Мониторинг осевого сдвига роторов турбокомпрессоров. По материалам журналов “Орбит” фирмы Bently Nevada. 1987-1992г.г. Перевод и комментарий Кулинич С.И., главного специалиста ЦТД ОАО “Концерн Стирол” г. Горловка (Украина).
Введение.
Система отслеживания осевого сдвига - одна из главных в общем комплексе мероприятий по защите роторных машин (турбокомпрессоров). Другие нарушения в работе машин также могут приводить к катастрофическим последствиям, но ухудшение работы или дефект упорного подшипника может произойти при очень слабых признаках опасности и за очень быстрый период, а это приводит к полному разрушению машины. Поэтому в первую очередь требуются технические приемы для измерения осевого сдвига. При этом необходимо избегать ошибок при установке соответствующих систем защиты.
В данной статье рассматриваются наиболее важные моменты при установке таких систем:
- концепция “холодных” и “горячих” зон всплытия;
- соотношение между линейным диапазоном датчика системы и диапазоном потенциального изменения осевого сдвига ротора;
- соотношение между показаниями монитора и позиции ротора (упорным диском);
- приводится руководство по настройке пороговых уровней.
Зоны всплытия: переход из холодной в горячую.
Рис.1
Зона всплытия- нормальное допускаемое движение упорного диска в зазоре упорного подшипника. “Холодная” зона всплытия (Рис.1) измеряется, когда машина неподвижна и имеет температуру окружающей среды. Однако, эта зона будет увеличиваться, когда машина полностью нагружается на рабочих скоростях. Изменение происходит вследствие большей рабочей нагрузки на упорный подшипник.
Другие способствующие факторы - термонагрев, отсутствие достаточной жесткости узла упорного подшипника, неравномерность толщины колодок упорного подшипника и отжимание масляной пленки (выдел. - перевод.).
Таким образом для машины при полной нагрузке существует “горячая зона всплытия”, которая обычно больше холодной на существенную величину. Пример на рис.1 показывает машину с холодной зоной около 16 милс (0.4 мм), с зазором по датчику от 48 до 58 милс, который соответствует выходному напряжению проксиметра -8.4 и -11.6В соответственно. Горячая зона равна 24 милс (0.6мм) с зазором от 38 до 62 милс (-7.6 и -12.4В). Это увеличение на 50% не является чем то необыкновенным.
Очень часто неопытные пользователи системы мониторизации осевого сдвига не принимают во внимание отличие зон холодного и горячего всплытия. Они будут устанавливать пороговый уровень, соответствующий моменту касания упорного диска к подшипнику, основываясь на измерениях холодной зоны машины, когда она находилась в статическом положении. Если зона всплытия расширяется, точка такого порогового уровня представляет позицию упорного диска, находящегося в пределах зазора подшипника, а не касания к вкладышу. Таким образом, изменение позиции вала вызывает некорректный сигнал в системе мониторинга.
Существует два способа, чтобы избежать ложную тревогу. Во-первых, выяснить разницу между холодной и горячей зонами всплытия, и настроить правильно пороговый уровень. Во-вторых, настроить сигнал порогового уровня так, чтобы он представлял износ баббита от 5 до 10 милс (125- 250 мкм). Затем установить блокировочный уровень, соответствующий 250¸500 мкм сверх порогового уровня.
Ложные срабатывания порогового уровня могут встретиться даже после допуска на горячую зону всплытия. Это возможно, если:
1) пороговый уровень настроен слишком близко от поверхности подшипника;
2) припуск на горячую зону не достаточен;
3) небольшая погрешность содержится в устанавливаемом датчике.
В конце концов, мониторинг реального осевого сдвига не обязательно убережет подшипник от износа, но убережет машину от серьезного осевого затира и потенциального разрушения.
Фактически, некоторый износ упорного подшипника даже желателен с точки зрения мониторинга. Если монитор отражает пороговый уровень положения осевого сдвига, а при разборе повреждение подшипника не обнаружится, то операторы да и руководство может потерять доверие к таким системам. Большинство машин оборудованы упорными подшипниками, которые могут выдерживать некоторую потерю баббита до времени наступления опасного осевого касания ротора. Поэтому уместно позволить потерю некоторого слоя баббита до выработки сигнала порогового уровня.
