Диагностика нагруженности и ресурса роторов насосных агрегатов по показаниям датчиков деформаций интегрального типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.19, кандидат технических наук Богомолов, Олег Валентинович

• Богомолов, Олег Валентинович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Богомолов, Олег Валентинович

ВВЕДЕНИЕ.

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ данных по количеству и срокам эксплуатации роторов СТД в ОАО «Сибнефтепровод» и ОАО МН «Дружба» АК «Транснефть».

1.2. Определение концентрации напряжений, диагностика технического состояния изделий и прогнозирование их ресурса по показаниям датчиков деформаций интегрального типа.

1.3. Постановка задач исследования.

2. ТАРИРОВАНИЕ ДДИТ ДЛЯ ОЦЕНКИ НАГРУЖЕННОСТИ РОТОРОВ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ.

2.1. Оборудование и образцы для получения тарировочных зависимостей для ДДИТ и определения характеристик усталости материала образцов.

2.2. Усталостные испытания образцов на кручение и обработка полученных данных.

2.3. Определение тарировочной зависимости для ДДИТ, изготовленных из алюминиевой фольги.

2.4. Построение тарировочной зависимости для медных ДДИТ.

3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПО ПОКАЗАНИЯМ ДДИТ ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНОГО РЕЖИМА НАГРУЖЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА.

3.1. Методика определения эквивалентных напряжений по показаниям ДДИТ при нагружении образцов блоком нагрузки.

3.2. Особенности реализации методики в процессе испытаний образцов при блочном режиме нагружения и обработка полученных результатов.

3.3. Прогнозирование по показаниям ДДИТ ресурса работы образцов, нагружаемых в процессе испытаний блоком нагрузки.

4. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА НАГРУЖЕН-НОСТИ РОТОРОВ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ ПО ПОКАЗАНИЯМ ДЦИТ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

4.1. Определения мест расположения ДДИТ на поверхности роторов насосных агрегатов на основе результатов расчета численным методом напряженно деформированного состояния роторов.

4.2. Методология определения по показаниям ДДИТ эквивалентных напряжений в местах концентрации для нестационарного режима нагружения роторов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диагностика нагруженности и ресурса роторов насосных агрегатов по показаниям датчиков деформаций интегрального типа»

Диагностика технического состояния машин в процессе их эксплуатации - ключевая проблема предотвращения аварийных ситуаций, связанных с выходом оборудования из строя. В общей структуре используемого для транспортировки нефти оборудования, важной составляющей являются различного рода насосные установки, энергетическая часть которых представлена синхронными трехфазными электродвигателями (СТД) высокой мощности [12]. Основной элемент данных двигателей - роторы, подвержены в процессе эксплуатации воздействию значительных циклических крутящих моментов, которые приводят к накоплению необратимых усталостных повреждений в материале ротора. Отказ электродвигателя вследствие разрушения ротора во время технологического процесса перекачки нефти может привести к крупной аварии, имеющей серьезные технические и экономические последствия. Подавляющее большинство отмеченных электродвигателей имеют длительный срок эксплуатации, в то же время диагностика их технического состояния по критерию усталости не осуществляется в силу отсутствия таких методов контроля. Принимая во внимание высокий уровень затрат, связанных как с ликвидацией последствий возможных аварий электродвигателей, так и восстановлением их работоспособности в процессе ремонта, актуальна проблема разработки средств и методов оценки реальной нагруженности в местах концентрации напряжений роторов электродвигателей в процессе эксплуатации для диагностики технического состояния роторов и предсказания их вероятного срока безаварийной эксплуатации.

Одним из эффективных направлений решения поставленной проблемы является использование нетрадиционных средств измерения напряжений и деформаций, возникающих на поверхностях деталей при их циклическом нагружении. К таким средствам относятся предложенные в конце прошлого века и интенсивно развиваемые в настоящее время научным коллективом, возглавляемым В.Н. Сызранцевым, датчики деформаций интегрального типа (ДДИТ). Основой датчиков является металлическая фольга, свойства которой в процессе циклического деформирования изменяются. Изменение этих свойств, - реакция ДДИТ, проявляется различным образом и может быть зафиксирована с помощью разработанных средств контроля и соответствующих методов [55,56].

Опыт практического применения методов оценки нагруженности и ресурса, основанных на обработке информации с ДДИТ, в процессе конструк-торско-технологической доработки деталей различных машин свидетельствует, что средства экспериментального исследования, - ДДИТ, и методы их использования обладают широкой универсальностью и большими потенциальными возможностями. Расширяя арсенал технических средств измерения, ДДИТ особенно эффективны при создании систем диагностики работоспособности и усталости деталей в реальных условиях эксплуатации изделий.

