Гатауллин Т.Т., Палладий А.В., Ильин А.Г., Николаев М.Н., Загидуллин Р.Н. “Опыт вибродигностирования центробежных компрессоров и насосов химических и нефтехимических предприятий”

ОПЫТ ВИБРОДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ КОМПРЕССОРОВ И НАСОСОВ ХИМИЧЕСКИХ И НЕФТЕХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

ЗАО «Динамика»

Гатауллин Т.Т. – генеральный директор – эксперт в области промышленной безопасности, к.т.н.;

Палладий А.В. – эксперт в области промышленной безопасности, доцент, к.т.н.;

Ильин А.Г. – заместитель генерального директора по ЭПБ;

Николаев М.Н. – ведущий инженер;

Загидуллин Р.Н. – ведущий инженер.

Химические и нефтехимические предприятия относятся к опасно-производственным объектам (ОПО). В технологии получения продукта используется большое количество сложных аппаратов, механизмов и машин. Но самой сложной и энергоёмкой машиной является компрессор, от надежной работы которого зависит работоспособность всей технологической линии. В современных крупнотоннажных производствах применяют центробежные компрессорные установки большой производительности и мощности и центробежные насосы, обеспечивающие технологическую линию теплоносителями, охлаждающими, смазывающими и другими необходимыми жидкостями. Наиболее эффективным и экономически выгодным средством контроля технического состояния и обеспечения надежной работы компрессоров и насосов является вибромониторинг.

ЗАО «Динамика» обладает двадцатилетним опытом работы в области вибродиагностики, имеет лабораторию неразрушающего контроля, современную виброизмерительную аппаратуру, аттестованных специалистов. По заказам предприятий ЗАО «Динамика» систематически проводит экспертизу промышленной безопасности (ЭПБ) компрессорного и насосного оборудования на ОПО в соответствии с действующей НТД. Виброобследование входит в объем работ по ЭПБ. Техническая диагностика, как правило, проводится во время капитальных ремонтов. При этом виброобследование выполняется на работающем оборудовании перед капитальным ремонтом и после ремонта, что позволяет проконтролировать его качество. По договорам с предприятиями проводится также мониторинг параметров вибрационного состояния агрегатов.

Основными объектами вибродиагностирования являются следующие:

  1. Крупные центробежные компрессоры мощностью (0,5…9,0) МВт с конечным давлением (0,9…3,5) МПа для сжатия воздуха, кислорода, этилена и контактного других газов в основных технологических линиях химических производств;
  2. Холодильные турбокомпрессоры, работающие на фреонах, аммиаке, пропане, пропилене;
  3. Центростремительные турбодетандеры;
  4. Центробежные насосы различного назначения: химические, сетевые большой производительности для холодной воды или теплоносителей, секционные для повышения давления углеводородных жидкостей до среднего (5…8) МПа или высокого (12…14) МПа значений.

Техническое состояние указанных объектов оценивается по интенсивности абсолютной вибрации на корпусах подшипников. Для каждого агрегата в соответствии с ГОСТ 32106-2013 по средним квадратическим значениям виброперемещения, виброскорости и виброускорения определяется общий уровень вибраций, затем проводится спектральный анализ, а в сложных ситуациях поиск дефектов осуществляется по значениям параметров в частотных полосах.

Рассмотрим диагностирование некоторых характерных дефектов, возникающих при эксплуатации. Наиболее частой причиной появления вибраций является расцентровка осей валов компрессорных и насосных агрегатов. Нарушение центровки предварительно отцентрованных валов агрегата после пуска в эксплуатацию может произойти по следующим неординарным причинам.

  1. Отсутствие или неисправность тепловых компенсаторов на газопроводах компрессоров или на трубопроводах насосов, перекачивающих горячие жидкости.
  2. Зазоры в направляющих шпонках подвижной опоры компрессора превышают допустимые значения.
  3. Корпус газодувки или насоса нагревается больше, чем соединенный с ним муфтой корпус электродвигателя.

В указанных случаях после часа работы при пробном пуске необходимо повторно замерить вибрацию. При обнаружении расцентровки осей валов агрегат следует остановить и отцентровать.

При вибродиагностировании насоса Д1250-125 для подачи воды, соединенного упругой муфтой с электродвигателем мощностью 630 кВт и частотой вращения 25 Гц, с помощью спектрального анализа был выявлен перекос осей соединяемых валов, а также наклон горизонтальной оси насоса. Характерным диагностическим признаком на спектрах виброперемещения и виброскорости в осевом направлении является сосредоточение всей мощности осевой вибрации насоса на первой (25 Гц) и третьей (75 Гц) гармониках (рис.1). При этом общий уровень виброускорения по всем направлениям был в норме, а средние квадратические значения виброскорости и виброперемещения превышали допустимые значения только в осевом направлении.

