АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ
Анализ показателей надежности нефтеперекачивающих станций имеет большое практическое значение, так как в этом случае возможно сравнить различное оборудование по надежности, выявить слабые места, определить количественные характеристики надежности и исследовать влияние на них условий эксплуатации, разработать рациональную организацию периодичности контроля работоспособности, технического обслуживания и ремонта.
Для построения модели по статистическим данным предпочтение отдается факторам и показателям, которые меньше подвержены субъективными искажениям. Статистические данные по отказам должны удовлетворять ряду требований, полноте информации, достоверности, непрерывности и своевременности.
По данным за последние 15 лет для насосных станций отказы распределяются примерно следующим образом:
o отказы КИПиА станции - 46 %;
o отказы насосных агрегатов - 11 %;
o отказы систем энергоснабжения - 12 %;
o отказы маслосистемы и других станционных механических систем - 18 %;
o отказы по вине персонала и прочие причины — 13 %.
Для магистральных и подпорных насосных агрегатов подобная статистика выглядит следующим образом:
o отказы собственно насоса - 36 %;
o отказы энергетического оборудования - 28 %;
o отказы системы утечек и разгрузки - 4 %;
o отказы КИПиА - 20 %;
o отказы систем маслоснабжения - 7 %;
o прочие - 5 %.
Основные причины отказов магистральных центробежных насосов типа НМ следующие:
Ø повышенная вибрация — 37 % всех отказов;
Ø выход из строя торцевых уплотнений — 32 %;
Ø разрушение подшипников - 17 %;
Ø прочие причины - 14 %.
Ø Основными причинами повышенной вибрации являются:
Ø неуравновешенность ротора;
Ø неудовлетворительная центровка вала насоса и электродвигателя;
Ø неравномерный износ деталей насоса и особенно уплотните льных колец;
Ø ослабление крепежных болтов корпуса насоса с фундаментом, просадкой фундамента;
Ø работа насосов на нерасчетных режимах;
Ø попадание в рабочее колесо посторонних предметов;
Ø дефекты подшипников и зубчатых муфт.
Отказы из-за повышенной вибрации не совсем точно отражает действительность, так как отказы подшипников, муфт, расцентровка и прочие также характеризуются ростом вибрации. Кроме того, слаба оснащенность насосных агрегатов аппаратурой контроля вибрации, вибродатчики, как правило, находятся только на переднем подшипниковом узле электродвигателя.
Даже там, где установлена аппаратура контроля вибрации, она, как правило, не задействована в систему автоматики на отключение агрегата из-за повышенной вибрации. Поэтому оценка уровня вибрации определяется субъективно и зависит от квалификации персонала.
Постоянный контроль вибрации, разработка и внедрение мероприятий по ее снижению - один из главных факторов снижения отказов насосного агрегата, повышение его межремонтного ресурса.
Вибрации, вызванные дефектами валов насосов или дисбалансом, ускоряет их разрушение в местах максимальных величин концентрации напряжений или трещин в материале. Разрушение вала происходит в результате постепенного развития трещин в материале, возникающих при действии переменных нагрузок.
Разрушение деталей происходит внезапно. Излом имеет две характерные зоны: зону постепенного развития трещин и зону внезапного излома.
Вибрация ускоряет износ контактной пары торцевого уплотнения и является одной из причин нарушения контакта. С увеличением амплитуды и частоты вибрации возрастают износ и утечки через торцевые уплотнения, поэтому следует до минимума уменьшить вибрацию насоса.
Высокий уровень вибрации подшипниковых опор определяет и высокий уровень колебаний ротора насоса. Это вызывает механический контакт деталей щелевых уплотнений ротора, их повышенный износ, что приводит к увеличению темпов снижения КПД насоса. Поэтому эксплуатция насосного агрегата с низким уровнем вибрации, наряду с повышением надежности, увеличивает экономические показатели эксплуатации агрегатов.
Отказы торцевых уплотнений составляют значительную часть отказов насосов. Уплотнения теряют герметичность до износа поверхностей уплотнительных колец пар трения, и в большинстве случаев, нарушения в их работе вызвано четырьмя причинами:
o раскрытием пары трения;
o нагревом уплотнения;
o дефектами в изготовлении и сборке деталей и узлов торцевого уплотнения;
o нарушением условий эксплуатации.
Раскрытие поверхности пары трения происходит вследствие движения вала под влиянием биения, осевого люфта, повышенной вибрации, заклинивания подвижного кольца из-за его перекоса, засорения зазора между подвижным кольцом и неподвижными деталями твердыми частицами, кристаллизации растворов в пружинах (запарафирование или замасливание пружин).
