АО «НТЦД»

Центр диагностики
URL: http://diaprom.com/
E-mail:
Адрес: 109518, г. Москва, ул. Газгольдерная, д. 14, оф. 329
Телефон/Факс: (495) 690-9195

Диагностирование арматуры с электроприводом

Диагностирование арматуры с электроприводом при помощи относительных электрических параметров

А.В. Матвеев, к.т.н., начальник отдела, ЗАО «НТЦД», г. Москва,

А.Ф. Складников, инженер, ЗАО «НТЦД», г. Москва

Статья опубликована в журнале
№ 3 (60) 09 «Арматуростроение»
Текст статьи в журнале (PDF, 226 Кб)

1. Введение

Одной из важных задач предприятий, осуществляющих контроль технического состояния арматуры, является обеспечение диагностических подразделений эффективной методикой выявления неисправностей. Эффективность методики заключается не только в высокой достоверности обнаружения неисправностей, но и в практической реализации систем сбора и обработки диагностической информации, основанной на достаточном числе измерительных каналов, использующих для работы ограниченное количество параметров.

Располагая информацией об обнаруженных признаках неисправностей, цех владелец оборудования получает возможность оценки вероятного отказа арматуры и оценке количества рабочих циклов, которые контролируемый объект сможет выполнить до наступления отказа.

Главной характеристикой арматуры является обеспечение внутренней и внешней герметичности, которая обеспечивается путем перекрытия за установленный интервал времени потока рабочей среды, не допуская утечки рабочей среды наружу. Функцию обеспечения внутренней герметичности выполняет затвор, внешней – корпус, а функцию перемещения затвора – привод арматуры.

Одним из наиболее распространенных видов привода арматуры является электрический привод, оснащенный трехфазным двигателем с блоком концевых выключателей.

Арматура и электропривод изготавливаются в виде отдельных агрегатов и позволяют рассматривать их в виде отдельных объектов. В ряде случаев электропривод легко снять с арматуры, произвести его замену или ремонт. Для ремонта арматуры требуется ее полная разборка, что связано с вырезкой корпуса из трубопровода и является трудоемкой и дорогостоящей задачей.

Таким образом, задача диагностирования электроприводной арматуры состоит из двух основных частей:

  • диагностирование арматуры;
  • диагностирование электропривода.

Диагностирование электропривода в свою очередь можно разделить на задачи диагностирования:

  • электродвигателя;
  • блока концевых выключателей;
  • механических передач редуктора.

Для решения задач диагностирования элементов арматуры и электропривода, целесообразно применение методик являющихся наиболее оптимальными для обнаружения той или иной неисправности. Выбор методики так же может осуществляться в зависимости от важности диагностируемых неисправностей и их проявлений в параметрах арматуры.

2. Методы контроля

В настоящее время подразделениями диагностики атомных станций применяются четыре основных метода контроля арматуры:

  • виброакустический метод;
  • метод контроля крутящего момента;
  • метод контроля активной мощности электропривода;
  • метод ультразвуковой локации протечек.

Диагностическими параметрами данных методов являются акустические шумы арматуры и электрические параметры электропривода. Диагностирование производится путем регистрации и последующего анализа данных с определением характерных диагностических признаков неисправностей.

Виброакустический метод контроля широко используется в диагностике вращающегося оборудования и может применяться в части обнаружения неисправностей электродвигателя и электропривода одновременно с методами контроля активной мощности и крутящего момента. Для контроля электроприводов вибродиагностическим методом [1] используются сигналы тока или мгновенной мощности, входящие в состав измерительных файлов стационарных и переносных систем контроля [2], данный метод нашел широкое применение на Волгодонской АЭС.

Метод контроля крутящего момента фирмы Siemens, применяемый на Смоленской АЭС, подразумевает контроль усилия на штоке арматуры, пересчитываемого из крутящего момента и активной мощности электропривода. Исходными диагностическими данными для данного метода являются измеренные ток и напряжение по трем фазам, активная мощность, сигналы концевых выключателей и линейные коэффициенты пересчета соответствия активной мощности крутящему моменту арматуры.

В качестве основного диагностического параметра выступает активная мощность электропривода и сигналы концевых выключателей, регистрируемые при переходных процессах «открытия» и «закрытия». Контроль и анализ кривых активной мощности и сигналов концевых выключателей стал основой «Методики диагностирования арматуры с электроприводом» Д25107160700001ПМ, разработанной Центром диагностики «Диапром» в 2007 году по заказу ОАО «Концерн Энергоатом».

