СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ И СИСТЕМА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЕГО ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
METHOD TO IMPROVE RELIABILITY OF CENTRIFUGAL TRANSFERRING UNIT OPERATION FOR HYDROCARBON RAW MATERIALS AND DIAGNOSTIC SYSTEM FOR ITS TECHNICAL STATE MONITORING

Изобретение относится к области диагностики технического состояния центробежных перекачивающих агрегатов (ЦПА) и может быть использовано для обеспечения бесперебойной работы при эксплуатации перекачивающих станций углеводородного сырья в нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.
Перекачивающие агрегаты имеют многоэлементную структуру, в состав которой входят: корпуса центробежного насоса или нагнетателя и электродвигателя, установленные на специальных фундаментах, валы роторов агрегата, состыкованные через соединительную муфту, опорные подшипниковые узлы, всасывающий и нагнетательный трубопроводы.
В процессе эксплуатации ЦПА, особенно при сроках наработки близких к заявленному заводом-изготовителем ресурсу, происходит неизбежное изменение геометрических размеров деталей вследствие износа, изменение физико-механических свойств материалов, изменение электрических характеристик изоляции и т.п., которые могут привести к постепенному или внезапному отказу (дефекту, изменению технического состояния).
Для предотвращения отказов, аварийных ситуаций важно осуществлять постоянное диагностирование технического состояния агрегата и таким образом обеспечивать его бесперебойную работу.
В трубопроводных системах, связанных с производством, транспортом и распределением энергоносителей, актуальной является задача управления рисками, т.е. поддержания их значения на уровнях, допустимых и обоснованных по экономическим, экологическим и социальным критериям. Решение этой задачи требует разработки эффективных методов и систем диагностирования технического состояния ЦПА (наиболее сложной, нелинейной и «рискообразующей» части трубопроводной системы), позволяющих определять переменные состояния ЦПА, являющиеся предвестниками критического (аварийного) состояния и проводить ремонты ЦПА "по степени критичности", обеспечивая тем самым управление рисками при минимуме финансовых, технических и временных затрат.
Известен способ предупреждения аварийных ситуаций в работе центробежного насосного агрегата (патент РФ №2068553, МПК G01M 15/00, опубл. 27.10.1996 г.). Способ обеспечивает оценку технического состояния агрегата по вибрации корпуса путем измерения вибропараметров с последующим построением трендов их изменения по времени. Тренды строят с помощью системы компьютерного мониторинга, причем предварительно вводят в нее пороговые значения и комбинации диагностических признаков, а оценку технического состояния агрегата и его элементов производят путем сравнения текущих и пороговых значений диагностических признаков.
Недостатком известного способа является неполнота оценки технического состояния агрегата, учитывающая только вибропараметры, и, следовательно, большая вероятность его отказа по неконтролируемым параметрам.
Известна система компьютерного мониторинга для предупреждения аварий и контроля технического состояния центробежного насосного агрегата по вибрации корпуса (патент РФ №2068553, МПК G01M 15/00, опубл. 27.10.1996 г.), в которой пьезоэлектрические вибропреобразователи устанавливаются на корпусе подшипника насоса и электродвигателя каждого насосного агрегата и посредством кабельных линий связи через согласующие блоки соединяются с диагностической станцией, выполненной на базе промышленного компьютера, которая производит измерение, накопление и отображение информации о состоянии насосных агрегатов и выдает визуальное и речевое предупреждение персоналу при появлении угрозы возникновения аварии насоса.
Однако данная система не обеспечивает полноты диагностирования технического состояния машин.
Наиболее близким к изобретению в части способа является способ повышения надежности работы центробежного перекачивающего агрегата углеводородного сырья, заключающийся в том, что в работе агрегата осуществляют автоматизированный мониторинг технического состояния по выбранным каналам диагностирования, включающий замер текущих контролируемых параметров, их сравнение с предельно допустимыми, оценку технического состояния, по результатам которой выявляют дефекты (критические параметры технического состояния), после чего останавливают агрегат и проводят техническое сервисное обслуживание по устранению выявленных дефектов (несоответствий) (RU 2245533 С1, 27.01.2005).
