностических признаков.

ППР - Планово предупредительный ремонт.

ПОДШ. НАГ - Подшипник нагнетателя.

ПЭАиОК - Подсистема экспертного анализа и обучения классификации.

РАО - Российское Акционерное Общество.

РТМ - Руководящий технический материал.

свд - Система вибрационной диагностики.

СД - Система диагностики.

СДГУ - Система диагностики глубокого уровня.

совд - Система оперативной вибрационной диагностики.

ссвд - Система спектральной вибрационной диагностики.

СУБД - Система управления базами данных.

СЭА - Система экспертного анализа.

твд - Турбина высокого давления.

тд - Техническая диагностика.

тнд - Турбина низкого давления.

то - Техническое обслуживание (изделия).

ок - Осевой компрессор.

эхз - Электрохимическая защита.

ВВЕДЕНИЕ

Существование, разработка и практика использования тех или иных технических средств, с одной стороны, является отражением глубины накопленного человечеством знания в конкретный историческии период. С другой стороны, созданные технические средства объективно становятся составной частью природы и тем самым не только могут быть причиной возможных корректировок уже известных законов природы, но и порождают целый пласт специфических проблем. Одной из них и, видимо, наиболее актуальной в настоящее время является проблема описания, оценки, идентификации и интерпретации управляемого поведения сложных технических средств.

Постановка и решение этой проблемы связаны с изучением поведения технических изделий на всем протяжении их жизненного цикла как в зависимости от изменяющихся внешних условий и режимов работ, так и от процессов естественного износа и старения, проявления неисправностей различной степени сложности и их развития, а также выявлением причин и последствий возникновения таких неисправностей, что не может быть осуществлено без использования методов и средств технической (ТД) и, в первую очередь, вибрационной диагностики (ВД) как инструмента определения и прогнозирования оценки технического состояния технических изделий, в частности ГПА, имеющих в кинематической структуре конструктивно заложенные источники вынужденных колебаний. Последнее обстоятельство предопределяет актуальность диссертационного исследования, ориентированного на решение указанной выше проблемы в рамках вибродиагностической направленности / 66 /, / 118 /, /124 /.

С начала 70-х годов в Российской Федерации было построено 17 мощных газопроводов протяженностью от 2,5 до 4,5 тыс. км. и производительностью по 32 млрд. М3 в год каждый / 30 /.

Следствием адекватного роста количества компрессорных станций (243 по состоянию на 1996 год) и общей протяженности транспортных газопроводов (около 140 ООО км.) в условиях снижения качества технических средств транспорта газа, а также их естественного износа и старения является как значительное абсолютное число отказов газотранспортного оборудования (более 4000 отказов за 1995 год), так и тяжелые аварии на трассах газопроводов в том числе с человеческими жертвами.

К числу основных, наиболее часто проявляемых опасных дефектов газотранспортного оборудования и транспортных газопроводов следует отнести /30/,/44/,/99 /:

• разрушение надземных участков газовых трубопрово-дов;

• эрозионный износ роторных деталей, арматуры и аппаратов высокого давления в местах поворота загрязненных потоков газа;

• усталостные трещины в валах и муфтах;

• износ и сколы элементов подшипников скольжения для ГПА стационарных типов и подшипников качения конверсионных газовых турбин авиационного и судового типов;

• аномальные снижения мощности и КПД ГПА;

• естественное коррозионное старение трубопроводов;

• коррозионное растрескивание трубопроводов под действием напряжений.

В числе главных причин возникновения указанных дефектов можно указать / 30 /, / 44 /:

• неучтенное влияние просадок и выпучивания опор и опорных конструкций;

• наличие тепловых и конструктивных расцентровок роторных машин;

в низкое качество изготовления, монтажа и эксплуатации ГПА;

• конструктивная ненадежность отдельных типов ГПА и доводка изделий в условиях КС на протяжении 3-5 лет;

• отсутствие надежных и эффективных штатных систем контроля состояния узлов ГПА и, как следствие, отсутствие достоверной информации о состоянии ГПА;

• отсутствие достоверной информации о состоянии трубопроводов в части их коррозионного износа, образования трещин и расслоений, напряженно деформированного состояния, продольной устойчивости, фактического конструктивного исполнения;

• неприспособленность порядка 80% газопроводов к проведению внут-ритрубной дефектоскопии;

• разрушение изоляционной защиты газопроводов;

• нарушение требований стандартов при строительстве газопроводов и его низкое качество;

• длительная эксплуатация газопроводов без средств ЭХЗ;

• нестабильность и агрессивность грунтов, а также нестабильность режимов эксплуатации;

• ошибки проектирования, некачественное строительство, практика ввода в эксплуатацию незавершенных объектов, арки и всплывающие участки;

• сравнительно низкий уровень оснащенности средствами диагностики;

• отсутствие достаточных научных проработок в области диагностики газотранспортного оборудования и средств обнаружения и прогнозирования зарождающихся дефектов и очагов естественной и стресс-коррозии.

