ОТД_Краткий курс лекций_2010

ра (дефекты прутков), поверхностные или внутренние с выходом на поверх-

ность, а также дефекты, возникающие при изготовлении валов. Эти дефекты называются поверхностнми. Причинами возникновения усталостных трещин могут быть также концентраторы напряжений в углах шпоночных пазов.

Наиболее опасными местами, с точки зрения возникновения усталостных трещин, являются галтельные переходы и шпоночные пазы в местах посадки рабочего колеса и под муфтой. Трещины, развивающиеся в галтельных перехо-

дах, в начальный период часто имеют наклон 45° к оси вала, а затем их плос-

кость проходит перпендикулярно к оси. Трещины в районе шпоночных пазов могут развиваться под некоторыми углами к оси вала. Анализ изломов разру-

шившихся валов магистральных насосов показал, что они носят, в основном,

чисто усталостный характер, в них отсутствуют признаки сдвига, а также мало-

цикловой усталости.

Разрушение вала насоса может также произойти под рабочим колесом под действием циклических нагрузок. Местом зарождения трещин являются,

как правило, шпоночные канавки, заглушѐнные металлическими пробками.

Трещины развиваются под действием малоамплитудных высокочастотных цик-

лических изгибных нагрузок.

Зарождение трещин происходит между дном и стенками шпоночных ка-

навок на ведущей их стороне. Радиусный переход между стенками и дном часто отсутствует. В плане место зарождения находится в точке перехода от средней прямолинейной к скругленной части шпоночных пазов, т.е. там, где обычно об-

наруживаются вмятина и растрескивания от прямоугольных шпонок.

Дефектоскопия валов насосов, находящихся в эксплуатации, и резервных валов выявила на части из них надрывы, трещины, не предусмотренные черте-

жом, концентраторы напряжений и другие дефекты.

Анализ данных по обнаруженным дефектам валов позволяет разделить их на несколько категорий. Основными по количеству дефектами являются: риски и забоины, уголковые трещины и локальные растрескивания ведущей боковой стенки паза связаны с применением прямоугольных шпонок.

101

Другой значительный массив дефектов – это нарушения конструкции и технологии вала, в частности это наварка слоя металла на конусную часть вала перед механической обработкой (сварка без рентгеновского и УЗК контроля может привести к возникновению внутренних, не обнаруженных при визуаль-

ном контроле, дефектов), забоины на конусной поверхности и сверление не предусмотренных чертежом отверстий. Помимо этого обнаружены фреттинг коррозия в нижнем углу паза и нарушение сопряжения радиусного перехода между дном и боковой поверхностью паза. Оба эти явления имели место на од-

ном из разрушившихся валов насоса НМ 10000-210. Причем отсутствие ради-

усного перехода в сочетании с металлургическим дефектом и явилось причи-

ной разрушения вала Эксплуатационные дефекты валов носят усталостный характер, развитие

их идет спокойно и довольно длительно из-за малых напряжений, действующих на вал во время его установившегося режима работы. Развиваются они, в ос-

новном, в плоскостях, перпендикулярных к оси вала, отклонения от этих на-

правлений развития обычно наблюдается в начальный период возникновения и развития усталостных трещин от углов шпоночных пазов. Все это говорит о контролепригодности валов во время эксплуатации применительно к ультра-

звуковому контролю, вихретоковому и магнитопорошковому. Используя попе-

речные ультразвуковые волны, можно контролировать галтельные переходы,

резьбовые участки, а также определять глубину и протяженность развиваю-

щихся трещин от углов шпоночных пазов. Начальные моменты возникновения и развития усталостных трещин от углов шпоночных пазов контролировать с использованием ультразвукового метода – затруднительно, но эти моменты очень хорошо регистрируются с помощью вихретокового и магнитопорошково-

го метода с использованием локального намагничивания. На контроль валы должны поступать в полностью разобранном виде, очищенные от смазок, неф-

ти, грязи и т.п. Все это возможно при проведении профилактических и ремонт-

ных работ с насосными агрегатами.

102

Периодичность контроля валов отражена и определяется нагрузкой, нара-

боткой, числом пусков, видом обнаруженных дефектов [5].

