8 900 164 7684

Ю.П. Тетерин, О.А. Пророков, В.Э. Куриленко, В.. Титовец (ОАО «Концерн Росэнергоатом»)

Ю.П. Аксенов, А.П. Прошлецов, А.Г. Фаробин, И.В. Ярошенко (ЗАО «ДИАКС»)

По данным [1÷4] причинами повреждений турбогенераторов являются дефекты ослабления креплений элементов статора, включая:

а) ослабление креплений сердечника статора к корпусу, рисунок 1 (позиция «а»);

б) ослабление креплений лобовых и пазовых частей обмотки, рисунок 1 (позиция «б»);

в) ослабление прессовки и распушение крайних пакетов, рисунок 1 (позиция «в»).

Это определяет и основные  повреждения на турбогенераторах:

а) ослабление креплений сердечника в корпусе приводит к выкрашиванию стали, разрушению сварных швов, ослаблению затяжек гаек стяжных призм и разрушению призм;

б) ослабление креплений лобовой и пазовой части обмотки - сопровождается истиранием изоляции, повреждением элементарных проводников и пробоем изоляции стержней или шин;

в) распушение листов крайних пакетов возникает из-за ослабления прессовки и приводит к усталостному разрушению (выкрашиванию), далее, из-за истирания изоляции обломками листов происходит пробой изоляции.

 

 

а – вибрация крайних пакетов; б – вибрация лобовых и пазовых частей обмотки; в – ослабление креплений сердечника статора к корпусу

Рисунок 1 – Обозначение на конструкции турбогенератора потенциальных дефектов в узлах крепления статора

 

Указанные дефекты возбуждают волны деформации, которые распространяются по конструктивным элементам статора и доходят до обшивки корпуса и могут быть обнаружены вибродатчиком. Это позволяет использовать методики диагностирования указанных дефектов, основанные на эмпирическом установлении взаимосвязи дефектов статора с характеристиками спектра колебаний корпуса [5÷11].

Вибрационные дефекты упругой подвески. Ослабление закрепления ласточкина хвоста в пазу сердечника статора – первопричина неисправности подвески. Дефект характеризуется ослаблением закрепления, когда в работе возникают радиальные и тангенциальные перемещения ласточкина хвоста внутри паза [2, 3, 11]. При этом в месте вибрации часть стяжной призмы будет иметь вынужденные колебания с трением и ударами в пазах сердечника.

Начальный этап возникновения дефекта. Процесс деградации сердечника начинается со снижения среднего давления прессовки  и появления местных ослаблений прессовки в торцевой зоне сердечника.  Следствием этого являются локальные  проскальзывания листов ослабленных пакетов, которые вызваны изгибными знакопеременными деформациями сердечника. При развитии скольжение листов стали способствует истиранию изоляционных лаковых покрытий  листов. Это приводит к  усталостным трещинам листов отдельных зубцов,  выкра­шиванию фрагментов листов.

Развитие дефектов. Попадание масла из уплотнений приводит к  снижению  трения между листами и к увеличению проскальзывания листов,  и фреттинг-коррозии. Смесь продуктов износа лака и полупроводящей пыли от фреттинг-коррозии стали с маслом вследствие нагрева превращается в темную дегтеобразную массу.[2]

Целью работы являлся анализ вибрационных явлений и сопровождающих их электроразрядных процессов и определение средств и методов для измерения характеристик и локации зон дефектов. Вибрация сердечника (виброударные воздействия на высоких гармониках) отрицательно влияют и на обмотку в лобовых и пазовых частях, в которых, как следствие, также возникают дефекты, сопровождающихся разрядными явлениями. [7, 8, 5]

 

1. Методы виброметрии на турбогенераторах

Известны несколько отличающихся методов вибродиагностики по способам размещения вибродатчиков:

- датчики, размещаемые внутри генератора и устанавливаемые стационарно системы мониторинга «СКВ-ТГ»[1];

- датчики с внешней стороны, устанавливаются стационарно на время измерений (месяцы) – типа «Модест» [3];

- датчики с внешней стороны, устанавливаются на время измерений (часы), описываются в настоящей работе. [5, 6]

Для измерений применяются пьезоэлектрические, тензометрические и электромагнитные вибропреобразователи (датчики) с полосой:

