AZ ÜZEMFENNTARTÁS ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI 1.04 5.08
A kifáradásos meghibásodások elkerülése dugattyús kompresszorokban Tárgyszavak: kifáradás; meghibásodás; kompresszor; dugattyús kompresszor, rezgés.
A nyomásingadozások (pulzálások) és a rezgések minimumra csökkentése A dugattyús kompresszoroknak – annak ellenére, hogy nagymérvű rezgések keletkeznek és nagy nyomáseséseket idéznek elő – előnyük van más (azaz centrifugál- és forgó-) kompresszortípusokkal szemben; így széles körben alkalmazzák a különféle vegyipari folyamatokban. Viszont ha a rendszert nem megfelelően tervezték meg, rosszul installálták és működtetik, az erőteljes dinamikus hatások következtében, amelyek erőteljes rezgéseket eredményeznek, a dugattyús kompresszor és a hozzá csatlakozó csővezetékrendszerek hajlamosak a kifáradásos meghibásodásokra. A kifáradásos törések bekövetkezhetnek mind az újonnan csatlakoztatott, mind a már meglévő rendszerekben, ahol az üzemelési feltételek közelmúltbeli változtatásai vagy a rendszer elrendezése megváltoztathatta az általános rezgésállapotot. A kifáradásos meghibásodások csökkentik a berendezés megbízhatóságát és üzemkészségét, és óriási veszteségeket okozhatnak a kényszerű leállások miatt. Nagy a veszély a személyzet sérülésére és végzetes balesetekre is, és veszteség következhet be mind az értékes nyersanyagok, mind a késztermékek körében, veszélyes anyagok közelében pedig potenciális környezeti katasztrófát jelentenek. Az itt tárgyalt ajánlások és esetek különösen fontosak a petrolkémiai, az olaj- és gáziparban, ahol nagyon szigorú követelményeket támasztanak a megbízhatóság és a biztonság iránt; az alapelvek egyaránt érvényesek más iparágakban is, ahol dugattyús kompresszorokat alkalmaznak.
Rázkódás, rezgés és hullámzás A kifáradás okozta meghibásodások egyik leggyakoribb oka az erőteljes rezgés, amely magas szintű pulzálást eredményez a csőrendszer-
ben. A kifáradásos meghibásodásokat mechanikai rezonanciás vagy akusztikus rezonanciás jelenségek is okozhatják. Ideális esetben a megfelelő akusztikus és mechanikai elemzést el kell végezni a tervezési fázisban annak biztosítására, hogy a dugattyús kompresszor rendszer az installálást követően kielégítően üzemelhessen. Ha az installálás után magas rezgésszinteket észlelnek és megmarad a nyomás ingadozás, módszeres és fokozatos megközelítést kell végrehajtani a diagnosztizálásban. Ez tartalmazza a területen végzett méréseket (nyomásingadozás, rezgés), az üzemelés áttekintését, a területi javítási munkát, akusztikus szimulációt és mechanikai elemzést a vonatkozó szabványok és előírások követelményeinek megfelelően. Ezt követően dolgozható ki a hosszú távú megoldás, amely támogatja a biztonságos és megbízható üzemelést, számításba véve a lényeges költségtényezőket.