Наиболее близкой к изобретению в части способа является система диагностирования центробежного перекачивающего агрегата, включающая датчики контролируемых параметров, соединенные с устройством сбора и корректировки информации, микропроцессорный блок управления агрегатом и содержащая каналы параметрического, вибрационного, ресурсного и экспертного диагностирования, соединенные с блоком формирования перечня параметров предельно допустимого уровня эксплуатации агрегата, который соединен с блоком формирования полной дефектной ведомости после останова и вскрытия агрегата, связанным с блоком формирования заявок и сроков ремонтно-восстановительных работ, один выход которого соединен с блоком функционально-стоимостного анализа, связанным с блоком оценки стоимости ремонта, а другой выход соединен с блоком окончательного формирования очередности и объемов ремонта, который также соединен с блоком формирования графиков очередности вывода агрегата в ремонт «по состоянию», с блоком контроля сроков и качества ремонта и с эксплуатационной и диспетчерской службами, причем блок формирования графиков очередности вывода агрегата в ремонт связан с каналами параметрического и вибрационного диагностирования (RU 2245533 С1, 27.01.2005). Информация поступает в подсистемы параметрической, вибрационной, визуально-оптической, ресурсной и экспертной диагностик состояния агрегата. Подсистемы соединены общим выходом последовательно с блоком формирования перечня параметров предельно допустимого уровня эксплуатации, с блоком формирования полной дефектной ведомости, с блоком формирования заявок и сроков ремонта, с блоком окончательного формирования очередности и объемов ремонта, который также соединен с блоком формирования графиков очередности вывода агрегата в ремонт «по состоянию», с блоком контроля сроков и качества ремонта, а также с эксплуатационной и диспетчерской службами.
Недостатком известных способа и системы является отсутствие контроля теплового состояния деталей и узлов агрегата и состава масла в системе смазки, что может привести к аварийному отказу агрегата.
Задачей группы изобретений является повышение надежности для обеспечения бесперебойной работы центробежного перекачивающего агрегата за счет комплексного, более полного охвата диагностируемых параметров технического состояния с формированием системы мониторинга, технического обеспечения и ремонта ЦПА «по степени критичности».
Технический результат достигается за счет того, что согласно изобретению способ повышения надежности работы центробежного перекачивающего агрегата заключается в том, что предварительно осуществляют оценку технического состояния путем проведения переносными средствами измерения комплексного диагностического обследования, включающего неразрушающие методы контроля и электрические испытания, по результатам комплексного обследования осуществляют сравнение фактических параметров по техническому состоянию оборудования с предельно допустимыми нормативными значениями и обеспечивают устранение выявленных несоответствий путем воздействия на соответствующие источники их происхождения, причем в последующей работе агрегата осуществляют автоматизированный мониторинг технического состояния по выбранным каналам диагностирования, включающий замер текущих контролируемых параметров, их сравнение с предельно допустимыми, оценку технического состояния, по результатам которой выявляют дефекты (критические параметры технического состояния), после чего останавливают агрегат и проводят техническое сервисное обслуживание по устранению выявленных дефектов (несоответствий).
Согласно изобретению неразрушающие методы контроля могут включать: визуально-измерительный, вибродиагностический, ультразвуковой, вихретоковый, тепловой, капиллярный контроль, твердометрию. Электрические испытания могут проводить путем измерения сопротивления статорных обмоток постоянному току, путем измерения сопротивления изоляции обмоток электродвигателя и коэффициента абсорбции, путем испытания изоляции обмоток повышенным напряжением постоянного тока, путем испытания изоляции повышенным напряжением переменного тока промышленной частоты, путем диагностирования развивающихся дефектов изоляции методом частичных разрядов, путем диагностирования возбудителя, путем измерения сопротивления изоляции подшипников, путем измерения сопротивления заземляющего устройства, путем измерения потерь холостого хода.
