Содержание к диссертации
Введение
1 Основные виды дефектов центробежных насосных агрегатов и влияние нестационарности процесса перекачки углеводородного сырья на накопление повреждений 7
1.1 Основные дефекты центробежных насосных агрегатов 7
1.2 ' Существующие методы выявления дефектов центробежных насосных агрегатов 11
1.2.1 Классификация существующих методов выявления дефектов центробежных насосных агрегатов 11
1.3 Применение вибродиагностики для выявления дефектов центробежных насосных агрегатов 17
1.4 Влияние нестационарности процессов перекачки нефти на накопление повреждений технологического оборудования 21
2 Описание объекта исследования 41
2.1 Назначение и технические характеристики 41
2.2 Режимы работы насосного агрегата марки НК 210/200 42
3 Описание методики построения трехмерной модели центробежного насосного агрегата с использованием программы SOLID WORKS 2006 45
3.1 Возможности программы SOLID WORKS 2006 45
3.2 Построение модели твердого тела 45
3.3 Создание сборок 50
4 Методика и результаты определения распределения нагрузок в рабочей зоне насосного агрегата в программе FLOW VISION 2.3.3 56
4.1 Возможности программы FLOW VISION 2.3.3 56
4.2 Подготовка геометрии в CAD системе 58
4.3 Импорт в FLOW VISION 2.3.3 58
4.4 Работа в препроцессоре. Подготовка задачи к решению 59
4.5 Работа в постпроцессоре 70
4.6 Исходные данные и результаты расчета в FLOW VISION 2.3.3 71
5 Оценка напряженно-деформированного состояния рабочего колеса насосного агрегата НК 210/200 методом конечных элементов с помощью программного пакета ANSYS 10.0 80
5.1 Возможности программы ANSYS 10.0 80
5.2 Исходные данные 82
5.3 Определение напряженно-деформированного состояния рабочего колеса центробежного насосного агрегата марки НК 210/200, нагруженного центробежной силой и суммарным
воздействием центробежной силы и давления 82
5.4 Результаты расчета в программном комплексе ANSYS 10.0 85
Общие выводы 91
Список использованных источников 93
- Существующие методы выявления дефектов центробежных насосных агрегатов
- Режимы работы насосного агрегата марки НК 210/200
- Построение модели твердого тела
- Подготовка геометрии в CAD системе
Введение к работе
В настоящее время в нефтегазовой промышленности используется большое количество различного оборудования, значительную часть которого составляют центробежные насосные агрегаты (ЦНА), имеющие достаточно сложную и разнообразную конструкцию. Усложнение конструкции отдельных узлов и деталей приводит к увеличению вероятности возникновения отказов и дефектов. Очевидно, что в процессе эксплуатации ЦЫА, его выход из строя по вине какого-либо дефекта может привести к аварийной ситуации, а также к дополнительным затратам при ремонте. Поэтому своевременному выявлению возникновения и развития дефектов и, как следствие, предупреждению разрушения, на предприятиях нефтегазовой отрасли придается особое значение. Для этого существуют различные методы диагностики технического состояния насосных агрегатов с применением разнообразных приборов. Однако, несмотря на высокий уровень развития современных методов оценки технического состояния ЦЫА, до сих пор происходит их аварийный выход из строя.
На техническое состояние ЦНА оказывают влияние различные факторы, включая и режим их эксплуатации. В связи с тем, что поставки углеводородного сырья на предприятия нефтегазовой отрасли осуществляются из различных регионов Российской Федерации, оно имеет различный химический состав. В соответствии с этим корректируются эксплуатационные параметры при его перекачке. Кроме того, для ЦНА характерна нестабильная загрузка по сырью. Это отражается на накоплении повреждений его рабочих частей. Влияние нестационарности эксплуатационных параметров в процессе перекачки углеводородного сырья на гидродинамику движения жидкости проточной части центробежных насосов и, как следствие, на изменение напряженно-деформированного состояния их рабочих частей относятся к числу нерешенных задач. Поэтому научная задача по совершенствованию методики расчета напряженно-деформированного состояния проточной части
5 центробежных насосов с учетом эксплуатационных параметров представляет несомненную актуальность.
Целью данной работы является оценка влияния нестационарности эксплуатационных параметров в процессе перекачки углеводородного сырья на гидродинамику движения жидкости в проточной части центробежных насосов и, как следствие, на изменение напряженно-деформированного состояния их рабочих колес.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1 Сбор статистических данных по рабочим режимам ЦНА.
