Методы оценки технического состояния газоперекачивающих агрегатов

• Введение
• 1. Анализ критериев надежности ГПА
• 1.1 Виды отказов и периоды функционирования технической системы
• 1.1.1 Классификация отказов оборудования
• 1.1.2 Основные периоды функционирования оборудования
• 1.1.3 Связь характера отказов с периодами функционирования оборудования
• 1.2 Анализ статистических данных отказов ГПА
• 1.3 Классификация и анализ причин отказов ГПА
• 1.3.1 Ранжирование основных неисправностей ГПА
• 1.3.2 Анализ причин возникновения неисправностей ГПА
• 2. Анализ методов неразрушающего контроля технического состояния ГПА
• 2.1 Характеристика технического состояния ГПА
• 2.2 Методы неразрушающего контроля технического состояния ГПА
• 2.2.1 Вибрационная диагностика (динамический метод контроля)
• 2.2.2 Параметрическая диагностика (динамический метод контроля)
• 2.2.3 Диагностика деталей, омываемых маслом
• 2.3 Анализ методов диагностики ГПА
• 2.4 Алгоритм диагностирования ГПА
• 3. Методы оценки технического состояния ГПА
• 3.1 Идентификация неисправностей прогнозируемого ГПА
• 3.2 Алгоритмизация прогнозирования технического состояния ГПА
• 3.3 Управление работой КС с учетом фактора надежности
• 3.3 Повышение эффективности системы ТО и Р ГПА
• Выводы
• Список использованных источников

Актуальность темы

. Надежность и бесперебойная перекачка природного газа невозможна без эффективной работы газоперекачивающих агрегатов. Основными направлениями развития и оптимизации работы агрегатного парка остается повышение: надежности; экономичности; ремонто-пригодности; ресурса. Эти задачи, в определенной мере, являются противоречивыми, т.к. конструктивные недостатки практически невозможно исправить в процессе эксплуатации оборудования. Принципиальные возможности совершенствования эксплуатации и ремонта ГПА, отвечающие современным требованиям экологичности и безопасности основаны на решении теоретических и практических задач анализа надежности и безотказности сложных технических систем. Поэтому исследование и разработка эффективных методов контроля технологических параметров энергетической установки в период функционирования, выявление дефектов и неисправностей на ранней стадии их возникновения является весьма актуальной проблемой. Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует, что применение комплексных методов диагностики, позволяюших оптимизировать структуру обслуживания и снизить стоимость ремонта оборудования, является одним из важнейших средств повышения качества, надежности и экономической эффективности эксплуатации компрессорных установок магистральных газопроводов.

Комплексная оценка технического состояния потенциально опасных элементов технической системы в период эксплуатации в основном базируется на структурном анализе надежности ее компонентов, динамических безразборных методах контроля (диагностика по параметрам вибрации и термогазодинамическим характеристикам) и анализе загрязнений. Успех диагностирования в значительной мере обусловлен правильностью выбора информативных компонент для построения принципиальных диагностических моделей объекта и моделей распознавания и идентификации сигналов измерительных систем.

Однако далеко еще не решен вопрос распознавания трудноразличимых неисправностей по количественной и качественной оценке параметров колебательных процессов.

В целом, комплексное использование методов технической диагностики, обеспечивает возможность (при наличии современных универсальных аппаратных средств) эффективного контроля работоспособности энергетических установок, совершенствования системы обслуживания, снижения затрат на ремонтные операции, увеличения ресурса и оптимизации управления компрессорными станциями в составе АСУ газопроводов.

Состояние изученности темы. Исследованию задач повышения надежности трубопроводных систем, а также энергетического оборудования посвящены работы многих авторов. Наибольший вклад внесли А. И. Гриценко, Д. Т. Аксенов, В. Л. Березин, В. В. Болотин, Е. И. Яковлев, Р. Н. Бикчентай, СП. Зарицкий, В. А. Иванов, А. С. Лопатин, И. А. Иванов, Б. Н. Порщаков, А. Б. Шабаров, О. А. Степанов, и др.

Проведенный анализ литературных источников позволяет выделить то, что до последнего времени исследования в области повышения эксплуатационной надежности ГПА носили ограниченный характер и сводились в основном к решению отдельных частных задач по разработке упрощенных методов контроля и испытаний применительно к отдельным типам ГПА.

Цель работы. Исследование методов оценки технического состояния ГПА основанного на комплексных факторах и параметрах работы агрегата.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• систематизировать неисправности ГПА и проанализировать причины их возникновения;

• проанализировать методы исследования текущего технического состояния ГПА в период эксплуатации;

• исследовать методы оценки технического состояния ГПА и на основе этого, выявить основные аспекты повышения эффективности системы ТО и Р ГПА.

Объектами исследования являются ГПА компрессорных станций с газотурбинным приводом.

Научная новизна. На основании выполненных исследований получены следующие результаты:

• Выполнен системный анализ методов технической диагностики и исследованы оптимальные методы оценки текущего технического состояния компрессорной установки в период эксплуатации;

• Научно обоснованы принципы и предложены методы качественного анализа работоспособности, позволяющие описывать техническое состояние ГПА;

• Выявлены основные критерия повышения эффективности ТО и Р ГПА.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы из 25 наименований.

1. Анализ критериев надежности ГПА

1.1 Виды отказов и периоды функционирования технической системы

Отказы никогда не возникают мгновенно — всегда прослеживается некоторый конечный промежуток времени между причиной и следствием. Отказ возникает в случае, если вызвавшая его причина (или причины) не устранена за некоторый промежуток времени, в течение которого возможно предотвращение возникновения опасной ситуации, при условии, что опасность однозначно определена. Поэтому, методы исследования технического состояния агрегатов (техническая диагностика) базируются на поэлементной классификации отказов, которая является основой установления истинной причины выхода из строя оборудования.