A rezgések forrásai Fontos a dugattyús kompresszor rendszer rezgésforrásainak egyértelmű felismerése. Ez segíti a vizsgálatot végző személyt, hogy helyesen azonosítsa a forrásokat és meghozza a kellő intézkedéseket. A dugattyús kompresszorokban és a hozzájuk csatlakozó csőrendszerekben a rezgés vagy gerjesztett rezgésként, vagy rezonáns rezgésként jellemezhető. Mindkettőre jellemző a nyomásingadozás. A nyomásingadozás az áramlási folyamat egyenlőtlenségeiből ered, amelyet a szelepnyitás és -zárás idéz elő. A nyomásingadozás frekvenciái összefüggenek mind a kompresszor sebességével, mind üzemelési módjával (azaz: egyszeres működésű vagy kettős működésű). Például egy kettős működésű kompresszor elsődleges nyomásingadozási frekvenciája a forgattyús tengely sebességének kétszerese. A nyomásingadozások dinamikus erőket hoznak létre a csővezetékrendszerben olyan helyeken, ahol változás van az áramlás irányában (úm. könyökök és lezárt végződések), és ahol változás van a geometriában (úm. szűkítők, tágulatok). Ezek a dinamikus erők rázóerőként ismeretesek, rezgések forrásai a kompresszorokban és a hozzájuk csatlakozó csővezetékrendszerekben. Az erőteljes nyomásingadozási szintek nagy lökési erőket hozhatnak létre, ha a csővezeték elrendezése olyan, hogy az erők nincsenek megfelelően kiegyensúlyozva és így erőteljes rezgéseket okoznak. Még ha ezek az erők „elfogadható mértékűek” is, az eredő rezgésszintek még mindig túlzottan erősek lehetnek. Ez a helyzet akkor áll elő,
amikor a lökési erők frekvenciája egybeesik a rendszernek egy vagy több mechanikus rezonanciafrekvenciájával, és így bekövetkezik a mechanikus rezonancia. Ezeket a frekvenciákat a merevség, a tömeg és a rendszerelemek csillapítása határozza meg. Az erőteljes nyomásingadozás és rezgés akusztikus rezonancia esetén is előfordulhat, ahol a nyomáspulzálási frekvenciák egybeesnek a csővezetékrendszer egy vagy több akusztikus rezonanciafrekvenciájával. Ez utóbbi frekvenciákat a hang sebessége, a kérdéses csőelemek hossza, és a csővégződés állapota határozza meg (pl. zárt–zárt, nyitott– nyitott, vagy nyitott–zárt). A kompresszorban egy „végződés” fizikai hely a kompresszor–csővezeték elrendezésben, ahol a közeg megváltoztatja a mozgási karakterisztikákat. Példa a nyitott–zárt végződési állapotra egy rövid összekötő darab és szelep, amely egy manométert köt össze a fővezetékkel. A zárt–zárt és nyitott–nyitott állapotokra, az akusztikus rezonanciafrekvenciákra (félhullám rezonanciafrekvenciaként is ismeretes) az alábbi összefüggés érvényes: f = (nc) / (2L) ahol: f = az akusztikus rezonanciafrekvencia, n = 1, 2, 3 …, c = a hang sebessége, L = a cső hosszúsága. A nyitott–zárt végződési állapotokra, az akusztikus rezonanciafrekvenciákra (negyedhullám rezonanciafrekvenciaként is ismeretes) az alábbiak érvényesek: f = (nc) / (4L) ahol: n = 1, 3, 5 … A hang sebessége állandó egy áramló közegben bizonyos áramlási viszonyok között (azaz hőmérséklet- és nyomásviszonyok). Következésképpen egy csővégződés adott feltételei között az akusztikus rezonanciafrekvenciák a csővezetékelemek hosszától függenek. Másképpen kifejezve, egy bizonyos csőhossz sokszoros akusztikus rezonanciafrekvenciákat fog eredményezni, amelyek azonosak lehetnek a nyomásingadozási frekvenciák valamelyikével. Annak érdekében, hogy elkerüljék az akusztikus rezonancia bekövetkezését, el kell kerülni az ilyen csőhosszméretet.
Helyszíni mérések és ezek műszerezettsége A helyszíni méréseknek tartalmazniuk kell mind a nyomásingadozások, mind a rezgések mérését. A mérések elvégzésére azért van szükség, hogy azonosítsák a nyomásingadozások és rezgések amplitúdóit és frekvenciáit, és hogy megállapítsák a kettő közötti korrelációt. A mérés előtti szemle során azt derítik fel, hogy vannak-e fáradásos repedések, hézagok, károsodott csőalátámasztások (mind a töröttek, mind a meglazultak), repedt betonlábazat és hiányzó tömítőanyagok a csőbilincsekben. Előzetes rezgésfeltérképezést kell végezni a rezgés szempontjából kényes területek azonosítására. Az általánosan használt műszerek közé tartoznak a piezoelektromos dinamikus nyomásátalakítók és vibrációs gyorsulásmérők. Fontos, hogy olyan átalakítót válasszanak, amely megfelel a frekvenciatartománynak és biztosítja a kellő felbontást. Szükség van jelkondicionálóra, hogy hatékonnyá tegye a jelátalakítókat és szabályozza a jelet a megfelelő utólagos feldolgozás számára. Kaphatók többcsatornás jelanalizátorok és azok egyidejűleg több nyomás- és rezgésjelet képesek feldolgozni, valós időben. Ez könnyebbé teszi az események közötti korreláció meghatározását. Részletes elemzés esetén szükség van egy későbbi fázisra is, a jeleket rögzíteni kell.