Согласно изобретению воздействие по устранению выявленных несоответствий параметров по техническому состоянию могут осуществлять путем капитального ремонта агрегата, реконструкции или модернизации фундамента, узлов, элементов агрегата, замены узлов элементов агрегата, наладки агрегата, с применением в узлах трения оборудования антифрикционных присадочных материалов.
Технический результат достигается также тем, что система диагностирования центробежных перекачивающих агрегатов, включающая датчики контролируемых параметров, соединенные с устройством сбора и корректировки информации, микропроцессорный блок управления агрегатом и содержащая каналы параметрического, вибрационного, ресурсного и экспертного диагностирования, соединенные с блоком формирования перечня параметров предельно допустимого уровня эксплуатации агрегата, который соединен с блоком формирования полной дефектной ведомости после останова и вскрытия агрегата, связанным с блоком формирования заявок и сроков ремонтно-восстановительных работ, один выход которого соединен с блоком функционально-стоимостного анализа, связанным с блоком оценки стоимости ремонта, а другой выход соединен с блоком окончательного формирования очередности и объемов ремонта, который также соединен с блоком формирования графиков очередности вывода агрегата в ремонт «по степени критичности», с блоком контроля сроков и качества ремонта и с эксплуатационной и диспетчерской службами, причем блок формирования графиков очередности вывода агрегата в ремонт связан с каналами параметрического и вибрационного диагностирования, согласно изобретению дополнительно содержит канал теплового диагностирования и канал непрерывного анализа масла, которые вместе с другими каналами диагностирования соединены с блоком формирования перечня параметров предельно допустимого уровня эксплуатации агрегата.
Введение в систему теплового канала диагностирования позволяет контролировать перегрев различных элементов ЦПА, который может привести к аварийной ситуации (отказу) в процессе эксплуатации.
Непрерывный анализ масла необходим в связи с изменением его физико-химических свойств в процессе эксплуатации.
Введение этих дополнительных каналов в систему диагностирования позволяет повысить надежность работы ЦПА.
Предложенный способ повышения надежности работы ЦПА обеспечивает помимо контроля вибропараметров возможность проводить комплексный контроль и оценку по всем жизненно-важным параметрам ЦПА для его надежной и бесперебойной работы.
Способ осуществляют следующим образом.
Определяют каналы диагностирования, исходя из обеспечения полноты оценки всех жизненно важных параметров ЦПА.
По выбранным каналам осуществляют оценку технического состояния путем проведения переносными средствами измерения комплексного обследования и сравнения фактических параметров по техническому состоянию оборудования с предельно допустимыми нормативными значениями.
Комплексное обследование включает неразрушающие методы контроля: визуально-измерительный, вибродиагностический, ультразвуковой, вихретоковый, тепловой, капиллярный, твердометрию, а также электрические испытания: измерение сопротивления статорных обмоток постоянному току, измерение сопротивления изоляции обмоток электродвигателя и коэффициента абсорбции, испытание изоляции обмоток повышенным напряжением постоянного тока, испытание изоляции повышенным напряжением переменного тока промышленной частоты, диагностирование развивающихся дефектов изоляции методом частичных разрядов, диагностирование возбудителя, измерение сопротивления изоляции подшипников, измерение сопротивления заземляющего устройства, измерение потерь холостого хода.
В процессе визуально-измерительного контроля выявляют поверхностные дефекты, отклонения от заданных нормативно-технической документацией требований. В качестве приборного обеспечения используются лупы измерительные, штангенциркули, набор щупов и др.
Вибродиагностический контроль проводят на перекачивающих агрегатах с использованием машинного анализатора модели CSI-2115. Обработку результатов исследований проводят с использованием специального программного обеспечения, с выдачей диагностической информации. Виброобследование перекачивающего агрегата производят в режиме нормального функционирования.
Целью виброобследвания является определение вибрационного состояния перекачивающего агрегата, выявление причин повышенной вибрации и разработка рекомендаций по их устранению.