1.1.1 Классификация отказов оборудования

Отказы, в соответствии со своей физической природой, могут характеризоваться как [2,5]:

· связанные с разрушением деталей и их поверхностей — поломки, различные виды повреждений и износа, коррозия, старение;

· не связанные с разрушениями — недостаточная вязкость масла, облитерация каналов подачи топлива и смазки, ослабление резьбовых, прессовых и т. д. соединений, нарушение регулировки узлов, дисбаланс. В соответствии с этим, отказы устраняют заменой деталей или комплектов, регулированием или очисткой.

По возможности дальнейшего использования изделий отказы различают:

— полные, исключающие возможность работы изделия до их устранения;

— частичные, при наличии которых изделие может использоваться с неполной мощностью или на пониженной скорости.

По характеру возникновения отказы определяются как: быстроразвивающиеся (аварийные) и постепенные (износ, старение, загрязнения и т. д).

При всем своем многообразии, в зависимости от вызвавших их причин, отказы можно подразделить на три группы [2,6]:

· первая группа — конструкционные отказы, являющиеся следствием: дефектов конструкции, погрешностей технологии производства и эксплуатационно-технической документации. Они одинаковы для всех других экземпляров данной системы или же для некоторой группы изделий. При обнаружении отказов этой группы на отдельных экземплярах могут приниматься решения о проведении доработок на остальных экземплярах или же выполнении мероприятий, исключающих появление подобного вида отказов;

· вторая группа — производственные отказы, которые вызваны случайным разбросом или ограниченностью сроков службы комплектующих элементов, случайными неблагоприятными сочетаниями разбросов параметров отдельных элементов в пределах установленных допусков, случайными неблагоприятными сочетаниями режимов работы или условиями эксплуатации и т. д. Характерной особенностью отказов данной группы является то, что они вызываются зачастую не повторяющимися для разных экземпляров системы причинами. Обнаружение отказов второй группы на одном экземпляре данной системы не дает оснований делать заключение о ненадежности остальных;

· третья группа — неизбежно-эксплуатационные отказы, происходящие в результате износа подвижных сопряжении и рабочих органов под влиянием сил трения или вследствие долговременного воздействия пульсирующих и знакопеременных нагрузок (силовых и температурных), коррозии.

При проектировании оборудования практически ни одно подвижное соединение (сопряжение) не проверяют на износостойкость и далеко не всегда используются наиболее эффективные средства снижения износа, учитывающие конкретные условия работы. Разрушения при износе имеют кумулятивный характер и являются результатом последовательного и многократного накопления повреждений. Отказы могут возникать также вследствие взаимодействия жидкостей и газов с поверхностями твердых тел — в процессе трения формируется «третье тело», что существенно изменяет молекулярную составляющую трения.

Все отказы, вне зависимости от принадлежности к той или иной группе, классифицируются по принципу [2]:

— первичные отказы;

— вторичные отказы;

— ошибочные команды.

Первичный отказ элемента определяют как нерабочее состояние, причиной которого является сам элемент, и необходимо выполнить некоторый объем ремонтных работ для возвращения его в рабочее состояние. Первичные отказы происходят при входных воздействиях, значения которых находятся в пределах, лежащих в расчетном диапазоне, а причины отказов обусловлены естественным старением элементов (например, «появление трещины в корпусной детали в результате естественного старения»).

Вторичный отказ подобен первичному, за исключением того, что сам элемент не является причиной отказа. Эти отказы появляются из-за воздействия предыдущих или текущих избыточных напряжений на элементы, которые могут быть вызваны любым видом нагрузок (или их комплексом), действующих на систему. Примером может служить сигнал «срабатывание системы защиты при повышенной вибрации подшипника», то есть подача сигнала защиты системы при превышении предельных значений функциональных параметров.

Ошибочные команды интерпретируются как элемент, находящийся в нерабочем состоянии из-за неправильного сигнала управления или помехи, при этом, как правило, для возвращения элемента в рабочее состояние ремонт не требуется.

Для оценки надежности системы и достоверности определения ее действительного технического состояния следует рассмотреть такое важное понятие как дефект — повреждение (нарушение целостности, сплошности, или нарушение правильности регулировки узлов и агрегатов) не приведшее к потере работоспособности оборудования. Обычно любому отказу предшествуют развивающиеся дефекты и неисправности. Поиск дефекта заключается в указании с определенной степенью точности его местоположения в объекте (и) или прогнозирование его развития на установленном отрезке времени эксплуатации агрегата. Сложность этого поиска в том, что каждый элемент, участвуя в рабочем процессе, испытывает воздействие со стороны соседних элементов. Степень этого воздействия обусловлена структурой системы и процесс поиска дефектов неизбежно должен прослеживать эту взаимосвязь. Анализ причин возникновения отказов в период эксплуатации, а так же классификация отказов по группам, являются важнейшими этапами исследования надежности технических систем и их своевременной диагностики.

1.1.2 Основные периоды функционирования оборудования

В целях правильной классификации типа отказов и оценки возможности их возникновения следует различать три периода функционирования оборудования [2,7,8]:

· период приработки — обычно происходит при работе агрегата на холостом ходу с постепенным нагружением для предотвращения повреждений в начальный период работы. Этот период характеризуется повышенной интенсивностью отказов, с его окончанием связывают срок гарантийного обслуживания;

· период нормальной эксплуатации — интенсивность отказов снижается, стабилизируется и изменяется во времени незначительно. Время появления отказа не связывают с предыдущей наработкой изделия;

· период интенсивного износа элементов системы характеризуется увеличением общего количества отказов.