Разработка методики построения твердотельной трехмерной модели ЦНА с помощью программы SOLID WORKS 2006 для решения задач гидродинамики и прочности.
Изучение гидродинамики среды в проточной части центробежного насосного агрегата с использованием программы FLOW VISION 2.3.3.
4 Определение напряженно-деформированного состояния проточной части центробежного насосного агрегата методом конечных элементов с использованием программы ANSYS 10.0.
5 Разработка методики подбора оптимальных эксплуатационных параметров (температура, давление, плотность, производительность) центробежных насосных агрегатов при переработке углеводородного сырья.
Научная новизна
1 Определено, что эксплуатация насосного агрегата в пределах норм, установленных технологическим регламентом, сопровождается периодическим изменением гидродинамики в проточной части и напряженно- деформированного состояния рабочего колеса.
2 Расчетным путем получено, что максимальные эквивалентные напряжения возникают на кромках рабочего колеса в местах присоединения лопаток к дискам. При этом установлено, что для насосного агрегата марки НК 210/200 при параметрах эксплуаации, разрешенных технологическим регламентом, максимальные эквивалентные напряжения превышают допускаемые до 50%.
3 Доказано, что совместное использование программных пакетов SOLID WORKS 2006, FLOW VISION 2.3.3 и ANSYS 10.0 на этапе подбора марки насосных агрегатов в ходе проектирования технологической установки позволяет корректировать параметры их эксплуатации (температуру, давление, расход) с целью снижения количества отказов в процессе эксплуатации.
Практическая ценность
Разработана методика определения напряжено-деформированного состояния проточной части центробежных насосов с учетом эксплуатационных параметров.
Данная методика внедрена в ООО НЛП «Химмаштехнология».
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на 56-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2005 г.); IV конгрессе нефтегазопромышленников России «Газ. Нефть. Технологии -2005».
Публикации
Содержание работы опубликовано в 4 научных трудах, из которых 1 включен в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации в соответствии с требованиями ВАК Минобразования и науки РФ.
Существующие методы выявления дефектов центробежных насосных агрегатов
Анализ условий эксплуатации различного оборудования и систем промышленных объектов указывает на наличие естественных факторов, оказывающих разрушающее воздействие на элементы оборудования. К ним относятся механический и гидроабразивный износ, молекулярно-механическое изнашивание, коррозия и эрозия, объемное или упругое деформирование материала, образование микротрещин в результате усталости материала, релаксация и деструкция металлов. Дополнительно к этому имеются субъективные факторы, способствующие ускоренному выходу из строя отдельных деталей и узлов. Это некачественное изготовление и монтаж оборудования, работа с нагрузками выше допустимых, несоблюдение технологии технического обслуживания и ремонта /37, 57, 66-70/.
Своевременное обнаружение неисправностей и развивающихся дефектов из-за влияния указанных факторов возможно на основе методов технической диагностики. Она, также изучает признаки дефектов, методы и средства, при помощи которых устанавливается диагноз, то есть делается заключение о причине возникновения и месторасположения дефекта.
Классификация существующих методов выявления дефектов центробежных насосных агрегатов
Методы диагностирования насосных агрегатов нефтегазовой отрасли в процессе их эксплуатации условно можно разделить на две группы: методы диагностирования по параметрам состояния агрегата и методы, базирующиеся на оценке параметров функционирования.
Число параметров технического состояния насосных агрегатов, под которыми понимаются количественные характеристики свойств их элементов, заданные технической документацией на изготовление и сборку, велико. Поэтому диагностирование насосных агрегатов по всем параметрам технического состояния сложно и трудоемко. Поэтому число используемых при диагностировании параметров ограничивается таким образом, чтобы совокупность параметров состояния объектов диагностики, подлежащих прямому или косвенному измерению, достаточно полно отражали его техническое состояние при минимальных затратах на измерение и постановку диагноза/1, 3, 17/.
Наиболее перспективной представляется диагностика насосного оборудования в пространстве признаков, в котором техническое состояние объекта характеризуется совокупностью параметров диагностического сигнала (диагностических параметров).
Диагностические параметры определяются на основе статистического анализа отказов однотипных объектов диагностики, а также путем прямого диагностического эксперимента, позволяющего установить взаимосвязь параметров дефектов с параметрами диагностических сигналов.
При диагностике насосного оборудования в пространстве признаков удобно разделить дефекты, связанные с изменением механической системы и снижением долговечности работы, и дефекты гидродинамической системы, оказывающие влияние, как на долговечность работы, так и на КПД агрегата. При таком делении основными видами диагностических сигналов являются параметры вибрации корпусов подшипников и параметры пульсации (колебаний давления потока) во всасывающем и нагнетательном патрубках.
