Основы технической диагностики нефтегазового оборудования

том этого этапа является выявление изменения геометрии объекта, наличия поверхностных видимых дефектов и уточнение объема не­ разрушающего контроля. Далее неразрушающими методами выпол­ няют толщинометрию и дефектоскопию элементов и участков объ­ екта, выявленных на предварительном этапе диагностирования и уточненных при визуальном контроле. При необходимости произво­ дят исследование структуры, определение химического состава и ме­ ханических свойств материалов.

В большинстве случаев натурное обследование завершают испы­ танием объекта под нагрузкой на прочность, устойчивость и герме­ тичность. Испытаниям предшествуют соответствующие провероч­ ные расчеты с учетом выявленных дефектов. Проверочные расчеты в соответствии с нормативной документацией (ГОСТ 14249—89, 25859-83, 26202-84, 24755-89, РД 03-421-01, ПБ 03-605-03 и др.) выполняют по допускаемым напряжениям с учетом коэффициентов запаса. Величина запаса определяется физико-механическими харак­ теристиками материала конструкции и условиями ее нагружения. Расчет фактических напряжений при проверке их соответствия до­ пускаемым значениям и определении коэффициентов запас? можно заменить определением этих напряжений с помощью номогри\,>. по величине коэрцитивной силы (см. 7.7 и 12.5).

Оборудование считают работоспособным, если его несущие эле­ менты имеют запасы прочности выше следующих нормативных зна­ чений:

пт= 1,5 — запас прочности до образования пластического шар­ нира (по пределу текучести);

пъ= 2,4 — запас прочности по пределу прочности; пк= 2,0 — запас прочности по критическому коэффициенту ин­

тенсивности напряжений.

Если расчетный коэффициент запаса ниже установленных значе­ ний, то принимают решение о снижении рабочих параметров диаг­ ностируемого оборудования (давления, температуры, расхода) или выводе его из эксплуатации.

На завершающем этапе диагностирования выполняют анализ выявленных дефектов и повреждений, их соответствие нормам и критериям, установленным в нормативно-технической документа­ ции, дают оценку технического состояния объекта. Выясняют необ­ ходимость проведения дополнительных исследований с целью уточ­ нения определяющих параметров на основе уточнения напряженнодеформированного состояния, деградационных процессов и факти­ ческих характеристик материалов.

При признании объекта работоспособным, а также при наличии возможности восстановления его работоспособности выполняют прогнозный расчет остаточного ресурса по определяющим парамет­ рам технического состояния с учетом скорости роста соответствую­ щих дефектов и повреждений.

По результатам технического диагностирования принимают ре­ шение о возможности и условиях дальнейшей эксплуатации объекта:

продолжении эксплуатации на рабочих или сниженных параметрах, необходимости ремонта объекта или демонтажа из-за невозможно­ сти или нецелесообразности его дальнейшего использования.

В зависимости от конструктивного исполнения в типовую про­ грамму диагностирования вносят изменения и дополнения, учиты­ вающие особенности конкретного объекта и предусматривающие проведение дополнительных исследований и применение различных методов неразрушающего контроля: например, контроль состояния магистральных трубопроводов с помощью специальных снарядов-де­ фектоскопов, инструментальное обследование состояния оснований и опор, тепловизионное обследование в режиме эксплуатации объек­ тов с термоизоляционным покрытием (например, изотермических резервуаров для хранения сжиженного газа), дополнительное обсле­ дование фундамента ГПА и конструкций зданий насосных и ком­ прессорных станций и др.

1.6.Виды неразрушающего контроля, его стандартизация

иметрологическое обеспечение

Типовая программа диагностики предусматривает использова­ ние различных методов контроля, прежде всего методов неразру­ шающего контроля. Неразрушающий контроль требует примене­ ния специальных и дорогостоящих приборов и оборудования и привлечения высококвалифицированных аттестованных специали­ стов. Он может осуществляться как дискретно, так и путем посто­ янного мониторинга на сложных и дорогостоящих опасных произ­ водственных объектах.

Для получения информации в неразрушающем контроле (далее НК) используют все виды физических полей и излучений, химиче­ ских взаимодействий и процессов. Зарождение НК обычно относят ко времени открытия в ноябре 1895 г. рентгеновских лучей, которые позволили обнаружить металлический предмет в закрытой деревян­ ной коробке. За прошедший после этого период разработано боль­ шое число различных видов и методов НК..

