10 шагов по ремонту вышедшего из строя вертикального насоса

Техническое обслуживание может увеличить средний период между ремонтами от 3 до 10 лет.

Поставщик услуг по послепродажному техническому обслуживанию, пользуясь своими возможностями и технологиями, провел анализ и предложил решение по ремонту и испытаниям вышедшего из строя вертикального насоса электростанции.

 

На электростанции с комбинированным циклом использовались два вертикальных насоса для отвода конденсата. Ремонт обоих насосов был запланирован на ближайшее время. Каждый конденсатный насос был рассчитан на 100% удельную нагрузку, что позволяло пользоваться то одним, то другим насосом. Один из насосов, установленный менее трех лет назад, уже проявлял серьезные признаки снижения производительности, а другой функционировал приемлемо. На станцию пригласили специалистов по техническому обслуживанию с целью предоставления полного комплекса услуг, чтобы разобраться в причинах проблемы и улучшить общие характеристики насоса.

 

Проблема и решение

 

В то время как один из насосов работал приемлемо, второй демонстрировал высокий уровень вибрации из-за резонанса конструкции, совпадающего с субсинхронной вынуждающей функцией (динамическая нестабильность подшипников). К тому же, конечный пользователь обнаружил снижение напора на 10% ниже указанного в кривой характеристик данного насоса, предоставленной производителем. Насос уже выводили из эксплуатации и ремонтировали тремя годами ранее из-за аналогичных проблем. Однако причины этих проблем в то время не выявили.

 

Поставщик услуг по техническому обслуживанию представил полное решение проблемы, взаимодействуя с разными отделами для проведения всесторонней проверки эксплуатационных характеристик и поиска методов устранения неисправностей, модального анализа, анализа методом конечных элементов и внесения изменений в конструкцию. Поставщик услуг также выполнил ремонт оборудования, лабораторные испытания, ввод в эксплуатацию, оценку рабочих характеристик и предоставил беспроводную систему контроля состояния оборудования.

 

Рисунок 1. Один из вертикальных насосов для отвода конденсата на электростанции был установлен менее трех лет назад и уже проявлял серьезные признаки ухудшения работы. (Изображения предоставлены компанией Hydro, Inc.)

 

Рисунок 2. На этапе проверки состояния оборудования и устранения неисправностей инженеры наблюдали резонансное возбуждение.

 

Factory curve - Кривая заводских характеристик

Field curve - Фактическая кривая

After repair - После ремонта

Head (ft) - Напор (футы)

Vibration (in/s) - Вибрация (дюймы/с)

Frequency (Hz) - Частота (Гц)

Natural resonant frequency of pump - Собственная резонансная частота насоса

Forcing function (before repair) - Вынуждающая функция (до ремонта)

FEA predicted forcing function after repair -Анализ методом конечных элементов позволил предсказать вынуждающую функцию после ремонта

 

Объем работ

 

1

Проверка состояния оборудования

 

Поставщик услуг выполнил проверку эксплуатационных характеристик для оценки общего состояния двух установленных конденсатных насосов с точки зрения механики и гидравлики. В ходе проверки собранных данных было выявлено два вызывающих опасения состояния одного из насосов. Развиваемый напор одного из насосов оказался почти на 10% ниже значений, указанных в кривой характеристик, предоставленной производителем, а его вибрация была значительно выше, чем у второго насоса (>0,6 дюймов/с на пике).

 

2

Устранение неисправностей

 

Опираясь на собранные данные о вибрации, инженеры заподозрили наличие резонансного возбуждения в насосе, которое возникает, когда рабочая частота или вынуждающая функция приближаются к собственной частоте компонента (для возбуждения резонанса всегда требуется вынуждающая сила). В данном случае поставщик услуг определил, что вынуждающей функцией была нестабильность подшипников, которая характеризовалась энергией вибрации в диапазоне от 0,4x до 0,48x об/мин. Нестабильность подшипников - это рабочее состояние, при котором жидкость внутри подшипников насоса начинает "толкать" рабочее колесо с частотой ниже рабочего значения (субсинхронные колебания).

 

3

Модальный анализ

 

Предварительные результаты обсудили с пользователем, и поставщик услуг порекомендовал провести модальный анализ, представляющий собой исследование собственной частоты конструкции с использованием различных трехкомпонентных акселерометров и воздействием на конструкцию откалиброванным ударным молотком, оснащенным датчиком силы. Это испытание направлено на определение фактических собственных частот конструкции и соответствующей формы колебаний каждого резонанса. Затем собранные данные о вибрации вводили в программу для визуализации формы колебаний для каждой собственной частоты, а понимание этих форм и характеристик затухания колебаний помогает определить, как изменить конструкцию, чтобы предотвратить возбуждение опасного резонанса. Данные модального анализа подтвердили, что резонанс конструкции находится в пределах 3,8% от вынуждающей функции нестабильности подшипников.