Проверка работоспособности при диагностировании является менее полной, чем проверка исправности, так как может оставлять необнаруженными скрытые дефекты (в виде трещин, раковин и др., которые в момент оценки технического состояния объекта не препятствуют выполнению всех предписанных функций). Диагностирование является одним из путей определения работ по повышению надежности оборудования. При диагностировании используют, в зависимости от типа объекта и решаемых задач, тестовое диагностирование и функциональное диагностирование. При тестовом диагностировании на объект подают специально организованные тестовые воздействия от средств диагностики и анализируют соответствующие реакции. Это применяется при контроле работоспособности систем энергообеспечения, автоматики и телемеханики, отдельных исполнительных механизмов.
При функциональном диагностировании тестового воздействия на объект от средств диагностики не производится, а воспринимаются только рабочие воздействия от самого объекта. Например, для насоса измеряются и анализируются давления, потребляемая мощность, подача, вибрация, температура отдельных элементов и другие параметры, которые используются в алгоритме функционирования машины. Здесь также необходимо учитывать режим работы объекта.
При диагностировании необходимо определять количественные показатели измеряемых параметров с оценкой погрешности на каждом рабочем режиме. Когда поддержание фиксированных режимов работы объекта затруднительно, диагностирование ведут при изменяющихся по случайному закону режиме с определением характеристик случайных функций контролируемых величин.
Находясь в работоспособном состоянии, объект может быть неисправным по причине возникновения одного или нескольких дефектов. Например, при трещине в вале ротора насоса, последний может еще долго выполнять свои заданные функции в соответствии с нормативно-технической документацией. Поэтому дефекты подразделяют с учетом последствия отказа и анализируют критичность отказа.
Решение о продолжении эксплуатации принимают с учетом требований безопасности и последствий отказа. Достоверная оценка последствия отказа из-за обнаруженного дефекта определяется полнотой технического диагностирования и глубиной поиска места неисправности при выбранном методе диагностирования объекта.
Режимы работы насосного агрегата марки НК 210/200
По данным технологического регламента изучаемой установки температура перекачиваемого сырья (гудрона) насосным агрегатом марки НК 210/200 должна быть 350 С, максимальная производительность 120 м3/ч, допускаемое давление в насосе - 2,0 МПа. По режимным листам, формирующимся на основе показаний контрольно-измерительных приборов, были изучены данные материальных потоков за период времени с 20.06.2005 по 07.08.2005. Было определено, что производительность насосного агрегата НК 210/200 изменялась от 40,3 до 72,3 м3/ч (рисунок 2.2), температура перекачиваемого гудрона колебалась от 317,68 С до 364,6 С (рисунок 2.3). Таким образом, величина отклонений между максимальными и минимальными значениями параметров, характеризующих режим работы насосного агрегата, составляло: - колебание производительности около 80%. - колебание температуры около 15%. Выводы по главе 2: Изучение режимов работы насосных агрегатов марки НК 210/200 показало, что его работа сопровождается сильными колебаниями эксплуатационных параметров: производительности и температуры перекачиваемого продукта (гудрона). Соответственно, изменение технологических параметров при работе установки приводит к изменению эксплуатационных параметров насосного агрегата. Как следствие это ведет к перераспределению нагрузок по поверхности рабочего колеса насосного агрегата, что способствует возникновению повреждений. В связи с этим требуется изучение гидродинамики потока жидкости в проточной части насосного агрегата с учетом эксплуатационных параметров. - Максимальная производительность -о- Минимальная производительность [ Рисунок 2.2 - Изменение производительности насосного агрегата марки НК 210/200 установки первичной переработки нефти за период времени с 20.06.2005 по 07.08.2005 — - Максимальная температура -- Минимальная температура Рисунок 2.3 - Изменение температуры перекачиваемого гудрона насосным агрегатом марки НК 210/200 установки первичной переработки нефти за период времени с 20.06.2005 по 07.08.2005 3 Описание методики построения трехмерной модели центробежного насосного агрегата с использованием программы SOLID WORKS 2006
Построение модели твердого тела
Построение трехмерных моделей насосных агрегатов производилось согласно проектным чертежам и чертежам отдельных деталей по данным ремонтных предприятий.
