image

Территория Нефтегаз № 4 2016

Насосы. Компрессоры

01.04.2016 10:00 Анализ дефектов опорных элементов газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов

В настоящее время на компрессорных станциях магистральных газопроводов остро стоит проблема безотказной работы нагнетательного оборудования – газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Одними из наиболее ответственных узлов в ГПА, использующих в качестве приводов как конвертированные авиационные двигатели, так и электродвигатели, являются подшипниковые элементы качения и скольжения. Многие из них на сегодняшний день представляют собой довольно сложные и точные устройства. Превалирующим параметром удовлетворительной работы опорных узлов служит минимальный износ деталей и отсутствие или минимальное наличие дефектов, появление которых может быть вызвано и протеканием коррозионных процессов, и усталостными явлениями, и некачественной смазкой, и неправильным монтажом опорных элементов. В работе рассматриваются основные неисправности элементов подшипников качения – абразивный износ тел качения и дорожек качения, контактная усталость в кольцах подшипника, неравномерный износ вследствие неправильной установки, повышенный износ из-за масляного голодания, разрушение сепаратора, а также причины, которые могут послужить появлению
и развитию данных неисправностей. Освещены также наиболее распространенные дефекты опор скольжения – разрушения поверхностей вкладышей, усталостные повреждения баббита, кавитационный износ, появление цветов побежалости в зоне трения, вынос баббитового сплава из подшипника, повреждения от нарушения регулировки
и дисбаланса вала, попадание посторонних частиц между вкладышем и постелью подшипника, повреждения упорных подшипников и возможные причины возникновения таких неисправностей. Предлагается определение дефектов современными методами неразрушающего контроля.

Ключевые слова: компрессорная станция, газоперекачивающий агрегат, подшипник качения, подшипник скольжения, дефект, неисправность, износ, контактная усталость, масляное голодание, усталостные явления, неразрушающий контроль.
Ссылка для цитирования: Кунина П.С., Величко Е.И., Нижник А.Е., Музыкантова А.В., Абессоло М. Анализ дефектов опорных элементов газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2016. № 4. С. 68–74.

Открыть PDF


68-74-r_1.pngСовременные газоперекачивающие агрегаты компрессорных станций магистральных газопроводов, использующие в качестве привода конвертированные авиационные двигатели, адаптированные к наземным условиям работы, или электроприводы, являются одним из самых ответственных узлов газотранспортной сети ПАО «Газпром» [1]. Повышение надежности работы и безотказности узлов и подсистем в течение всего срока эксплуатации ГПА является важной задачей. Конструктивной особенностью этого оборудования является использование в качестве опорных узлов подшипников скольжения и качения, многие из которых на сегодняшний день представляют собой довольно сложные устройства.
Доминирующим параметром удовлетворительной работы подшипников служит минимальный износ деталей, обусловленный, как правило, наличием коррозионных процессов, усталостью, некачественной смазкой. Необходимо отметить, что система должна быть устойчива к механическим разрушениям вследствие деформаций. Однако не существует подшипника, удовлетворяющего всем требованиям, предъявляемым к данной конструкции. В действительности предотвратить износ опоры качения не представляется возможным даже при условии соблюдения оптимальных режимов работы и регулярной подачи смазки в зону трения. Множество причин разрушения подшипников качения могут быть проанализированы с точки зрения трибологии, поскольку большинство из них не могут быть следствием определенного дефекта, такого как конструкторская недоработка, неверный режим эксплуатации, масляное голодание или неверный подбор смазки. Однако в большинстве своем разрушения являются следствием воздействия ряда факторов.

ОСНОВНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ ГПА
Износ

Если корпус подшипника недостаточно уплотнен, в подшипник могут попасть абразивные частицы, что вызывает износ беговых дорожек, элементов качения и сепаратора. При увеличенных зазорах вследствие проворачивания колец износу могут подвергнуться поверхности, находящиеся между отверстием внутреннего кольца и цапфой или между внешней поверхностью наружного кольца и корпусом. Ползучее проворачивание сопряженных поверхностей приводит к фреттинг-коррозии.
На рисунках 1 и 2 представлены подшипниковые узлы, в которых проявились дефекты дорожек и тел качения.
Износ может быть вызван недостаточностью или загрязненностью смазки, что всегда приводит к усталостному разрушению. Чрезмерный износ тел качения может вызвать повреждение других деталей, омываемых маслом, так как частички продуктов износа, циркулируя по всей системе смазки авиационного двигателя, используемого в качестве привода, попадают между68-74-r_3.png 68-74-r_2.pngконтактирующими поверхностями других подшипников.

Контактная усталость

Образование каверн или трещин вызывается усталостными процессами и зависит от свойств материала, природы смазки и влияния окружающей среды. Это явление характеризуется удалением материала с поверхности, а появление трещин происходит вследствие периодически повторяющихся переменных напряжений.
Трещины, вызванные контактной усталостью, начинают образовываться либо на поверхности и распространяются внутрь материала или же под поверхностью в зоне максимальной расчетной нагрузки и развиваются в направлении к поверхности. Это также приводит к выкрашиванию материала.
Усталостное разрушение подшипников качения проявляется в виде ямок или оспин материала дорожек колец и тел качения. В период эксплуатации этот процесс может происходить из-за чрезмерного увеличения нагрузок на подшипник, применения материалов со скрытыми производственными дефектами или нарушения технологии изготовления (рис. 3). Возрастание нагрузок на подшипник является следствием увеличения неуравновешенности ротора, нарушения требований технической документации 68-74-r_4.png при монтаже подшипников на заводе-изготовителе или при ремонте.

Неправильная установка подшипника в корпусе или на валу

Неправильная установка подшипника в корпусе или на валу также вызывает явление контактной усталости. В этом случае подшипник подвергается воздействию тяжелого нагружения, что служит причиной усталости материала колец или элементов качения задолго до отработки назначенного ресурса. Перекосы внешнего и внутреннего колец приводят к неравномерному износу дорожки качения, и, как следствие, опора не отрабатывает положенный срок (рис. 4).
Кроме того, при монтаже в результате приложения чрезмерных усилий на поверхности беговых дорожек образуются вмятины от тел качения с тем же шагом.

Недостаток смазки

На работу подшипника качения существенное влияние оказывает недостаток смазки. Масляное голодание приводит к оплыванию и изнашиванию тел качения, наволакиванию материала на поверхности беговых дорожек, износу сепаратора, активному коррозионному разрушению поверхностей элементов. В условиях эксплуатации нередки случаи разрушения подшипников качения вследствие недостаточной смазки (масляное голодание). При масляном голодании происходит резкое увеличение температуры поверхностей тел качения и беговых дорожек колец. Расширяясь от нагрева, тела качения выбивают зазор между кольцами, что приводит к их заклиниванию с последующим скольжением по беговой дорожке.
В дальнейшем по мере повышения температуры материал тел качения вследствие скольжения в местах контакта с беговыми дорожками колец начинает оплавляться и налипать на беговые дорожки, а материал колец, в свою очередь, – интенсивно истираться.