При эксплуатации возможен контроль только части вала, выступающей из корпуса насоса и находящейся под муфтой электродвигателя. При этом мо-

жет быть визуально проконтролирована конусная поверхность вала на наличие следов фреттинга и фреттинг-коррозии, кроме того ультразвуковым способом с использованием поверхностных волн, а также магнитным и вихретоковым спо-

собом может быть проверено наличие трещин, возникших в результате фрет-

тинга. Наличие забоин и трещин на боковой поверхности шпоночного паза мо-

жет быть обнаружено визуально. Трещины между боковой стенкой и дном паза обнаруживаются магнитным способом. Эти же трещины, а также трещины в резьбе на окончании вала могут быть обнаружены вихретоковым способом.

При ремонте, когда вал снимается с насосного агрегата, может быть про-

контролирована вся поверхность вала, за исключением находящейся под рабо-

чим колесом. Контроль галтелей может быть осуществлен вихретоковым спо-

собом. Контролировать гладкие цилиндрические поверхности вряд ли целесо-

образно. Способы обнаружения дефектов приведены в табл. 3.8 [5].

Наконец, при снятии рабочего колеса контролируется вся поверхность вала, включая находившуюся под рабочим колесом цилиндрическую поверх-

ность, на которой могут быть следы фреттинга, и симметричные шпоночные пазы под рабочим колесом.

Таблица 3.8 – Способы обнаружения дефектов в валах магистральных на-

сосных агрегатах

103

Продолжение таблицы 3.8

Таким образом, наименее контролепригодной является часть вала под ра-

бочим колесом, что требует ужесточения контроля за геометрией этой части вала перед установкой рабочего колеса, а также за соблюдением технологии его установки.

Из вышеизложенного следует, что своевременное обнаружение дефектов вала является необходимым условием нормальной эксплуатации насосноно аг-

регата.

Технология и методика дефектоскопии валов была разработана ИПТЭР и представлена в соответствующем руководящем документе [13]. В нем излага-

ются методы и основы технологии проведения неразрушающего контроля ва-

лов магистральных насосов и роторов электродвигателей (в дальнейшем – ва-

лов, если не оговорено особо) с применением визуального, ультразвукового,

вихретокового и магнитопорошкового методов как при входном контроле, так и при их эксплуатации и ремонте.

104

При НК валов магистральных насосов и роторов электродвигателей по настоящей технологии выявляются поверхностные, подповерхностные и внут-

ренние дефекты типа трещин, раковин и другие нарушения сплошности метал-

ла. НК валов насосов должен проводиться:

до начала монтажа вала и его эксплуатации в составе насоса (вход-

ной контроль);

после наработки от 12 до 16 тыс. ч в зависимости от мощности и количества пусков насоса (первичный контроль);

после наработки от 8 до 12 тыс. ч со времени первичного контроля

(вторичный контроль);

после наработки от 4 до 10 тыс. ч со времени предыдущего контро-

ля (последующий плановый контроль);

при подозрении на дефект (аварийный контроль).

НК валов роторов электродвигателей должен проводиться в те же сроки,

что и валов насосов с учетом требований эксплуатационной документации. Он проводится несколькими методами в следующей последовательности: визуаль-

ный контроль – вихретоковый контроль – ультразвуковой контроль – магнито-

порошковый контроль.

Визуальный контроль (ВК) проводится на начальном этапе при приоб-

ретении или монтаже нового или отремонтированного вала с применением оп-

тических приборов (лупа, увеличительное стекло и пр.) или невооруженным глазом. Выявляются поверхностные дефекты.

Вихретоковый контроль (ВТК) проводится после ВК с целью поиска поверхностных и подповерхностных дефектов в районах шпоночных пазов,

проточек, резьбы. ВТК может проводиться и на других участках вала, при этом выявляются поверхностные и подповерхностные дефекты. Данный вид дефек-

тоскопии при входном контроле нового вала можно не проводить.

Ультразвуковой контроль (УЗК) проводится с целью выявления внут-

ренних и подповерхностных дефектов вала по всей длине при входном контро-

105

ле или в наиболее опасных сечениях при проведении первичного, вторичного и последующего; (планового) контроля.

С помощью УЗК проводится наиболее полное исследование поверхности,

контролируются все участки вала кроме поверхностей шпоночных пазов и не-

которых проточек.

Магнитопорошковый контроль (МПК) применяется для подтвержде-

ния результатов предыдущих исследований, т.е. для уточнения местоположе-

ния и геометрических размеров поверхностных и подповерхностных дефектов.