На рис. 2 показаны результаты спектрального анализа вибраций подшипниковой опоры синхронного электродвигателя мощностью 3800 кВт и частотой вращения 50 Гц. Обозначены: F1 = 50 Гц – частота вращения ротора электродвигателя, которая совпадает с частотой питающей сети, F2 = 100 Гц – оборотная частота действия электромагнитных сил. Характерными диагностическими признаками ослабления прессовки пакета статора или замыкания в обмотке является высокое значение амплитуды на частоте F2, а также наличие дробных нечетных гармоник  F2 = 50 Гц,  F2 = 150 Гц,  F2 = 250 Гц,  F2 = 350 Гц,  F2 = 450 Гц. Спектр вибраций показал, что наиболее вероятным дефектом является наличие замкнутого витка в статоре. Об этом свидетельствует появление боковой гармоники с частотой 125 Гц вблизи частотой 100 Гц. Представленный спектральный анализ позволяет указать в первом приближении основную причину вибраций и направление обследования. Для получения полной информации применяют специализированные методы диагностики электродвигателей.

1. Компрессорный агрегат, как объект вибродиагностики, состоит из центробежного компрессора, мультипликатора и электродвигателя, соединенных между собой зубчатыми муфтами. Основными дефектами, вызывающими вибрацию, являются следующие:Расцентровка осей валов. Неуравновешенность ротора компрессора, зубчатого колеса и вал-шестерни мультипликатора. Оба типа дефектов имеют большую вибрационную энергию, поэтому показывают характерные диагностические признаки, которые выявляют при спектральном анализе.

2. Дефекты радиальных подшипников скольжения компрессора. В рассматриваемых компрессорах применяются виброустойчивые подшипники: эллиптические и с самоустанавливающимися сегментами, в которых низкочастотные вибрации не возникают. Значительное увеличение зазора в подшипнике вследствие износа при эксплуатации или после ремонта, диагностируется при спектральном анализе. На рис. 3 показан спектр вибрации, замеренный на подшипнике компрессора К-905-61-1м мощностью 6000 кВт и частотой вращения ротора 98,5 Гц. Характерным диагностическим признаком является набор гармоник частоты вращения до 8 и более.


3. Лопаточная вибрация. На рис.4 показан спектр вибраций, замеренный по вертикали на подшипнике корпуса низкого давления (КНД) (частота вращения 120,61 Гц) компрессора К-605-181-1М мощностью 8400 кВт. Число лопаток каждого рабочего колеса в КНД равно 24. Частота лопаточной вибрации равна произведению числа лопаток колеса на частоту вращению ротора fл = 2896,9 Гц. На спектре виброускорения видны также гармоники лопаточной частоты  Fл = 1448 Гц,  Fл = 4345 Гц. Лопаточная частота и ее гармоники имеют относительно небольшую амплитуду, а боковые гармоники отсутствуют, поэтому она не представляет опасность для компрессора. Общий уровень виброускорения в данной точке не превышает допустимых значений. Замеры вибраций у большого количества компрессоров не выявили существенного влияния лопаточной вибрации на вибрационное состояние машин.
4. Мультипликатор предназначен для повышения частоты вращения ротора компрессора. Наиболее распространенным  является переборный мультипликатор с одноступенчатой шевронной зубчатой передачей. Мультипликатор является сложным для вибродиагностирования объектом. Даже в исправном состоянии он имеет высокую виброактивность и показывает сложный спектр в широкой полосе частот. Самым распространенным эксплуатационным дефектом мультипликатора является нарушение соосности валов зубчатого колеса и вал-шестерни по причине износа баббитого слоя подшипников скольжения и неудовлетворительной укладке валов мультипликатора. На рис. 5 виден локальный износ зубьев, неравномерный по длине полушеврона. Это явилось следствием неравномерной нагрузки по длине зубчатого зацепления, возникшей из-за перекоса осей зубчатой пары. Общий уровень виброускорения превышал допустимое значение. Зубчатая пара была заменена с перезаливкой баббита в подшипниках и с переукладкой валов. Рассмотренное выше обширное выкрашивание является дефектом, который можно определить различными методами. Однако дефект зубозацепления на ранней стадии обнаружить достаточно трудно, поскольку вибрационная энергия зарождающегося дефекта очень мала.
Длительная работа с одними и теми же предприятиями позволяет отслеживать вибрационное состояние оборудования на протяжении многих лет и сформировать базу данных интенсивности вибраций компрессорного и насосного оборудования.