3.3.3. Вибрационная диагностика состояния фундаментов

Русов В.А. "Диагностика дефектов вращающегося оборудования по вибрационным сигналам" 2012 г.

3.3. Диагностика дефектов уровня «агрегат»

Проблемы диагностики технического состояния фундаментов, на которых монтируется вращающееся оборудование, обычно также приходится решать специалистам служб вибрационной диагностики. Причина этого заключается не в том, что этим специалистам очень хочется решать такие вопросы, а в том, что состояние фундаментов во многом определяет вибрационное состояние самого вращающегося оборудования.

Классическую задачу о том, какой элемент агрегата виновен в повышенной вибрации, сами механизмы, или же неподвижный фундамент, в первую очередь приходится решать диагностам. Именно на них направлены «полные вопросов» взгляды сотрудников службы эксплуатации и ремонта – в чем причина повышенной вибрации агрегата?.

Попытка отослать сотрудников, интересующихся техническим состоянием фундамента, к стандартным методам диагностики, принятым в области строительства, кончаются ни чем. Используемые в это сфере техники методы диагностики, в лучшем случае, можно назвать очень трудоемкими. В худшем случае их можно назвать «экзотическими», но в любом случае малопригодными для реальной диагностики состояния фундаментов вращающихся агрегатов. 

В данном разделе мы попробовали систематизировать практический опыт, наработанный в течение длительного времени. Акцент сделан на наши собственные наработки, тогда как более известные методы, также прекрасно работающие в ряде практических случаев, например, метод регистрации контурной вибрации, лишь только упомянуты.

3.3.3.1. Общее ослабление фундаментов вращающегося оборудования.

В некоторых работах по вибрационной диагностике этот дефект фундамента часто называют нарушением целостности фундамента. Физическая суть дефекта от этого не меняется, она достаточно проста. Это:

  • Общее механическое ослабление внутренней структуры и связей в фундаменте.
  • Наличие в массиве фундамента трещин различной природы.
  • Ослабление связей фундамента с установленным на нем оборудовании.

Форма проявления дефекта любого из этих дефектов фундамента в вибрационных сигналах, регистрируемых на опорных подшипниках агрегата, и в получаемых при этом спектрах, от этого практически не меняется.

Под общим ослаблением фундамента мы будем понимать общее ухудшение качества фундамента, его свойств, приводящее к снижению возможности фундамента выполнять свое основное назначение - сглаживать вибрации оборудования, демпфировать их. При этом основной внутренний дефект фундамента, приведший к снижению демпфирующих способностей фундамента, мы будем дифференцировать только в наиболее ярко проявляющихся диагностических случаях. Для нас все это многообразие изменения свойств фундамента будет выглядеть очень просто - фундамент может быть хорошим или плохим, иметь какие-то дефекты или же не иметь.

Дефект такого типа достаточно часто встречается в практике вибрационной диагностики вращающегося оборудования. Обычно ослабление фундамента выявляется оперативным персоналом по факту значительного увеличения общего уровня вибрации самого агрегата на опорных подшипниках (!). Акцентирование внимания на увеличении вибрации фундамента происходит гораздо реже, так как повышенные вибрации на фундаменте, на первом этапе, диагностируются значительно реже. Оно наблюдается не во всех зонах фундамента и по своему уровню они всегда меньше вибраций, замеренных на опорных подшипниках. Это заключение справедливо для агрегатов практически любого типа.

Достаточно часто все обстоит следующим образом. Дефект фундамента возник уже достаточно давно и существует «в скрытой фазе», не влияет на работу оборудования. Дефект становится явным только в случае возникновение в контролируемом агрегате других дефектов, но иного происхождения, появление которых всегда повышает уровень вибраций агрегата. Чаще всего это бывает небаланс, расцентровка или повышенный износ опорных подшипников.

В этом случае, за счет уже имеющегося в агрегате дефекта фундамента, имеет место, на первый взгляд, «немотивированное» общее увеличение вибрации агрегата. Фраза «немотивированное повышение вибрации» использовано здесь для того, чтобы подчеркнуть, что в обычных условиях, при отсутствии дефектов в фундаменте, небаланс или расцентровка такого уровня не приводит к столь значительному повышению вибрации агрегата, как при наличии дефекта фундамента. Вибрации опорных подшипников агрегата с бездефектным фундаментом будут повышенными, но не столь значительно.

