Причины возникновения дефектов валов насосных агрегатов

Одним из наиболее серьезных отказов нефтяных насосов является поломка валов.

Разрушение вала при эксплуатации может привести к выходу из строя всего насоса, восстановление которого будет невозможным или экономически нецелесообразным. Кроме того, возможны другие последствия вплоть до возгорания нефти и пожара на нефтеперекачивающей станции.

Как показывают исследования, причинами разрушения валов являются: наличие дефектов металлургического характера; растягивающие остаточные напряжения; высокие локальные напряжения в отдельных участках вала; неоптимальность радиусного перехода между стенками и дном шпоночной канавки; дефекты, возникающие при ремонте валов и пр. Этому способствуют дополнительные нагрузки на вал при расцентровках, от гидравлических сил в проточной части насоса, особенно при изменении режима работы, от неравномерности теплового расширения и пр.

Зарождающиеся и неконтролируемые дефекты во время эксплуатации без принятия соответствующих мер существенно снижают межремонтный период работы насоса.


Дефекты или поломки валов имеют место в районе галтели при переходе конусной части вала в цилиндрическую, на резьбовой части валов, в месте крепления гайками радиально-упорных подшипников.

Многие дефекты возникают по причине образования усталостных микротрещин в районе шпоночных пазов, развития микротрещин в области внутренних пор, имеющихся в материале вала флокенов или поверхностных трещин.

Анализ дефектов валов показывает заметную однотипность их в пределах одного управления магистральными нефтепроводами, что можно объяснять определенной настройкой средств дефектоскопии и принятой на данном предприятии какой-то одной отработанной технологии дефектоскопии валов.

Валы насосных агрегатов изготавливаются из стали 40Х ГОСТ 4543-71. Заготовки могут быть горячекатаные или кованые диаметром или толщиной до 250 мм. Данные прутки могут иметь следующие дефекты:

трещины — поверхностные и внутренние разрывы, которые появляются из-за значительных напряжений в металле при деформации, а также вследствие термических напряжений, возникающих при изготовлении прутков;

волосовины — мелкие внутренние или выходящие на поверхность трещины, образовавшиеся из газовых пузырей или неметаллических включений при прокатке или ковке, направленные вдоль волокон металла; эти дефекты имеют вид тонких прямых линий длиной от нескольких долей миллиметра до нескольких сантиметров и расположены на поверхности и в подповерхностном слое;

закаты, возникающие при избытке металла в валках в виде заусенцев или от остатков усадочных раковин слитков, они похожи на продольные трещины;

расслоения — внутренние нарушения сплошности, ориентированные по направлению волокна, возникают при наличии таких дефектов слитков, как глубокие усадочные раковины, усадочная пористость, скопление пузырей или неметаллических включений;

флокены, представляющие собой волосные трещины, образующиеся внутри толстого проката или поковок (диаметром более 20 мм) из среднеуглеродистых и среднелегированных сталей, содержащих хром, при повышенном содержании в них водорода; это очень опасные дефекты, которые могут привести к разрушению готовых изделий.

При изготовлении валов могут возникнуть такие дефекты, как шлифовочные и термические трещины, обусловленные на-316


рушениями режимов соответственно шлифовки и термообработки. Не исключены также, как показала практика, такие дефекты, как заглушка шпоночных пазов, выполненных не по чертежу.

Такие пазы иногда забивают заглушками с большим натягом, после чего заглушки зашлифовывают вместе с боковой поверхностью вала. При этом происходит не только нагартовка металла у краев заглушённых шпоночных пазов, но и разрывы этих краев, приводящие к возникновению и развитию усталостных трещин вплоть до разрушения вала при эксплуатации.

При эксплуатации валов могут появиться усталостные трещины, причинами их появления в основном являются дефекты металлургического характера (дефекты прутков) поверхностные или внутренние с выходом на поверхность, а также дефекты, возникающие при изготовлении валов. Эти дефекты поверхностные. Причинами возникновения усталостных трещин могут быть также концентраторы напряжений в углах шпоночных пазов.

Наиболее опасными местами, с точки зрения возникновения усталостных трещин, являются галтельные переходы и шпоночные пазы в местах посадки рабочего колеса и под муфтой. Трещины, развивающиеся в галтельных переходах, в начальный период часто имеют наклон 45° к оси вала, а затем их плоскость проходит перпендикулярно к оси. Трещины в районе шпоночных пазов могут развиваться под некоторыми углами к оси вала.

