ИННОВАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОЙ РЕКОНСТРУКЦИИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПОЛЕЙ ДЛЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА СИЛОВЫХ АГРЕГАТОВ ГАЗОТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ

РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина:
Дмитрий Николаевич Левитский,
Анатолий Алексеевич Сперанский
ООО "Турбоконтроль":
Олег Владимирович Морозов,
Сергей Александрович Вишняков
ООО "РЭМ-вибро":
Константин Львович Захаров,
Дмитрий Владимирович Малютин

РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина по заказу ОАО "Газпром" выполнена работа по теме "Совершенствование системы диагностики компрессорного оборудования СДКО с применением трехкомпонентных векторных вибропреобразователей (система АСВД)". Совместно с ООО "Турбоконтроль" и НПП "РЭМ-вибро" создан опытный образец системы с применением векторных преобразователей вибрации, проведена опытная эксплуатация системы АСВД на газоперекачивающем агрегате (ГПА) типа ДЖ59. Принцип одновременного параллельно-синхронного измерения нормативных вибрационно-диагностических параметров в штатных измерительных точках компрессоров низкого (КНД) и высокого (КВД) давлений ГПА позволил достаточно эффективно провести качественное и количественное сравнение информативности применяемого скалярного метода измерения штатной системы СДКО с инновационными возможностями векторно-фазового метода измерения и обработки в опытной системе АСВД.

Система оценки метрологической эффективности векторного мониторинга

Неопределенность скалярных измерений штатных одноканальных датчиков принципиально состоит в том, что невозможно выполнить реконструкцию и достоверную оценку возмущающего воздействия из-за отсутствия информации о взаимном пространственном расположении вектора деформации и измерительной оси датчика. Поэтому для принятия диагностического решения в серийных системах используется регламентированная статистическая модель с заданными уставками. Неудовлетворительная эффективность систем СДКО, реализованных на одноканальных скалярных датчиках, способствует активному продвижению статистических систем параметрической диагностики, в которых оценка механического состояния производится по косвенными диагностическим параметрам. Предельные критические значения контролируемых параметров (таких как температура, давление, загрязнение масла, напряженно-деформированное состояние и т.п.) в соответствии с регламентом статистической модели являются основанием для принятия решений в автоматизированном или операторском режимах.

Спектр сигналов на КВД (МВ-43*, ВТК каналы X, Y, Z*)

Автоматизированная система векторной диагностики (АСВД) разработана для исследования информационных возможностей векторного мониторинга на основе регламента применяемой в отрасли модели оценки эксплуатационного ресурса энерготехнологического газотранспортного оборудования. Основными элементами системы являются трехканальные фазосбалансированные общим чувствительным элементом векторные вибропреобразователи, синхронно измеряющие три ортогональные проекции пространственного вектора ускорения, что позволяет реконструировать его величину и направление.

Для сравнительных испытаний информационных возможностей скалярного и векторного мониторинга вместе с одноканальными датчиками типа МВ-43 в штатных диагностических точках АСВД впервые применены трехканальные векторные вибропреобразователи с одним чувствительным элементом типа ВТК, разработанные по заказу ОАО "Газпром".

3D-реконструкция спектра векторов деформационного поля в частном диапазоне 10...5000 Гц, вид XZ (стационарный режим)

Испытания скалярного и векторно-фазового способов измерения деформационных параметров волнового поля продемонстрировали существенно более высокую информативность и, следовательно, достоверность методов векторной виброакустической метрологии. Синхронные осциллограммы и спектральное разложение колебательных процессов позволили построить водопадные спектры сигналов и воспроизвести реконструкцию 3D-годографов пространственных деформаций и конусов разброса усредненного вектора матожидания на всех режимах мониторинга и показали, что:

1. Спектры сигналов и показания скалярных* и сонаправленных Z-каналов* векторных датчиков совпадают с высокой степенью точности.

2. Чувствительность скалярных датчиков на низких частотах до 200 Гц по отношению к сонаправленным Z-каналам векторных датчиков в 2,7…4,2 раза выше на режимах разбега и в 1,5…2,4 раза ниже в стационарных режимах. Получены сравнительные оценки чувствительности скалярных и векторных типов средств измерения на разных штатных эксплуатационных режимах ГПА.

Частотный диапазон 3610...3630 Гц, вид XZ (режим разбера)

3. Значения составляющих пространственного вектора виброускорения по другим осям (X- и Y-каналы) существенно изменяют представление о величине и направлении вибраций.

4. Пространственная реконструкция трехмерного образа деформаций измерительных точек в переходных и стационарных режимах в частотном диапазоне 10…10000 Гц позволяет воспроизвести объемное эллипсоподобное спектральное множество мгновенных векторов (амплитуд и направлений) диагностических параметров в плоскости, близкой к X-Y. При этом вектор годографа, ортогональный к нему, близок к направлению оси Z-векторного и измерительной оси штатного однокомпонентного датчика.

