Техническое обоснование внедрения методик шумовой диагностики с применением  системы визуализации звука при проектировании и обслуживании оборудования

 

1. Физические основы метода шумовой диагностики

Пассивная шумовая диагностика – процесс определения технического состояния объекта по результатам измерения создаваемого им уровня звукового и/или ультразвукового давления в заданном диапазоне частот в некоторой контрольной точке.

Процессы истечения газа через сквозные отверстия в трубопроводах, сосудах, пневматических системах, в которых газ находится под давлением, трение подвижных частей при работе различных механизмов, механические воздействия на контролируемую конструкцию типа ударов посторонних или плохо закрепленных предметов, коронные и другие электрические разряды на объектах электроэнергетики и т.д. сопровождаются акустическими шумами, характеризующимися различными параметрами.

Также неоптимальный режим работы технологического оборудования, который обусловливается отклонением параметров эксплуатации от проектных, вызывает генерацию высокого нетипового уровня шума.

Метод шумовой диагностики основан на регистрации и анализе акустических шумов объекта диагностики, которые позволяют судить о возникновении и развитии дефектов, об исправности и неисправности и даже о характере неисправности объекта.

2. Цель и задачи шумовой диагностики

Целью шумовой диагностики, как одного из видов технической диагностики, является повышение надежности и ресурса технических систем.

Основными задачами шумовой диагностики является обнаружение, определение местоположения, слежение (мониторинг), оценка опасности и скорости развития неисправностей в целях заблаговременного прекращения эксплуатации или испытаний и предотвращения разрушения изделия.

Решение этих задач необходимо для организации технического обслуживания оборудования по фактическому техническому состоянию, вместо обслуживания по назначенному ресурсу.  Кроме того, это позволяет реализовать безопасную ресурсосберегающую эксплуатацию оборудования.

3. Область применения метода шумовой диагностики
   • Построение шумовой карты помещений при аттестации рабочих мест

Более 30 % рабочих мест на предприятиях транспортировки углеводородов характеризуются вредными условиями труда [1, 2]. Одним из основных вредных факторов, воздействующих на работников предприятий топливно-энергетического комплекса (ТЭК), является шум. Согласно инструментальным данным (рис. 1), рабочие места с вредными по шуму условиями труда составляют более 60 % от всех рабочих мест с вредными условиями труда [2]. Неблагоприятные условия труда ремонтного и эксплуатационного персонала предприятий из-за рассеянного внимания работников под воздействием интенсивного шума, а также возникновение незамеченного из-за шума инцидента на технологическом оборудовании могут привести к производственным травмам и перерасти в техногенную аварию [2].

 

 

1. См. СТО Газпром 2-3.5-041-2005. Каталог шумовых характеристик газотранспортного оборудования
2. См. Р51-00158623-26-96. Методика измерения шумовых характеристик газоперекачивающих

агрегатов с газотурбинным приводом. – М.: Газпром ВНИИГАЗ, 1999. – 27 с.; Р51-00158623-18-92. Типовая методика акустических

испытаний опытных и серийных образцов ГПА. – М.: Газпром ВНИИГАЗ, 1999. – 17 с.

 

Рис 1. Вредные факторы, воздействующие на работников газовой отрасли:

А- транспорт газа; б- добыча газа

• Шумовая диагностика оборудования

Основными целевыми объектами шумовой диагностики являются:

• механизмы и машинное оборудование (гидроприводы, редукторы, насосы, компрессоры, вентиляторы и приводные электродвигатели, дизельные электростанции);
• трубопроводы, корпуса систем под давлением, парогенераторы, системы газогидроснабжения;
• сосуды, теплообменные аппараты, трубопроводы (сосуды и емкости, влагомасло-отделители и холодильники компрессорных установок, теплообменные аппараты, камеры нейтрализации, магистрали газов и жидкостей и др.);
• автоматика, оборудование систем управления;
• оборудование электроснабжения (трансформаторы, коммутационная аппаратура).

Одним из явлений генерации высокого нетипового уровня шума остается излучение шума технологическим оборудованием при неоптимальном режиме работы, который обусловливается отклонением параметров эксплуатации от проектных. Причинами этих отклонений являются:

• работа технологического оборудования в неоптимальном режиме из-за изменений потребления газа;
• наличие возникших в ходе эксплуатации дефектов конструкции, которые долгое время могут проявляться только в повышении звуковой мощности и изменении спектров шума;
• некачественное либо несвоевременное техническое обслуживание оборудования;
• износ средств шумоглушения и вызванное этим снижение их эффективности;
• износ отдельных элементов конструкции оборудования.

В механике метод шумовой диагностики хорошо зарекомендовал себя для  контроля износа материалов в узлах трения механизмов и машин, в частности, для контроля состояния подшипников качения.

