автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.13, диссертация на тему:Вибродиагностирование технического состояния газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

СМОРОДОВА ОЛЬГА ВИКТОРОВНА

ВИБРОДИАГНОСТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

Специальность 05.15.13 «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, д-р техн. наук, профессор БАЙКОВ И.Р.

Уфа 1999

ВВЕДЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

С. .4

ГЛАВА 1 .ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ..................................................................19

1.1. Методы диагностирования технического состояния газоперекачивающего оборудования компрессорных станций..........20

1.2.Идентификация технического состояния газоперекачивающих агрегатов по характеристикам вибрационных спектров колебаний корпусов подшипников газовых турбин.......................................25

1.3. Использование узкополосного частотного анализа для классификации дефектов узлов газоперекачивающего оборудования................33

ГЛАВА 2.КОНТРОЛЬ УРОВНЯ НАДЕЖНОСТИ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ВИБРАЦИОННЫХ

СПЕКТРОВ...........................................................................49

2.1. Классификация и анализ причин отказов газоперекачивающих агрегатов, эксплуатируемых в системе магистрального транспорта

газа....................................................................................49

2.2 Оценка вибрационного состояния газоперекачивающих агрегатов

магистральных газопроводов по результатам виброскопии...............56

2.3. Диагностирование неисправностей газоперекачивающих агрегатов на основе специальных методов классификации спектров

виброскорости......................................................................70

ГЛАВА 3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ АВАРИЙНЫХ ОТКАЗОВ

ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ВРЕМЕННОЙ ЭВОЛЮЦИИ ВИБРОСИГНАЛА............................85

3.1 .Определение основных характеристик процесса износа и старения технологического оборудования компрессорных станций................86

3.2. Распознавание виброспектров газоперекачивающих агрегатов при одновременном развитии нескольких разнотипных дефектов............96

3.3 Экспертиза вибросигналов, возбуждаемых корпусными элементами, в целях идентификации состояния газоперекачивающего оборудования.......................................................................118

3.4. Контроль качества проведения ремонтных работ газоперекачивающих

агрегатов............................................................................123

ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИЯ ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ВИБРОДИАГНОСТИКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ...........................................................................133

4.1. Периодичность виброскопии газоперекачивающего оборудования компрессорных станций..........................................................134

4.2. Изменение периодичности виброобследований газоперекачивающих агрегатов с учетом характеристик старения и износа оборудования... .143

4.3. Влияние соотношения стоимостей ремонта и виброобследования на частоту виброскопии газотранспортного оборудования компрессорных станций..............................................................................156

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ......................................................................164

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ... .166

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................180

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. База данных по всем видам проведенных на ГПА работ.......181

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Комплексная программа тестирования спектров виброскорости

колебаний корпусов ОУП ТНД ГПА..............................188

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Техническое заключение по результатам виброобследования

ГПА типа ГТК-10......................................................210

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Справки о внедрении

215

ВВЕДЕНИЕ

Развитие газовой промышленности, в значительной степени определяющей уровень экономики страны, зависит от состояния и дальнейшего совершенствования работы технологического оборудования, эффективного функционирования системы трубопроводного транспорта, поддержания работоспособности газоперекачивающих агрегатов в условиях ограниченных инвестиций.

В связи с этим своевременное диагностирование технического состояния оборудования и элементов газотранспортных систем с определением уровня их работоспособности - основной определяющей характеристики состояния любого объекта - представляет несомненный научный и практический интерес как для отдельных предприятий, так и для отрасли в целом.

В настоящее время на фоне резкого сокращения объемов финансирования капитальных ремонтов и роста темпов старения газотранспортного оборудования диагностика вообще и вибродиагностика в частности выступает в роли механизма, обеспечивающего не только экономию материально-технических ресурсов, но и сохранение высокой надежности и работоспособности оборудования. Разработка и внедрение методов, средств и систем вибрационной диагностики, а также переход на перспективное ресурсосберегающее обслуживание оборудования «по состоянию» позволяют грамотно планировать и проводить капитальный ремонт в сочетании с выборочным, что способствует устойчивой эксплуатации газотранспортной системы и экономии значительных финансовых ресурсов.

Традиционный подход к решению задач вибродиагностики, основанный на применении узкополосного частотного анализа виброспектров колебаний корпусов газоперекачивающего оборудования, во многих случаях не позволяет адекватно оценивать техническое состояние газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Тем не менее, вибрационные обследования являются на сегодняшний день, пожалуй, единственным способом получения хотя бы каких-то сведений о техническом со-

стоянии агрегатов в процессе их эксплуатации. Главной трудностью при этом является неоднозначность распознавания вибрационных спектров, соответствующих появлению дефектов.