A nyomásingadozás mérése Normál esetben a nyomásingadozásokat mind a szívóvezetékben, mind a nyomóoldali vezetékben mérik, bármely pulzálást elfojtó eszközön kívül (úm. pulzálást kiegyenlítő palackok). A szenzorokat a torlóperem előtt és után kell elhelyezni. Ha adaptereket alkalmaznak a nyomásátalakítók installálásához, figyelni kell arra, hogy elkerüljék az olyan kapcsolódási hosszúságot, amelynek eredménye egy negyedhullámú akusztikus rezonancia lenne, azaz a vizsgált frekvenciatartományba esne. Például ha a primer nyomásingadozási frekvencia 25 Hz, akkor azt a kapcsolódási hosszat, amely egy 25 Hz-es negyedhullámú akusztikus rezonanciát, illetve annak a többszöröseit hozná létre, kerülni kell.
A rezgések mérése Stratégiai helyeken, úm. a fővezetékben (a könyököknél, csővezeték-alátámasztási pontoknál) részletes rezgésméréseket kell végezni a
kis belső átmérőjű toldalékoknál, az alapozásnál, magán a kompresszoron, és a kezdeti szemle alkalmával azonosított „kényes helyeken”. Háromirányú rezgésmérést kell végezni az eredő rezgésszint megállapítására. A rezgésfrekvencia-tartományt rendszerint 400 Hz-ig mérik. Normál esetben ez elegendő, hogy lefedje a primer rezgésfrekvencia harmonikusainak elegendő számát, és az első néhány alacsonyabb rendű mechanikus természetes frekvenciát is. Szükség lehet ütközési vizsgálatra, hogy azonosítsák az egyedi komponensek mechanikus természetes frekvenciáit. Ez a legjobban olyankor végezhető el, amikor a kompresszor nem üzemel. A méréseket olyan üzemállapotokra kell elvégezni, amilyeneknek a kompresszorrendszer ki van téve. Változtatható sebességű gépeknél fontos a teljes sebességtartomány lefedése.
Adatfeldolgozás A mért nyomásingadozási és rezgésjeleket feldolgozták az amplitúdók és frekvenciák meghatározására. Az amplitúdókat és frekvenciákat összehasonlították a megengedhető értékekkel a vonatkozó szabványok alapján. Ez az információ arra szolgál, hogy megállapítsák, vajon ez a rezgés gerjesztett rezgés-e, akusztikus rezonancia vagy mechanikus rezonancia. Nincs szabvány a csővezetékrezgések általánosan elfogadható korlátaira, habár a megengedhető igénybevételi határokat jól meghatározzák a különféle ASME szabályzatok. Ennek az az oka, hogy a rezgések által keltett igénybevételek nemcsak a vibrációs amplitúdótól függenek, hanem a frekvenciatartománytól és az aktuális csővezetéki elrendezéstől is.
A rezgések és a kifáradás ellenőrzése Csővezetékben a káros nyomásingadozások, rezgések és rázóerők ellenőrzésére az alapvető megközelítések az alábbiak: • nyomásingadozás-csökkentő eszközök alkalmazása, • a rendszer tervének megváltoztatása, • további mechanikus rögzítések alkalmazása, • hullámzási térfogat alkalmazása (azaz üres nyomáskiegyenlítő palackok), • akusztikus szűrők használata,
• a csővezeték elrendezésének újratervezése, hogy megváltozzon a vonalvezetése. Az akusztikus rezonancia kiküszöbölésére: • torlóperemek használata, • a csővezeték elrendezésének újratervezése, hogy megváltozzanak a csőhosszak és a csővégek állapota. A mechanikus rezonancia kiküszöbölésére: • módosítani kell a csőalátámasztásokat vagy a típusát áttervezni, • a csővezeték elrendezésének újratervezése, hogy megváltozzanak a csőhosszak és a vonalvezetés. Az üzemelési körülmények megváltoztatására (amennyiben a termelési követelmények lehetővé teszik): • a kompresszor működési sebességének megváltoztatása.