1.1.3 Связь характера отказов с периодами функционирования оборудования

Опыт эксплуатации показывает, что изменение интенсивности отказов функционально связанных элементов по времени для большинства узлов и агрегатов носит характер кривой [2,9] изображенной на рисунке 1.2.

Рисунок 1.1. Зависимость интенсивности отказов от времени эксплуатации

Для выявления и устранения дефектов в первом периоде проводят приемосдаточные испытания. Ресурс изделия назначают от окончания первого периода до окончания третьего. Считается, что замена изношенных деталей новыми, целесообразна только во втором периоде, так как профилактическая замена узлов и элементов в третьем периоде снижает общий уровень надежности изделия. В этой связи ставится задача соотнесения видов отказов с периодами работы оборудования, которые, в зависимости от типа машины, могут считаться довольно стабильными. Вследствие этого возникает необходимость оценить количественную сторону появления той или иной группы отказов в установленный период функционирования системы.

Каждый период эксплуатации характеризуется определенными проявлениями видов отказов первой, второй и третьей групп. В начале периода приработки системы преобладают отказы первой группы, а с течением времени, по мере накопления информации об отказах и проведении мероприятий по их устранению в конце этого периода они практически достигают своего минимума. В период нормальной эксплуатации преобладают отказы второй и третьей групп, а в начале третьего периода снова появляются отказы первой группы, обусловленные износом элементов и системы в целом. Во временном промежутке этого периода удельный вес отказов первой и третьей групп увеличивается [2,11].

Помимо воздействий со стороны функционально связанных элементов, некоторые системы компрессорной установки подвергаются воздействию внешних факторов и управляющих команд [2,3]. Влияние внешних воздействий обычно может проявляться, например, для турбоагрегата, в разбросе плотности и состава компонентов топливного или перекачиваемого газа, давлений на входе в камеры сгорания (турбокомпрессоры) или камеры сжатия (центробежные нагнетатели), геометрических параметров конструкции (действие разноразмерности в пределах установленных допусков), гидравлических характеристик маслосистем, магистралей и газовых трактов и т. д.

Степень влияния отказов элементов на работоспособность всей системы в целом выражают с помощью структурной схемы надежности. Статистика отказов является до настоящего времени основным источником информации для суждения о надежности изделия. Это сигнал обратной связи, дающий представление (с большим запозданием) о том, насколько конструкция, технология, условия эксплуатации и технология проведения ремонтных операций обеспечивают желаемые показатели надежности.

1.2 Анализ статистических данных отказов ГПА

Для ГПА одним из основных критериев надежности является его безотказная работа в течение установленного периода времени во всем диапазоне режимов работы.

Наибольшую опасность для ГПА представляют внезапные отказы, в результате которых разрушается механическая часть агрегата и теряется его работоспособность. Возникает необходимость аварийной остановки ГПА для уменьшения последствий разрушений и безопасности персонала КС.

Возникновение отказов, как правило, связано с первичной неисправностью конструктивного или эксплуатационного характера и постепенным накоплением повреждений, ухудшающих работоспособность агрегата. Однако, существует и постепенное накопление изменений, вызывающих в какой-то момент релаксацию, воспринимаемую техническим персоналом как мгновенное повреждение. Наибольший интерес при исследовании надежности агрегатов представляют мгновенные и износные отказы. Знание характера распределения, а также видов износных отказов крайне необходимо для научного обоснования сроков проведения объема планово-предупредительных работ на станциях. Правильная организация планово-предупредительного ремонта в значительной мере способствует снижению числа отказов в период нормальной эксплуатации. В промежутках между планово-предупредительными работами проявляются внезапные и лишь частично износные отказы, обусловленные интенсивным износом, превышающим нормативные пределы. В период нормальной эксплуатации отказы являются следствием несовершенства отдельных конструктивных элементов или резкого изменения режимов эксплуатации. Поскольку они носят случайных характер и не могут быть полностью устранены, то при оценке надежности КС основное внимание уделяется учету именно этого вида отказов. Внезапные отказы отдельных деталей агрегата, как правило, между собой независимы.

Основные комплексные показатели надежности агрегатов свидетельствуют о том, что применяемые на КС ГПА эксплуатируются при оптимальных условиях и выполнены на достаточно высоком конструкторско-технологическом уровне, т.к.:

коэффициент готовности 1,00

коэффициент технического использования 0,85

коэффициент загрузки 0,46

При исследовании механического состояния деталей агрегата для удобства анализа причин возникновения аварийных ситуаций агрегаты подразделяют на механическую часть и систему автоматики. Такое условное деление позволяет объективно изучить виды аварий.

Следует отметить, что основными причинами отказов агрегатов являются:

· нарушения в электроснабжении;

· функциональные неисправности, представляющие наибольший интерес для их детального анализа. К ним относятся дефекты лопаточного аппарата и ротора газовой турбины (40−50%), камеры сгорания (25%), подшипников (6%), лабиринтовых уплотнений (4%) и оставшихся вспомогательных устройств;

· нарушения в работе КИП и А. Дефекты электронных мостов и потенциометров (59%).

В качестве показательного примера представлены данные об аварийных остановках ТУМГ за 2002 год (табл. 1.1).