Нагрев уплотнения приводит к локальным разрушениям в зоне контакта колец пары трения, потере эластичности кольцами с круглым сечением, к испарению охлаждающей (перекачиваемой) жидкости. Причинами нагрева уплотнений являются увеличение сил трения в зонах контакта (пусковая сила трения пар материалов, применяемых в торцевых уплотнениях, превышает силу трения их скольжения в 4-10 раз), касания подвижного кольца о неподвижные элементы.
Отмечены дефекты пар трения из-за плохого качества си-лицированного графита, некачественного изготовления и сборки. Для повышения стойкости при эксплуатации пар трения необходимо производить их обкатку, опрессовку давлением, визуальный контроль контактируемых поверхностей пар трения перед монтажом их в насос.
Имеются случаи скручивания резиновых уплотнительных колец при монтаже торцевого уплотнения, выхода резиновых колец из-за низкого качества резины. Монтаж и перемонтаж узла торцевого уплотнения без вскрытия крышки насоса может привести к некачественной установке трущихся пар, резиновых колец и пр. Поэтому желательно срок службы торцевого уплотнения довести до межремонтного периода насоса и заменять, когда будет демонтироваться его крышка.
К нарушениям условий эксплуатации узла торцевого уплотнения относятся:
o попадание механических примесей в зону контакта при очистке внутренней полости нефтепровода;
o попадание полимерных частиц в узел, торцевого уплотнения насоса при износе очистительных устройств;
o несоответствие параметров импеллеров условиям достаточного охлаждения трущихся пар;
o повышенная вибрация насосного агрегата;
o запарафирование или засорение отверстий входа нефти в камеру торцевого уплотнения;
o разрушение пар трения;
o использование некачественных опорно-упорных подшипников;
o неправильная регулировка и установка ротора.
Маслосистема имеет относительно высокий показатель отказов. Большая часть отказов обусловлена плохим качеством масла.
Одним из резервов повышения надежности насосных агрегатов является постоянный контроль качества масла, применение маслосепараторов, регулярный осмотр и промывка масляных фильтров, обеспечение надежности системы охлаждения масла при высоких температурах.
Плохое качество масла, наличие в нем механических примесей воды, масляное голодание или высокая температура масла существенно сказывается на показатели надежности подшипников. Подшипники (радиально-упорные), используемые в насосах, часто являются некондиционными, с большим осевым и радиальным люфтом.
Выход из строя радиально-упорных подшипников возникает также при большом осевом смещении ротора электродвигателя. Для исключения этой причины необходимо повсеместно перейти к новой конструкции компенсационной дисковой муфты и тщательной регулировке магнитной оси электродвигателя.
Подшипники скольжения выходят из строя по причине за-диров и выкрашивания вкладышей, использования не рекомендуемых марок баббита. Основными путями снижения отказов подшипников являются: применение кондиционных подшипников; недопустимость эксплуатации агрегата с большим уровнем вибрации и постоянный контроль вибрации; применение кондиционного масла. Применение металлофторопластовых подшипников также будет способствовать снижению отказов.
Отказы системы утечки и разгрузки обусловлены запара-финиванием и засорением отверстия сигнализатора утечек, линий утечек, разрывом прокладок, трещинами в трубопроводной обвязке.
Отказы по вине обслуживающего персонала связаны, в основном, с организационными недоработками в системе технического обслуживания и ремонта. Путь к их сокращению -постоянное повышение квалификации обслуживающего и ремонтного персонала (учеба, аттестация), обеспечение персонала соответствующим учебным и наглядным пособием, строгим соблюдением действующих правил, инструкций, требований.
Электропривод магистральных и подпорных насосных агрегатов является одним из важных видов энергоустановок НПС, определяющих надежность перекачки.
Анализ показателей надежности узлов электродвигателей в условиях эксплуатации показывает, что надежность работы электродвигателей зависит от множества факторов, при этом показатели надежности будут наиболее точно описываться регрессивно (с течением времени) по экспоненциальному закону.
Основными факторами, влияющими на надежность работы электродвигателей, являются кратковременные перерывы электроснабжения или глубокие колебания напряжения сети и связанные с этими причинами перенапряжения при повторных пусках и самозапусках электродвигателей, разрушающими изоляцию обмоток статора и ротора; отказы в системе возбуждения из-за ненадежности щеточных узлов или деталей систем бесщеточных возбудителей, перегрев обмоток, местный перегрев из-за нарушения изоляции пластин магнитопроводов, перегрев трущихся и вращающихся деталей (подшипники, щетки Ë др.).