Анализ выполненных с помощью ДДИТ к настоящему времени экспериментальных работ показал, что при стендовых или натурных испытаниях подавляющего числа объектов (зубья колес различных передач, несущие системы и металлоконструкции транспортных и грузоподъемных машин) в исследуемых местах возникали напряжения изгиба или растяжения (сжатия). Комплексных экспериментально-расчетных работ по применению ДДИТ для оценки характера распределения напряжений в деталях, нагружаемых в условиях эксплуатации переменным крутящим моментом, до сих пор не проводилось.

Для решения задачи диагностики нагруженности роторов в процессе эксплуатации электродвигателей на основе показаний ДДИТ необходимо выполнить комплекс экспериментальных работ по калибровке датчиков в условиях циклического закручивания образцов, предложить способы расшифровки реакции датчиков, реализуемые в условиях натурных испытаний электродвигателей и базирующиеся на той информации, которая в этих условиях с помощью ДДИТ может быть получена. В теоретическом плане требуется разработать соответствующее методическое, математическое и программное обеспечение способов.

Реализация разрабатываемых в диссертации методик применения ДДИТ позволит определить уровень действующих напряжений в местах их концентрации на роторе электродвигателя в процессе его эксплуатации и оценить техническое состояние ротора по величине накопленных усталостных повреждений, то есть решить важную и актуальную задачу по предотвращению аварийной ситуации вследствие отказа ротора по критерию усталостной прочности.

Цель выполнения настоящей работы заключается в разработке новых методов диагностики нагруженности и прогнозирования ресурса роторов нефтеперекачивающих насосов с помощью датчиков деформаций интегрального типа.

Объектом исследования являются процессы накопления усталостных повреждений в роторах СТД, подвергающихся в условиях эксплуатации циклическому закручиванию.

Предмет исследования - методы диагностики нагруженности и технического состояния роторов электродвигателей нефтеперекачивающих агрегатов.

Научная новизна работы состоит в следующем: • Впервые осуществлено тарирование ДДИТ различной чувствительности на образцах в условиях их циклического закручивания и определены для датчиков тарировочные кривые с границами доверительных интервалов;

• Установлена зависимость, описывающая результаты усталостных испытаний образцов на кручение и данные тарировки датчиков различной чувствительности к амплитуде циклических деформаций;

• Предложено новое, учитывающее нелинейность процесса накопления усталостных повреждений, решение задачи восстановления по показаниям ДДИТ максимального касательного напряжения при циклическом закручивании образца крутящим моментом, изменяющимся в соответствии с заданным блоком нагружения;

• Разработана расчетно-экспериментальная методика определения эквивалентного крутящего момента ротора, реализуемая в условиях его эксплуатации.

Практическая ценность диссертации. Изготовлена установка, позволяющая реализовать испытания образцов в различных условиях (кручение, изгиб, изгиб и кручение) как при построении тарировочных зависимостей, так и при испытании образцов на выносливость. Полученные данные тарировочных испытаний медных и алюминиевых датчиков в условиях циклического закручивания образцов из стали 40Х, совместно с результатами испытаний образцов на усталость являются основой для экспериментального исследования не только для роторов насосных агрегатов, но и для любых других валов нефтегазового оборудования, изготовленных из стали 40Х. Разработанные методики позволяют после кратковременной эксплуатации роторов насосных агрегатов с датчиками получить данные о нагруженности роторов, оценить реальную величину напряжений в местах геометрических концентраторов и определить фактическую остаточную долговечность работы роторов, то есть на момент обследования оценить их техническое состояние. Созданные в работе методы рекомендованы ОАО «ВНИИСТ» к внедрению в подразделениях АК «Транснефть», результаты диссертации внедрены в учебный процесс ТюмГНГУ при изложении теоретической и практической частей дисциплины «Эксплуатация, ремонт и монтаж нефтегазопромыслового оборудования».

По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из которых 5 работ в рекомендованных ВАК РФ периодических изданиях.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались на различных симпозиумах и конференциях: V Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» (г. Санкт-Петербург,

2003 г.); международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию Тюменского государственного нефтегазового университета «Проблемы развития ТЭК Западной Сибири на современном этапе» (г. Тюмень, 2003 г.); XI международной научно-технической конференции « TRANS & MOTAUTO ' 04" » , (г. Пловдив, Болгария, 2004 г.); XXXV Уральском семинаре XXV Российской школы «НАУКА И ТЕХНОЛОГИИ.», посвященном 60-летию Победы (г. Миасс, 2005 г.).

Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, основных результатов и выводов, списка использованных источников, содержащего 78 наименований, двух приложений. Общий объем работы составляет 140 страниц, в том числе 40 рисунков, 12 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ», Богомолов, Олег Валентинович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Для диагностики технического состояния по критерию усталостной прочности при закручивании роторов электродвигателей насосных агрегатов по результатам их эксплуатации с ДДИТ разработана расчетно-экспериментальная методика определения по показаниям датчиков эквивалентных напряжений в местах геометрических концентраторов роторов, учитывающая нелинейность процесса накопления усталостных повреждений на каждой ступени блока на-гружения.

2. На изготовленной установке путем испытания цилиндрических образцов с алюминиевыми и медными датчиками впервые в условиях циклического закручивания получена совокупность данных для построения тариро-вочных зависимостей, а после доведения образцов до разрушения определены экспериментальные точки кривой усталости.

3. В результате обработки экспериментальных данных на основе полуэмпирических моделей накопления повреждений, определена необходимая для реализации методики по п.1 взаимосвязь накопленных усталостных повреждений при циклическом закручивании образцов, соответствующих появлению реакции на датчиках, и числом циклов до разрушения образцов вследствие усталости.

4. В процессе экспериментальных исследований установлено, что число циклов нагружения до реакции датчиков при испытании образцов в условиях изменения крутящего момента по заданным блокам нагружения и числа циклов до реакции датчиков при испытании образцов постоянным крутящим моментом, соответствующим восстановленным по разработанной методике эквивалентным напряжениям, совпадают, а разрушение образцов при продолжении испытаний происходит в пределах рассчитанных для кривой усталости границах доверительного интервала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Богомолов, Олег Валентинович, 2007 год

1. Басов К. А. ANS YS в примерах и задачах / Под общ. ред. Д.Г. Красковского. - М.: КомпьютерПресс, 2002. - 224 е.: ил.

2. Белобородов A.B. Оценка качества построения конечноэлементной модели в ANSYS // Материалы II Российской межвузовской научно-технической конференции "Компьютерный инженерный анализ". -Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2005. С.78-84.

3. Биргер И.А., Мавлютов P.P. Сопротивление материалов: Учебное пособие. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 560 с.

4. Бойко В.И., Коваль Ю.Н. Анализ неразрушающих методов оценки усталостного повреждения металлов: Обзор. Киев: Препринт АН УССР, 1982.-35 с.

5. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

6. Голофаст C.JI. Методология оценки нагруженности и усталости металлоконструкций и элементов приводов датчиками деформаций интегрального типа. Автореф. дис. докт. техн. наук. Ижевск, 2004. - 32 с.

7. Двигатели синхронные трехфазные серии СТД мощностью 630. 12500 кВт. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. В/О ТЕХМАШЭКСПОРТ. М., Внешторгиздат. Изд.№3334 СО.

8. Жовинский А.Н., Жовинский В.Н. Инженерный экспресс-анализ случайных процессов. М.: Энергия, 1979. - 112 с. - (Б-ка по радиоэлектронике. - вып.61).

9. Иосилевич Г.Б. Концентрация напряжений и деформаций в деталях машин. -М.: Машиностроение, 1981. -224 с.

10. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANS YS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. - 272 с.

11. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н.Прочность и износостойкость деталей машин: Учеб. Пособие для машиностр. спец. вузов. -М.:Высш. шк., 1991.-319 с.

12. Когаев В.П., Махутов H.A., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.

13. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкции. Анализ, предсказание, предупреждение: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 624 с.

14. Коллакот Р. Диагностика повреждений: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. - 512 с.

15. Копнов В.А., Тимашев С.А. Датчики усталостного повреждения (обзор) -Екатеринбург: Наука. Уральское отделение. 1992.- 87 с.

16. Котельников А.П. Диагностика усталости металлоконструкций кранов датчиками деформаций интегрального типа. Автореф. дис. канд. техн. наук. Курган, 2003. - 16 с.

17. Маленков А.И. Разработка методов диагностики и прогнозирования работоспособности деталей передач при циклическом нагружении: Дисс . канд. техн. наук. Курган, 1996. - 187 с.

18. Метод неплоских сечений (напряжения и перемещения) / Под общ. ред. Ю. В. Глябина. Волго-Вят. кн. изд-во, 1971. - 248 с.

19. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок (ПНАЭ Г-7-002-86) / Госатомэнергонадзор СССР. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 525 с.