Таблица 1.1 — Показатели аварийных остановок газоперекачивающих агрегатов Тюменского УМГ за 2002 год

Функциональные неисправности условно можно разделить на две группы:

· конструктивные дефекты, т. е. нарушения в технологии изготовления оборудования и узлов агрегата — около 80%;

· эксплуатационные неисправности — около 10% от всех причин отказов агрегатов.

Таким образом, для сокращения множества внезапных отказов в период нормальной эксплуатации ГПА необходимо создать системы контроля технического состояния для распознавания неисправностей на ранней стадии их развития, путем внедрения расширенных средств диагностики, а также повысить общую культуру эксплуатации и получения информации о показателях надежности энергетического оборудования КС.

газотурбинный привод технический агрегат

1.3 Классификация и анализ причин отказов ГПА

1.3.1 Ранжирование основных неисправностей ГПА

Для осуществления процесса распознавания неисправностей необходимо все неисправные состояния соответствующим образом классифицировать и описать их признаки. Количество классов зависит от того, насколько достоверно и полно описаны все неисправные состояния, имеющие ясно выраженные признаки в виде характерного изменения параметров рабочего процесса.

Информацией о неисправных состояниях являются реализации некоторых параметров рабочего процесса, которые могут быть приняты в качестве диагностических признаков. Реализация признаков и вероятностей неисправных состояний определяет априорные сведения о состоянии агрегатов. В общем случае количество неисправных состояний и их классов бесконечно велико. Для формулирования и решения задачи распознавания принимается допущение о том, что все неисправности можно объединить в конечное число классов, каждый из которых характеризуется конечным числом признаков. К определенному классу относятся неисправности одного наименования и вида.

Неисправности ГПА можно классифицировать по следующим признакам.

Принадлежность к отдельным узлам.

Влияние на работоспособность:

а)неисправности, приводящие к снижению ресурса узлов и детали;

б)неисправности, приводящие к изменению характеристик функционирования.

— Описывающие их признаки:

а)неисправности, диагностические параметры которых определяются прямым измерением;

б)неисправности, диагностируемые;

в)неисправности, оцениваемые по условиям, приводящим к их возникновению, определяются по косвенным признакам.

Перечень возможных неисправностей ГПА в процентном состоянии представлен в таблице 1.2.

Элементы и узлы отдельно ГТД по возникновением неисправностей располагаются в следующей последовательности по убывающей частоте:

рабочие лопатки, ротор, направляющие лопатки и диафрагма турбины;

подшипники;

камера сгорания и газоходы горячих газов;

рабочие лопатки и ротор компрессора; направляющие лопатки компрессора;

теплообменники и выходные газоходы;

корпус и уплотнения;

вспомогательные устройства и системы;

фундамент и прочие.

Таблица 1.2 — Перечень эксплуатационных неисправностей ГПА компрессорных станций

Рассмотрев более подробно причины возникновения основных неисправностей, пути их выявления и устранения, можно сделать выводы о значимости основных параметров характеризующих возникновение и развитие неисправного состояния агрегата.

1.3.2 Анализ причин возникновения неисправностей ГПА

Лопатки ОК выходят из строя по следующим причинам:

· динамические напряжения из-за усилий со стороны потока циклового воздуха и центробежных сил (от массы), действующих на всех режимах работы ГТД;

· низкая конструктивная надежность лопаточного аппарата;

· плохое состояние поверхности, нарушение посадки лопаток;

· нарушение технологии изготовления.

Разрушение лопаток приводит к нарушению устойчивой работы ОК и всего агрегата в целом. Очень редко, но случаются разрушения пазов лопаток с их выбросом в проточную часть, что приводит к крупнейшим поломкам [14, 15].

Как правило, разрушение лопаток начинается с образования усталостных трещин, которые возникают в основном на выходных кромках и реже на входных. Признаками разрушения металлических деталей компрессора при оценке технического состояния лопаточного аппарата являются вкрапления, риски, задиры, обломы. Отклонения от технологии изготовления приводят к нарушению частотных характеристик лопаток как ротора, так и статора, а следовательно, к расширению диапазона резонансных режимов лопаток, что может служить причиной образования трещин. К образованию трещин также может приводить срыв потока с появлением на концах лопаток вихрей, из-за которых возникают колебания лопаток, причем формы колебаний могут быть изгибно-крутильными или пластинчатыми в зависимости от частот резонансных колебаний. В связи с этим при оценке состояния лопаток в качестве диагностического параметра рассматривается не только максимальное напряжение у_max, но и амплитуда напряжений a_max/a_min [14, 15, 16].

Основные причины, влияющие на разброс напряжения в пределах проточной части ОК, носят конструктивно-производственный и эксплуатационный характер.

К конструктивно-производственным относятся случайные отклонения в геометрии профиля, в технологии изготовления, регулирования, к эксплуатационным — неравномерность воздушного потока при отклонениях рабочих режимов, различная наработка отдельных лопаток, а следовательно, и их разный износ. Очень часто разрушения лопаток происходят вследствие эрозионного износа, причем он тем больше, чем больше концентрация пыли. На износ также влияет взаимное расположение направляющих и рабочих лопаток ротора и статора и характер механических примесей. Причем больше всего этому виду износа подвержены входная и выходная кромка, верхняя часть рабочих лопаток и лопатки направляющего аппарата.

Разрушение лопаток ОК связано с высоким уровнем динамических нагрузок, вызванных потоками циклового воздуха и неустойчивостью работы ОК.