С целью определения соотношения холодной и горячей зоны всплытия необходима консультация с производителями машины. Их информация может быть сравнена с рабочими опытами для повышения качества работы.
Взаимосвязь между диапазоном датчика и диапазоном разбега ротора.
Необходимый диапазон измерений осевого сдвига для любой машины должен перекрывать максимально допустимое изменение сдвига ротора в обоих направлениях в упорном подшипнике. Диапазон сдвига ротора должен включать не только зазоры в упорном подшипнике (холодные и горячие зоны всплытия), но так же допускаемый износ баббитового слоя на обоих сторонах подшипника (рабочие и не рабочие колодки).
Машина (рис.1) имеет зазор в упорном подшипнике (горячая зона) 24 милс (0.6мм). Дополнительно 17 милс (0.4мм)- допустимый износ подшипника на каждой стороне отодвигает точку блокировочного значения. Таким образом, диапазон расположения ротора (общий допустимый сдвиг ротора)равен 58 милс (1.4мм). Рисунок также отражает линейный диапазон работы датчика, который больше диапазона допустимого осевого сдвига ротора. Такая расстановка акцентов рекомендуется для всех систем мониторизации. То есть, чем больше диапазон корректной работы датчика превышает осевой сдвиг ротора, тем корректнее можно настроить систему.
Если линейный диапазон датчика чуть больше осевого разбега ротора, то установка датчика для выверки правильного зазора затруднительна, если вообще невозможна.
Например, если линейный диапазон работы датчика 60 милс (1.5мм), то необходимо терпение, чтобы установить центр диапазона работы датчика в центр осевого разбега ротора (холодная зона). В данном примере, датчик надо настроить как можно ближе к 58 милс (1.4мм) или -11.8В, чтобы упорный диск прилегал к рабочей стороне упорного подшипника.
Если бы диапазон был равен 80 милс (2мм), то исходный зазор 58 милс не был бы так критичен. С упорным диском, прилегающим к рабочей стороне, зазор датчика можно было бы установить между 48 и 68 милс (1.2 и 1.7 мм). Система будет работать корректно в любом случае.
Далее рассматриваются технические приемы, необходимые для эффективной работы системы мониторизации, включая как установку датчика (правильная настройка зазора) так и калибровку монитора. Представлены примеры двух общих случаев метода настройки: ноль отсчета в центре зоны всплытия и ноль на рабочей стороне подшипника. Даются рекомендации по установке пороговых уровней с целью обеспечения защиты машины.
На рис.1 была представлена ситуация, когда рассматривался линейный диапазон датчика в 80 милс (2мм), от минимальной дистанции в 10 милс (0.25мм) до максимального зазора 90 милс (2.25мм). Соответственно, минимальный вольтаж диапазона равен -2В, а максимальный -18В. Таким образом центр диапазона- дистанция в 50 милс (1.25 мм), а вольтаж -10В.
В идеале центр линейного диапазона датчика должен соответствовать центру зоны всплытия ротора (то ли горячей, то ли холодной- центр у них общий). Однако, трудно установить и удерживать ротор в центре зоны. Более легким способом считается размещение ротора (упорного диска) на одной из сторон упорного подшипника, а затем установка датчика на дистанцию необходимого зазора/вольтажа.
Замечание: Расположение ротора, прилегающего к поверхности вкладышей (как можно ближе к ним) необходимо проводить с тем же усилием, что и при рабочих нагрузках. Для этого можно использовать гидротолкатель.
Используя пример на рис.1: при ширине холодной зоны всплытия в 16 милс (0.4мм) упорный диск будет находится от центра на расстоянии в 8 милс (0.2мм) при приближении к одной из сторон подшипника. Это соответствует изменению в 1.6В. Таким образом, в случае касания упорного диска рабочей стороны подшипника, корректная дистанция зазора должна быть 58 милс (1.45мм) с соответствующим вольтажом -11.6В.
Осевой сдвиг ротора в интерпретации измерительного устройства.
После установления правильной зависимости между зазором датчика и положением упорного диска в подшипнике остается рассмотреть измерительное устройство. В контрольной комнате оператор видит не положение ротора в подшипнике и не зазор датчика, выраженный в вольтах. Средством связи измерительной системы с оператором служит показание счетчика монитора. Вот почему необходимо правильно установить связь между вольтажным зазором датчика (положением упорного диска) и показаниями измерительного устройства.