Под моделью твердого тела понимается реальная трехмерная модель, имеющая три координатные плоскости. Процесс моделирования начинался с построения эскиза, а построение эскиза - с выбора конструктивной плоскости, в которой будет строился этот двухмерный эскиз. Впоследствии этот эскиз можно тем или иным преобразовывался в твердое тело. При создании эскиза доступен полный набор геометрических построений и операций редактирования. Нет никакой необходимости сразу точно выдерживать требуемые размеры, достаточно примерно соблюдать конфигурацию эскиза (рисунок 3.1).
В процессе построения, если потребуется, можно изменить значение любого размера и наложить связи, ограничивающие взаимное расположение отрезков, дуг, окружностей и других элементов. Эскиз конструктивного элемента может быть легко отредактирован в любой момент работы над моделью.
В SOLID WORKS 2006 существует несколько различных средств создания объемных моделей. Основными формообразующими операциями являются команды вытягивания («Extruded Boss/Base») и выреза (Extruded Cut») материала. Система позволяет вытягивать контур с различными конечными условиями, в том числе на заданную длину или до указанной поверхности. Возможно создание тела при помощи команды вращения эскиза вокруг заданной оси («Revolved Boss/Base»). Твердотельная модель вала была создана с использованием команды «Revolved Boss/Base» (рисунок 3.2).
Для работы с трехмерной моделью на этапе проектирования в SOLID WORKS 2006 использовалось дерево конструирования (Feature Manager) в стиле проводника Windows (рисунок 3.2).
Дерево конструирования представляет собой графическую карту модели, последовательно отражающую все геометрические примитивы, которые были использованы при создании детали, а также конструктивные оси и вспомогательные плоскости, на которых создавались двухмерные эскизы. При работе же в режиме сборки дерево конструирования показывает список деталей, входящих в сборку. Дерево конструирования отображается в левой части окна SOLID WORKS 2006, хотя его положение можно в любой момент изменить. Оно предоставляет мощные средства редактирования структуры модели или узла. Дерево конструирования позволяет переопределять порядок следования отдельных конструктивных элементов либо целых деталей, создавать в пределах детали или сборки несколько вариантов конфигурации элемента.
Графическая область и дерево конструирования FeatureManager динамически связаны. Можно выбирать элементы, эскизы, чертежные виды и вспомогательную геометрию в любой из областей окна.
Подготовка геометрии в CAD системе
Перед импортом геометрии проточной части компрессора в FLOW VISION 2.3.3 в диалоговом окне «Предустановки» были заданы настройки препроцессора, основной из которых является значение допуска (рисунок 4.1).
Значение допуска должно соответствовать допуску (толерантности), с которой была создана в CAD-системе твердотельная модель.
Импорт геометрии в FLOW VISION 2.3.3 задавался командой «Создать» из меню «Файл». После этого геометрия модели из выбранного файла была импортирована в расчетный вариант, проанализирована, разбита на поверхности и замкнутые подобласти.
4.4 Работа в препроцессоре. Подготовка задачи к решению После импорта твердотельной модели проточной части насосного агрегата, используя опции дерева препроцессора (рисунок 4.2), производилось определение расчетных областей, которые в ходе анализа геометрии выявила программа. Для этого, выделяя каждую область с помощью мыши окне препроцессора и, наблюдая за активизацией в графическом окне соответствующей ей геометрической области, было выполнено определение расчетных областей. Первая область, в нашем случае, с названием «Улитка», соответствовала проточной части улитки. Вторая, с названием «Колесо» -объему колеса насоса, а третья «Проточная часть» - объему входного канала.
После определения расчетных областей, производилась постановка задачи, которая состоит из нескольких этапов.
Выбор модели расчета - один из ключевых этапов построения задачи. Для каждой расчетной области была задана модель расчета. Изначально все области, определенные программой имели статус нерасчетной области. Областям с названием «Улитка», «Колесо» и «Проточная часть» поставлена в соответствие модель расчета с названием «Несжимаемая жидкость». Для выполнения описанных выше действий было использовано диалоговое окно «Выбор модели» (рисунок 4.3).
На этапе задания физических параметров, используя соответствующие опции «Препроцессора», для каждой расчетной области были заданы Опорные величины (рисунок 4.4), которые отражают внешние условия.
Далее, в диалоговых окнах «Начальные значения» (рисунок 4.5, а) и «Параметры Модели» (рисунок 4.5, б) были определены соответствующие величины. Окно «Начальные значения» позволяет определить в каждой расчетной области значения давления и температуры в приращении относительно опорных величин, а также характеристики турбулентности (пульсация и масштаб турбулентности) и значения компонент скоростей по осям координат в начальный момент времени.