Наиболее эффективным методом определения протечек в затворе арматуры является метод прослушивания арматуры при помощи акустических датчиков или ультразвуковых локаторов. В настоящее время разработаны методы нормировки и численной оценки протечек [3].

3. Алгоритм диагностирования

Для запорной арматуры, применяемой на АЭС, возможно проведение замеров активной мощности электропривода во время срабатывания арматуры по циклу «открытие-закрытие» или регистрация данных по факту срабатывания в шкафах управления и контроля при наличии стационарных систем измерения, срабатывающих автоматически.

Замеры арматуры переносными средствами проводятся, как правило, при приемке из ремонта и выводе изделий в ремонт. Данные, полученные в ходе измерений, анализируются по ограниченному ряду параметров путем выполнения процедур так называемого «экспресс-анализа».

Для выполнения процедуры из исходной кривой первоначально определяют значения параметров в характерных точках кривой (пусковой ток, мощность «подрыва», рабочий ток, мощность «затяжки», время хода и др.)

Значения параметров, полученные для определенного типа арматуры и привода, проходят сравнение с опорными значениями на предмет соответствия установленному диапазону. Данная процедура идентична для каждого рассматриваемого параметра и не зависит от режима обработки (ручного или автоматического).

По значениям параметров в точках определяют наличие диагностических признаков характерных дефектов, и контролируют изменение данных параметров со временем, прогнозируя развитие дефекта.

4. Диагностическая модель

Для установления соответствия между неисправностью и ее проявлениями в диагностических характеристиках, необходимо формализовать процессы, происходящие в арматуре при ее срабатывании на «открытие» или «закрытие», или иначе - разработать диагностическую модель арматуры с электроприводом.

Работа арматуры с электроприводом происходит за счет подвода электрической энергии, преобразующихся при помощи электродвигателя в крутящий момент и работу по передвижению элементов арматуры. В результате ускорения шестеренок редуктора, подшипников, ходовой гайки, перемещения механических частей под воздействием сил трения, происходит преобразование в работу и диссипация энергии.

Для разработки системы уравнений рассмотрим обобщенную кинематическую схему арматуры (рис. 1).

Обобщенная кинематическая схема арматуры с электроприводомРисунок 1. Обобщенная кинематическая схема арматуры с электроприводом

На данной схеме приведены следующие элементы арматуры и привода: 1 – электродвигатель; 2 – подшипники электродвигателя; 3 – ротор электродвигателя; 4 – статор электродвигателя; 5 – зубчатые колеса редуктора; 6 – подшипники редуктора; 7 – червячный вал; 8 – ходовая гайка; 9 – ходовая резьба; 10 – пружины; 11 – шток; 12 – сальник; 13 – узел крепления запорного органа; 14 – запорный орган; 15 – седло посадки запорного органа; 16, 17 – моментные выключатели («открытия/закрытия»); 18, 19 – концевые выключатели («открытия/закрытия»).

Упрощенная модель арматуры с электроприводомРисунок 2. Упрощенная модель арматуры с электроприводом

Для приведения в движение арматуры, используется источник электроэнергии, электродвигатель преобразует ее в механическое вращательное движение, которое посредством редуктора передается на ходовую гайку (рис. 1). Ходовая гайка приводит в движение шток с запорным органом, перемещение которого контролируется при помощи концевых и моментных выключателей [4].

На основании алгоритма работы и взаимодействия частей арматуры между собой и внешней средой, возможно построение диагностической модели, основанной на силовом взаимодействии электропривода и запорного органа. При построении диагностической модели учитываются упругие связи и распределение моментов инерции между частями электродвигателя, привода и запорного органа. Для описания системы дифференциальных уравнений модель арматуры и электропривода можно свести к двухмассовой упругой системе (см. рис. 2).

Главные инерционные массы описывают поведение электропривода и запорного органа, а упругая связь учитывает деформации внутри механизмов и пружин (рис. 1).

Система дифференциальных уравнений для такой системы имеет вид:

Mдв − Mупр − Mδ1 = Jдв (dωдв / dt),
Fупр − Fδ2 = mз.о. (dVз.о. / dt),
Mупр = Cупрпр − φз.о.),
(1)

где Mдв – крутящий момент электродвигателя; Mупр, Fупр – крутящий момент и сила на упругой связи; Mδ1, Fδ2 – тормозящие моменты силы трения, возникающие в приводе и запорном органе; Jдв, ωдв – приведенные момент инерции и скорость вращения электродвигателя; mз.о., Vз.о. – приведенная масса и скорость перемещения запорного органа; Cупр – коэффициент упругой связи; φпр, φз.о. – относительные перемещения привода и запорного органа.