Анализ изломов разрушившихся валов магистральных насосов показал, что изломы носят, в основном, чисто усталостный характер, в них отсутствуют признаки сдвига, а также малоцикловой усталости.

По результатам обследования технического состояния валов выявлено, что наиболее распространенные и опасные дефекты валов относятся к насосам НМ 10 000-210.

Разрушение вала насоса может произойти под рабочим колесом под действием циклических нагрузок. Местом зарождения трещин являются, как правило, шпоночные канавки, заглушённые металлическими пробками. Трещины развиваются под действием малоамплитудных высокочастотных циклических изгибных нагрузок.

Зарождение трещин происходит между дном и стенками шпоночных канавок на ведущей их стороне. Радиусный переход между стенками и дном часто отсутствует. В плане место зарождения находится в точке перехода от средней прямолинейной  к скругленной части шпоночных пазов,   т.е.  там,  где обычно обнаруживаются вмятина и растрескивания от прямоугольных шпонок.

При ремонте вала эти растрескивания могут быть обнаружены.

Дефектоскопия валов насосов, находящихся в эксплуатации, и резервных валов выявила на части из них надрывы, трещины, не предусмотренные чертежом, концентраторы напряжений и другие дефекты.

Развитие усталостных дефектов происходит, видимо, под действием изгибных высокочастотных и малоамплитудных нагрузок. Усталостные изломы занимают большую часть поверхности разрушения, хрупкие поломы занимают порядка 10-18 % площади поперечного сечения вала в месте разрушения. Это говорит о малой величине действующих нагрузок на вал во время работы насоса, что подтверждено расчетными данными.

Анализ расчетов вала насоса и двигателя на прочность показывает, что в наиболее тяжелых условиях работы находятся участки вала со шпоночными пазами под полумуфтой двигателя и рабочим колесом, именно здесь наибольшая вероятность возникновения усталостных трещин, и она резко возрастает при наличии дефектов металлургического характера на этих участках вала. В то же время анализ сломов говорит о медленном развитии  возникших усталостных трещин.  Анализируя изло-

Таблица 12.6

Обобщенные причины возникновения дефектов

Вид дефекта

Причина возникновения дефекта

Количество валов с дефектом

% от числа осмотренных валов

Риски, забоины и трещины на ведущей стороне шпоночного паза Не предусмотренные чертежом сверления, забоины, подварки, забивка заглушек в старые шпоночные канавки Малость радиусного перехода или его отсутствие между стенкой и дном шпоночного паза Фреттинг и фреттинг-коррозия Металлургический дефект Трещина в дне шпоночного паза

Использование прямоугольных шпонок

Нарушение технологии сборки

Ошибка конструирования

Отсутствие применения твердых смазок Отсутствие УЗК контроля заготовок валов Причина не ясна

12

6

2

2

1

1

4,5

 2,2

0,75

0,75

 0,35

0,35


мы, можно сказать, что трещина до поломки вала может занимать до 30-40 % поперечного сечения вала.

Эксплуатационные дефекты валов носят усталостный характер, развитие их идет спокойно и довольно длительно из-за малых напряжений, действующих на вал во время его установившегося режима работы, развиваются они, в основном в плоскостях, перпендикулярных к оси вала, отклонения от этих направлений развития обычно наблюдается в начальный период возникновения и развития усталостных трещин от углов шпоночных пазов. Все это говорит о контролепригодности валов во время эксплуатации применительно к ультразвуковому контролю, вихретоковому и магнитопорошковому.

Используя поперечные ультразвуковые волны можно контролировать гал-тельные переходы, резьбовые участки, а также определять глубину и протяженность развивающихся трещин от углов шпоночных пазов. Начальные моменты возникновения и развития усталостных трещин от углов шпоночных пазов контролировать с использованием ультразвукового метода затруднительно, но эти моменты очень хорошо регистрируются с помощью вихретокового и магнитопорошкового метода с использованием локального намагничивания.

На контроль валы должны поступать в полностью разобранном виде, очищенные от смазок, нефти, грязи и т.п. Все это возможно при проведении профилактических и ремонтных работ с насосными агрегатами.

