РАЗРАБОТКА КРИТЕРИЕВ ОЧИСТКИ ВИБРАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ НЕИСПРАВНОСТЕЙ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ НА РАННЕЙ СТАДИИ РАЗВИТИЯ

DEVELOPMENT OF CLEANING VIBRATION SIGNALS FOR TUNING DISORDERS AND DEFECTS OF THE CNA AT AN EARLY STAGE OF DEVELOPMENT

Ruslan Valishin

Master’s degree student, Ufa State Oil Technical University,

Russia, Ufa

Denis Kornishin

Candidate of Technical Sciences, Ufa State Oil Technical University,

Russia, Ufa

Marina Zakirnichnaya

scientific supervisor, Doctor of Technical Sciences, Ufa State Oil Technical University,

Russia, Ufa

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается процесс очистки вибросигналов, соответствующих определенным неисправностям и дефектам, от шумовой составляющей для повышения эффективности оценки технического состояния центробежного насосного агрегата.

ABSTRACT

The article discusses the process of cleaning vibration signals corresponding to certain malfunctions and defects from the noise component to improve the efficiency of assessing the technical condition of a centrifugal pump unit.

Ключевые слова: фазовый портрет, вибрация, коэффициенты очистки, критерии очистки, неисправность, дефект, контрастность фазового портрета.

Keywords: phase portrait, vibration, cleaning coefficients, cleaning criteria, fault, defect, phase portrait contrast.

В настоящее время в нефтегазовой отрасли одними из самых распространенных разновидностей машин являются центробежные насосные агрегаты (ЦНА), оценка технического состояния которых проводится на основе периодического контроля вибропараметров.

По статистическим данным, доля отказов насосных агрегатов среди всего оборудования нефтегазовой отрасли составляет – 11 %. При этом отказы насоса в составе агрегата составляют – 49 %, а отказы энергетического оборудования порядка – 30 %, среди которых отказы непосредственно приводного электродвигателя составляют – 15 %. Основными причинами выхода из строя насосного агрегата являются повышенная вибрация – 37 %, дефекты уплотнений насоса – 31 %, неисправности подшипников – 26 % [3, 5].

Повышенная вибрация является наиболее вероятной причиной отказа насосных агрегатов. Диагностика оборудования по возбуждаемой в нем вибрации относится к наиболее эффективным способам предупреждения серьезных инцидентов, так как более чем в 80 % случаев появления необратимых изменений состояния отдельных узлов изменяются различные параметры вибрации оборудования.

Основные методы анализа вибросигналов показали, что при их использовании основную долю рабочего времени занимает составление и многократное пополнение баз данных, что в условиях производства в большинстве случаев является нецелесообразным [6, 8, 9]. Другим недостатком этих методов является применение единственного набора критериев и предельных значений для оценки состояния всего парка оборудования предприятия, что характеризуется большой степенью неточности.

Часто на практике встречаются такие случаи, когда, несмотря на общий уровень вибрации, вызываемый определенным дефектом, в агрегате развивается другой дефект, чье влияние на общий уровень вибрации поначалу незначительно, но через некоторое время скорость развития дефекта увеличивается с экспоненциальной зависимостью, что приводит к отказу агрегата. В таких случаях при естественном реагировании сигнализации системы мониторинга иногда бывает поздно предотвратить аварийную ситуацию [1].

Поэтому возникает необходимость в разработке дополнительных методов анализа вибросигналов, позволяющих представлять локальные особенности сигналов с большой степенью точности. А также, помимо общего уровня вибрации, требуется дополнительный критерий оценки общего состояния оборудования, который отражал бы реальное состояние вибрационного сигнала [7]. Одним из методов, который удовлетворял бы этим требованиям и стал метод фазовых портретов, основанный на теории детерминированного хаоса.

В результате исследований [4] получены фазовые портреты «элементарных» вибросигналов без опоры на какую-либо эмпирическую модель, по которым в дальнейшем при сравнительном анализе с фазовыми портретами реальных вибросигналов определялся характер дефектов, обнаруживаемых в вибрации ЦНА.

В продолжении этих исследований [2] получены зависимости площади фазового портрета от степени развития исследованных типов неисправностей ЦНА, что позволило достаточно точно оценить техническое состояние насосного агрегата. Однако анализ данной работы показал, что до настоящего времени не решена проблема очистки сигнала от шумовой составляющей без потери его полезной составляющей сигнала. Соответственно, отсутствует какой-либо критерий очистки вибросигнала от шумовой составляющей.