Учитывая указанное выше, а также рост требований к надежности системы газоснабжения, которая в значительной степени определяет всю энергетическую инфраструктуру России практически единственным кардинальным средством, которое обеспечивает надежность и эффективность системы транспорта газа при ограниченных инвестициях и материальных ресурсах является переход от регламентного обслуживания технических средств и транспортных коммуникаций нефтегазовой отрасли к системе технического обслуживания «по состоянию» ( Гл.1, раздел 1.1) / 4 /, / 7 /, / 12 /, / 26 /, / 132 /.

Такой переход невозможен без широкого внедрения методов и средств / систем диагностики (СД). Поэтому в РАО «Газпром» придается важное значение развитию работ по диагностике транспортных трубопроводов, газоперекачивающего оборудования, промысловых конструкций и сооружений, а также оборудования газоперерабатывающих заводов /143 /.

Таким образом, если рассматривать разработку месторождений, транспорт газа и переработку продукта как некоторые самостоятельные технологические процессы, то эффективность и надежность каждого из них в значительной степени определяется, в том числе, использованием адекватных систем диагностики (СД) и эффективностью и надежностью собственно систем такого вида.

В рамках системы транспорта газа объектами диагностики являются:

• технологическое оборудование КС;

• трубопроводные обвязки нагнетателей;

• линейная часть транспортных газопроводов.

Специфика каждого из указанных объектов определяет особенности методологии синтеза соответствующих систем диагностики. Единой практической методологии диагностики указанных выше объектов не существует.

Основной энергетической единицей транспорта газа является ГПА. Достаточно указать, что в системе РАО «Газпром» по данным на 1996 г. эксплуа-

тируется около 4000 ГПА различных типов общей мощностью порядка 38,2 млн. кВт при ориентировочной стоимости одного ГПА 500-600 долларов США на 1 кВт установленной мощности.

С точки зрения технологичности процесса транспорта газа СД ГПА в общем случае можно разделить на 2-а класса. К первому из них следует отнести системы диагностики, обеспечивающие высокую механическую надежность технических средств. В их числе вибрационная диагностика, трибодиагностика и диагностика с использованием методов неразрушающего контроля.

Второй класс диагностических систем должен обеспечивать функциональную эффективность системы транспорта газа. К этому классу относятся все виды систем параметрической диагностики. При этом решение задач каждого класса привносит свой вклад в оценку технического состояния ГПА как необходимого условия оптимизации управления системой транспорта газа и повышения показателей экономической эффективности ее эксплуатации.

Экономический эффект систем параметрической диагностики ГПА достигается в первую очередь за счет своевременной очистки проточной части ОК ГТУ, оптимальной загрузки ГПА компрессорного цеха с учетом их конкретной мощности /45 /. Кроме того, следует отметить, что эффективность системы перекачки в достаточной степени определяется расходом топливного газа и напрямую зависит от эффективности управления газопроводом в целом, т.к. одиночная КС может быть поставлена в условия работы при неоптимальной загрузке, что, в свою очередь, ведет к его перерасходу.

Учитывая приведенные выше соображения бессмысленно заниматься оценкой функциональной эффективности механически ненадежных технических средств транспорта газа.

Применительно к системам первого класса используемые на практике методы диагностики по параметрам технической эффективности , например, для авиационных конвертируемых двигателей, соотносятся следующим образом / 45 /:

• анализ масла - 55% ;

• анализ вибрационного состояния - 24% ;

• визуальный контроль -10% ;

• анализ температуры на выходе силовой турбины (СТ) - 5% ;

• анализ изменений при пуске/останове ~ 5%;

• анализ изменения параметров цикла - 1% .

Кроме того, по данным в / 45 / экономическая эффективность внедрения различных методов технической диагностики ГПА в расчете на 1 работающий агрегат рассматриваемого выше типа по сравнению с вариантом только системы виброзащиты оценивается следующим образом ( год, $ США):

• вибра