Здесь можно снова вспомнить классификацию дефектов вращающегося оборудования, разделяя их на активные и на пассивные. Дефекты агрегата типа небаланс или расцентровка можно называть активными динамическими дефектами первого типа, они сами повышают вибрацию, независимо от наличия других дефектов в оборудовании.

Рис. 3.3.3.2. Спектр вибросигнала на подшипнике при общем ослаблении фундамента В соответствии с этой классификацией дефекты фундамента можно назвать пассивными динамическими дефектами второго типа. Эти дефекты повышают общий уровень вибрации только в том случае, когда в контролируемом агрегате присутствует активные динамические дефекты первого типа.

Хотим мы этого, или не хотим, но мы снова подошли к использованию, правда несколько иному толкованию диагностического термина «успокоение» агрегата. Мы еще раз убедились, что ряд дефектов, в том числе и общее ослабление фундамента, диагностируется по вибрационным сигналам, а значит и оказывает влияние на работу оборудования, только при наличии дополнительных возмущающих сил. Нет дополнительных возмущающих сил, наведенных другими дефектами первого типа, значит «нет ослабления фундамента».

«Устранить» такой динамический дефект второго типа можно двумя способами – или решив вопрос радикально во время ремонтных работ, когда есть возможность устранить все имеющиеся дефекты в агрегате и фундаменте, или же просто исключив динамические усилия в работающем агрегате. Никто же не будет оспаривать нашу точку зрения о том, что если бы в контролируемом оборудовании не было бы возмущающих динамических сил, любой природы возникновения, периодического и непериодического действия, если бы наш агрегат был бы идеально смонтирован и сбалансирован, то необходимости в использовании фундамента не было бы вообще.

Всем ведь известен практический критерий идеального динамического состояния любого вращающегося оборудования. В нем пятикопеечная монета должна устойчиво стоять на опорном подшипнике в положении «на ребре». Это является признаком отсутствия в контролируемом агрегате возмущающих сил любой природы возникновения. В этом случае, мы надеемся, что и здесь с нами согласятся, фундамент не нужен вообще, «пятак» и без него стоит на подшипнике работающего оборудования. И наоборот, мы надеемся, что всем понятно, что в случае, когда в контролируемом агрегате будут иметь место какие-либо динамические усилия, об устойчивом положении монеты можно забыть. Наш «диагностический пятак» придется в этом случае долго искать на полу.

Вернемся к описанию диагностических особенностей и характерных признаков наличия в контролируемом агрегате общего ослабления фундамента агрегата, т. е. к основному вопросу данного раздела.

Причиной повышения вибраций агрегата «с плохим фундаментом», например, может явиться банальный небаланс масс вращающегося ротора одного из механизмов агрегата. Конечно, первичное усиление вибрации вызывается самим небалансом ротора, но в данном случае его влияние существенно «усилено» плохим состоянием фундамента, наличием в нем дефектов различной природы возникновения. Именно так и обстоит дело на практике, всегда речь идет о кратном усилении вибрации опорных подшипников от небаланса, являющегося первичным дефектом. Чем хуже будет техническое состояние фундамента, тем больше повышается вибрация.

Ухудшение качества фундамента (если этот параметр все-таки удастся более или менее корректно оценить одной цифрой), является не слагаемым в нашей условной формуле расчета итоговой вибрации опорных подшипников от появившегося небаланса. Оно является сомножителем, повышающим коэффициентом в нашей формуле. Это значение будет однозначно показывать влияние дефектного фундамента на увеличение общей вибрации. Согласно такой теории этот коэффициент ухудшения качества фундамента всегда больше единицы. Единице он будет равен только в случае идеального состояния фундамента контролируемого агрегата.