При постоянной частоте вращения и неустойчивой работе наблюдается уменьшение расхода циклового воздуха и увеличение степени повышения давления. Причинами возникновения неустойчивости работы компрессора являются следующие эксплуатационные факторы:

· повышение сопротивления всасывающего тракта вследствие загрязнения фильтров;

· эрозионный износ лопаток, трещины и обрыв направляющих и рабочих лопаток, что ухудшает КПД компрессора з_ок неудовлетворительное состояние проточной части из-за загрязнения лопаточного аппарата, т. е. увеличение сопротивления д_ок.

Потеря устойчивости, помпаж проявляются в повышении температуры перед турбиной Т₂, уменьшении частоты вращения n, повышении расхода топливного газа М_т, а также в повышении уровня вибрации ротора турбокомпрессора и всего агрегата.

Неисправности дисков турбин возникают из-за неправильной их сборки, низкого качества поковок и механической обработки, коррозии поверхности, плохого контроля диска после его изготовления и из-за перегрева во время работы.

Состояние диска и лопаток турбины связано с воздействием высоких температур, вызывающих прогары и коробление в корпусе турбин, трещины в дисках ротора турбины, трещины и обрыв рабочих и сопловых лопаток, что связано с изменением политропического коэффициента полезного действия турбины з_т и площади соплового аппарата F_c. К основным неисправностям относятся также рост утечек в газовоздушном тракте высокого давления вследствие разрушения лабиринтных уплотнений, а также загрязнения газовоздушного тракта и изменения его геометрии, что связано с изменением гидравлического сопротивления д_вз [14, 15, 16].

Основные неисправности камеры сгорания, встречающиеся в эксплуатации:

· трещины и прогар жаровых труб термического происхождения вследствие нагарообразования на стенах труб и рабочих форсунок, что связано с неполным сгоранием топлива, характеризующимся N_кс, и вызывает значительную неравномерность температурного поля перед турбиной высокого давления;

· загрязнение фильтров и закоксованность горелок, сказывающееся на уменьшении расхода топливного газа и изменении температуры рабочего тела после камеры сгорания.

Разрушения в камере сгорания могут явиться причиной вторичных разрушений лопаток и дисков турбины.

Подшипники опор ротора могут выйти из строя, если использовался материал с дефектами, нарушались технологии изготовления и монтажа детали и узлов опор, условие работы подшипника, происходил срыв масляного клина или наблюдалась хотя бы кратковременная неподача масла в опору, все указанные причины приводят к усталостным режимам.

Одними из основных причин выхода из строя подшипников опор являются изменение зазоров и посадок и неподача масла. Зазор изменяется вследствие температурных перепадов при пуске двигателя в условиях низких температур, проворачивания колец на валу или корпусе из-за нарушений технологии сборки. При неподаче масла к подвижным частям подшипника возможны оплавления поверхности сепаратора и его гнезда, при недостаточной подаче смазки или ее периодическом нарушении беговые дорожки имеют приработанную, гладко укатанную поверхность с завальцо-ванными краями, а наплавленный слой имеет гладкую поверхность и равномерную толщину на всей окружности беговых дорожек. В этом случае происходит повышение температуры поверхностей тел качения, в результате чего зазор уменьшается и может произойти заклинивание и скольжение по беговой дорожке. Это приводит к оплавлению материала тел качения и его налипанию на беговые дорожки, материал колец подвергается усиленному износу, оплавляются и изнашиваются гнезда под тела качения. Как показывает опыт эксплуатации, в первую очередь разрушается подшипник средней опоры, который расположен в зоне более высоких температур. Передние и задние подшипники, как правило, разрушаются при работе турбины длительное время в условиях недостаточной подачи масла. Разрушение средней опоры приводит к смещению ротора в осевом направлении, выбору зазора между деталями ротора и корпуса, в результате чего происходит интенсивное изнашивание деталей ротора и корпуса и возникает резкое торможение ротора из-за задевания его лопаток за лопатки направляющего аппарата с последующим помпажем и заклиниванием ротора. Ротор ГТУ может подвергаться повреждениям при работе на критических режимах вследствие возникновения высокого уровня вибрации при резонансах. Это может привести к появлению трещин на силовых стойках элементов корпуса, одностороннему износу опор, разрушению сепараторов подшипников, деформации вала, заклиниванию ротора и др [14, 15, 16].

Ухудшение состояния регенератора связано с повышением сопротивления тракта низкого давления, а также с ростом утечек рабочего тела через неплотности теплообменных поверхностей.

Работоспособность нагнетателя определяется устойчивостью работы, надежностью уплотнения «масло-газ», упорного подшипника, состоянием проточной части. Аэродинамические нагрузки, возникающие при неустойчивой работе, передаются на элементы рабочего колеса и опорные подшипники, вызывая их разрушение, что обусловливает увеличение момента сопротивления, рост уровня вибрации ротора силовой турбины. Разрушение подшипников характеризуется ростом температуры смазки подшипника.

Неисправности в системах КИП и А, смазки, регулирование, охлаждение, подача топливного газа также являются причинами аварийных ситуаций и отказа оборудования.

Основной дефект ротора ТВД — повышенное торцевое биение, приводящее к неуравновешенности ротора, а следовательно, к повышенной вибрации. Этот дефект возникает главным образом на роторах, имевших его раньше и отремонтированных на заводе. Таким образом, вторичное появление торцевого биения объясняется неудовлетворительной технологией восстановительных работ. Первоначальное торцевое биение возникает в результате действия переменных сил при задевании лопаток.