Разрушения сепаратора

Одной из основных причин выхода из строя высокоскоростного подшипника качения является разрушение вспомогательного элемента – сепаратора. Изнашивание гнезд сепаратора в основном происходит в результате неправильного монтажа подшипников, длительного воздействия значительных осевых нагрузок, выкрашивания дорожек качения и при работе подшипника с проскальзыванием.
При нормальных условиях эксплуатации и достаточной смазке сепаратор является самой ненагруженной деталью подшипника. Если имеет место недостаток смазки, то сепаратор начинает изнашиваться на участках, контактирующих с кольцами и элементами качения.
Еще одной причиной разрушения сепаратора служит несоосность, появляющаяся при установке внутреннего или наружного колец. Большой перекос может вызвать образование трещин в сепараторе и даже в кольцах. Обычно трещина на продольной перемычке сепаратора возникает со стороны внутренней поверхности – на внутренней кромке гнезда под тело качения, распространяясь затем на всю длину перемычки. Дальнейшая работа подшипника с трещиной в сепараторе приводит к разрыву перемычки, образованию трещины на второй перемычке этого же 68-74-r_5.png 68-74-r_6.pngгнезда и разрыву сепаратора (рис. 5). Продолжение работы подшипника с разрушенным сепаратором приводит к износу наружной (направляющей) поверхности сепаратора. Износ также вызывается проникшими в подшипник частицами загрязнения, которые вклиниваются между сепаратором и элементами качения.

Засветление

Под засветлением понимается перенос материала с одного тела на другое при взаимном скольжении без достаточного количества смазки. Засветление приводит к концентрации местных напряжений, что вызывает образование трещин в поверхностных слоях с последующим отслаиванием материала (рис. 6). Этот вид повреждений особенно характерен для тяжело нагруженных роликовых подшипников с цилиндрическими роликами.

Шум подшипников качения

Причиной шума являются вибрирующие тела, порождающие распространяющуюся продольную волну, обладающую колебательным давлением. Вибрации в подшипнике зависят от многих факторов: от шероховатости поверхности, частоты вращения, нагрузки, точности геометрических форм элементов и т.д. Кроме того, на шумность влияют зазор, геометрическая форма вала и посадочных мест. Соосная установка подшипника также имеет большое значение, поскольку любой перекос становится источником шума. При значительном возрастании уровня шума, особенно с появлением стуков, рекомендуется немедленно остановить агрегат.

ОСНОВНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ ГПА
Усталостная прочность

Доминирующей причиной разрушения подшипников скольжения ГПА, как правило, является усталость. Вкладыш подшипника может разрушиться от усталости, если он достигает своей расчетной долговечности, однако если это происходит преждевременно, то вполне вероятно, что:

  • материал вкладыша подшипника выбран неверно;
  • в результате погрешностей монтажа имеет место неправильная установка элементов и деталей;
  • произошла разрегулировка системы (расцентровка, коробление корпусной конструкции и т.д.), в результате чего изменяется положение оси вала относительно оси вкладыша, что приводит к перекосу или изгибу вала в опоре (рис. 7);
  • характер трения в паре «вал – вкладыш» полужидкостный или граничный;
  • попадание посторонних частиц между элементами подшипника.

Усталостные разрушения часто связаны с коррозией, приводящей к уменьшению прочности вкладыша, и износом, сокращающим его несущие площади. Они вызывают отслаивание фрикционного слоя при вибрационных знакопеременных нагрузках, а также в случае некачественной заливки 68-74-r_8.png вкладыша. 68-74-r_7.png Следует также учитывать тот факт, что антифрикционные свойства одного и того же материала могут изменяться в зависимости от условий эксплуатации.
Усталостные разрушения вкладышей подшипников скольжения протекают преимущественно под действием пульсирующих напряжений в экстремальных условиях. В этом случае поверхность трения антифрикционного сплава испытывает переменные нагружения, передающиеся через слой смазки, обладающей определенной поверхностной активностью. В зависимости от условий нагружения характер трения может изменяться от жидкостного до граничного, а иногда и до сухого. В соответствии с этим меняется и температурный режим работы поверхностей трения. На рисунках 8–10 представлены подшипниковые узлы, в которых произошло выплавление баббитовой заливки в результате превышения рабочей температуры в зазоре температуры плавления баббитового сплава (некачественная смазка).
Температуру масла на выходе из подшипника можно использовать как контрольный параметр его технического состояния. Разность температур входящего и выходящего из зоны трения масла, т.е. нагрев, не должна превышать 12–15 °С. Увеличение температуры масла всегда свидетельствует о неблагоприятных условиях трения в узле.