В энергетике актуальным является применение метода при поиске коронных и частичных разрядов, пробоев изолятора, неисправности трансформаторов. Метод шумовой диагностики в энергетике вплотную подошел к состоянию, способному заменить одновременно три других существующих метода обнаружения частичных разрядов: электрический, оптический (по ультрафиолетовому и  инфракрасному излучению) и радиоволновый.

Метод шумовой диагностики также может использоваться для контроля течей через сквозные отверстия в трубопроводах, сосудах, пневматических системах, в которых газ находится под давлением.

4. Сравнительный анализ метода шумовой диагностики

 Для контроля состояния технического оборудования применяют различные методы неразрушающего контроля (НК): тепловые, параметрические, рентгеноскопические, ультразвуковые, магнитные, вибрационно-акустические, шумовые и другие.

Из всех перечисленных способов шумовая диагностика имеет существенные достоинства.

Прежде всего, целый ряд методов НК (например, ультразвуковой, радиационный, токовихревой) обнаруживают геометрические неоднородности путем излучения в исследуемую структуру некоторой формы энергии и по этой причине  требуют установки на объект диагностики контактных излучателей и приемников, что существенно усложняет  и  затягивает во времени процесс диагностики

С точки зрения пассивной шумовой диагностики растущий дефект производит свой собственный шумовой сигнал, который проходит метры, а иногда и десятки метров, пока не достигнет датчиков. Дефект не только может быть обнаружен дистанционно; часто представляется возможным найти его местоположение путем обработки времен прихода волн к различным датчикам.

Возможности, связанные с дистанционным использованием метода, дают большие преимущества по сравнению с другими методами контроля, которые требуют, например, удаления изоляционных оболочек, освобождения объектов контроля от внутреннего содержимого или сканирования больших поверхностей.

Благодаря отличию по своим возможностям от традиционных методов контроля, на практике оказывается очень полезным совмещать шумовую диагностику с другими методами. Использование метода  шумовой диагностики значительно сокращает время проведения диагностических работ и экономит средства, затрачиваемые на их проведение и вывод из эксплуатации оборудования.

Основные достоинства метода шумовой диагностики:

• простая и недорогая аппаратура (многоканальные узконаправленные микрофонные системы (шумомеры) в комплексе с портативной цифровой системой анализа шума), способная оцифровывать и обработать в реальном времени практически все виды технических шумов;
• сбор данных о техническом объекте в процессе его эксплуатации в режиме реального времени;
• выполнение контроля без вмешательства в функционирование технических объектов;
• большой комплекс диагностической информации практически обо всех подвижных элементах технического объекта;
• высокая разрешающая способность метода;
• возможность документирования с последующим тиражированием без потери качества информации для дальнейшей расшифровки
• метод хорошо выявляет опасные и склонные к росту дефекты;
• по своей физической сущности метод наиболее перспективен для оценки степени деструкции металла в процессе эксплуатации и соответственно остаточного ресурса.
• в отличие от вибродиагностики, не требует врезок датчиков, нарушающих конструкцию наблюдаемого оборудования.
• метод обеспечивает обнаружение и регистрацию развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности.
• свойство интегральности метода обеспечивает бесконтактный контроль всего объекта с использованием одного или нескольких сенсоров, неподвижно установленных в непосредственной близости к объекту
• положение и ориентация дефекта не влияет на выявляемость дефектов.
• метод имеет меньше ограничений, связанных со свойствами и структурой конструкционных материалов, чем другие методы неразрушающего контроля.
• обеспечивает возможность контроля зон недоступных для других методов (тепло- и гидроизоляция, конструктивные особенности).
• позволяет предотвратить катастрофические разрушения конструкций при испытаниях и эксплуатации за счет оценки скорости развития дефектов.
• позволяет определять места утечек газа и оперативно выявлять развивающиеся свищи.
• имеет низкую трудоемкость подготовительных работ и контроля, в десятки (сотни) раз меньше, чем для других методов НК.
• по объему контроля является глобальным. Путем установки нескольких датчиков выполняется контроль всего объекта с определением мест возникновения и развития дефектов. Это позволяет использовать данный метод для контроля недоступных поверхностей, а также осуществлять непрерывный контроль (мониторинг) объекта во время функционирования и перейти от периодических технических освидетельствований к эксплуатации объекта по его фактическому техническому состоянию;
• позволяет диагностировать объект в целом, не выводя его из существующего режима эксплуатации или выводя на минимальное время, что дает очевидные экономические преимущества по сравнению с традиционными методами НК, требующими прекращения эксплуатации объекта для проведения контроля;
• обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся, а значит, действительно опасных дефектов, и осуществляет их классификацию не по размерам, а по степени опасности. Это означает, в частности, что некоторые, например округлые дефекты, размер которых превышает браковочный уровень традиционных методов НК, при использовании шумового контроля могут попасть в класс неопасных, поскольку существуют, не развиваясь во время работы объекта. Это позволяет обоснованно отменить остановку объекта и ремонтные работы, которые в ряде случаев только снижают надежность объекта;
• обладает универсальностью по отношению к выбору диагностируемого объекта, т.е. может быть использован без ограничений для диагностики любых объектов, где может быть обеспечено изменение давления (нагрузки) для инициирования возможных дефектов.