Большинство выпускаемых мониторов осевого сдвига показывают осевой сдвиг вала (перемещение) при условии нормальной работы монитора. Это же относится и к мониторам фирмы Бентли Невада. Однако, с нашими мониторами оператор может активировать переключатель на лицевой панели для просмотра показаний вольтажного зазора.
Правильная установка системы монитора не может избежать одного важного этапа: калибровки. Правильная калибровка гарантирует, что изменение вольтажного зазора и соответствующее показание осевого сдвига представляют истинное изменение осевого перемещения ротора.
Проведите калибровку осевого датчика перед установкой его на машину. Используя точный шпиндельный микрометр (с объектом из того же материала, что и вал), калибровка датчика гарантирует, что изменение выходного вольтажа точно отражает известное изменение перемещения вала. Эта процедура зависит от чувствительности датчика. Стандартная чувствительность равна 200 мВ/милс (8В на 1мм), хотя некоторые системы используют 100 мВ/милс (4В/мм).
Калибруйте монитор перед установкой датчика, используя настоящий датчик, который будет установлен на машине. Если датчик уже установлен, используйте аналогичный образец (того же типа, диаметра и длины подключаемого кабеля).
Рис.2 Ноль отсчета соответсвует расположению упорного
диска в центре зоны всплытия.
Существует два обычных технических приема, используемых для настройки монитора осевого сдвига по началу отсчета. Оба метода верны. Отличие состоит в окончательном показании счетчика, когда ротор стоит в нормальной рабочей позиции.
Метод1: Ноль отсчета равен центру зоны всплытия. При этом монитор настраивается таким образом, что “0” на мониторе соответствует расположению упорного диска в центре зазора подшипника (Рис.2).
При этом, в виду того, что роторы редко работают в центре зазора упорного подшипника, показания счетчика (при работе машины в нормальных рабочих условиях) не будут равны нолю. Обычно показания будут отличными от ноля (чаще сдвиг при этом будет в направлении на рабочие колодки), соответствующего середине горячей зоны всплытия.
Используя этот метод для вышеприводимого примера, типичное показание будет равно 12 милс (0.3мм) в положительном направлении на счетчике (или немного меньше в зависимости от качества масляной пленки между упорным подшипником и колодками). Показания в 12 милс относятся к вольтажу зазора -12.4В. Показание в 12 милс (0.3мм) в нерабочем направлении должно представлять движение упорного диска на нерабочие колодки (и вольтаж датчика -8.6В).
Преимущество этого метода заключается в логической связи между линейным диапазоном датчика и диапазоном счетчика. Этот метод облегчает работу с монитором, т.к. все они используют одно и то же допущение (начало отсчета в центре зоны всплытия). Недостаток этого метода заключается в наличии разных горячих зон всплытия у разных машин, поэтому показания счетчиков мониторов будут отличаться. Это немного усложняет контроль оператора за агрегатами.
Метод2: Начало отсчета совпадает с рабочей стороной зоны всплытия.
Рис.3 Ноль отсчета соответствует расположению
упорного диска на рабочей стороне подшипника
Цель второго метода - преодолеть недостатки предыдущего. При этом, главная цель этого метода заключается в приведении показаний всех счетчиков осевого сдвига всех машин к одной и той же величине, нолю или близкой ему. Этот метод облегчает работу оператора; внимание обращает на себя показание лишь сильно отличающееся от ноля. Однако, недостаток данного метода- усложнение при настройке измерительного инструмента, при этом мониторы осевого сдвига для каждой машины настраиваются по разному.
Процедура состоит в установлении размера горячей зоны всплытия и настройки счетчика таким образом, чтобы его нулевые показания совпадали с прилеганием упорного диска к рабочей стороне подшипника (желательно найти это расположение для горячей зоны всплытия)(см. рис.3). Проблемой этой процедуры является трудность в имитации условий для горячей зоны всплытия на неработающей машине (охлажденной). Поэтому счетчик должен быть отстроен на вспомогательное значение, которое может быть сымитировано на выключенной машине.