В процессе длительной эксплуатации происходит постепенное ухудшение физических и механических свойств материала, нарушение соединений отдельных узлов и деталей, рост статических, динамических, термических напряжений в элементах агрегатов. Возникают процессы старения, износа, коробления, растрескивания материалов. Отдельные узлы и детали приходят в неисправное состояние. Хотя в целом агрегат продолжает сохранять работоспособность, такое состояние определяется как постепенный отказ. Возникновение постепенных отказов связано с длительностью работы агрегатов и проявляется в ухудшении технических показателей этих агрегатов [14, 15, 16].

Отрицательные последствия постепенных отказов заключаются в снижении мощностей и КПД ГПА, увеличении затрат на восстановление его работоспособности, создании предпосылок для появления аварийных ситуаций. Для ГПА наибольшую опасность представляют внезапные отказы, в результате которых разрушается механическая часть агрегата и теряется его работоспособность. Возникает необходимость аварийной остановки ГПА для уменьшения последствий разрушений и для безопасности персонала КС.

К наиболее напряженным элементам агрегатов относятся: ОК, турбина, нагнетатель и камера сгорания. Их детали работают в условиях действия высоких статических, динамических и тепловых нагрузок и определяют надежность механической части агрегатов в целом. Надежность ОК определяется главным образом надежностью лопаточного аппарата. Основную нагрузку на лопаточный аппарат ОК создают динамические усилия со стороны потока циклового воздуха и центробежные силы от собственного веса, которые действуют постоянно при всех режимах работы ГПА.

Надежность турбины определяется работоспособностью диска ТВД и аппарата лопаток, которые подвержены действию различных нагрузок. Наиболее благоприятным по температуре режимом для диска ТВД является пусковой. В момент пуска возникают повышенные термические напряжения, которые в сочетании с напряжениями от центробежных сил могут значительно ухудшить состояние узла посадки диска на вал и привести к перегрузке штифтов.

Наиболее опасный режим для лопаток турбины — аварийная остановка агрегата, когда отключается камера сгорания и резко снижается температура потока. При этом вследствие значительной неравномерности температурного поля возникают высокие напряжения растяжения, складывающиеся с напряжением от центробежных сил.

Надежность нагнетателя определяется работоспособностью колеса, уплотнения «масло-газ» и упорного подшипника. Колеса нагнетателей при работе нагружены центробежными силами собственного веса и силами аэродинамического характера, влияние которых зависит от объемной производительности. При малых расходах и высоких степенях сжатия возможна неустойчивая работа нагнетателя, при которой на колесо со стороны потока газа действуют значительные переменные усилия. Происходит резкое колебание давления и расхода газа. Неустойчивая работа нагнетателя, т. е. помпажный режим, может возникнуть из-за увеличения сопротивления на входе или выходе из нагнетателя и т. д.

Работоспособность торцевого уплотнения зависит от перепада давления и сжатия пружины, частоты и температуры масла, вибрации ротора.

Работоспособность камеры сгорания оказывает существенное влияние на надежность ГПА, так как повреждение ее элементов приводит к вынужденным остановкам, а неудовлетворительная организация горения снижает долговечность лопаток турбины. Основные элементы камеры сгорания (жаровая труба, экран, смеситель, фронтовое устройство и пламеперекидной патрубок) работают при высоких температурах и подвержены влиянию пульсаций потока продуктов сгорания [14, 15, 16].

К важному фактору, определяющему работоспособность ГПА, относится уровень вибрации опорных систем ОК и турбины. Вибрация подшипников нагнетателя не является показательной характеристикой действующих усилий, поскольку корпус имеет несоизмеримо более высокую жесткость и массу по сравнению с ротором, и поэтому изменение вибрационного состояния ротора практически не меняет уровень вибрации его подшипников.

1. Произведен анализ причин возникновения отказов в период эксплуатации, а так же классификация отказов по группам, которые являются важнейшими этапами исследования надежности технических систем и их своевременной диагностики.

2. Для сокращения множества внезапных отказов в период нормальной эксплуатации ГПА необходимо создать системы контроля технического состояния для распознавания неисправностей на ранней стадии их развития, путем внедрения расширенных средств диагностики, а также повысить общую культуру эксплуатации и получения информации о показателях надежности энергетического оборудования КС.

2. Анализ методов неразрушающего контроля технического состояния ГПА

2.1 Характеристика технического состояния ГПА

Под термином «техническое состояние» (ТС) понимается совокупность подверженных изменениям в процессе эксплуатации свойств объекта, характеризуемая в определенный момент времени признаками, установленными стандартами или его технической документацией. Совокупность условий, удовлетворяющих или не удовлетворяющих требованиям, определяющим исправность, работоспособность или заданную точность функционирования объекта, образует соответствующие виды его технического состояния.

Определение вида технического состояния возможно, если известны:

· конфигурация технической системы в целом и ее элементов в частности;

· требования и оптимальные параметры функционирования системы, заданные в технической документации;

· предельно-допустимые значения функциональных параметров;

· эталонные характеристики конкретного агрегата, полученные экспериментальным путем;

· действительное техническое состояние как системы в целом, так и отдельных ее элементов, выявленное доступными методами диагностирования.

При определении технического состояния системы необходимо с высокой степенью достоверности установить начальные состояния входящих в нее элементов — то есть следует осуществить проведение диагностики агрегата непосредственно после окончания ремонтных операций. Все элементы, как уже отмечалось ранее, которые могут иметь больше одного рабочего состояния, создают различные начальные условия. Например, начальное количество смазочного материала в маслобаке может быть регламентировано: событие «бак полный» становится одним рабочим состоянием, а «бак с предельно-допустимым уровнем масла» является другим состоянием. Необходимо так же, с достаточной степенью точности установить рабочий отрезок времени функционирования технической системы: режимы работы компрессорных установок при пуске и остановке могут создавать разного рода опасные условия, отличающиеся от установившихся режимов работы. Это наиболее наглядно можно проследить по изменению параметров запуска турбоприводов или конвертированных авиационных двигателей в условиях пониженных (ниже 0°С) или повышенных (выше 40°С) температур окружающей среды [2,9].