Классификация видов НК в соответствии с ГОСТ 18353-79 ос­ нована на физических процессах взаимодействия поля или вещества с объектом контроля. В основе решения диагностических задач ле­ жит прежде всего оптимальный выбор физического процесса, даю­ щего наиболее объективную информацию об объекте диагностирова­ ния. В зависимости от общности физических принципов, на кото­ рых они основаны, различают девять видов НК: акустический, магнитный, тепловой, электрический, оптический, вихретоковый, радиационный, проникающими веществами и радиоволновой. Каж­ дый из видов НК подразделяют на методы, отличающиеся следую­ щими признаками:

Классификация методов контроля проникающими веществами (капиллярными и течеискания)

Чувствительность соответствующего метода НК оценивается наименьшими размерами выявляемых дефектов: для поверхност­ ных — шириной раскрытия на поверхности детали, а также протя­ женностью и глубиной развития; для скрытых — размерами дефекта и глубиной его залегания. Сопоставление различных методов кон­ троля можно проводить только в тех условиях, когда возможно при­ менение нескольких методов. Перечень рекомендуемых методов НК приводится в нормативно-технических документах по технической диагностике конкретных объектов.

Для обеспечения единообразия проведения контроля в различ­ ных условиях, единства и требуемой точности получаемых результа­ тов разработана система нормативно-технических документов. Она включает ГОСТы, ОСТы, правила и методики контроля. В них рег­ ламентируются классификация методов НК, терминология, основ­ ные параметры средств контроля, методы и периодичность их метро­ логической поверки, методика проведения НК, требования к квали­ фикации персонала и др.

Средства неразрушающего контроля разделяют на индикаторные и измерительные. Индикаторными называют средства контроля, не имеющие измерительных узлов и предназначенные лишь для индика­ ции дефектов. Средства контроля, оснащенные измерительными уз­ лами, подлежат периодической метрологической поверке. Перио­ дичность поверки указывается в паспортах средств измерений и обычно составляет один год. Поверке подлежат также контрольные и стандартные образцы, используемые для настройки и проверки средств измерений.

Квалификация специалистов НК устанавливается и подтвер­ ждается по результатам соответствующей аттестации. Согласно

ПБ 03-440-02 «Правила аттестации персонала в области неразру­ шающего контроля», аттестация проводится по следующим видам НК: ультразвуковой (УК); акустико-эмиссионный (АЭ); радиаци­ онный (РК); магнитный (МК); вихретоковый (ВК); проникающи­ ми веществами: капиллярными (ПВК); течеискания (ПВТ); визу­ альный и измерительный (ВИК); вибродиагностический (ВД); электрический (ЭК); тепловой (ТК); оптический (ОК).

Аттестация специалистов НК в зависимости от их квалификации производится в соответствии с ПБ 03-440—02 по трем уровням. Спе­ циалист I уровня квалификации выполняет работы по НК конкрет­ ного объекта по утвержденной инструкции под контролем специали­ ста II или III уровня и не имеет права оценивать полученные резуль­ таты. Специалист II уровня, помимо знаний I уровня, разрабатывает технологические инструкции и карты контроля в соответствии с дей­ ствующими нормативами и методическими документами в области своей аттестации, производит выбор технологии и средств контроля, выдает заключение по результатам контроля, выполненного им са­ мим или под его наблюдением специалистом I уровня.

Специалист III уровня обладает квалификацией, достаточной для руководства любыми операциями по тому методу НК, по которому он аттестован, в том числе: руководит работой персонала I и II уров­ ней, а также выполняет работы, отнесенные к компетенции послед­ них; проверяет и согласовывает технологические документы, разра­ ботанные специалистами II уровня квалификации; разрабатывает технологические документы и технологические регламенты по НК; проводит инспекционный контроль работ, выполненных персона­ лом I и II уровней квалификации.

Специалисты по НК должны проходить периодическую переат­ тестацию: I и II уровней — через три года, III уровня — через пять лет. В удостоверении каждого специалиста помимо вида НК записы­ вается вид оборудования, к контролю которого он допущен.

Для правильного выбора методов НК необходимо знание их осо­ бенностей, областей применения и технологии контроля. Далее рас­ смотрены основные методы неразрушающего контроля, наиболее часто применяемые в процессе технической диагностик нефтегазо­ вого оборудования.