Снова используя предыдущий пример, видим, что если горячая зона всплытия равна 24 милс (0.6мм), а холодная 16 милс (0.4мм), это дает разницу между ними в 8 милс или по 4 на каждую сторону зазора подшипника. Таким образом, на стоящей машине и при касании упорного диска рабочих вкладышей (холодная зона) установите показания счетчика на 4 милс (0.1мм) в нерабочую сторону. Это соответствует показаниям вольтажа -11.6В.
Когда машина достигает рабочего состояния (с упорным диском возле рабочей стороны подшипника- горячей зоны всплытия) показания счетчика будут равны нолю или -12.4В зазора датчика. Заметим, что счетчик будет показывать точно “0” только, если точно известна разница между горячей и холодной зонами всплытия. В другом случае будут появляться отличия.
Как мы видим оба метода отличаются друг от друга только в показаниях счетчика при нормальных рабочих условиях. Для обычных условий первый метод приводит к показаниям счетчика, отличным от ноля, в то время как при втором показании стремятся к нолю. Необходимо отметить сходство двух методов. Используя тот или иной метод, соотношение между осевым сдвигом и линейным диапазоном датчика остается одно и то же. В обоих случаях датчик отстраивается так, что центр его линейного диапазона совпадает с центром зазора подшипника.
И последнее предупреждение: если установлена жесткая взаимосвязь между осевым перемещением, зазором датчика и показанием счетчика, не меняйте эти соотношения, особенно после пуска машины. Например, предположим, что метод 2 использовался для установки показания счетчика в ноль для нормальных рабочих условий машины. Так же предположим, что после пуска показание не совпадает в точности с 0, т.к. размер горячей зоны был определен с небольшой погрешностью. В данном случае не проводите перенастройку счетчика и датчика для юстировки датчика. Если перенастроить счетчик после пуска, все первоначальные коэффициенты связи будут потеряны.
Набор данных для тех вспомогательных величин может помочь в будущем, особенно при сбоях в работе системы мониторинга. Например, если показания счетчика меняются все время и нет уверенности в истинных его показаниях, то необходима его поверка. С первоначальным набором не поврежденных данных любое показание счетчика напрямую можно перевести в вольтаж зазора датчика, а затем в истинный осевой сдвиг ротора. Если же счетчик и зазор перестраивались после пуска, то нет уверенности в точности показаний счетчика и точном расположении ротора.
Настройка пороговых уровней монитора.
При настройке пороговых уровней надо уяснить, что при достижении этого параметра не обязательно надо сохранять полностью упорный подшипник от повреждения. Главная цель- предотвращение серьезного осевого затира и разрушения машины. В результате некоторый износ упорного подшипника допустим при рабочих условиях. Упорные подшипники имеют обычно достаточный слой баббита, позволяющий поддерживать работоспособность до наступления осевого затира ротора. Таким образом, целесообразно допускать частичное стирание баббита при пороговом уровне сигнализации.
Уяснив наши рассуждения и приняв концепцию перехода холодной зоны всплытия в горячую, можно непосредственно переходить к цели нашей задачи- настройке пороговых уровней. Для большинства систем мониторизации существует 4 настройки предупреждения: первый и второй уровень тревоги в каждом направлении движения ротора (в активную и неактивную) Настройте первый уровень тревоги (Alert) сверх границы горячей зоны всплытия в каждом направлении так, чтобы некоторая часть бабита терялась до появления сигнализации. Настройте второй уровень тревоги (Danger), так чтобы даже более значительная часть баббита стиралась, но не допускала касания ротора о статорную часть.
Для показанного ранее примера порог можно настроить после потери 6 милс (0.15мм) баббита. Эти настройки одинаковы в обоих направлениях и представляют зазоры датчика, равные -13.6 и -6.4В соответственно. Уровень блокировки так же настраивается в обоих направлениях и представляет дополнительную потерю баббита 10 милс (0.25мм). Соответствующие вольтажи равны -15.6 и -4.4В.
Расчет правильного зазора проксиметров.
Всегда надо убедиться, что зазор в проксиметре выставлен был так, что он попадает в центр линейного диапазона системы преобразователя. Правильная разбивка зазора датчиков перемещения считается главной процедурой в случае, когда для измерений требуется линейная зависимость параметров. Это замечание относится как к измерению осевого сдвига, так и радиальной вибрации.