Эти достоинства обуславливают тот факт, что на сегодняшний день системы шумовой диагностики являются одним из самых прогрессивных и перспективных способов НК. В то же время, в сочетании метода с другими средствами НК позволяет достичь высокой точности и эффективности технического диагностирования. Метод отлично зарекомендовал себя на предприятиях металлургической, нефтеперерабатывающей, газовой, энергетической и химической промышленности.

Новые возможности шумовой диагностики современных сложных и дорогостоящих технических объектов открывают появившиеся в последнее время цифровые многоканальные микрофонные системы, способные осуществлять прием шумовых сигналов в звуковом и ультразвуковом диапазоне частот с возможностью регистрации в реальном времени пространственного распределения акустических полей объектов диагностики в заданной частотной области. Особая привлекательность таких систем состоит в дружественном интерфейсе «человек-машина», который позволяет оператору визуально наблюдать на экране монитора видеоизображение и совмещенную с ним визуальную картину акустического поля объекта диагностики и на основе этого практически безошибочно определять местоположение проблемных узлов объекта по их сверхнормативному уровню шума.

Методу шумовой диагностики на сегодняшний день присущи следующие недостатки:

• метод опирается на статистические оценки, т. к. в настоящее время слабо проработана теория метода.
• в настоящее время применение метода и аппаратуры шумового контроля не регламентировано соответствующими инструкциями и руководящими документами Госгортехнадзора России.

 

4.3 Эффективность и целесообразность внедрения систем шумовой диагностики

Эффективность и целесообразность внедрения систем шумовой диагностики и комплексных систем диагностического мониторинга основывается на трех аспектах: социальном, техническом и экономическом.

 Социальная выгода очевидна: системы контроля и мониторинга позволяют предотвратить производственные катастрофы, тем самым сохранить человеческие жизни и окружающую атмосферу.

Техническая выгода от внедрения системы состоит в унификации системы технической диагностики за счет замены других разнородных контактных подсистем НК одной универсальной бесконтактной системой шумовой диагностики.

Экономическая выгода от использования состоит в:

• отсутствии затрат, связанных с приостановкой и простоем объекта;
• снижении затрат на подготовительные работы по сравнению с другими методами НК в десятки, а иногда и в сотни раз;
• существенном снижении затрат на проведение технического диагностирования;
• снижении затрат на ремонт оборудования;
• возможности обоснования отмены остановки эксплуатации объекта в случае соответствующей рекомендации при проведении НК другими методами;
• снижении затрат, связанных с аварийностью производства;
• возможности планировать и выполнять техническое обслуживание по фактическому состоянию объектов контроля: более эффективно распределять обслуживающий персонал, запасные части, инструменты и т.п.;
• возможности эффективно вести переговоры с поставщиками оборудования относительно его гарантийного ремонта, восстановления, замены или изменения конструкции, поскольку записываемые параметры состояния оборудования являются доказательством для арбитража.

 

5. Схемы применения метода шумовой диагностики

Метод шумовой диагностики рекомендуется использовать для контроля объектов по следующим схемам, включающим в ряде случаев использование других методов НК.

1. Проводят шумовой контроль объекта. В случае выявления нестандартных источников акустического излучения, в месте их расположения проводят контроль одним из традиционных методов неразрушающего контроля (НК) – ультразвуковым (УЗК), радиационным, магнитным (МПД), капиллярным (КД) и другими, предусмотренными нормативно-техническими документами (НТД). Данную схему рекомендуется использовать при контроле объектов, находящихся в эксплуатации. При этом сокращается объем традиционных методов неразрушающего контроля, поскольку в случае применения традиционных методов необходимо проведение сканирования по всей поверхности (объему) контролируемого объекта.
2. Проводят контроль одним или несколькими методами НК. При обнаружении недопустимых (по нормам традиционных методов контроля) дефектов или при возникновении сомнения в достоверности применяемых методов НК проводят контроль объекта с использованием метода шумовой диагностики. Окончательное решение о допуске объекта в эксплуатацию или о ремонте обнаруженных дефектов принимают по результатам проведенного контроля шумовой диагностики.
3. В случае наличия в контролируемом объекте дефекта, выявленного одним из методов НК, метод шумовой диагностики используют для слежения за развитием этого дефекта.
4. Метод шумовой диагностики может быть использован для оценки остаточного ресурса и решения вопроса относительно возможности дальнейшей эксплуатации объекта. Оценка ресурса производится с использованием специально разработанной методики на основании статистических данных.