Структурная схема  арматуры с электроприводомРисунок 3. Структурная схема арматуры с электроприводом

Структурная схема для такой системы показана на рисунке 4.

На схеме главные инерционные массы представлены интегрирующими звеньями с постоянными времени Tдв и Tз.о. и разделены интегрирующим звеном с постоянной времени Tупр. K1 и K1 – коэффициенты, описывающие связь скоростей и сил взаимодействия между частями системы.

Диагностическими признаками в этой модели являются отклонения величин дв / dt и dVз.о. / dt от «базовых» значений, соответствующих исправному электроприводу.

При нормальном срабатывании арматуры все элементы будут приводиться в движение линейно по отношению к крутящему моменту электродвигателя, за исключением случаев внезапно возникающих сил торможения или ускорения диагностируемых узлов.

Осуществить контроль параметров в размерностях сил и моментов на практике оказывается технически довольно сложно или затратно, поэтому наряду с данной диагностической моделью существует диагностическая модель, где в качестве основного диагностического параметра выступает активная мощность Pакт.

Электроэнергия, потребляемая электродвигателем из сети за определенный промежуток времени равна интегралу ΔW = Pакт(t) dt. Эта энергия расходуется на изменение кинетической энергии движущихся частей электропривода, на электродинамические потери в электродвигателе и на преодоление сил трения [5]. Выражение для преобразования энергии в электроприводе имеет вид:

ΔWΣ = ΔKi + δAi + δWэл,
(2)

где ΔKi – изменение кинетической энергии каждого элемента электропривода; δAi – потери энергии в каждом элементе из-за сил трения; δWэл – электродинамические потери в электродвигателе.

В установившемся режиме электропривода ΔKi = 0, δAi >> δWэл. Во время переходных процессов, например, при «подрыве» запорного органа или пуске двигателя, величины ΔKi и δWэл становятся сравнимы с величиной δAi. Для каждого характерного участка работы электропривода можно установить определенные отношения между величинами ΔKi, δAi и δWэл. При любом дефекте электропривода отношения между ними будут изменяться. Диагностические признаки в этой модели определяются отклонением отношений величин ΔKi, δAi и δWэл от значений, соответствующих исправному электроприводу. Особое значение для диагностики имеет величина δAi, так как ее изменение на различных этапах работы электропривода является диагностическим признаком дефектов, связанных с изменением сил трения. Например, контролируемая мощность рабочего хода может быть увеличена (что говорит об увеличении δAi) за счет возникновения дополнительной силы трения, возникшей в силу изменения коэффициента трения, или силы прижима трущихся поверхностей.

Данный метод удобен тем, что величина энергии ΔW численно равна площади под кривой на графике активной мощности Pакт.Поэтому, в качестве диагностических признаков выступают изменения отношений между величинами Pакт, соответствующими различным участкам работы электропривода.

Для локализации дефектов, в модель (1) необходимо внести движущиеся элементы, совершающие поступательное или вращательное движение. Согласно кинематической схеме, таких элементов у нас будет i от 1 до 14, в соответствии с количеством узлов, включаемых в систему уравнений для схемы, указанной на рис. 1.

При решении задачи автоматического определения i / dt и dVi / dt, на кривой в интервале t от 0 до T, где T – полное время хода, в специализированном программном обеспечении, мы сводим задачу обнаружения диагностических признаков к определению матрицы

(3)

где n – количество диагностических признаков.

Автоматическое определение матрицы (3), путем выделения коэффициентов из исходного сигнала активной мощности путем пересчета параметров кинематической модели и отбрасывания затрат на рассеивание энергии, является целью разработки специализированного программного обеспечения.

Полученные диагностические признаки связываются с дефектами при помощи матриц соответствия, которые определяются путем решения системы уравнений (1) для каждой особой точки, определяемой как неисправность, или статистическим методом при предварительном анализе данных.

5. Программное обеспечение

Контролируя тысячи единиц оборудования на объекте, первым делом возникает задача оптимизации затрат на обработку информации. Простой пример показывает, что сопоставление двух таблиц в отчете, выполненном в виде твердой копии и содержащем более 200 стр. данных, займет на практике не менее получаса, и если идет речь о постоянном контроле – необходима автоматизация рутинных процедур.