Поэтому настоящая работа посвящена разработке критериев очистки вибросигналов для выявления неисправностей и дефектов ЦНА на ранней стадии развития.

Для анализа влияния параметров очистки в качестве исследуемого приняли сигнал, соответствующий неисправности типа «дисбаланс». Среднее квадратическое значение виброскорости равно 7,2 мм/c, что соответствует состоянию «Требует мер» [2]. Очищение сигнала от шума проводилось с помощью дискретного вейвлет-преобразования сигнала с использованием инструментария программы WAVELET 1-D в ПК MATLAB. В качестве параметров очищения выступают рассматривались коэффициенты β₁, β₂, β₃, β₄, β₅ в зависимости от детализации сигнала.

Для построения фазовых портретов использовалась программа IMPROS на языке OBJECT PASCAL визуальной среды программирования DELPHI, разработанная в [8]. Виды получаемых фазовых портретов для изучаемого сигнала при разных степенях очистки продемонстрированы в таблице 1 и 2.

По таблицам 1 и 2 можно визуально определить, как вид фазового портрета изменяется при увеличении значений коэффициентов очистки вибросигнала от шумовой составляющей.

Для анализа влияния параметров очистки на фазовый портрет использовалось отношение числа черных пикселей к белым (контрастность), измерение которого производилось с помощью программы GIMP.

Таблица 1

Виды фазовых портретов, полученные при различных коэффициентах очистки β₁, β₂

Таблица 2

Виды фазовых портретов, полученные при различных коэффициентах очистки β₃, β₄, β₅

Установлено, что наибольшее влияние на фазовый портрет вибросигнала имеют параметры очистки β₁ и β₂ (рисунок 1).

Поэтому на следующем этапе исследований необходимо рассмотреть их граничные значения, при которых сигнал будет очищен от шумовой составляющей без потери полезной части сигнала.

Результаты данных исследований, посвященные разработке критерия очистки, актуальны для систем мониторинга технического состояния ЦНА на опасных производственных объектах.

Рисунок 1. Зависимость контрастности фазового портрета от коэффициентов очистки

Список литературы:

1. Барков А.В., Баркова Н.А., Азовцев А.Ю. Мониторинг и диагностика роторных машин по вибрации. Рекомендации для пользователей систем диагностики. - Санкт-Петербург: Изд-во СПбГМТУ, 2000.- 361 с.
2. Булатов, Б. Р. Диагностика центробежный насосных агрегатов с использованием метода построения фазовых портретов. Дис. на соискание степени магистра/ Б. Р. Булатов. – Уфа: УГНТУ, 2018 – 110 с.
3. Гумеров, А. Г. Эксплуатация оборудования нефтеперекачивающих станций [Текст] / А. Г. Гумеров, Р. С. Гумеров, А. М. Акбердин. – Москва: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001. – 475 с.
4. Закирничная М.М., Солодовников Д.С., Корнишин Д.В., Власов М.И. Применение теории вейвлетов и детерминированного хаоса для анализа технического состояния насосных агрегатов консольного типа.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2002.- 95 с.
5. Писаревский, В. М. Эксплуатация и диагностика насосных агрегатов магистральных нефтепроводов [Текст]: учеб. пособие / В. М. Писаревский. – Москва: Нефть и газ, 2004. – 126 с.
6. Сабуров, В. К. Изменение фазовых портретов в насосных агрегатах в процессе накопления дефектов. Дис. на соискание степени магистра техники и технологии / В. К. Сабуров. – Уфа: УГНТУ, 2003 – 85 с.
7. Сиохита К., Фудзисава Т., Саго К. Метод определения местоположения дисбалансов в роторных машинах: Пер. с англ.- Конструирование и технология машиностроение - М.: Мир, 1982.- т. 104, №21, С. 26-31.
8. Солодовников, Д. С. Вейвлеты и детерминированный хаос при анализе вибросигналов центробежно-компрессорных агрегатов. Дис. на соискание степени канд. техн. наук / Д. С. Солодовников. – Уфа: УГНТУ, 2000 – 122 с.
9. Херувимов Д. В. Применение теории детерминированного хаоса для анализа технического состояния насосно-компрессорного оборудования. Дис. на соискание степени магистра / Д. В. Херувимов – Уфа: УГНТУ, 2014. – с 75.