 

4

Анализ методом конечных элементов

 

Как для конечного пользователя, так и для поставщика услуг по техническому обслуживанию, важно решить проблему экономически выгодным образом и с первой попытки, поэтому поставщик услуг решил использовать анализ методом конечных элементов для определения окончательных мер по устранению неисправностей. Анализ методом конечных элементов - это математическая модель установки, позволяющая инженерам моделировать поведение оборудования в заданных условиях. В рамках анализа было в конструкцию выпускной головки насоса было внесено несколько (вычислительных) изменений, что позволило инженерам предсказать связанное с ними смещение собственной частоты. Преимуществом такого анализа является исключение метода проб и ошибок на месте эксплуатации, который дорого обходится конечному пользователю.

 

Рисунок 3. Предварительные результаты обсудили с клиентом, и поставщик услуг порекомендовал выполнить модальный анализ, анализ методом конечных элементов и внести изменения в конструкцию.

 

1.0” thick ribs added to the front of the discharge head - В передней части выпускной головки установили ребра толщиной 1 дюйм

1.0” thick ribs added to the back of the discharge head - В задней части выпускной головки установили ребра толщиной 1 дюйм

 

Рисунок 4. Результаты эксплуатационных испытаний показали, что субсинхронные колебания подшипников были снижены до приемлемого уровня амплитуды.

 

5

Изменения конструкции

На основе результатов анализа методом конечных элементов было принято решение установить дополнительные ребра жесткости на выпускную головку насоса, чтобы увеличить диапазон разделения между частотой вынуждающей функции и собственной частотой. Чтобы предотвратить возбуждение резонанса, запас разделения между этими частотами в идеале должен составлять +/-15%. Опираясь на изменения, внесенные в рамках анализа методом конечных элементов, поставщик услуг спрогнозировал, что запас разделения частот будет около 20% (ранее это значение составляло 3,8%).

 

6

Ремонт оборудования

 

Конечный пользователь доставил поставщику услуг насос, который затем разобрали и осмотрели. В ходе осмотра было выявлено, что компенсационные кольца рабочих колес не были полностью зафиксированы в кольцах корпуса. Рабочее колесо было поднято слишком высоко. Это объяснило такие низкие гидравлические характеристики и частичное повышение вынуждающей функции.

 

7

Лабораторные испытания

 

Чтобы подтвердить достаточное снижение вынуждающей функции и устранение проблем с гидравлическими характеристиками, поставщик услуг провел испытания насоса в своей лаборатории. Результаты эксплуатационных испытаний показали, что субсинхронные колебания подшипников были снижены до приемлемого уровня амплитуды. С точки зрения гидравлики насос работал приемлемо согласно стандартам Института гидравлики.

 

8

Ввод в эксплуатацию

 

Отремонтированный насос, в конструкцию которого внесли изменения, был установлен под наблюдением специалистов.

 

9

Оценка рабочих характеристик

 

По завершении установки специалисты провели дополнительные ударные испытания насоса и двигателя. Они обнаружили, что запас разделения между частотой вынуждающей функции и собственной частотой конструкции составляет 21%. Полная амплитуда колебаний в верхней части двигателя была снижена с ~0,6 дюйма/с до 0,07 дюйма/с на пике. С точки зрения гидравлики было обнаружено, что насос работает с отклонением в пределах 1% от кривой характеристик, полученной в результате лабораторных испытаний.

 

10

Беспроводная система контроля состояния оборудования

 

Беспроводные датчики вибрации были установлены для обеспечения удаленного мониторинга вибрации и температуры поверхности. Поставщик услуг использовал различные программы, которые позволили более глубоко изучить вибрацию и данные модального анализа. К тому же, использовались САПР и приложения для анализа методом конечных элементов для моделирования установки и выполнения анализа.

 

Результаты

 

Насос работал всего три года до ремонта, что значительно меньше его предполагаемого срока службы. Благодаря внесенным изменениям теперь ожидается, что он проработает еще 10 лет. Рабочее колесо насоса сейчас установлено правильно. Амплитуды вибрации уменьшились до 0,07 дюйма/с на пике (что даже ниже, чем у второго насоса), а гидравлические характеристики соответствуют кривой, полученной в ходе лабораторных испытаний.

 

В данном проекте участвовали специалисты практически всех отделов поставщика услуг по техническому обслуживанию. Инженеры на месте провели диагностику состояния оборудования, затем определили, какие изменения необходимо внести в конструкцию для смещения резонанса за пределы диапазона возбуждения. В сервисном центре выполнили ремонт насоса и усовершенствовали геометрию трансмиссионного подшипника, чтобы снизить динамическую нестабильность. В лаборатории провели испытания насоса, а инженеры вернулись на место установки, чтобы ввести насос в эксплуатацию и оценить его рабочие характеристики. Также были установлены беспроводные датчики вибрации, что позволило операторам следить за вибрацией и температурой поверхности удаленно.

 

Кайл Боулин - генеральный директор компании Hydro Reliability Services. Специализируется на анализе вибраций и имеет 22-летний опыт устранения неисправностей вращающегося оборудования. С Кайлом Боулином можно связаться по эл. почте kbowlin@hydroinc.com.

 

Глен Пауэлл - специалист по надежности в компании Hydro Reliability Services, более семи лет занимается устранением неисправностей вращающегося оборудования. Специализируется на анализе вибраций, получил степень бакалавра и магистра в области машиностроения в Университете Пердью. С Гленом Пауэллом можно связаться по эл. почте gpowell@hydroinc.com.

 

Дополнительная информация представлена на сайте www.hydroinc.com.