20. Одинец С.С., Топилин Г.Е. Средства измерения крутящего момента. Библиотека приборостроителя. М., Машиностроение, 1977.- 160 с.

21. Окубо X. Определение напряжений гальваническим меднением /Пер. с японск. М.: Машиностроение, 1968. - 152 с.

22. Окубо X., Саката Т., Кагая Ц. Напряжения в круглом вале с лысками // Машиноведение, 1972. № 2. - С. 67-70.

23. Патент 2190831 С2 (ГШ). Способ изготовления датчиков для контроля циклических деформаций / В.Н. Сызранцев, С.Г. Тютрин; Опубл. 10.10.2002.-Бюл. №28.-6 с.

24. Патент 2209412 С2 (ШГ). Способ изготовления датчиков для , контроля циклических деформаций / В.Н. Сызранцев; Опубл. В Б.и. 2003. - № 21. -4 с.

25. Патент 2212638 С2 (ВШ). Способ определения концентрации напряжений в деталях машин / В.Н. Сызранцев, Д.А. Троценко, А.П. Котельников и др.; Опубл. 20.09.2003. Бюл. № 26. - 4 с.

26. Поллард Дж. Справочник по вычислительным методам статистики: Пер. с англ. М.: Финансы и статистика, 1982. - 344 с.

27. Почтенный Е.К. Прогнозирование долговечности и диагностика усталости деталей машин. Минск: Наука и техника, 1983. - 246 с.

28. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений: Справ. М.: Машиностроение, 1983. - 248 с.

29. Розенберг А.Ю. Методы экспериментальной оценки нагруженности и долговечности зубчатых колес с помощью гальванических медных датчиков циклических деформаций: Дис . канд. техн. наук. Курган, 1985.-223 с.

30. Руденко A.C. Влияние напряженно-деформированного состояния трубных систем на эксплуатационную надежность подогревателей сетевой воды теплофикационных турбин: Автореф. дис. к. т. н. // УГТУ-УПИ Екатеринбург: 2004. - 24с.

31. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. Пер. с англ. Под ред. Б.Е.Победри, М.: Мир, 1979.- 392 с.

32. Серенсен C.B., Шнейдерович P.M., Громан М.Б. Валы и оси. Расчет и конструированием., Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1959. 254 с.

33. Слесарев E.H. Совершенствование методов оценки усталостной поврежденности и ресурса деталей машин с помощью датчиков деформаций интегрального типа. Автореф. дис. канд. техн. наук. -Челябинск, 2005. 24 с.

34. Справочник по сопротивлению материалов / Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В.; Отв. ред. Писаренко Г.С. 2-е изд., перераб. и доп. -Киев: Наук, думка, 1988. - 736с.

35. Сызранцев В.Н. Методы экспериментальной оценки концентрации циклических деформаций и напряжений на поверхностях деталей машин: Учеб. пособие. Курган: РИО КМИ, 1993. - 83 с.

36. Сызранцев В.Н., Голофаст C.JL, Маленков А.И., Колпакова К.В. Диагностика усталости несущих систем и элементов транспортных машин с помощью датчиков деформаций интегрального типа: Учебн. пособие. -Курган: Изд-во Курган, ун-та, 1996. 87 с.

37. Сызранцева К.В. Методическое и программное обеспечение измерения напряжений в деталях машин датчиками деформаций интегрального типа: Дис. к.т.н. // КГУ Курган: 1998. - 154 с.

38. Сызранцев В.Н., Сызранцева К.В. Расчет напряженно-деформированного состояния деталей методами конечных и граничных элементов: Монография. Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2000. - 111с.

39. Сызранцев В.Н. Экспресс-оценка ресурса металлоконструкций машин /

40. B.Н.Сызранцев, Д.А.Троценко, А.П.Котельников // Материалы межд. Науч.-техн. Конференции, посвященной 50-летию ИжГТУ. 4.2. Инновационные технологии в машиностроении и приборостроении.-Ижевск, 2002.-С.305-312.

41. Сызранцев В.Н. Исследование сварных швов датчиками деформаций интегрального типа / В.Н.Сызранцев, Д.А.Троценко, И.В.Лисихин, О.В.Богомолов // Проблемы развития ТЭК Западной Сибири на современном этапе: Труды Междун. науч.-техн. конф., посвященной 40-ю

42. Тюменского государственного нефтегазового университета (25-27 сентября 2003 г.), Тюмень, 2003.-С.109-112.