Периодичность контроля валов отражена и определяется нагрузкой, наработкой, числом пусков, видом обнаруженных дефектов.

При эксплуатации возможен только контроль части вала, выступающей из корпуса насоса и находящейся под муфтой электродвигателя. При этом может быть визуально проконтролирована конусная поверхность вала на наличие следов фреттинга и фреттинг-коррозии, кроме того ультразвуковым способом с использованием поверхностных волн, а также магнитным и вихретоковым способом может быть проверено наличие трещин, возникших в результате фреттинга.

Наличие забоин и трещин на боковой поверхности шпоночного паза может быть обнаружено визуально. Трещины между боковой стенкой и дном паза обнаруживаются магнитным способом. Эти же трещины, а также трещины в резьбе на окончании вала могут быть обнаружены вихретоковым способом.

При ремонте, когда вал снимается с насосного агрегата, может быть проконтролирована вся поверхность вала, за исключением находящейся под рабочим колесом.


Таблица 12.7

Способы обнаружения дефектов в валах магистральных насосных агрегатах

Вид дефекта

Способ обнаружения

Оборудование

Риски и забоины на цилиндрической поверхности вала, а также в шпоночных пазах

Не   предусмотренные чертежом отверстия, малость  радиусного   перехода между стенками и дном шпоночного паза

Фреттинг и фреттинг-коррозия

Трещины от фреттинга на поверхностях малой кривизны

Трещины на поверхностях большой кривизны в углу между стенкой и дном шпоночного паза, в резьбах, галтелях

Подповерхностные металлургические дефекты

Визуальный

Визуальный Ультразвуковой с использованием поверхностных волн Магнитный

Вихретоковый

Визуальный Магнитный

Вихретоковый Ультразвуковой

Лупа с увеличением ×3-5; бинокулярная лупа с увеличением х10-20

Лупы Ультразвуковые дефектоскопы Магнитные дефектоскопы Вихретоковые дефектоскопы

Лупы Магнитные дефектоскопы Вихретоковые дефектоскопы

Ультразвуковые дефектоскопы

может быть осуществлен вихретоковым способом. Контролировать гладкие цилиндрические поверхности вряд ли целесообразно. Способы обнаружения дефектов приведены в табл.

12.7.

Наконец, при снятии рабочего колеса контролируется вся поверхность вала, включая находившуюся под рабочим колесом цилиндрическую поверхность, на которой могут быть следы фреттинга, и симметричные шпоночные пазы под рабочим колесом.

Таким образом, наименее контролепригодной является часть вала под рабочим колесом, что требует ужесточения контроля за геометрией этой части вала перед установкой рабочего колеса, а также за соблюдением технологии его установки.

При использовании концепции гарантированного ресурса отбраковка валов после выработки определенного срока службы может производиться из-за износа трущихся поверхностей, из-за коррозии, появления трещин  и из-за опасности усталостных и малоцикловых разрушений. Если принять положение о недопустимости наличия на детали трещинообразных дефектов, то усталостным или малоцикловым разрушением можно считать зарождение трещин в процессе эксплуатации. Причем, трещины могут зарождаться как от высокочастотных циклических изгибных и крутильных нагрузок при регулярном режиме эксплуатации, так и от гораздо более мощных малоцикловых крутильных нагрузок при пуске, остановке и смене режима работы насоса.

Вообще говоря, трещины могут возникать и от постоянных нагрузок из-за наводороживания материала в процессе эксплуатации, однако, это явление относится скорее к вариантам коррозионного поражения материала, так как в значительной степени определяется химическим составом перекачиваемой нефти. Во всяком случае, для оценки опасности наводороживания валов, если такая опасность существует, должны проводиться специальные экспериментальные исследования.

В процессе эксплуатации вал подвергается статическому и малоцикловому нагружению от включения и выключения насосов с частотой 10-20 раз в год, малоцикловому нагружению от смены режима работы насоса, имеющему частоту —1000 циклов в год с амплитудой, доходящей до 0,5 максимального статического значения, а также высокочастотным изгибным и крутильным колебаниям.

Исходя из изложенного, при эксплуатации насосных агрегатов необходимо производить регулярные дефектоскопические обследования валов насосных агрегатов.

ищи здесь, есть все, ну или почти все