Влияние толщины и сплошности масляной пленки

Снижение вязкости, особенно в области предельных значений, приводит к преждевременному выходу из строя подшипника скольжения вследствие усталости. Если же уменьшение вязкости значительно, то может быстро развиться катастрофическое разрушение.
При скольжении основным назначением смазки является обеспечение контактирующих поверхностей наименьшим возможным трением и предохранением от повреждений. Поэтому на работу подшипника скольжения существенное влияние оказывает толщина масляной пленки. Если толщина масляной пленки достаточна для обеспечения полного разделения поверхностей трения, то соблюдается условие гидродинамического движения.
Уменьшение минимальной толщины слоя смазки может быть вызвано несоосностью (биением) шеек вала и постелей опор. Несоосность подшипников приводит к изменению пространственного положения оси вращения вала и сложному изгибу самого ротора. Несоосность вала и вкладыша – одна из основных причин уменьшения толщины масляной пленки. Несоосностъ наблюдается при некачественном изготовлении корпусных конструкций (термообработка корпуса после отливки или сварки проведена с нарушениями технологического процесса), механических деформациях, перекосе осей или прогибе вала ввиду чрезмерных нагружений и воздействия температур, а также в результате ошибок при монтаже. Все эти факторы оказывают влияние на изменение положения оси вала во вкладыше и допустимый эксцентриситет.
Если прекратить подачу смазки в зону трения даже на долю секунды, произойдет катастрофическое разрушение подшипника. Эти повреждения проявляются 68-74-r_9.png в виде заклинивания (схватывания) или расплавления 68-74-r_10.pngобширных участков поверхности вкладыша (рис. 11).

Кавитация и эрозия

Эти процессы довольно часто служат причиной разрушения высокоскоростных тяжело нагруженных подшипников от воздействия нескольких фазовых состояний смазочных материалов – жидкости, пара и газа. В этом случае может произойти образование двух типов каверн:

  • газовых каверн, образующихся в результате дегазации смазки (развиваются и разрушаются медленно и не могут вызвать каких-либо механических повреждений, но их наличие уменьшает несущую способность смазочной пленки, способствуя образованию других дефектов);
  • каверн, образующихся под воздействием пара и содержащих в себе пары той жидкости, из которой они образовались, а также небольшое количество газа, или же при полном его отсутствии (могут возникать и разрушаться очень быстро, а высокие давления, связанные с их разрушением, могут вызывать механические (ударные) повреждения металлических поверхностей).

Оба типа углублений, по сути дела вырывы, образуются под воздействием пульсирующих величин давления, связанных с движением потока смазки через подшипник и пульсирующих нагрузок, действующих на систему. Паровая кавитация может быть вызвана также вибрацией поверхности вкладыша при контакте со смазкой. Повреждения, возникающие по причине этих двух типов кавитации, могут усугубляться посредством механических частиц износа, присутствующих в смазке. В этом случае можно уже вести речь об эрозионном износе и кавитационной эрозии. Эрозия – разрушение поверхности вкладыша вследствие механического воздействия потоком жидкости, содержащей частицы износа, в результате чего происходит расшатывание и выкалывание отдельных объемов материала.
Паровая кавитация может вызвать тяжелые последствия и без наличия твердых частиц. При паровой кавитации происходит разрушение защитных окисных пленок, что, в свою очередь, способствует развитию коррозионных процессов.
На рисунке 12 представлены вкладыши подшипников скольжения со следами кавитационных ударов.