Необходимость применения МПК устанавливает сам дефектоскопист.

Контроль вала заключается в последовательном контроле его элементов.

Визуальный контроль осуществляется перед проведением любых видов контроля. Все поверхности вала необходимо очистить от смазки, грязи и ржав-

чины. Контроль проводят с помощью оптических приборов. Необходимо тща-

тельно исследовать все поверхности вала. Особое внимание следует уделять поверхностям, имеющим шпоночные пазы, проточки, галтельные переходы,

резьбы, т.е. местам с наибольшей концентрацией напряжений и наиболее под-

верженным возникновению дефектов. Цель контроля – выявление поверхност-

ных дефектов и обследование зон возможного нахождения подповерхностных и внутренних дефектов по внешним признакам. Все обнаруженные дефекты по-

мечаются быстросохнущей краской для более углубленного исследования вих-

ретоковым, ультразвуковым и магнитопорошковым методами.

При визуальном контроле невооруженным глазом, а также с помощью оптических средств выявляются в основном крупные трещины, задиры, забои-

ны, следы фреттинг-коррозии и т.д.

Ультразвуковой метод позволяет:

обнаруживать как поверхностные дефекты вала глубиной 1±0,1 мм,

так и внутренние дефекты вала глубиной 2±0,2 мм и более;

контролировать труднодоступные участки вала с расстояния без непосредственного доступа к контролируемым участкам вала, что требуется

при других методах контроля;

106

использовать простые (по сравнению с электромагнитными мето-

дами) преобразователи (датчики), не критичные по отношению к материалу,

из которого изготовлен вал, и позволяющие дефектоскопировать валы, изго-

товленные из любой стали;

применять серийно выпускаемые ультразвуковые дефектоскопы общего назначения.

Магнитопорошковый метод контроля используется для обнаружения по-

верхностных и подповерхностных дефектов цилиндрических поверхностей,

галтельных переходов и шпоночных пазов. Он позволяет определять коннфигу-

рацию и размеры обнаруженного подповерхностного дефекта вала.

В последнее время получают распространение вибрационные методы ди-

агностики валов НА. Эти методы основаны на анализе вибрационных сигналов.

Использование методов может быть одним из путей решения проблемы преду-

преждения разрушения вала. При этом контроль вибрации осуществляется с помощью датчиков, установленных на подшипниковых опорах насосного агре-

гата.

Внастоящее время применяют различные методы обнаружения дефектов

вроторах в процессе эксплуатации, основанные на анализе вибрационных сиг-

налов. Для реализации этих методов требуется виброконтрольная аппаратура и пьезоэлектрические датчики, которые устанавливаются на подшипниковых опорах. Возможен вариант применения портативной виброанализиругощей ап-

паратуры.

Вал считается работоспособным, если при проведении дефектоскопиче-

ского контроля на нем не было обнаружено дефектов или были обнаружены допустимые дефекты в виде трещин, коррозионных язв, рисок, забоин, метал-

лургических дефектов (неметаллических включений, расслоений и т.д.).

Допустимые дефекты валов:

уголковые трещины и надрывы по углу между цилиндрической поверх-

ностью вала и боковой поверхностью шпоночного паза допускаются не более:

107

по глубине – 1,5 мм (прямоугольная шпонка), 2,0 мм (шпонка с закруг-

ленными концами) – для валов роторов электродвигателей ч согласно указан-

ным в табл. 12.10 величинам – для валов насосов;

по протяженности – 3,0 мм;

царапины, риски, забоины, коррозионные язвы, фреттинг-коррозия до-

пускаются не более:

по глубине – 2,0 мм;

по протяженности – 6,0 мм.

Допустимые размеры металлургических дефектов оговорены техниче-

скими условиями и государственными стандартами на данный сортамент ме-

талла с учетом вида дефекта.

3.6 Диагностика торцовых уплотнений насосов.

Надежность торцовых уплотнений насоса оказывает большое влияние на надежность работы всего насоса. В связи с этим вопрос своевременного кон-

троля их технического является очень важным. Исследования, проводившиеся в Уфимском нефтяном институте и во ВНИИСПТнефть ( ныне ИПТЭР), позво-

ляют проанализировать возможные методы диагностирования состояния тор-

цовых уплотнений магистральных насосов [6]. Одним из методов диагностики является температурный метод с одновременным контролем утечек.