Частотный диапазон 2590...2610Гц, вид XZ (стационарный режим)

5. Частотная выборка мгновенных деформаций измерительной точки в узких частотных диапазонах 3610…3630 Гц (разбег) и 2590…2610 Гц (стационарный режим) позволяет воспроизвести пространственный тор с двумя эллиптическими осями.

6. Оси пространственных эллипсоидов позволяют прямым способом оперативно измерять анизотропные свойства материалов, конструкций и возникающих дефектов при диагностике и оценке эксплуатационного ресурса "по текущему состоянию".

7. Функция взаимного спектра с учетом октанта прихода сигнала позволяет реализовать технологическую идею формирования в стационарном режиме конуса разброса усредненного вектора матожидания по СКО измерений векторного датчика в заданной полосе частот и воспроизвести 3D-реконструкцию направления источника измеряемых деформаций для определения места и диагностики неисправности на ГТД.

3D-реконструкция направления источника измеряемых деформаций в частотном диапазоне 3610...3630 Гц, вид XZ (стационарный режим)

8. Высокая корреляция во времени водопадных спектров компонент векторных сигналов свидетельствует о существенно пространственном характере деформаций как на переходных, так и в стационарных режимах.

9. В результатах измерений векторных датчиков отсутствуют низкочастотные шумы, характерные для штатных одноканальных датчиков.

Сравнительные эксплуатационные испытания показали существенное увеличение информативности диагностической системы после ввода в ее состав векторных преобразователей вибрации по сравнению со скалярными датчиками.

Опытная эксплуатация подтвердила значимость выполненной работы для обеспечения эффективного управления техногенными рисками, в том числе, уменьшение вероятности внезапных отказов ГПА, повышение уровня промышленной безопасности производства в целом, минимизация последствий материального характера путем оптимизации "по текущему состоянию" сроков проведения технического обслуживания и вывода в ремонт ГПА.

Сравнительная информативность скалярного и векторно-фазового методов измерения анизотропно-прочностных параметров деформационных полей: скалярный метод - зеленый цвет; векторно-фазовый метод - красный цвет

АСВД, являясь мобильным многоканальным измеритель-анализатором вибрации с установленным специализированным программным обеспечением и фазочувствительным монтажным комплектом, на основе прямых системных измерений волновых параметров деформационных полей принципиально изменяет представление о вибрационно-диагностических параметрах и ресурсе механических систем. На основе пакета программ WinПОС-AlgVector впервые в мировой практике реализована реконструкция трехмерного образа пространственных деформаций в измерительных точках на основе спектра волновых векторно-фазовых параметров пространственных виброакустических полей.

Безусловно, векторная виброакустическая метрология является информационной технологией высокого уровня и опирается на прорывные возможности многомерной реконструкции и тонкого анализа волновых деформационно-прочностных полей на основе современных компьютерных технологий, существенно повышает уровень диагностического обслуживания и прогноза безопасной эксплуатации динамических объектов механических систем. АСВД в силу универсальности подходов и фундаментальности метода векторно-фазовых измерений может быть эффективно использована в любых задачах и приложениях, связанных с достоверным мониторингом виброакустических процессов волновых деформационных полей. Помимо целевой функции обеспечения техногенной безопасности, необходимо выделить широкий круг задач, связанных с оценкой, распознаванием и идентификацией виброакустических характеристических свойств и признаков природных сред.

Соответствие парадигмы измерений целевой функции мониторинга

Многообразие виброакустических полей окружающей среды привело к тому, что требования, предъявляемые к современным метрологическим средствам, стали настолько индивидуальными, что ни о какой универсальной аппаратуре, пригодной для всех случаев, не может быть и речи. В то же время, для практических научных исследований и решения прикладных задач оказывается необходимым и целесообразным применение фундаментальных методов и универсального аппарата векторно-фазовой реконструкции волновых параметров деформационных полей.

Полевая философия во многом способствует восприятию единого целостного устройства и гармонии среды обитания - окружающего нас механического мира. А сам мир несет в себе разумное и объяснимое содержание. Поэтому полевый подход и приводит к множеству принципиально новых, порой неожиданных результатов, к пониманию природы деформационных процессов механических систем, позволяющему достоверно оценивать эксплуатационный ресурс прочности и техногенную безопасность среды обитания.

В заключение необходимо отметить, что полевая парадигма реализует современный высокотехнологичный параметрический подход для достоверных исследований прямым анизотропно-прочностным методом параметров волновых деформационных полей и никоим образом не является альтернативой традиционно существующим методам вибродиагностики и дефектоскопии.

[Напоминаем, что Интернет-вариант статьи сильно сокращен. Ред.]