Intézkedések a problémák kiküszöbölésére Ha a rezgésforrásokat azonosították és megállapították a rezgés mértékét, megfontolhatók a rövid távú megoldások a rezgések korlátozására. Ez gyakran szükséges a hosszabb távú megoldásokat megelőzően. Ezek az ideiglenes intézkedések jellegzetesen az alábbiakat foglalják magukba: • Torlóperemek használata (ez hosszú távú megoldás). • A nagy rezgéseknek kitett csővezeték ideiglenes kitámasztása. • A súlyos elemek, úm. szelepek és karimák alátámasztása. • A megrongálódott csőtámaszok és betonoszlopok javítása. • Tömítőanyagok alkalmazása a csővezeték és az alátámasztások között (a tömítőanyagok csillapítólag hatnak és javítják a felfekvést. Ez különösen hatékony a rezonanciás rezgések csökkentésében). A fenti intézkedéseken túlmenően a kompresszort csak olyan sebességtartományban szabad működtetni, amelyben az eredő vibrációs szinteket elfogadhatónak tekintik.
Szimuláció és elemzés Az API 618-as szabvány három szigorúsági fokozatot alkalmaz a nyomásingadozás és a rezgések ellenőrzésére, ezek közül a 3. számú szabja a legszigorúbb követelményeket.
Az akusztikus szimuláció fő célja, hogy számításba vegyék a rendszeren belül képződő nyomásingadozási szinteket, és meghatározzák az akusztikus rázóerők számszerű értékét, amelyek a közvetlenül utána következő mechanikai elemzésben elvégzendő rendszerválaszok számításához szükségesek. Az akusztikus szimuláció a kereskedelemben kapható programcsomagokkal – (pl. PULS) – elvégezhető. Ez a programcsomag digitális szimulációs rendszer, ami kezelni tudja mind a gázrendszereket (kompresszorokat), mind a folyadékrendszereket (szivattyúkat). A szívó- és a nyomóoldali vezetékeket normál esetben külön-külön modellezik, mivel a két oldal akusztikailag független egymástól. A modellezéshez részletes kompresszoradatok szükségesek, beleértve az olyan tételeket is, mint hengerfej és forgattyús tengely csatlakozási hézag, szelepfészkek, közbetétek, nyomásszabályozók stb., a szívási és kiömlési veszteségek mértéke, és a hengerre és a működési módra vonatkozó információk. Részletes információk szükségesek mind a folyamatról, mind a hozzá csatlakozó csővezetékrendszerekről. A mechanikai elemzést azért végzik el, hogy azonosítsák a csővezetékszakaszok és egyéb szerkezeti elemek mechanikus természetes frekvenciáit és az alátámasztások termális rugalmasságát. Erre azért van szükség, hogy megállapíthassák a képződött akusztikus gerjedés és a mechanikus természetes frekvenciák közötti kapcsolatot, abból a célból, hogy elkerüljenek egy rezonanciaállapotot. A mechanikus természetes frekvenciák normál esetben elkerülik a rezonanciát. Az akusztikus szimulációból számított rázóerők bemenőadatként szolgálnak annak igazolására, hogy a csővezetéken a dinamikus igénybevételi szintek elfogadhatók és hogy nem fog bekövetkezni kifáradásos tönkremenetel. A mechanikai analízist a kereskedelemben kapható véges elemű analízis (FEA) programcsomaggal végzik. Szükség lehet a csőrendszer rugalmassági elemzésére is annak igazolására, hogy a hőigénybevétel, az adott csővezeték-elrendezésből származó hőterhelés, és a csőalátámasztás elrendezése kielégíti a szabványos előírásokat (ANSI B31.3). A rugalmassági elemzéshez használhatók a kereskedelemből beszerezhető szoftvercsomagok. Ha az említett vizsgálatok során azonosításra kerültek az esetleg bekövetkező hibák, akkor a csővezeték-elrendezést, a csőalátámasztásokat stb. kell átrendezni, és meg kell ismételni az elemzéseket mindaddig, míg megfelelő eredmény nem adódik.