С точки зрения энергетического аспекта модели «агрегат – фундамент» тоже все просто. При работе агрегата с дефектом в нем, за счет вибрации, выделяется некоторая энергия. Если агрегат хорошо соединен с хорошим фундаментом, то энергия от вибрации будет выделяться в большой суммарной массе «агрегат + фундамент», и при этом амплитуда вибрации будет не очень большой.

Любой дефект фундамента выражается в снижении его способности поглощать энергию вибрации. Например, за счет трещины от фундамента отслоилась половина бетона, «трещина прошла посередине». В этом случае динамическое усилие от вибрации осталось прежним, а масса фундамента уменьшилась вдвое. Естественно предположить, что вибрация агрегата вырастет почти в два раза. На практике же такое увеличение произойдет более чем в два раза. Оставим читателю возможность самому воссоздать недостающие звенья такого нашего рассуждения, подтверждаемого практикой.

Поиск ослабления в фундаменте может быть произведен диагностом, в первую очередь, по принципу измерения «контурной вибрации» на агрегате и на фундаменте. При этом один датчик перемещается в том или ином направлении по общей конструкции, и выполняется замер вибрации через примерно одинаковые промежутки, на конструкции, и особенно в ее узловых и характерных точках.

Наиболее важным признаком наличия трещины в контролируемой зоне фундамента, или иного дефекта, является «скачок фазы» измеряемого вибрационного сигнала относительно фазы опорного вибрационного сигнала. Эта опорная точка выбирается произвольно, но является одной и той же для всех измерений. В этой точке постоянно установлен второй датчик, показания которого регистрируются синхронно с основным измерительным датчиком, перемещаемым по фундаменту.

Анализ фазы контурной вибрации, регистрируемой на перемещаемом датчике, может позволить достаточно просто и точно обнаружить точку ослабления или место прохождения трещины в фундаменте. Это видно как по скачку общего уровня вибрации, так и по моменту изменения фазы основной гармоники вибросигнала скачком на 180°, которое всегда происходит в таких «пограничных» точках.

Рис. 3.3.3.3. Спектр вибрации агрегата с ослаблением фундамента, и расцентровкой Спектр вибрационного сигнала при общем механическом ослаблении фундамента достаточно прост, обычно в нем присутствует только первая гармоника вибросигнала, наведенная от небаланса вращающегося ротора, всегда имеющего место в практике, или иного дефекта. Амплитуда этой гармоники бывает очень значительной. Здесь необходимо обязательно уточнить, что речь пока идет об измерении вибрации опорных подшипников контролируемого агрегата.

Если в агрегате с механическим ослаблением фундамента будет расцентровка, т. е. она будет возбуждать вибрации агрегата, то в спектре вибрации на фундаменте будут присутствовать все характерные признаки расцентровки. Для примера на рис. 3.3.3.3. приведен такой спектр. Нам кажется, что этот спектр не нуждается в каких-либо пояснениях. Все характерные гармоники расцентровки пропорционально усилены дефектом фундамента.

Рис. 3.3.3.4. Характерные точки, в которых необходимо измерять вибрацию для оценки состояния крепления агрегата к фундаменту Очень характерным параметром для диагностики общего состояния фундамента, диагностики дефектов в нем, является расчет отношения общего уровня вибрации, замеренного непосредственно на контролируемом опорном подшипнике к аналогичному параметру вибрации, замеренному непосредственно на фундаменте. Желательно, чтобы замер вибрации на фундаменте производился в непосредственной близости от места крепления к нему контролируемого элемента конструкции оборудования.

На рисунке 3.3.3.4. приведены характерные точки, в которых необходимо замерять вибрацию для того, чтобы оценить качество крепления агрегата (опорных подшипников) к фундаменту, а также определить качественное состояние самого фундамента.

Порядок проведения измерений общего уровня вибрации для оценки состояния фундамента достаточно прост. На первом этапе анализа обычно измеряется СКЗ виброскорости вибрации в вертикальном направлении во всех трех точках, показанных на рисунке. Среднюю точку, показанную на рисунке на лапе стойки опорного фундамента, можно на первом этапе диагностики пропустить, если не планируется определять качество крепления агрегата к подшипнику.