Исследования показали, что от 80 до 92 % торцовых уплотнений теряют герметичность до износа рабочих поверхностей уплотнительных колец и боль-

шинство случаев нарушения их работы вызвано следующими причинами:

раскрытием пары трения;

нагревом уплотнения;

дефектами в изготовлении и сборке деталей и узлов торцового уп-

лотнения;

нарушением правил эксплуатации насоса.

Раскрытие пары трения происходит вследствие движения вала под

влиянием биения, осевого люфта, вибрации, кавитации, несоосности с приво-

108

дом, дебаланса, заклинивания аксиально-подвижного кольца из-за его перекоса,

засорения зазора между аксиально-подвижным кольцом и неподвижными дета-

лями твердыми частицами, кристаллизации растворов (запарафинивание пру-

жин), неплотным прилеганием элементов уплотнения в местах трения.

Нагрев уплотнения приводит к локальным разрушениям в зоне контакта колец пары трения, к потере эластичности вторичными резиновыми уплотне-

ниями, к испарению перекачиваемой жидкости. Причинами нагрева уплотне-

ний является увеличение сил трения в зоне контакта, касание подвижного кольца о неподвижные элементы, ухудшение теплоотвода системой охлажде-

ния уплотнений из-за износа винтовой поверхности импеллерной втулки, засо-

рения или запарафинивания отверстий подвода или отвода жидкости из зоны пар трения.

К основным дефектам изготовления и сборки относятся некачественная притирка поверхностей пар трения и наличие на них трещин, скручивание ре-

зиновых уплотнительных колец при монтаже, дефекты пружин, попадание ме-

ханических частиц в зону контакта пары уплотнения.

Нарушение правил эксплуатации сводится, в основном, к неполному выпуску воздуха из насоса при заполнении его нефтью после ремонта, что при-

водит к резкому росту вибрации в момент пуска; большой температуре перека-

чиваемой жидкости и корпуса насоса, например, при длительной работе агрега-

та на закрытую задвижку; некачественной регулировке магнитной оси электро-

двигателя, приводящей к резкому и большому осевому смещению ротора дви-

гателя при пуске и соответствующей передаче усилия на ротор насоса; дли-

тельной эксплуатации насоса с высоким уровнем вибрации из-за значительного дисбаланса, перекоса валов насоса и привода, дефектов муфты, нарушений в работе подшипниковых узлов; попадания в зону контакта пар трения абразив-

ных частиц, находящихся в перекачиваемой жидкости в количестве более чем

0,05 % по объему и размерам более 0,2 мм и других факторов.

Нарушение функционального состояния любого из элементов торцового уплотнения приводит к утечке через уплотнение. Таким образом, можно выде-

109

лить два основных диагностических признака торцового уплотнения: темпера-

туру и величину утечки.

Среди виброакустических методов контроля торцовых уплотнений мож-

но выделить метод акустической эмиссии и методы вибрационной диагностики.

Метод акустической эмиссии основан на использовании акустических парамет-

ров при образовании микротрещин под воздействием напряженно-

деформированного состояния изделия при приложении нагрузки. Таким обра-

зом, акустические колебания могут служить сигналом приближающегося раз-

рушения. Однако, в условиях эксплуатации этот метод трудно реализовать.

Анализ параметров вибрации насоса, выполненный на основе стендовых и промышленных испытаний, указывает на характерный частотный диапазон вибрации, при котором рост амплитуды вибрации является признаком разру-

шения элементов пары трения уплотнения. Однако среди общего спектра виб-

рации выделение роста вибрации, характеризующей выход из строя элементов уплотнения, является сложным и требует применения специальной аппаратуры.

К методам, которые реализуются достаточно просто с технической точки зрения и позволяют прогнозировать работоспособность узла, можно отнести диагностирование торцового уплотнения на основе анализа температурного режима работы узла.

Этот метод диагностирования позволяет выявить и другие неисправности узлов и деталей насоса:

радиально-упорного подшипника – разрушение;

импеллерной (винтовой) втулки – износ, засорение;

вторичного уплотнительного контактного кольца (резинового коль-

ца) – разрушение;

контактного кольца торцового уплотнения – разрушение;

контактной пары торцового уплотнения – схватывание, увеличение зазора в паре из-за износа или плохой притирки;

аксиально-подвижной втулки – заклинивание.

110