Gyakorlati megvalósítás és helyszíni mérések A részletes tervezés után végezhetők el a rendszeren javasolt változtatások. Röviddel a változtatások elvégzése után szükséges az utólagos (követő) helyszíni mérés, amely igazolja, hogy a rendszerben a végrehajtott intézkedések hatékonynak bizonyultak. A helyzettől függően szükség lehet finombeállításra is.
Esettanulmány Egy pakisztáni gázgyárban két 750 kW-os gázmotor hajtású, egylépcsős dugattyús gázkompresszort installáltak, amelyeket egy nemzetközi olaj- és gáztársaság üzemeltetett. A két kettős működésű kompresszor elrendezése az 1. ábrában látható.
1-es számú henger, kettős működésű
kompresszor
2-es számú henger, kettős működésű
motor
1. ábra A motor–kompresszor elrendezés vázlata Az egységeket 2001 közepén állították üzembe, a tervek szerint 55 millió normál köbláb/nap teljesítményre (1,5 millió normál m³/nap). A két kompresszor 50–50%-ban osztozott a terhelésen, amely mintegy 63%-os volt. A kompresszorok működési sebességét 800 és 1200 f/min közöttire tervezték.
Mindegyik kompresszoron volt nyomáskiegyenlítő palack (nem belsőleg) a szívó- és a nyomócsonkokon. Akusztikus és mechanikai elemzést követően a pulzálás-ellenőrző rendszer részeként torlóperemeket installáltak a kiegyenlítőpalacknál a szívó- és a nyomóoldali karimákba. Az elemzés során kielégítőnek találták a nyomásingadozás mértékét. A csővezeték-alátámasztási elrendezéseket a mechanikai elemzés eredményei alapján tervezték. Mindegyik kompresszort gyárilag bevizsgálták levegővel működtetve, a szerződésben szereplő hajtómotorokkal együttesen, mielőtt a helyszínre szállították volna.
A meghibásodás kezdete A kompresszorok üzembe helyezésétől és indításától számított néhány héten belül a számos kisméretű repedés (az erőteljes vibráció eredményeként) enyhe gázszivárgáshoz vezetett. Ezek a hibák együttesen megjelentek még a nyomóoldali csővezetéknél levő karimás megcsapolószelepeknél és a kiegyenlítőpalackoknál. Ideiglenes javítási intézkedéseket tettek, hogy megpróbálják csökkenteni a további meghibásodásokat. Eltávolították ezeket a szelepeket és vakkarimákkal helyettesítették. Ezen megcsapolópontok közül néhányat megerősítettek. Ez bizonyos mértékben segített, de az erőteljes rezgések eredményeként néhány szorítóbilincs megrepedt. Az alapvető hibaokok felderítésére az első helyszíni szemlén nyomásingadozási és rezgésméréseket végeztek a kompresszor teljes sebességtartományában, mintegy 30 f/min-es lépésekkel növelve a fordulatszámot. A folyamatadatokat minden egyes sebességnél rögzítették a későbbi elemzések céljára. Ütközési vizsgálatokat végeztek kis átmérőjű csőcsonkokon és a csőhálózaton. A helyszíni mérésekhez használt mérőműszerekhez tartozott egy hordozható többcsatornás jelelemző, gyorsulásmérők és nyomásátalakítók, és egy nyolccsatornás digitális jelrögzítő. A helyszíni mérésekből a következő megállapításokat tették: 1. A kompresszor sebességtartományának két végén erőteljes rezgéseket észleltek néhány kis átmérőjű csőcsonkon. 2. Erős nyomásingadozások voltak az elsődleges pulzálási frekvencián, ezek jóval meghaladták az API 618 által megállapított megengedhető értékeket. 3. A torlóperemek hatásosan támogatták a nagyfrekvenciájú harmonikus nyomásingadozási összetevőket.