Ультразвуковым контролем (УК) выявляются дефекты типа нарушения сплошности материала, внутренние и подповерхностные дефекты в виде трещин на теле валов роторов перекачивающего агрегата. УК осуществляют ультразвуковым дефектоскопом типа УД-2-70.
Вихретоковым методом контроля выявляются дефекты типа поверхностных и подповерхностных трещин. Данным методом контроля проверяются галтельные переходы, проточки на роторах перекачивающего агрегата. Вихретоковый контроль проводится прибором типа ВИТ-4. Он основан на взаимодействии внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте контроля.
Тепловой контроль производится на ответственных механизмах перекачивающего агрегата. Оценивается проходимость вентиляционных каналов. Определяется состояние обмотки электродвигателя на предмет отсутствия межвитковых замыканий по локальным нагревам корпуса электродвигателя.
В качестве прибора по тепловому контролю применяется, например, тепловизор AGEMA-500, который осуществляет визуализацию изображения нагретых тел и оценку их фактической температуры в отдельных точках методами сканирующей пирометрии и формирует видимое изображение. Тепловизоры позволяют определить нагрев электрооборудования и обнаружить развитие дефекта путем сравнения тепловых потоков, возникающих при работе исправного и неисправного оборудования в режиме нормального функционирования.
Для проведения капиллярного контроля предназначен комплект цветной капиллярной дефектоскопии «SHERWIN». Капиллярный метод предназначен для обнаружения поверхностных и сквозных дефектов в объектах контроля, их протяженности и ориентации по поверхности и основан на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей в полости поверхностных и сквозных несплошностей материала объектов контроля и регистрации образующихся индикаторных следов визуальным способом или с помощью преобразователя.
Твердометрия проводится с помощью ультразвукового измерителя твердости типа УЗИТ-3. Для проведения твердометрии выбирают четыре сечения вала ротора, измерения проводятся в четырех точках через 90 градусов в каждом сечении. Для твердометрии выбираются участки вала, имеющие различные диаметры сечения и отстоящие друг от друга не менее чем на 200 мм. По результатам измерения твердости оцениваются изменения механических свойств стали.
Электрические испытания включают измерение сопротивления статорных обмоток постоянному току, измерение сопротивления изоляции обмоток электродвигателя и коэффициента абсорбции, испытание изоляции обмоток повышенным напряжением постоянного тока, испытание изоляции повышенным напряжением переменного тока промышленной частоты, диагностирование развивающихся дефектов изоляции методом частичных разрядов, диагностирование возбудителя, измерение сопротивления изоляции подшипников, измерение сопротивления заземляющего устройства, измерение потерь холостого хода. Измерения, испытания и диагностирование по электрическим параметрам проводятся с целью определения технического состояния электрооборудования на ЦПА. Для этого используется стандартное приборное обеспечение.
Выявленные в результате комплексного обследования несоответствия устраняют путем воздействия на соответствующие источники их происхождения. Затем ЦПА включают в работу и в процессе последующей эксплуатации осуществляют автоматизированный мониторинг технического состояния по выбранным каналам диагностирования, исходя из обеспечения наиболее полного охвата жизненно важных параметров ЦПА. Мониторинг осуществляют с помощью системы диагностирования, которая обеспечивает замер текущих контролируемых параметров, их сравнение с предельно допустимыми, оценку технического состояния, по результатам которой выявляют дефекты (критические параметры технического состояния).