Первоначальные задачи записи и хранения информации можно решить при помощи автоматизированной базы данных, содержащей данные об объектах контроля, измерения, результаты анализа – автоматически связанных с технологической позицией.

Пример организации данных при помощи специализированного программного обеспечения диагностики арматуры (ПО) EVA v3.1 работающей в операционной среде Microsoft Window’s под управлением СУБД Microsoft SQL-Server 2005, показан на рисунке 4.

Примеры окон перечня измерений и списка протоколов специализированного ПО EVA 3.1Рисунок 4. Примеры окон перечня измерений и списка протоколов
специализированного ПО EVA 3.1

Данное ПО позволяет импортировать и сохранять данные со встраиваемых накопителей (типа «НЭП-256»), переносных сборщиков данных (типа «Крона-517») и стационарных систем диагностики, формирующих информационные файлы в формате «НЭП». Обрабатывать сигналы активной мощности в автоматизированном режиме на основании сформированного шаблона и сравнивать параметры с допустимыми значениями, а так же сохранять результаты в виде протокола со значениями параметров сигнала (рис. 5).

Окна анализа сигналов ПО EVA 3.1Рисунок 5. Окна анализа сигналов ПО EVA 3.1

6. Диагностические параметры

Рассматривая переходные процессы активной мощности при срабатывании арматуры в размерности крутящего момента, мы обнаружим, что вид сигнатур активной мощности и крутящего момента совпадает. Это обусловлено линейной зависимостью между мощностью и крутящим моментом арматуры, закладываемой в программы расчета.

Согласно уравнения (2), все слагаемые могут рассматриваться как величины, отнесенные к нормирующим значениям, и при рассмотрении относительных диагностических параметров, таких как отношения:

  • мощности «подрыва» рабочего органа к мощности рабочего хода (Pподр / Pхода);
  • работы «до подрыва» к общей работе совершаемой за цикл (Aподр / Aобщ);
  • мощности «затяжки» к мощности рабочего хода (Pзатяг / Pхода);
  • пускового тока электродвигателя к току на рабочем ходе (Iпуск / Iхода);
  • пускового тока электродвигателя к номинальному току (Iподр / Iном);
  • отношения времени рабочего хода к полному времени срабатывания (Tхода / Tсраб);
  • отношения времени «подрыва» к времени рабочего хода (Tподр / Tхода).

Мы исключаем из рассмотрения размерность величин, что позволяет отказаться от пересчета активной мощности в крутящий момент, и не проводить дорогостоящую процедуру определения переходных коэффициентов мощности и момента.

Зачастую мощность рабочего хода связана с изменением силы трения, возникшей в силу изменения коэффициента трения, или силы прижима трущихся поверхностей, что можно отметить на соответствующем участке циклограммы и выразить в относительных единицах.

7. Диаграмма работы концевых выключателей

Диаграмма концевых выключателей при «закрытии»Рисунок 6. Диаграмма концевых выключателей при «закрытии»

Для обнаружения дефектов, связанных с повреждением или износом концевых выключателей и выявления дефектов в схемах управления, совместно с диаграммой потребления мощности анализируются сигналы работы концевых выключателей.

Сигналы концевых выключателей могут регистрироваться в аналоговом и цифровом виде, что позволяет контролировать следующие параметры концевых выключателей:

  • наличие срабатывания;
  • соответствие диаграммы работы, установленной ТУ;
  • механический «дребезг» концевых выключателей;
  • состояние контактных пар.

Поскольку сигналы от концевых выключателей используются для управления арматурой, и непосредственно связан с выполнением функции «открытия/закрытия», контроль состояния концевых выключателей очень важен для обеспечения безотказной работы.

8. Определение дефектов

В результате обобщения неисправностей арматуры, проведенного комиссией по ядерной безопасности и регулированию США (U.S. Nuclear Regulatory Commission – NRC) определен минимальный перечень характерных дефектов, описанных в письме № 89/10 от 29 июня 1989г. Данный документ содержит типовые неисправности арматуры с электроприводом, перевод данного письма представлен в таблице 1.