Виды технических состояний:

• Исправен — полное соответствие требованиям технической документации;

• Неисправен — несоответствие хотя бы одному из этих требований;

• Работоспособен — может выполнять заданные функции;

• Неработоспособен — не может выполнять заданные функции, не выходя за пределы, оговоренные технической документацией;

• Правильное функционирование — выдерживание заданных алгоритмов, особенно при пуске, маневрировании;

• Неправильное функционирование — броски нагрузки, помпаж нагнетателя, компрессора и т. п.;

ГПА может быть неисправным, но работоспособным с какими-то ограничениями, например по степени сжатия нагнетателя, по оборотам турбины.

• Внезапный отказ — неожиданное аварийное изменение технического состояния;

• Постепенный отказ — развивающееся изменение технического состояния узлов и систем ГПА и контролируемых параметров.

Техническое состояние ГПА описывается совокупностью диагностических признаков. Достаточное количество информации по возможным техническим состояниям, как отдельных элементов, так и самой системы в целом, дает возможность составить подробные описания вариантов развития процессов (сценария) деструкции оборудования, их взаимосвязей и конкретно определить возможные конечные нежелательные события (возникновение дефекта, неисправности, отказа).

2.2 Методы неразрушающего контроля технического состояния ГПА

В настоящее время для диагностики газоперекачивающих агрегатов практикуется в основном пять групп методов неразрушающего контроля текущего технического состояния сложной технической системы [2, 7].

1. Динамические методы — контроль вибраций, шумов, ПДК вредных выбросов, путевой контроль текущих параметров (параметрическая диагностика).

2. Дефектоскопия — совокупность методов неразрушающего контроля, предназначенных для обнаружения и предупреждения появления дефектов или определенного типа разрушений таких как: нарушение сплошности и однородности материала и изделия, испытания на герметичность, контроль за скоростью коррозии, эмиссией волны от нагрузки, определение запахов и т. д. (большая часть этих методов используется при определении повреждений элементов машин после разборки в процессе ремонта).

3. Контроль загрязнений — метод определения присутствия продуктов износа в смазке, который соотносится качественно и количественно со степенью изнашивания того или иного элемента в парах трения.

4. Анализ тенденций — это прогнозирование развития обнаруженного дефекта (или неисправности) во времени с целью предупреждения возникновения критических ситуаций.

5. Анализ предпосылок — задачи «генеза», предупреждение появления возможных нежелательных событий в соответствии с разработанным деревом отказов, на основании «прецедентов», изучения технической и ремонтной документации, опыта эксплуатации.

Первые три метода можно отнести к активному (оперативному) контролю, остальные — к пассивному. Наилучшим образом задачи диагностики решаются при комплексном использовании различных методов.

Из методов активного контроля текущего технического состояния системы, в период нахождения агрегата в рабочем состоянии наиболее важны первый и третий: динамический (вибрационная и параметрическая диагностика) и контроль загрязнений.

2.2.1 Вибрационная диагностика (динамический метод контроля)

При работе ГПА все его детали, узлы и агрегаты совершают вынужденные и резонансные колебания, которые зависят от величины и характера возмущающих сил, упругомассовых характеристик элементов конструкции, на которые, в свою очередь, влияет ряд конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. В общем случае вынужденные колебания систем ГПА имеют в основном механическое, аэродинамическое и электрическое (в случае использования в качестве привода компрессора электродвигателя) происхождение. К источникам колебаний механического происхождения относятся: неуравновешенные силы процесса, обусловленные силами трения (качения или скольжения) и взаимодействие элементов конструкции через упругие связи. Источники колебаний аэродинамического происхождения — переменные силы возмущающего потока газа в проточной части агрегата вследствие пульсации потока, неравномерность потока в радиальном и осевом направлениях, переменные импульсы, создаваемые вращающимися лопатками ротора, неравномерность сгорания топлива, вибрация трубопроводов и т. д.

В общем случае диагностика повреждений по параметрам вибрации конструкций осуществляется в три этапа [2, 5]:

1. Улавливание и регистрация сигналов вибраций, исходящих от работающего агрегата с помощью специальных датчиков. На этом этапе получают исходные данные, необходимые для последующего анализа вибрации (этап сбора информации).

2. Первичная обработка сигналов с помощью измерительных устройств, предварительный анализ сигналов, с выделением существенных и отбрасыванием несущественных данных.

3. Оценка состояния конструкции. Этап принятия решений, на котором экспериментальные данные сравнивают с эталонными, что позволяет оценить состояние системы и, при необходимости, принимать оперативные решения.