Центр линейного диапазона легко найти, изучая кривую характеристики датчика. Она может быть выполнена с использованием шпиндельного микрометра типа ТК3-2 фирмы Бентли Невада. В случае с осевым сдвигом неправильная выставка зазора снижает линейный диапазон системы преобразователя (рис.4).
Рис.4
Допустим, что датчик был оттарирован от -2.0В. Этот вольтаж достаточен, чтобы монитор регистрировал состояние преобразователя как “ОК” и измерял какую- то вибрацию. Уровень сигнала вибрации 1 милс от пика до пика, который представляет 2В р/р (пик-пик) выглядит как “NOT OK”. Это состояние не дает возможность активироваться сигналу тревоги, таким образом при данной настройке зазора “ОК” не обеспечит должной защиты машины.
Кроме этого при работе необходимо обращать внимание на степень чистоты датчика осевого сдвига, этот показатель может влиять на достоверность сигнала, приходящего на проксиметр и монитор.
Защита паровой турбины от поломок при помощи упорных подшипников.
Упорные подшипники отделяют вращающиеся детали паровой турбины от статорной части (Рис.5).
Рис.5 Схемы монтажа датчиков контроля осевого сдвига.
Их соприкосновение очень дорого обходится - от 500 тыс. долларов и более, в зависимости от размера турбины. 80 % этой суммы будут составлять потери продукции. Наилучшая защита - приборная система, которая предназначена для определения осевого сдвига с двумя токовихревыми датчиками, смонтированными во входной по пару секции турбины. Обычно датчики монтируются со стороны торца вала и упорного диска. Эти два датчика, откалиброванные по вольтажу зазора, отражают дистанцию от торца датчика до конца вала. Торец вала, в зависимости от того куда тот движется, может удаляться от датчика до 300 мм и менее.
Упорные подшипники выходят из строя быстро (менее, чем 30 сек.) поскольку опорная гидродинамическая масляная пленка теряет свою способность удерживать осевые нагрузки. Данные осевые нагрузки достигают 30 кг/см2 на баббитовую заливку. Температура металла в зоне нагрузки около 75% центральной площади вкладышей достигает 125-140°С.
Комментарий к статье “Мониторинг осевого сдвига”.
Данная статья во многом стала откровением для нас, сотрудников диагностики динамического оборудования, использующие методы вибродиагностики. Она раскрыла глаза на многие проблемы, с которыми приходиться сталкиваться в процессе работы. Считаю, что она может стать настольной инструкцией для работников, проводящих настройку систем мониторизации осевого сдвига. Особенно, если используются комплектующие фирмы Bently Nevada.
Используя вибродиагностическое оборудование в качестве инструмента оценки состояния роторных машин, очень сложно подтвердить или опровергнуть правильность показаний счетчика осевого перемещения ротора. Надо или отказаться от этой затеи и довериться системе контроля, или идти по пути более глубокого изучения вопросов технологии и конструктивных особенностей обследуемой машины. Именно изменения (нарушения) устоявшихся технологических процессов и конструктивные дефекты проточной части и ротора могут привести к “неожиданному” изменению осевого сдвига ротора компрессора или турбины. При этом предполагается, что работники КИПиА, настроившие систему, выполнили правильно свои обязанности.
У нас за годы работы центра технической диагностики на основе более чем 15- летнего опыта сложился приближенный алгоритм решения данного вопроса. Данный опыт интересен тем, что чаще всего у нас используется схема с одним датчиком контроля осевого сдвига, тем более не самого высокого качества изготовления.
В первую очередь хочу отметить, что данный алгоритм относится к уже работающему (апробированному), прошедшему стадии наладки и экспериментов оборудованию.
Для вновь вводимого или экспериментального оборудования необходимо привлечение сил научно- технических лабораторий, специализирующихся на данных проблемах.
Какой же перечень мероприятий приходится выполнить вибродиагностику перед вынесением вердикта по проблеме осевого сдвига?
1. Выяснить показания счетчика осевого перемещения.