Дефекты монтажа или заливки, нарушение регулировки

Современные подшипники изготавливаются с высоким классом точности, и поэтому их посадка должна выполняться со всеми предосторожностями. Если они установлены несоосно, то нагружение будет неравномерным, и вследствие этого из-за усталостного разрушения возможен преждевременный выход подшипника из строя. В случае неправильной установки подшипника в корпусе или смещения геометрических осей подшипников в результате коробления корпусной конструкции может возникнуть его незначительное смещение, что вызывает интенсивный фреттинг-процесс основания. Посадка  68-74-r_12.pngс большим зазором  68-74-r_11.pngи (или) фреттинг-процесс могут значительно повлиять на отвод тепла и привести к чрезмерному повышению температуры поверхности подшипника. Кроме того, в результате расцентровок валов, вызванных неквалифицированным проведением ремонтных работ или различными эксплуатационными причинами, появляются перекосы и несоосности валов и вкладышей. Последствия возникновения и развития этих дефектов рассматривались выше.
Следует также обратить внимание, что для опорно-упорного подшипника весьма опасны неперпендикулярность поверхности упорного элемента и пяты к оси вращения вала и неплоскостность рабочих поверхностей. Перекос упорного подшипника кроме нарушения работы системы может вызвать поломку ротора, на котором он расположен.
Особенно опасен для тяжелонагруженного подшипника скольжения такой дефект, как некачественная заливка вкладыша. В результате возникновения высоких контактных напряжений в подповерхностном слое, обладающем пониженной выносливостью по сравнению с поверхностным слоем, усталостные трещины первоначально образуются не на рабочей поверхности, а под ней, что и является причиной отслаивания от нее чешуек материала. Кроме интенсивного разрушения поверхности этот вид повреждения опасен еще и тем, что отслоившиеся твердые частицы материала оказывают дополнительное абразивное воздействие, способствующее дальнейшему разрушению рабочих поверхностей. Это повреждение весьма опасно, так как приводит к быстрому выходу подшипника из строя.
На рисунке 13 изображен вкладыш подшипника скольжения, повреждения которого (отслоение поверхностного слоя баббита) произошло в результате некачественной заливки).
Нарушение регулировки (расцентровки) и дисбалансы приводят к перекосам вала в подшипнике и ударам вала о поверхность вкладыша. На рисунке 14 приведен вкладыш подшипника с образовавшимися в результате этих дефектов повреждениями – натирами (явно видны полосы засветления) и трещинами, образовавшимися от ударов вала о поверхность вкладыша.

Посторонние частицы

Попадание между валом и вкладышем посторонних частиц – очевидно, самая типичная причина разрушения подшипника. Чем более квалифицированно обнаруживается и определяется вид посторонних частиц, тем более очевидным становится тот факт, что чистота при сборке и качественная фильтрация масла в процессе 68-74-r_13.png эксплуатации 68-74-r_14.png являются основополагающими условиями безаварийной работы подшипника. Слишком часто сборка деталей при ремонте осуществляется в загрязненной окружающей среде, что приводит к тому, что мелкая металлическая стружка, частицы формовочной смеси и другие посторонние частицы начинают попадать в систему циркуляции смазочного масла. Большие частицы, как правило, улавливаются фильтрами; частицы среднего размера могут вдавливаться в поверхность подшипника, тогда как более мелкие остаются в смазочном материале. Посторонние частицы и обломки, образовавшиеся в результате износа, могут в процессе эксплуатации накапливаться, а с учетом того, что сроки замены масла весьма длительны, это может привести к резкому ухудшению условий работы подшипника (рис. 15).
Частицы металла меньших размеров, чем нормальные зазоры, в подшипниках скольжения циркулируют вместе с маслом, разрушая поверхность скольжения. При этом твердые частицы образуют глубокие, хорошо видные риски, а мягкие приводят к увеличению общей эрозии. Эрозия преобладает в высокоскоростных подшипниках скольжения и сопровождается кавитационно-эрозионными процессами. В гидравлических системах смазки распределение частиц по размерам достигает уровня некоторого равновесия таким образом, что количество частиц определенного размера уравновешивается количеством частиц, удерживаемых фильтрами. Каждая отдельная система имеет свою характерную картину распределения размеров частиц. Подшипниковые сплавы, особенно белые металлы, обладают существенной способностью формировать абразивные вещества, что способствует возникновению абразивного износа (истирания). Как только эта способность начинает превышать нормальный уровень, поверхность подшипника начинает действовать в качестве притира, истирая поверхность шейки вала и увеличивая зазоры, а это опять приводит к разрушению от усталости. Такое притирочное воздействие вдавленных частиц – одна из первопричин износа.

НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ ДЕФЕКТЫ УПОРНЫХ ПОДШИПНИКОВ
Усталостные дефекты

Усталостные явления в упорных подшипниках могут проявляться в виде межгранульных трещин в баббитах. Трещины образуются, как правило, в направлении вращения, т.е. в направлении отслаивания частиц (рис. 16).
Появлению усталостных повреждений способствует сочетание ряда причин, но многие из них зависят от нагруженности подшипника. Основными причинами возникновения усталостных повреждений являются циклические нагрузки подшипника, в связи с чем они начинают проявляться быстрее, чем обычно.

Влияние внешних воздействий на подшипник скольжения (осевой сдвиг)

Довольно частой причиной выхода из строя упорного подшипника скольжения – около 65% отказов (вплоть до разрушения) – является осевой сдвиг. В результате нестабильного давления перед камерой сжатия возникает ситуация, когда давление на входе резко изменяется и разгрузочный узел не в состоянии справиться с компенсацией колебаний нагрузки. В этом случае давление на баббитовые вкладыши подшипников может быть столь велико, что превышает предел текучести материала и происходит разрушение вкладыша. Этот процесс в развитии не поддается диагностике, поскольку происходит почти мгновенно. Однако контроль газодинамических параметров на входе в камеру сжатия может довольно точно определить наступление критической ситуации. 68-74-r_16.png68-74-r_15.png В автоматической системе энергетических установок предусмотрена противосдвиговая защита, отключающая систему в случае наступления критической ситуации, хотя срабатывание этой системы не во всех случаях предотвращает повреждение подшипников. Осевой сдвиг и режим помпажа по своим внешним проявлениям схожи (резкое увеличение вибрации агрегата), более того – зачастую осевой сдвиг может стать причиной возникновения помпажных явлений. Кроме того, выход из строя лабиринтных уплотнений в основном связан с появлением осевого сдвига. При выплавке баббита вкладыша и резком смещении вала нагнетателя в осевом направлении происходит смятие или разрушение гребешков лабиринтов, и, судя по опыту эксплуатации, процент отказов подшипников в результате осевого сдвига совпадает с количеством отказов лабиринтных уплотнений.

Эрозионный износ

В литературе имеются сведения, что некоторые присадки к смазкам становятся химически нестабильными в условиях эрозионного износа, а продукты их разложения способствуют коррозии. Как показывает опыт эксплуатации, эрозионным процессам практически всегда предшествует возникновение автоколебаний  (или нестабильность) масляной пленки в зазоре подшипника скольжения, и есть все основания утверждать, что именно эти автоколебания и провоцируют возникновение процесса эрозии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе мы представили далеко не полный перечень возможных дефектов подшипников ГПА, а лишь основные виды повреждения опорных элементов. Однако необходимо отметить, что для предупреждения освещенных и не освещенных в статье дефектов следует производить контроль технического состояния подшипников. 68-74-r_17.png
На современном этапе при его проведении для опорных узлов вследствие отсутствия к ним доступа во время эксплуатации большое внимание уделяется безразборным методам диагностики. Некоторые дефекты элементов подшипников ГПА пользователь может определить неразрушающими методами диагностики – измерением уровня вибрации опорных узлов и анализом смазочного масла.68-74-r_18.png
Безопасная, долговечная и безотказная работа подшипников ГПА может быть обеспечена только соответствующим техническим обслуживанием, своевременным проведением операций контроля технического состояния и квалифицированностью ремонтных работ, что позволит сократить количество непредвиденных остановок, а также аварийных и опасных ситуаций.



← Назад к списку


im - научные статьи.