На долю подшипников падает около 60 % всех отказов электродвигателей, системы возбуждения - 12 %, изоляции-11 %.
Возникающие отказы электродвигателей можно условно разделить на отказы электромагнитного и механического происхождений.
Наиболее распространенные отказы электродвигателей вызваны нарушением изоляции обмоток.
Причинами отказов электродвигателей из-за нарушения изоляции обмоток являются:
рост механических напряжений в изоляции при частых пусках;
несинусоидальность питающего напряжения при работе полупроводниковых преобразователей (нелинейных элементов в цепи статора и ротора);
тепловые удары, возникающие в тяжелых переходных режимах пуска, ресинхронизации и самозапуска;
воздействие электромагнитных сил, приводящих к вибрациям обмоток при нарушениях режимов работы энергооборудования.
При этом чаще всего происходит нарушение электрической изоляции лобовых частей обмоток статора в местах выхода из пазов.
К характерным отказам электромагнитного происхождения можно отнести: несимметричный режим нагрузки двигателя; неподвижный эксцентриситет воздушного зазора; вращающийся эксцентриситет воздушного зазора и др., причины и характерные признаки которых можно сформулировать следующим образом.
Несимметричный режим нагрузки двигателя обусловлен как несимметрией токов питающей сети, так и различными сопротивлениями отдельных фаз обмотки статора. Даже незначительная несимметрия фазовых токов (в пределах 2-3 %) приводит к значительному возрастанию вибрации на частоте 2f0 под воздействием пульсирующего крутильного момента.
Это воздействие проявляется в возрастании уровня вибрации на указанной частоте как для радиальной, так и для осевой составляющих. Характерной особенностью при этом является уменьшение виброскорости с увеличением нагрузки.
Устранению причин должна предшествовать их конкретизация, а именно: измерение и сравнение параметров питающей сети; измерение и сравнение сопротивления обмотки статора, а также проверка правильности подключения обмоток (для случая диагностики после ремонта статора).
Неподвижный эксцентриситет воздушного зазора между статором и ротором, означающий совпадение осей вращения и симметрии ротора и отклонение от этой оси — оси симметрии статора, может возникнуть, например, при неправильной проточке статора или сборке двигателя, а также при деформации статора при нагревании.
Возникающая при этом неравномерность воздушного зазора между статором и ротором и неравномерность магнитного потока, вызывают повышенную вибрацию на частоте
F = 2-PFcK,
где Fc - сетевая частота; Р - число пар полюсов; К - целое число (номер гармоники), в большинстве случаях К = 2.
Характерной особенностью дефекта является отсутствие зависимости вибрации от нагрузки и частоты вращения.
Кроме того, наблюдается относительно небольшая составляющая виброскорости на удвоенной частоте сети (100 Гц), вызванная изменением магнитной проводимости.
Вращающийся эксцентриситет воздушного зазора между статором и ротором возникает при несовпадении оси симметрии статора с осью вращения, отклонении от оси линии симметрии пакета ротора, неточной установки прокладок под сердечниками полюсов, смещении оси вала относительно оси симметрии сердечника ротора.
Повышенная вибрация наблюдается в этом случае на оборотной частоте.
Все перечисленные причины вибрации электродвигателя, являясь причинами электромагнитного происхождения, обладают одним общим свойством - уровень вибрации резко падает при отключении электродвигателя от сети.
К отказам механического происхождения относятся различные виды неуравновешенности ротора, дефекты подшипников скольжения, плохое крепление машины на раме, развивающиеся трещины в валах. Если учитывать совместную эксплуатацию электродвигателя с насосом - расцентровка и дефекты зубчатой муфты. Отказы механического происхождения обладают общим свойством — они сопровождаются повышенной вибрацией.
Все виды неуравновешенности ротора сопровождаются вибрацией на оборотной частоте работы электродвигателя.
При ослаблении крепления опоры (нарушение жесткости) амплитуды и фазы вибрации в близлежащих сечениях опоры и фундаментной рамы различны. При некачественной подливке бетона или его разрушении в процессе эксплуатации (например попадание масла и др.), короблении фундаментной плиты возникает неплотность прилегания (отставание), которая легко обнаруживается при снятии контурной характеристики. Скачкообразное изменение величины и фазового угла составляющих вибрации в определенном сечении свидетельствует об изменении жесткости.
Кроме этого о нарушении жесткости говорит изменение уровня вибрации крышки подшипника после нагрева электродвигателя.