Таблица 1. Список неисправностей арматуры с электроприводом
№ п/пНеисправность
1Ошибочная настройка шунта моментной муфты
2Ошибочная настройка выключателей моментной муфты
3Дисбаланс выключателя моментной муфты
4Зазор в пакете пружин или ошибочный предварительный натяг пакета пружин муфты ограничения крутящего момента
5Недостаточная плотность сальниковой набивки шпинделя
6Избыточная инерционность механических передач
7Недостаточная или чрезмерная затяжка контргайки гайки штока
8Ошибочная настройка конечного выключателя
9Износ штока (в резьбовой части)
10Искривление или обрыв штока
11Износ или разрушение зубчатой передачи
12Проблемы со смазкой (затвердевание, миграция в пружинный пакет, недостаток смазки, излишек смазки, загрязнение, смазка, не установленная ТУ)
13Пробой изоляции двигателя или обрыв вала ротора
14Ошибочное сечение провода или дефект провода
15Заедание диска/седла (включая термическое заедание)
16Вода во внутренних элементах, или повреждения с этим связанные
17Двигатель с недостаточными параметрами (меньшим электрическим напряжением или другими параметрами)
18Ошибочная индикация положения арматуры
19Ошибочная настройка или дефект механизма расцепления штурвала
20Проблемы с реле (неподходящее реле, грязь в реле, неисправное реле, неправильно подключенное реле)
21Ошибочная настройка переключателя тепловой перегрузки
22Износ или разрушение подшипников
23Разрушение или трещина элементов концевого выключателя или моментной муфты
24Отсутствие или деформация ограничительной пластинки моментной муфты
25Недостаточная мощность привода
26Гидравлическое залипание золотника
27Неподходящие металлы для шестерен, шпонок, болтов, штоков и т.д.
28Падение напряжения (в пределах расчетного)
29Ошибка логики управления электродвигателя
30Избыточное усилие на седло или в обратном направлении
31Ошибочная сборка или настройка после ремонта и/или проверки
32Не оформленная документально модернизация или настройка
33Заедание моментной муфты или концевого выключателя

Путем анализа сигналов активной мощности и концевых выключателей, возможно контролировать около 80 % дефектов по Таблице 1, исключая дефекты, не связанные с техническим состоянием оборудования.

Существует так же ряд неисправностей, связанных с конкретными конструктивными особенностями арматуры и привода. Например, на рисунке 7 показан участок графика активной мощности соответствующий процессу «подрыва» двухдискового запорного органа задвижки Dy200. На графике видны процессы пуска двигателя и нагружения штока арматуры при «страгивании» сначала одного, потом другого диска. Процесс обусловлен небольшим люфтом в узле крепления запорного органа. Контролируя развитие люфта во времени, можно определить момент перехода арматуры в неисправное состояние, отметив его, как нелинейный рост принятого диагностического параметра, например - разница во времени «страгивания» дисков.

Для такой арматуры в ПО вводятся не типовые, а так называемые «пользовательские» точки контроля.

Процесс «подрыва» двухдискового запорного органаРисунок 7. Процесс «подрыва» двухдискового запорного органа

9. Роль относительных параметров

Для достоверной оценки технического состояния внутрикорпусных устройств арматуры, наиболее целесообразно применение метода контроля активной мощности, с использованием относительных параметров.

В настоящий момент для решения задач раннего обнаружения неисправностей путем определения абсолютных значений диагностических параметров, необходимо наличие базы данных нормативных значений, создание которой требует значительных затрат времени и ресурсов.

При использовании относительных величин нет необходимости расчета и измерения сил и моментов в размерном виде, а процессы их расчета позволяют автоматизировать процесс обработки диагностической информации и применять автоматизированное программное обеспечение для диагностирования электроприводной арматуры различных типов.

Литература:

  1. Адаменков А.К., Поваров В.П., Шаранов С.В. Диагностика электроприводной арматуры с использованием комплекса ПКСД-01. Изв. вузов Сев.- Кавк. регион., Технические науки, 2006, Приложение №1 6, с. 71-76.
  2. Матвеев А.В., Головлев В.В., Рязанова М.Г., Ярышев А.Б., Адаменков А.К., Иванов С.М., «Опыт разработки стационарных систем диагностики арматуры». «Арматуростроение» 1(58)2009, с.77-80.
  3. Адаменков А.К., Веселова И.Н., Рясный С.И. Метод оценки герметичности трубопроводной арматуры тепловых и атомных станций. Тяжелое машиностроение.- 2008, №6, с. 2-3.
  4. Гуревич Д.Ф., Трубопроводная арматура / «Машиностроение», 1981.
  5. Герасимов В.Г., Электромагнитные устройства и электрические машины / «Энергоатомиздат», 1997.