43. Сызранцев В.Н. Современные методы расчета и диагностики усталости трубопроводной арматуры / В.Н. Сызранцев, К.В. Сызранцева, A.B. Белобородов // Отраслевой научно-технический журнал "Арматуростроение" №6 (32). -2004. С. 62-65.

44. Сызранцев В.Н., Голофаст C.JI. Измерение циклических деформаций и прогнозирование долговечности деталей по показаниям датчиков деформаций интегрального типа. Новосибирск:- «Наука», Сибирская издательская фирма РАН, 2004.-206 с.

45. Сызранцев В.Н., Голофаст С.Л., Сызранцева К.В. Диагностика нагруженности и ресурса деталей трансмиссий и несущих систем машин по показаниям датчиков деформаций интегрального типа. Новосибирск:-«Наука», Сибирская издательская фирма РАН, 2004.-188 с.

46. Тарасенко A.A. Напряженно-деформированное состояние вертикальных стальных резервуаров при ремонтных работах. М.: ОАО "Издательство "Недра", 1999.-270 с.:ил.

47. Тарасенко A.A., Пирожков В.Г., Иванцова С.Г. Использование программных комплексов для расчета нефтегазовых объектов: Учебное пособие. М.: ГУП Изд-во "Нефть и газ" РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2004. - 197с.:ил.

48. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости: Пер. с англ. / Под ред. Г.С.Шапиро. 2-е изд. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1979. - 560 с.

49. Троценко Д.А. Разработка метода количественной оценки накопления усталостных повреждений в сварных соединениях с помощью гальванодатчиков: Автореф. дис. канд. техн. наук. Челябинск, 1986. -16 с.

50. Троценко Д.А.Диагностика усталости уширителей траков / Д.А.Троценко,

51. B.Н.Сызранцев, И.В.Лисихин // СВАРКА УРАЛА-2002: Тез. докл. 21-й науч.-техн.конф. сварщиков уральского региона. Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2002.-С. 137-139.

52. Троценко Д.А.Определение остаточного ресурса металлоконструкций мостовых кранов / Д.А.Троценко, В.Н.Сызранцев, А.П.Котельников,

53. C.Г.Антипьев, П.В.Москвин, С.Ю.Тарунин // Сварка Урала 2002. Тез. докл. науч.-техн. конф. сварщиков уральского региона.- Курган, 2002.-С.139-141.

54. Удовикин А.Ю. Совершенствование методов оценки распределения напряжений в элементах зубчатых передач с помощью датчиков деформаций интегрального типа: Дис . канд. техн. наук. Курган, 1988. -235 с.

55. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справ, пособие. М.: Машиностроение-1, 2004. 512 с.

56. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. Пер. с англ. М., Мир, 1972.382 с.

57. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений: Справ, пособие / Б.С. Касаткин, А.Б. Кудрин, JT.M. Лобанов и др. Киев: Наукова думка, 1981. - 584 с.

58. Christenson В. DesignSpace 6.0 Higlights //Ansys Solutions. 2001, Volume 3. Number 2. - P. 12 - 16.

59. Crawford, John. Geometry transfer: Problems, Causes, and remedies // Ansys Solutions. 2001, Volume 3. Number 2. - P. 26 - 27.

60. Crawford, John. Guidelines for good Analysis: A step-by-step process for obtaining meaningful results // ANSYS Solutions. 2003, Fall. - P. 69-74.

61. Fietkiewicz B.J. DeGroot R.J. Integrated Product Development at Modine Manufacturing // Ansys Solutions. 2001, Volume 3. Number 3. - P. 6 - 8.

62. Modeling and Meshing Guide. ANSYS Release 8.1 Documentation. ANSYS Inc., 2004.

63. Structural Analysis Guide. ANSYS Release 8.1 Documentation. ANSYS Inc., 2004.

64. Syzrantsev V., Golofast S., Syzrantseva K. Determination of Torque on Shafts by Integral Strain Gauges Indiations // National conference with internationalparticipation. May 11-14, 1998. Svratka (Czech Republic), Vol.4. - P. 727730.

65. Syzrantsev V.N., Golofast S.L. Syzrantseva K.V. Gearing serviceability diagnostic with the help of integral strain gauges. 4 th World Congress on Gearing and Power Transmission: 16-18 March 1999. C.N.I.T. PARIS (France), 1999.-Vol.2.-P. 1845-1850.

66. Syzrantsev V., Golofast S., Syzrantseva K., Malenkov A. New means and methods of experimental research on cylindrical gears. Mechanics in Design MID-98. Nottingham Trend University (England), 1998. - P. 553-562.