В связи с этим особое значение приобретают усилия, направленные на создание дополнительных методов распознавания дефектов на основе анализа изменения вибрационных спектров колебаний корпусов ГПА в сочетании с учетом всего необходимого комплекса оценочных характеристик, которые формируют уровень безопасности агрегата на всех этапах его жизненного цикла.

Целью диссертационной работы является разработка методов диагностирования технического состояния ГПА на основе анализа спектров виброскорости колебаний корпусов подшипников ГПА.

В работе решены следующие основные задачи:

1. На основе анализа данных виброобследований газоперекачивающих

/

агрегатов типа ГТК-10, эксплуатирующихся на предприятиях РАО «ГАЗПРОМ», произведена статистическая обработка и классификация причин аварийных отказов.

2. Разработан вероятностный метод оценки остаточного ресурса газоперекачивающего оборудования, позволяющий прогнозировать изменение интенсивности отказов ГПА в зависимости от этапа их эксплуатационного цикла.

3. Разработан способ диагностирования состояния ГПА на основе применения методов теории распознавания образов. Показано, что степень достоверности формируемого заключения зависит от репрезентативности обучающих выборок спектров виброскорости колебаний корпусов оборудования в заведомо бездефектном и заведомо предаварийном состоянии.

4. Разработан метод интерпретации спектров виброскорости колебаний корпусов подшипников газоперекачивающих агрегатов, основанный на положениях теории динамических систем.

5. Получены рекомендации по определению оптимальной (с точки зрения минимизации затрат на ремонт газоперекачивающего оборудования) периодичности вибрационных обследований ГПА. Показано, что для агрегатов, находящихся на разных этапах своего жизненного цикла, виброобследование необходимо проводить с различной частотой.

6. Разработан комплексный программный алгоритм диагностирования ГПА, позволяющий достоверно идентифицировать предаварийное состояние оборудования.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Разработана идентифицируемая модель, описывающая интенсивность аварийных отказов газоперекачивающего оборудования как функцию времени. Показано, что предложенная модель с достоверностью не ниже 95% описывает вероятность наступления аварийного отказа агрегата как на стадии обкатки и нормальной эксплуатации, так и на стадии возникновения отказов усталостного типа.

2. Предложен способ классификации спектров виброскорости колебаний корпусов подшипников турбин низкого давления (ТНД), основанный на положениях теории распознавания образов. Показано, что для увеличения достоверности классификации спектров виброскорости колебаний корпусов газоперекачивающего оборудования необходимо наличие априорно сформированных представительных обучающих выборок виброспектров.

3. Предложен способ интерпретации виброспектров, основанный на использовании некоторых критериев теории динамических систем, позволяющий распознавать спектры ГПА с развивающимися дефектами.

4. Разработана методика определения оптимальной периодичности вибрационных обследований ГПА, проводимых для оценки остаточного ресурса агрегатов. Установлена количественная зависимость периодичности обследований от длительности эксплуатации ГПА.

5. Разработан программный комплекс, предназначенный для идентификации технического состояния газоперекачивающих агрегатов. Показано, что при наличии априорной информации об особенностях изменения вибрационных спектров ГПА в процессе их эксплуатации предлагаемый комплекс позволяет прогнозировать момент наступления аварийного отказа ГПА с вероятностью 95%.

На защиту выносятся результаты научных разработок в области повышения надежности эксплуатации газоперекачивающего оборудования на основе периодических вибрационных обследований ГПА.

Разработанная в диссертационной работе методика определения технического состояния ГПА КС апробирована службой ЦПТЛ ДП «Баштрансгаз» и используется для идентификации спектров виброобследований ГПА. Результаты исследований в области определения оптимальной частоты виброобследований используются на КС «Москово» ДП «Баштрансгаз».

Основные положения работы докладывались на следующих конференциях:

• 48-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ в апреле 1997г;

• 49-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ в апреле 1998 г;

• Международной конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России» в г.Уфе 13-15 мая 1998г.;

• Всероссийской научно-технической конференции «Новоселовские чтения» в г.Уфе 1-2 декабря 1998г.

• 2-ой научно-практической Республиканской конференции «Энергоресурсосбережение в республике Башкортостан» в г.Уфе 27-28 января 1999 г.

По материалам диссертации автором опубликовано 9 работ.

Первая глава диссертации посвящена обзору основных методов и средств диагностирования газоперекачивающего оборудования компрессорных станций

(КС), являющихся традиционными в вибрационной диагностике механического состояния ГПА.

Анализ аварийных отказов ГПА КС показал, что значительная часть газотурбинного парка отрасли устарела. Ввиду многочисленных индивидуальных отличий в условиях монтажа, ремонта и эксплуатации отдельно взятых агрегатов старение их идет с различной скоростью. Как следствие, все большее развитие получает тенденция перехода от системы планово-предупредительного ремонта (ППР) к обслуживанию агрегатов по их фактическому состоянию. Данный подход позволяет снизить затраты на проведение неоправданно ранних плановых ремонтов и наиболее полно использовать остаточный индивидуальный ресурс каждого отдельно взятого агрегата.