- для [«СКВ-ТГ»] – 100Гц±20Гц;

- для [3] – в диапазоне 5-5000Гц;

- электромагнитные – в диапазоне 8-1250Гц;

Измеряемыми характеристиками являются: виброперемещения, виброскорости, виброускорения [6], а также виброэнергия, определяемая из энергетического спектра (используется в настоящей работе). Для определения количественных характеристик виброявлений в ТГ ниже будет использоваться гармонический анализ виброэнергии при установке датчика в данной точке контроля на корпусе ТГ (локальные) или в целом по узлу (интегральные виброхарактеристики). Для определения технического состояния узлов будут применяться следующие локальные и интегральные, т.е. усредненные по узлу, характеристики, определяемые по анализу спектрограмм:

1) суммарная виброэнергия четных гармоник в данной точке – Р_ч.г. (дБ);

2) усредненная суммарная виброэнергия четных гармоник по узлу – Р_ч.г. (дБ);

3) средняя виброэнергия на частоте 100Гц – Р_100Гц (дБ);

4) усредненная виброэнергия на частоте 100Гц  по узлу ––  Р_100Гц (дБ);

5) значение критериального соотношения для отдельной точки  =Р_ч.г./Р_100Гц, для  усредненного по всему узлу  ( = Р_ч.г./  P_100Гц.)[2] (о.е.);

6) усредненная суммарная виброэнергия интергармоник –  Р_и.г. (дБ);

Критерии оценки вибрационного состояния, которые определяются ниже,  будут основываться на эмпирических данных по сопоставлению данных при диагностике с результатами ремонтных работ.

Точки установки вибродатчиков указаны на рис.2.

Рис.2 Точки установки вибродатчиков.

При измерениях по точкам контроля фиксируются отличия виброхарактеристик для разных узлов ТГ, к числу этих узлов относятся следующие:

1) щит со стороны «В» - краткое обозначение «В»;

2)  корпус около охладителя «В» - К_В;

3) корпус в средней части - К_С;

4) корпус около охладителя «Т» - К_Т;

5)  щит со стороны «Т» - «Т»;

6)  другие, дополнительные точки.

 

2. Диагностические признаки дефектов упругой подвески

Общие признаки дефектов упругой подвески (этапы развития на рис.3). При наличии дефекта в упругой подвеске в спектре вибрации при измерениях на корпусе статора будет иметь место, этап 1 (рис.3):

    1) понижение амплитуды основной гармоники 100Гц;

    2)  появление дополнительных гармоник, кратных 100Гц;

    3) появление значимых признаков интергармоник.

 

Первый этап – возникновение диагностических признаков дефекта

Рис.3 Этапы развития дефектов от виброударных воздействий из-за колебания креплений сердечника на ТВВ-320-2У при повреждении ласточкина хвоста в стяжной призме. [2, 3]

 

При наличии виброударных дефектов значительная часть энергии сигнала лежит в зоне высоких гармоник. По этой причине для диагностики подвески неприемлемы методы, основанные только на анализе низких частот (100Гц).  Это иллюстрируется спектрограммами рисунка 4, на котором приведена динамика изменения спектрального состава по факту появления дефекта в упругой подвеске. При измерении на корпусе со стороны «Т» зафиксировано:

  1) для исправного состояния присутствует только 100Гц, это по [9, 4] и по данным настоящей работы на рис.4-«а». С развитием дефекта имеют место:

 - уменьшается вибрация на 100Гц;

 - вибрация на 200Гц становится доминирующей, превосходящей амплитуду на 100Гц;

 - появляются значимые интергармоники.

Рисунок 4 – Сопоставление спектров виброскорости, характеризующие развитие виброударного дефекта.

 

Следует указать, что вибрация сердечника передается и в торцевую зону, в т.ч. и на обмотку и шины. На рис.5 [12] даны результаты измерений на кольцевой шине, на которой в «норме» должны быть только 100Гц виброявления, тем не менее на ней фиксируются и высшие гармоники, развитие этой вибрации приводило к повреждениям шин.

 

Рис.5 Спектр вибрации шин на ТВВ-1000-2У, 3000 об/мин, ЮУАЭС, датчик внутри ТГ. Фиксируются четные гармоники 100, 200, 300Гц по [12].