Далее, по итогам выполненных измерений, рассчитываются три коэффициента, как отношение уровней вибрации в разных точках друг к другу:

  • Вибрация на опорном подшипнике к вибрации на лапе стойки подшипника.
  • Вибрация на лапе к вибрации на фундаменте.
  • Вибрация на опорном подшипнике к вибрации на фундаменте.

Из этих расчетных коэффициентов наиболее важным является третий, определяющийся через отношение СКЗ вибрации на опорном подшипнике, измеренной в вертикальном направлении, и аналогично измеренной на фундаменте агрегата, рядом с лапой подшипниковой стойки. Именно этот коэффициент позволяет определить два основных параметра состояния фундамента в агрегате. Это качество крепления (механизмов) агрегата к фундаменту, и техническое состояние самого фундамента.

Значение этого коэффициента не должно очень сильно различаться, и численно должно быть равно примерно двум. Если такое соотношение вибраций примерно соблюдается под всеми подшипниками, значит очевидных проблем с качеством фундамента, под данным агрегатом, нет.

Если же значение этого коэффициента равняется примерно 1,4 - 1,7 или еще менее, то это означает, что в данном фундаменте есть проблемы. Он уже не может в полной мере демпфировать вибрации установленного на нем агрегата. В основном это происходит при уменьшении эффективной массы фундамента. Причин этому может быть несколько, но чаще всего в таком случае, при более тщательной диагностике, обычно выявляются трещины разной локализации и направления.

Если же соотношение вибраций на агрегате и на фундаменте равно или больше, чем значение 2,5 - 3,0, то возможны два варианта ответа на вопрос о текущем техническом состоянии фундамента. Основной и часто встречающийся в практике вариант существующего дефекта - ослаблено крепление агрегата к фундаменту. Возможен и второй вариант существующего в этом случае дефекта - фундамент находится в отличном состоянии, причем этот диагноз абсолютно искренний. Этот вариант идеален и в него хочется верить, но к сожалению в практике этот вариант случается чрезвычайно редко, чаще всего верной оказывается первая версия об ослаблении крепления агрегата к фундаменту.

Более полное заключение может быть получено в том случае, когда на подшипнике и на фундаменте измерения вибрации производятся в трех стандартных направлениях - вертикальном, поперечном, и осевом. Сделать это на фундаменте это иногда бывает непросто, но всегда возможно. По результатам анализа таких более полных измерений можно сделать более информативное заключение, которое будет указывать, например, не только на наличие трещины в фундаменте, но может определить направление ее развития.

Данная автоматизированная диагностика состояния фундаментов на основании измерения СКЗ виброскорости на подшипниках и на фундаменте, в трех направлениях, реализована в программном обеспечении «Аврора». Достоверность такой диагностики достаточно высока, и практически всегда приемлема для оценки состояния вращающихся агрегатов с фундаментами.

В практике достаточно часто ослабление фундамента приводит к возникновению низкочастотных вибраций с частотой меньше 10 Гц, иногда даже с частотой в доли герц. Обычно они вызываются трещинами в монолитных фундаментах или ослаблениями в сборных фундаментах. Вопрос анализа таких вибраций является отдельным и рассматривать его в данном методическом руководстве мы не будем. Это «штучный» диагностический продукт, «производимый» очень квалифицированным персоналом с использованием специализированной многоканальной измерительной аппаратурой.

3.3.3.2. Ослабление крепления агрегата к фундаменту

Это достаточно часто встречающаяся в практике причина повышенной вибрации оборудования, вызываемая дефектами крепления или же механическими ослаблениями самих элементов крепления агрегата к фундаменту, отрывом анкеров и т. д. Варианты механического ослабления крепления могут быть различными и определяются конструктивными особенностями крепежных деталей.

Частично диагностику такого дефекта мы затронули чуть выше при определении коэффициентов состояния фундамента. Но там, в качестве диагностического параметра мы использовали СКЗ виброскорости. В данном разделе мы рассмотрим возможности диагностики крепления агрегата к фундаменту, основанной на анализе спектров вибросигналов.