2. МЕТОДЫ ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ

2.1. Сущность вибродиагностики и ее основные понятия

Колебания движущихся частей, а также пульсации потока техно­ логической среды создают в трубопроводах, машинном и емкостном оборудовании вибрации. Параметры колебаний, наряду с величиной возмущающих сил, определяются параметрами технического со­ стояния оборудования: наличием зазоров в сопряжениях, деформа­ цией и износом деталей, просадкой фундаментов, нарушением цен­ тровки валов, ослаблением креплений и т.д. Поэтому анализ вибра­ ционных колебаний позволяет получить необходимую информацию о состоянии оборудования. Вибрация является интегральным пока­ зателем качества конструкции, изготовления и монтажа оборудова­ ния, а также изменения его технического состояния при эксплуата­ ции.

Вибрационная диагностика основана на измерении и анализе па­ раметров вибрации диагностируемого оборудования и занимает осо­ бое место среди прочих видов диагностики. Наиболее успешно она используется для диагностики вращающегося оборудования, решая более 90% задач определения и прогноза его состояния [15].

По способу получения диагностической информации вибраци­ онная диагностика может относиться как к виду функциональной, так и тестовой диагностики (см. рис. 1.3). Второе направление при­ меняется в основном для оценки колебательных свойств механиче­ ских систем и конструкций и потери колебательной энергии на резо­ нансных частотах. В качестве тестового воздействия при этом может быть использован ударный импульс или специальные режимы рабо­ ты, например режимы разгона-выбега вращающихся машин. Учиты­ вая, что методы тестовой вибрационной диагностики используются в основном в процессе ремонта и виброналадки оборудования, в дан­ ном учебном пособии они не рассматриваются.

Функциональная вибрационная диагностика осуществляется без дополнительных тестовых воздействий и без нарушения режимов ра­ боты оборудования, т. е. при его функционировании. Однако по сравнению с диагностическими сигналами функциональной пара­ метрической диагностики, характеризуемыми только одним или не­ сколькими параметрами (температура, давление, износ, напряже­ ние, ток, мощность, наличие механических частиц в смазке и др.), вибрационные сигналы содержат значительно больший объем диаг­ ностической информации. Это общий уровень сигналов, их спектр, амплитуды, частоты и начальные фазы каждой составляющей, соот­ ношение между составляющими и т.д. Обработка и анализ вибраци-

ний в одну секунду (Гц). Частота/ и угловая скорость w связаны ме­ жду собой соотношением

w = 2nf.

Соответственно виброскорость v и виброускорение а определя­ ются по формулам

v = diS/d/ = S3wcos(wt + (po) = vasin(w/ + cp0 + л /2);

a = dv/dt = d2S/d2t = - 5 aw2sin(w/ + cp0) = oasin(w/ + ф0 + я),

где va и aa — амплитуды соответственно виброскорости и виброуско­

тельно виброперемещения имеет опережение фазы на 90°, виброу­ скорение — на 180°.

Широкополосный установившийся вибрационный сигнал реаль­ ных машин имеет сложный характер и состоит из ряда гармониче­ ских составляющих (гармоник). Каждая из этих составляющих опре­ деляется ее частотой, амплитудой и фазой относительно некоторого известного начала отсчета.

Колебания, которые могут быть представлены в виде суммы двух и более гармонических колебаний с разной частотой, называются по-

лигармоническими, например

S(t) = 5alcos(w!/ + ф!) + Sa2cos(w2r + ф2),

где 5а1, Sa2 — амплитуды виброперемещений гармонических состав­ ляющих соответственно с угловыми частотами и w2 и начальными фазами ф, и ф2.

Применяют два основных способа графического изображения вибрационного сигнала: в зависимости от времени или от частоты (угловой скорости) колебаний. Изображение сигнала в зависимости от времени называется временной разверткой. Совокупность частот составляющих гармонических колебаний, расположенных в порядке возрастания амплитуд, называется частотным спектром. Совокуп­ ность амплитуд, характеризующих полигармонические колебания и расположенных в порядке возрастания частот, называется амплитуд­ ным спектром.

На рис. 2.2, а, б приведены временные развертки сигналов про­ стейших гармонических колебаний с частотой f x= w2/2n и f 2= wJ2л и их амплитудные спектры, а на рис. 2.2, в — временной сигнал и его спектр, представляющий сумму этих простейших колебаний при w2= 2W, [15].

В общем случае спектральное представление сложных полигармонических колебаний получают, используя разложение вибрацион­ ного сигнала в ряд Фурье. Сигнал при этом представляется в виде