Несимметричное ослабление жесткости обычно происходит вследствие одностороннего нарушения связи фундамента с подшипниковой опорой электродвигателя.
Интенсивным источником вибрации подшипника скольжения (особенно для машин с легким ротором, при большой длине опорной части подшипника, при излишне вязкой смазке) на частоте (0,42...0,48) f0 является вихревая смазка. Эта вибрация является прецессией вала в подшипнике под действием смазки.
Пленка смазки, непосредственно соприкасающаяся с валом в граничном слое, вращается со скоростью вала, а пленка, находящаяся на неподвижной поверхности подшипника, также неподвижна. Возникает масляный вихрь.
Другим источником вибрации является неравномерная и неправильная смазка подшипника. Вибрация проявляется на частотах 1/2 или 1/3 f0. В неправильно смазанных подшипниках возникает контакт поверхности вала и подшипника, и появляется скрип.
Во время остановки и запуска возникает контакт металлических поверхностей шипа и вкладыша. С увеличением частоты вращения увеличивается поверхность, которая смазывается тонким слоем масла в месте контакта.
В условиях полной гидродинамической смазки вал свободно плавает на пленке смазочного материала. Даже при обильной смазке возможен разрыв пленки при достаточно больших колебаниях шипа, вызванных другими причинами.
Уменьшение вязкости масла, связанное с повышением температуры, также приводит к разрыву пленки, поскольку уменьшается его демпфирующая способность. Демпфирование увеличивается при использовании масла более высокой вязкости, однако это приводит к увеличению сил трения.
Вибрации от некруглости шейки ротора проявляются в основном на частоте 2 f0. В поперечном сечении всегда имеется отклонение реальной формы шейки ротора от окружности. В самом общем случае профиль поперечного сечения шейки ротора имеет произвольную форму.
Обнаружить неисправность, связанную с развивающейся трещиной в валу ротора, можно анализируя амплитудно-частотную характеристику вибрации на выбеге. С развитием трещины уменьшается жесткость вала ротора и соответственно уменьшается резонансная частота вибрации. Сравнивая существующую резонансную частоту вибрации с эталонной, можно обнаружить развивающуюся трещину в валу ротора.
Таким образом, за основной критерий оценки возможных отказов механического происхождения целесообразно использовать изменяющиеся параметры вибрации отдельных узлов и элементов электродвигателей.
Анализ показателей надежности НПС показывает, что они во многом зависят от надежности насосных агрегатов, показатели надежности которых зависят от типоразмеров и частоты пусков. В таблице 15.1 приведены относительные величины наработки на отказ магистральных насосных агрегатов в зависимости от типоразмера.
За базу сравнения принята наработка на отказ насоса НМ 10 000-210 с ротором на 12 500 м3/ч. Видно, что у насосных агрегатов меньшей подачи и мощности надежность гораздо выше, чем у агрегатов этой же серии НМ, но более мощных.
Одним из основных эксплуатационных показателей, влияющих на наработку на отказ оборудования, является число пусков или включений в работу оборудования.
Оценим влияние частоты пусков насосных агрегатов различной подачи на их среднюю наработку на отказ.
Число пусков оказывает существенное влияние на интенсивность отказов для насосов большой подачи: чем больше число пусков агрегата, тем более высокий уровень интенсивности отказов и значение наработки агрегата на отказ ниже. Для насосов с меньшей подачей это влияние менее существенное: даже при большом числе пусков агрегата интенсивность отказов невысока. Это еще раз подтверждает вывод о более надежной и стабильной работе магистральных насосных агрегатов меньшего типоразмера.
Анализируя связь между параметрами X и кп для насосов различной производительности получим, что для магистральных насосных агрегатов типа НМ 10 000-210 с ротором на 12 500 м3/ч коэффициент парной корреляции величин к и кп составляет pt = 0,82; для НМ 10000-210 р2 = 0,74; для НМ 7000-210 р3 = 0,67; для НМ 3600-230 р4 = 0,38; для ̇ÒÓÒ‡ çå 2500-230 р5 = 0,34, насоса НМ 1250-260 р6 = 0,29. Как видно, параметры, интенсивность отказов и коэффициент пуска более тесно связаны между собой и оказывают большое влияние друг на друга для насосов с высокой подачей.
Можно сделать обобщающий вывод о том, что в настоящее время, когда общий объем добычи нефти уменьшается, падает также загрузка нефтепроводов, необходимо последовательно на НПС производить замену насосов на агрегаты меньшей мощности. Это существенно повысит надежность работы нефтепроводов, снизит затраты на ремонт, облегчит работу обслуживающего персонала.