Блок-схема системы диагностирования приведена на чертеже. Система диагностирования содержит связанные с ЦПА 1, имеющим микропроцессорный блок управления 2, датчики контролируемых параметров 3, соединенные с устройством сбора и корректировки информации 4, одним выходом связанным с микропроцессорным блоком управления, а другим со следующими каналами диагностирования: параметрическим 5, вибрационным 6, тепловым 7, анализа масла 8, ресурсно-экспертным 9, выходы которых объединены и связаны с блоком 10 формирования перечня параметров предельно допустимого уровня эксплуатации ЦПА (предварительной дефектной ведомости узлов и деталей). Канал 5 параметрического диагностирования, кроме того, соединен с блоком 11 формирования выходящей параметрической информации, а канал 6 вибрационного диагностирования, кроме того, соединен с блоком 12 формирования выходящей информации о вибрационном состоянии (вибрационного состояния ЦПА и дефектов узлов и деталей, возникающих по вибрационным причинам). Блоки 11 и 12 соединены с блоком 13 формирования графиков очередности вывода ЦПА в ремонт «по степени критичности». Блок 10 соединен с блоком 14 формирования полной дефектной ведомости после останова и вскрытия ЦПА, который в свою очередь соединен с блоком 15 формирования заявок на запасные части, комплектования необходимых объемов и типов ремонтно-восстановительных материалов, расчетов стоимости и сроков проведения ремонтов, построения сетевых графиков. Блок 15 одним выходом соединен с блоком функционально-стоимостного анализа (ФСА) 16, связанным с блоком 17 оценки стоимости ремонта, а другой выход блока 15 соединен с блоком 18 окончательного формирования очередности и объемов ремонта, с которым также соединен выход блока 13. Блок 18 соединен с блоком 19 контроля сроков и качества ремонтно-восстановительных работ и необходимого ресурсного обеспечения эксплуатации ЦПА. Информационные связи предлагаемой системы диагностирования единичного ЦПА с основными функциональными службами, обеспечивающими функционирование ЦПА (эксплуатационная 20 и диспетчерская 21 службы), обозначены на чертеже пунктирными линиями. Аналогичные связи образуются в цехах, управлениях, объединениях.
Система диагностирования технического состояния работает следующим образом.
Сигналы от датчиков контролируемых параметров 3 после аналого-цифрового преобразования и масштабирования поступают в блок сбора и корректировки информации 4, обрабатываются по стандартным алгоритмам и, при отсутствии отклонений от заданных значений, поступают в микропроцессорный блок управления 2. При появлении отклонений в показаниях датчиков информация поступает в канал параметрического диагностирования 5, который оценивает текущее техническое состояния ЦПА по измеряемым параметрам. Объектами параметрического диагностирования являются давление на входе и выходе насоса, потребляемая мощность электродвигателя, напряжение и ток статора, напряжение и ток ротора электродвигателя, состояние обмотки статора, число оборотов ротора, частота, КПД, Cosφ электродвигателя. Таким образом обеспечивают выявление дефектов электродвигателя ЦПА на ранних стадиях их развития с целью принятия оптимальных управляющих решений с учетом фактического технического состояния агрегата. В случае выхода из строя какого-либо датчика его показания заменяются расчетной оценкой. Значения параметров состояния и интегральных показателей работы ЦПА накапливаются в блоке формирования выходящей параметрической информации 11, откуда поступают в блок 13 формирования графиков очередности вывода ЦПА в ремонт «по степени критичности». Канал вибрационного диагностирования 6 осуществляет вибромониторинг ЦПА по подшипниковым опорам насоса и подшипниковым стоякам электродвигателя в трех взаимно перпендикулярным плоскостях (X, У, Z). В вертикальном направлении канал 6 осуществляет вибромониторинг: фундаментная рама насоса - «лапа» насоса, фундаментная рама электродвигателя - станина электродвигателя, технологических (подводящего и отводящего патрубков насоса) и вспомогательных трубопроводов (система смазки подшипников ЦПА, система охлаждения электродвигателя, система утечек насоса и др.), и формирование файлов с результатами вибропараметров (спектры), которые по каналу связи передаются в блок 12 формирования вибрационного состояния ЦПА и дефектов узлов и деталей по вибрационным причинам. Обработанная информация поступает на второй вход блока 13, интегрируется с данными параметрической диагностики, и на выходе блока 13 в результате анализа тенденций изменения состояния агрегата и его узлов во времени автоматически формируются графики очередности вывода ЦПА в ремонт «по степени критичности». Эти данные затем поступают в блок 18, где используются для окончательного формирования очередности и объемов ремонтно-восстановительных работ в условиях недофинансирования. Тепловой канал диагностирования 7 обрабатывает информацию, получаемую с помощью термодатчиков, устанавливаемых в воздушном тракте входящего и выходящего воздуха системы охлаждения электродвигателя, а также обрабатывает информацию поступающих значений температур статора (железа и меди) электродвигателя, температуры корпусов подшипников ЦПА, температуры входящего и выходящего масла в подшипниках системы смазки ЦПА, температуры перекачиваемой нефти и выдает данные для разработки рекомендаций по дальнейшей эксплуатации ЦПА или выводу его в ремонт. Ресурсно-экспертный блок 9 осуществляет контроль остаточного гарантийного ресурса узлов и деталей ЦПА с фиксацией критического значения (менее 5% запаса). При превышении предела ресурса эксплуатации того или иного конструктивного элемента ЦПА вырабатывается предупреждающий сигнал.