При исследовании вибраций в широком диапазоне датчик посылает сигналы, образованные всеми составляющими спектра колебаний, которые воспринимаются прибором, регистрирующим не только частоты следования сигналов, но и модуляции амплитуд. Это дает возможность не только с большой степенью точности установить наличие развивающегося дефекта или неисправности, но и проследить интенсивность его развития за определенный период времени. Чтобы установить элемент, подвергающийся износу, нужно выделить сигналы колебаний, полученных от каждого компонента агрегата. Таким образом, каждая деталь вибрирует на определенной дискретной частоте, с амплитудой, изменяющейся в зависимости от интенсивности развития дефекта. Будучи отображенной на виброграмме, эта амплитуда образует пик, выходящий за пределы «белого шума» (спектральный анализ в виде огибающей) или отдельные всплески (в случае линейчатого отображения спектра). Если эти пики или всплески с течением времени в последующих спектрах имеют тенденцию к возрастанию, то это означает, что дефект продолжает развиваться. Все методики расшифровки виброграмм, а, следовательно, и установления места нахождения и степени развития неисправности, базируются, в основном, на соотнесении найденных экспериментально или теоретически графических форм спектров вибрации со спектрами колебаний, полученными при исследовании объекта диагностики. Однако, в настоящее время имеется довольно много проблем с расшифровкой спектров вибраций взаимозависимых неисправностей — то есть таких, когда сложно указать первопричину возникновения одной из них.

Поэтому весьма важны разработки новых методов, дающих возможность распознать по спектрам вибрации трудноразличимые неисправности.

2.2.2 Параметрическая диагностика (динамический метод контроля)

Поиск неисправностей и зарождающихся дефектов в проточной части центробежного компрессора (осевого компрессора, турбины) не может ограничиваться только данными вибродиагностики, которая дает около 60% достоверной информации о состоянии газовоздушного тракта. Поэтому, для своевременного получения информации о состоянии проточной части и характере течения потока газа необходимо произвести оценку текущих параметров газового потока, отклонение которых от допускаемых норм может привести к выходу из строя узлов и агрегатов компрессора. Своевременное выявление опасных режимов, в случае их возникновения, позволит предотвратить отказы и избежать аварийных ситуаций.

Определение технического состояния газового тракта центробежного нагнетателя компрессорной установки (а так же осевого компрессора при использовании газотурбинного привода) осуществляется методами функционального диагностирования [2, 16], основанного на анализе результатов измерений отклонений основных измеряемых рабочих параметров (признаков) — прямой метод анализа. В случае, если некоторые значения диагностических параметров не поддаются непосредственному измерению, их значения определяются математической обработкой других измеряемых параметров, связанных с ними физическими и математическими зависимостями с учетом возможных погрешностей систем и способов измерения (косвенный метод анализа). Метод позволяет выявить только те неисправности, которые вызывают изменение отклонений термогазодинамических параметров (давлений, температур, расхода газа) от средних, заданных технической документацией значений. Основная сложность контроля технического состояния проточной части центробежного нагнетателя заключается в трудности математического моделирования или количественной оценки процессов, протекающих в нагнетателе, что приводит к сложным проблемам установления достоверного диагноза за приемлемый промежуток времени.

Сущность параметрической диагностики заключается в [2, 17]:

постоянном или периодическом контроле текущих параметров газового потока и состояния проточной части;

сравнения полученных данных с эталонными характеристиками;

количественное и качественное определение отклонений, учитывая погрешности измерения;

предупреждение обслуживающего персонала компрессорной установки о приближении режима работы системы к критическим точкам (задолго до срабатывания аварийных систем) или появлении нежелательных явлений в работе газового тракта.

Следует отметить, что, несмотря на сложность составления методик параметрической диагностики и проведения расчетов по разработанным математическим моделям, этот метод оценки технического состояния проточной части ГТУ и нагнетателя, как показали экспериментальные проверки, дает весьма удовлетворительный результат.

2.2.3 Диагностика деталей, омываемых маслом

При вполне удовлетворительном техническом состоянии агрегата и его опорных узлов необходимо иметь сведения об интенсивности и характере износа поверхностей трения. В этом случае требуется диагностирование состояния узлов трения на основе анализа смазочного масла. Метод диагностирования технического состояния деталей компрессора, омываемых маслом, по содержанию в нем продуктов износа характеризует высокая достоверность оценки. Его применение основывается на допущении, что при взаимном перемещении контактирующих поверхностей деталей происходит их износ и перенос субмикроскопических частиц износа потоком масла. Подвижный контакт между металлическими деталями любой механической системы всегда сопровождается износом, который является причиной последующего увеличении количества частиц износа. При вполне удовлетворительном техническом состоянии агрегата и его опорных узлов необходимо иметь сведения об интенсивности и характере износа поверхностей трения. В этом случае требуется диагностирование состояния узлов трения на основе анализа смазочного масла.

Следует отметить, что при эксплуатации исправной системы частицы допустимого износа образуют в масле пастообразную массу с низкой вязкостью и практически не оказывают заметного влияния на изменение темпов износа контактирующих поверхностей. Размер этих частиц остается практически постоянным, примерно 25−10^-3 мкм.

В процессе постепенного разрушения деталей поток масла, омывающий их, систематически уносит продукты разрушения из зоны трения. В смазываемой системе эти частицы находятся во взвешенном состоянии в циркулирующем масле. Период времени от начала до полного разрушения достаточно велик при условии обеспечения нормального режима смазки. В этом случае масло можно эффективно использовать как носитель информации о техническом состоянии узлов трения. Сигналом обнаружения неисправности является присутствие в масле частиц, выносимых из контактных зон. Это позволяет выявить неисправность на начальной стадии ее проявления.

Создание и применение в условиях эксплуатации эффективных систем контроля загрязнений смазочных материалов весьма сложная проблема, для решения которой необходимы специальные знания в области химии углеводородов, физической химии, способов получения и композитного состава масел и т. д., поэтому, в настоящей работе, автором не ставилась задача проведения исследований в этой области [2, 16].

Схема влияния возможных факторов воздействия на реальную техническую систему и методы их обнаружения показаны на примере центробежного нагнетателя ГПА (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Основные параметры и методы контроля технического состояния ГПА