Очень часто используется описанный в статье первый метод настройки системы отсчета осевого сдвига. При этом движение ротора в положительную зону означает перемещение его на рабочие колодки упорного подшипника и соответственно в сторону всаса на компрессоре или выхлопа- на турбине (чаще всего используется данная схема). Это движение естественно для правильно работающей и отцентрованной связки машин. Если же в отрицательную сторону, то сразу же возникает подозрение:
- изменилась центровка машин, что могло быть связано с изменением температур на всасе компрессоров. В редких случаях при использовании торца полумуфты в качестве упорного гребня для датчика, это говорит о нарушении работы муфтового узла (биение, неплотная посадка на валу);
- изменился расход по всасу на предаварийной машине, что способствовало ухудшению работы думисного (уравновешивающего) устройства;
- если изменение сдвига происходит быстро из положительной зоны в отрицательную и обратно, то это однозначно говорит о некорректной работе датчика осевого сдвига. Его приходиться деблокировать на свой страх и риск для продолжения выполнения производственной программы. Хотя необходимо рассматривать возможность остановки машины и замены датчика.
2. Проверить изменение вольтажа зазора.
Если показания вольтажа на счетчике (мониторы фирмы Bently Nevada) изменились в соответствии с графиком настройки адекватно перемещению в мм, то это одна (но не главная) из причин требовать немедленной остановки машины при превышении блокировочных показаний осевого сдвига. Хотя в нашей практике случались истории с окислением, загрязнением контактов на проксиметре, частичным повреждением кабеля, проводящего сигналы с датчика. После устранения этих причин показания приходили в норму.
Если же показания зазора равны -24В или 0, то это однозначно говорит об обрыве кабеля или повреждении датчика (пробы).
3. Снять вибрационные характеристики по месту и от монитора (если позволяет прибор) для их сравнения.
Если под рукой есть компьютер с трендами вибрации, снятыми ранее в штатных точках, то необходимо провести их сравнения, выявить изменения. При этом при возникновении в спектрах вибрации на интересующей Вас машине признаков затиров или проблем с маслом смазки необходимо делать соответствующие выводы.
4. Проверить по записям системы управления технологическим процессом машины наличия изменения основных технологических параметров.
Т.к. технологический процесс, который обеспечивает обследуемая машина, проходит при жестко заданных диапазонах изменения парметров, то отклонение одного из них может повлиять на стабильную работу машины.
4.1. Прежде всего необходимо проверить изменение температуры масла смазки на обследуемом упорном подшипнике. Хотя очень часто термопара устанавливается на сливе с опорной и упорной части подшипника и изменение параметра очень трудно отследить. При малейших признаках повышения температуры необходимо говорить о возможном повреждении баббита упорных колодок.
4.2. Проверить температуру и расход пара на входе и выходе для турбины. Очень часто засоление лопаток турбины приводит к снижению ее производительности, а тем самым к увеличению температуры, расхода на входе. Как следствие- для турбины это грозит повышением осевого сдвига в сторону выхлопа.
4.3. Проверить изменение расхода и температуры на всасе связки обследуемого компрессора с соседними корпусами. Изменение этих параметров влияет на центровку и работу думисного устройства. А это в свою очередь приводит к изменению осевого сдвига.
5. Проверить и потребовать от технологического персонала провести анализ состояния масла смазки на содержание агрессивных для датчика газов (аммиака), влаги.
Очень часто в нашей практике повышенное содержание аммиака и влаги в маслобаке приводило к нарушению работы датчиков относительной вибрации и осевого сдвига. При этом визуально повышенное содержание влаги мы оценивали по наличию конденсата на внутренней поверхности стекла фонарей на сливах масла с подшипников. Факт “заамиачивания” масла можно часто проверить довольно примитивным способом, понюхав масло на дренаже из маслобака или маслонасоса. При этом работоспособность датчика восстанавливалась при повышении температуры масла и усилении отдувки аммиака при помощи азота из маслобака, регенерации масла.
На основании результатов наших проведенных обследований можно с достаточной степенью достоверности говорить об истинности осевого сдвига ротора. За мою 6- летнюю практику метод не давал сбоев, связанных с повреждением ротора предаварийной машины. Хотя были редкие случаи остановки машин с превышением всех “разумных” уровней осевого сдвига, а при разборке целыми упорными подшипниками. Но это скорее претензия к киповцам, выставлявшим зазоры без учета горячей зоны всплытия колодок упорного подшипника, толщины баббита на колодках, биения упорного диска, при использовании метода измерения осевого разбега ротора с помощью лома и цифрового индикатора.