На практике механическое ослабление крепления агрегата к фундаменту обычно вызывается потерей различных центрующих прокладок, ослаблением крепежных болтов, отрывом крепежных анкеров, трещинами в сварных соединениях рам, стоек подшипников. При раздельном креплении статоров и роторов крупных электрических машин механическое ослабление крепления возможно, как для подшипников, так и непосредственно для самих статоров. Конечно читатель понимает, что это не самый полный перечень возможных причин возникновения этого дефекта.

Очень часто в практике бывает так, что дефект крепления оборудования к фундаменту существует уже давно, но значительно проявляться и оказывать влияние на работу агрегата стал только в последнее время. Причину такой картины вибрационного проявления дефекта мы достаточно подробно рассмотрели выше, разделив все дефекты на два типа, в зависимости от их способности самостоятельно генерировать динамические усилия, повышающие вибрации агрегата.

После появления в агрегате достаточно сильного дефекта, например небаланса или расцентровки, возникшей после проведения некорректного ремонта, общие вибрации резко выросли и при этом стали четко видны недостатки крепления к фундаменту. Возникла проблема состояния фундамента, которую реально можно устранить двумя путями - или проведением процедуры балансировки или центровки агрегата или же при помощи улучшения качества крепления оборудования к фундаменту. Желательно, конечно, сделать и то, и другое сразу, что бы было меньше проблем в будущем.

Рис. 3.3.3.4. Спектр вибрационного сигнала, замеренного на подшипнике, при ослаблении крепления к фундаменту Спектральная картина вибраций в агрегате с дефектом крепления к фундаменту, зарегистрированная на подшипнике, будет почти полностью напоминать картину, характерную для расцентровки в вертикальной плоскости, даже когда самой расцентровки в агрегате и нет. Это хорошо видно из приведенного рисунка 3.3.3.4.

На спектре вибрации агрегата с таким дефектом будет хотя бы одна характерная гармоника с частотой 0,5 от оборотной частоты ротора, которой нет при чистой расцентровке. По амплитуде она может достигать примерно половины или одной трети от максимального пика на спектре, обычно от первой оборотной гармоники ротора.

Для разделения дефекта крепления к фундаменту с расцентровкой следует так же всегда помнить, что вся характерная вибрация от такого дефекта фундамента сосредоточена только в вертикальном направлении. Кроме того, следует помнить, что при расцентровке такая картина имеет место с двух сторон муфты, а при ослаблении крепления к фундаменту она чаще всего имеет место только в точках, в которых есть ослабление крепления.

Почему спектральная картина похожа на расцентровку - это достаточно просто и понятно. Причиной вибрации являются соударения между конструкцией и фундаментом, очень похожие на соударения в зазоре муфты. Причиной появления гармоники кратностью 0,5 являются процессы, период которых равен двум периодам вращения ротора. Они вызваны, вероятнее всего тем, что ось симметрии кривой временного сигнала несколько не совпадает ( по углу наклона ) с осью времени и при одном обороте ротора имеет положительный наклон, а в другом - отрицательный.

С точки зрения механики дробная гармоника есть результат неодинакового "прижатия" агрегата к фундаменту, когда при одном направлении перемещения вибрации возбуждающая колебания сила совпадает с весом агрегата, а в другом направлении они действуют встречно.

Совсем просто говоря, можно утверждать, что дробная гармоника с кратностью 0,5 появляется в результате своеобразного эффекта «подпрыгивания одной ноги агрегата» на фундаменте.

Как уже говорилось выше, отношение общего уровня вибросигнала, СКЗ виброскорости, для вертикальной составляющей вибрации на фундаменте, в точках крепления подшипников, к аналогичной проекции вибрации на подшипнике, не должно превышать по своему значению величину, равную 2,5 - 3,0.

Если при проведении измерений это отношение примет значение более трех, то это обозначает, что имеют место проблемы крепления агрегата к фундаменту. Это легко объяснимо с физической точки зрения - агрегат вибрирует, а фундамент нет, и происходит это только по одной причине, между ними нет надежной механической связи, позволяющей фундаменту демпфировать вибрации подшипников агрегата.