4. Erőteljes rezgéseket vagy a nagymérvű nyomáspulzálások vagy a rezonancia következtében mérték. 5. Csak egy nagyon szűk sebességtartományban voltak csekélyek a rezgések. A megállapítások alapján a következő ideiglenes intézkedések megtételét javasolták: ezekkel a kompresszorokat csökkentett sebességtartományban lehetne működtetni: 1. El kell távolítani vagy megfelelően megerősíteni a kiömlési karimákat a kiegyenlítőpalackokon. 2. A megmaradó szelepeket egykarimás szelepekkel kell felcserélni. 3. Szükség szerint további megfelelő alátámasztásokat kell létesíteni stratégiai fontosságú helyeken. 4. Újra kell méretezni (csökkenteni) a torlókarimákat, hogy közelítsenek a megfelelő cső belső átmérőjének feléhez. A második szemlét arra fordították, hogy meggyőződjenek a végrehajtott intézkedések hatékonyságáról. Az alábbi következtetéseket vonták le: 1. Lényegesen kisebbek voltak a rezgések mind a kompresszoroknál, mind a csatlakozó csővezetéken a kivitelezési folyamat alatt, és elfogadhatónak ítélték a kompresszor teljes sebességtartományában. 2. A vezeték kiömlési oldalán a nyomáspulzálási szintek lényegesen csökkentek az elsődleges pulzálási frekvenciánál, de még mindig meghaladták az API 618 által megengedhető értékeket. Az eredmények azt mutatják, hogy a rezgést a természetes frekvenciák széthangolása, megfelelő alátámasztások stb. és pl. a torlóperemek beépítése fékezhette. A folyamatról elvégzett gyors számítás azt mutatta, hogy a kereskedelemben kapható méretű kiegyenlítőpalackok az API 618 szabvány szerint nagymértékben alulméretezettek voltak a feldolgozandó gázmennyiséghez képest. Ezt az első bejárás alkalmával észlelték, de kezdetben a projekt arra koncentrált, hogy rövid távon megvalósítható megoldást találjon a rezgések csökkentésére. A projekt akusztikus szűrők beépítését javasolta. A javaslat tartalmazta a meglévő kiegyenlítőpalackokat, egy fojtócsövet és egy másodlagos palackot mind a szívóoldali, mind a nyomóoldali csővezetékbe. A 2. ábra mutatja a kimenő csővezeték elrendezését.
A szűrők frekvenciakarakterisztikája olyan, hogy a hatásos csillapítás frekvenciatartománya lefedi a kompresszor legkisebb sebességét (ez esetben 800 f/min) és a kompresszor legnagyobb sebességének egészen a hatodik harmonikusáig (7200 f/min) terjed.
az utóhűtőhöz
meglévő nyomáskiegyenlítő palack
javasolt másodlagos kiegyenlítőpalack
fojtócső
2. ábra A javasolt akusztikus szűrő elrendezés a kimenő csővezetékhez Kompromisszumot kellett kötni a szűrő kívánt akusztikus teljesítménye és a csővezeték-elrendezés praktikussága között. Az API 618 szerint elvégzett részletes akusztikus és mechanikus elemzést a kereskedelemben kapható programcsomagokkal végezték. A modellek jó egyezést mutattak a helyszíni mérési eredményekkel a vizsgált sebességtartományban. Összeállította: Kallós József Yi Gong; Wright, N.; Wan, C. C.: Avoiding fatigue failures in reciprocating compressors. = Chemical Engineering, 110. k. 13. sz. 2003. dec. p. 38–43. Al-Bedoor, B. O.; Moustafa, K. A.; Al-Hussain, K. M.: Predicting the fatigue life of syncronous motor-driven compressor using the complex modal reduction technique. = Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 187. k. 1–2. sz. 2000. jún. 23. p. 53–68. Troschchenko, V. T.; Prokopenko, A. V.: Fatigue strength of gas turbine compressor blades. = Engineering Failure Analysis, 7. k. 3. sz. 2000. jún. 1. p. 209–220. Tauqir, A.; Salam, I.; ul Haq, A.; Khan, A. Q.: Causes of fatigue failure in the main bearing of an aero-engine. = Engineering Failure Analysis, 7. k. 2. sz. 2000. ápr. p. 127–144.