Ретроспективный анализ причин аварийных отказов газотранспортного оборудования и номенклатуры ремонтных мероприятий позволил выделить подшипники как наиболее вероятные элементы конструкции ГПА, приводящие к аварийным остановкам. На основании проведенного в первой главе сравнительного анализа наиболее распространенных методов диагностирования износа подшипников скольжения - трибодиагностики, вибродиагностики, параметрической диагностики - сформулирован вывод о том, что вибрационная диагностика как метод контроля технического состояния (ТС) ГПА по состоянию подшипников является наиболее приемлемой.

В настоящее время на практике широко применяются два основных метода контроля вибросостояния агрегатов: оперативная вибродиагностика - для оценки текущего уровня надежности агрегата, и спектральная вибродиагностика - для выявления зарождающихся и развивающихся дефектов в конструкции узлов ГПА.

Все существующие портативные и стационарные системы контроля вибросостояния ГПА, разработанные и в России, и за рубежом, в качестве параметра, детерминирующего состояние оборудования, принимают уровень вибрации, трактуемый как среднеквадратическое значение виброскорости. Виброскорость коле-

баний корпусов подшипников ГПА в исследуемом диапазоне частот (от 10 до 1000 Гц) рекомендована и государственным стандартом в качестве определяющего параметра. Тем не менее, проведенный в диссертации ретроспективный анализ аварийности ГПА ГТК-10 показал, что данный критерий механического состояния агрегатов позволяет идентифицировать и предотвратить не более 25% аварийных отказов, что не может удовлетворять требованиям, предъявляемым к уровню надежности эксплуатации газоперекачивающего оборудования.

Кроме оценки общего уровня технического состояния ГПА, на практике имеет место потребность распознавания разнотипных дефектов конструкции узлов и механизмов газоперекачивающих агрегатов. Выявление дефектов ГПА традиционно осуществляется методом узкополосного частотного анализа с помощью эталонных спектров, свойственных колебаниям корпусов подшипников агрегатов с заведомо известными дефектами. Опыт эксплуатации ГПА идентифицирует опорные и опорно-упорные подшипники ТВД и ТНД как наиболее информативные точки измерения уровня вибрации, обеспечивающие запись спектров виброскорости с характерными признаками практически всех встречающихся дефектов (коробление корпуса в условиях стеснения тепловых расширений, несоосность подшипников, монтажные перекосы, расцентровки роторов, изменение натяга на вкладышах подшипников, появление овальности шейки вала, изменение вертикального зазора подшипника, механическая разболтанность подшипниковых узлов, обрыв пера лопатки и т.д.).

Однако на ранней стадии развития большинства неисправностей или при одновременном зарождении нескольких дефектов трактовка виброспектра зачастую бывает сопряжена в значительной мере с неопределенностью. В первой главе диссертационной работы показано, что наряду с немногочисленными спектрами, по структуре которых может быть однозначно определен тип дефекта ГПА, нередка ситуация наложения нескольких характерных признаков дефектов различного типа, что не позволяет однозначно их классифицировать. Кроме того, не по-

ю

следнюю роль в адекватном распознавании спектров играет и степень субъективности в оценках экспертов.

Следствием отмеченных недостатков традиционного подхода к решению задач вибродиагностики явился не снижающийся уровень аварийности газоперекачивающего оборудования РАО «Газпром» - 1,5-2,58 отк/ГПА*год, который информирует о несостоятельности использующихся теоретических предпосылок как достаточных для адекватной идентификации технического состояния газоперекачивающего оборудования.

В заключении первой главы сделаны выводы о необходимости разработки более эффективных методов интерпретации спектров виброскорости, повышающих степень достоверности формируемого заключения о техническом состоянии Г ПА.

Во второй главе рассматриваются вопросы оценки технического состояния газоперекачивающего оборудования на основе интерпретации спектров виброскорости колебаний корпуса опорно-упорного подшипника (ОУП) ТНД ГПА.

В первом разделе главы проводится статистический анализ данных по наработке на аварийный отказ агрегатов по окончании очередного капитального ремонта. Опыт эксплуатации газоперекачивающего оборудования показал, что интенсивность аварийных отказов ГПА изменяется на различных этапах их эксплуатации. Проверка статистической гипотезы показала, что наработка ГПА на отказ подчиняется закону распределения Вейбулла. Для агрегатов типа ГТК-10 были определены параметры этого распределения, анализ изменения которых позволил выделить три характерных периода эксплуатации газовых турбин. На первом этапе (от 0 до 9000 часов) интенсивность отказов уменьшается, на интервале от 9000 до 20000 часов стабилизируется и в даль