По результатам анализа состояния конкретного конструктивного элемента и всего ЦПА в целом формируется информация, необходимая для принятия решения об останове ЦПА для замены дефектных узлов и деталей или для обоснования решения о продлении их ресурса. Информация от каналов 5 и 6, кроме того, передается в блок 10, куда также поступает информация от каналов 7, 8, 9, где осуществляется формирование перечня параметров предельно допустимого уровня эксплуатации ЦПА (предварительной дефектной ведомости). Из блока 10 информация поступает в блок 14, где осуществляется формирование полной дефектной ведомости после останова и вскрытия ЦПА. На основе этой информации в блоке 15 осуществляется формирование заявок на запасные части, комплектование необходимых объемов и типов ремонтно-восстановительных материалов, расчет стоимости и сроков проведения ремонтов, построение сетевых графиков. Далее в работу включается блок ФСА 16, в котором с учетом данных из блока 17 об объемах реального финансирования ремонтно-восстановительных работ и данных из блока 18 об окончательном формировании очередности объемов ремонтно-восстановительных работ в условиях недофинансирования формируется корректирующее предложение по изменению объемов и сроков работ в рамках оптимизации с учетом требуемого минимального ресурса эксплуатации ЦПА после ремонта. Далее информация обрабатывается и корректируется функциональными службами 20, 21 и передается в блок 18 для реализации ремонтно-восстановительных работ с обеспечением их контроля с помощью блока 19. Устранение выявленных дефектов осуществляют путем капитального ремонта, или реконструкции, или модернизации фундамента, узлов, элементов агрегата, замены узлов элементов агрегата, наладки агрегата, с применением в узлах трения оборудования антифрикционных присадочных материалов.
Предлагаемая система диагностирования открыта для поступления информации о триботехническом состоянии узлов трения, о химико-физическом составе масла системы смазки ЦПА, о техническом состоянии вспомогательного оборудования перекачивающих станций и т.д. Это позволяет эффективно проводить процедуры ФСА (оценку и минимизацию временных и стоимостных затрат), выводить в ремонт ЦПА «по степени критичности» без остановки ЦПА системами защиты, исключать предельный износ оборудования и предотвращать аварийные ситуации с нарастающим объемом дефектов, заблаговременно подготавливать необходимые ремонтные материалы и запасные части. В результате информативность и точность диагностирования ЦПА повышаются, и за счет расширения функциональных возможностей системы диагностирования обеспечивается возможность формирования на ее основе системы непрерывного технического обслуживания и ремонта (ТОР) ЦПА «по степени критичности».
Система непрерывного ТОР, предназначенная для использования в режиме мониторинга, позволяет создать базу данных о фактическом техническом состоянии ЦПА в реальном времени, прогнозирует дату проведения технического осмотра или ремонтов, отслеживает заявки на запасные части и узлы, формируемые на основе расчета, список и стоимость запасных частей, список и стоимость работ.
Таким образом, предложенная система обеспечивает возможность проведения постоянного мониторинга ЦПА, а также возможность сформировать и поддерживать базу данных оценки технического состояния «по степени критичности» на весь период жизненного цикла ЦПА, позволяет проводить экономически обоснованное техническое обслуживание и ремонт (ТОР) ЦПА.