 

Развитие виброударных воздействий в ТВВ-1000 иллюстрируется данными рис.6, из которого следует, что имеет место переход в критическое состояние по вибрации. Вибрация сердечника, воздействуя на шины, приводит к их повреждению. В тоже время система мониторинга «СКВ-ТГ» факт ухудшения технического состояния не обнаруживает – рис.7. Из этого рисунка следует, что с января 2014г. нет значимого роста виброперемещений, т.е. система мониторинга при контроле только виброперемещений (мкм) на частоте 100Гц «не видит» признаков разрушения

 

Рис.6 Изменение спектров в 2012-2014гг. ТВВ-1000, на щите «Т». Ухудшение вибрационного состояния – появление высших гармоник и интергармоник-

 

 



Рис.7 Тренды от системы мониторинга «СКВ-ТГ Ракурс» для кольцевой шины, на которой имело место разрушение с выплавлением меди.

 

Из сопоставления данных рис.6 и рис.7 следует:

1) Фактически вибрационные явления в ТГ характеризуются наличием спектра частот 100, 200, 300Гц и т.д.

2) С развитием вибрационного дефекта изменяется спектральный состав (уменьшение 100гц и рост 200 и 300Гц).

3) Так как (рис.7) величина виброперемещения шины вплоть до повреждения не изменилась, то при измерениях на 100Гц наличие дефекта не фиксируется.

 

Анализ интегральных характеристик по виброявлениям на ТВВ-1000/4У, по интегральной оценке сопоставление результатов виброметрии, по  узлам даны в таблице 1.

Т а б л и ц а 1 – Сопоставление интегральных характеристик виброэнергии (в дБ) с признаками дефектов упругой подвески при измерении по узлам

Имеет место  повышенная вибрация в сердечнике по Р_ч.г. в 2¸6 раз больше величины _100Гц. Таким образом, в данном ТГ значительное превышение критериальных соотношений , а также значительное превышение по виброэнергии интергармоник, при этом >>1.

Идентификация дефектов упругой подвески по критериальным соотношениям

=Р_ч.г./ Р_100Гц (если >>1) является эффективной. При этом есть корреляция повышенного критерия в зоне с возрастанием деструкции (Р_и.г.) в этой же зоне.

Критериальные признаки вибрации узлов упругой подвески. Главными критериальными  признаками вибрации  являются:   

а) вибрация узлов подвески сопровождается слабыми электроразрядными явлениями;

б) в измеряемых спектрах по корпусу ТГ:

      1)  уменьшается (или исчезает) вибрация на частоте 100Гц;

      2) возрастает амплитуда высоких гармоник;

      3) появляются значительные интергармоники;

в) по анализу интегральных характеристик  наиболее информативной является величина критерия (по [3] соотношение w должно быть w>1):

      1)  при отсутствии дефекта менее10;

      2) при возникновении дефекта более 10;

      3) для критического дефекта более 100.

г) признаком критического развития деструкции узла крепления является превышение виброэнергии интергармоник, энергию 100Гц.

 

3. Вибрационные дефекты из-за ослабления креплений лобовых и пазовых частей обмотки

Особенности дефектов. Внешний вид дефектов, связанных с повреждениями изоляции, показан на фотографиях (рисунки 8 и 9).

3.1 Диагностические признаки вибраций из-за ослабления креплений лобовых и пазовых частей обмотки

Общий анализ характеристик:

а) особенности спектров. Результаты спектрального анализа (рисунок 10) показывают:

1)  имеется некоторый рост вибрации на частоте 100Гц и появление высших гармоник;

2) слабое присутствие интергармоник.

а – перетирание изоляции шины в шинодержателе до чистой меди, сопровождалось значительными ЧР; б – повреждение полупроводящего покрытия на выходе стержня из пазов, наличие пазовых разрядов

Рисунок 8 – Типичные вибрационные повреждения корпусной изоляции из-за вибрации участка обмотки, приводящих к появлению ЧР в изоляции

 

 

Рисунок 9 – Фотография лобовых частей обмотки, в которой вследствие повышенной вибрации имели место поломки трубок в элементарных проводниках (течь дистиллята)

 

Рисунок 10 – Спектры виброскорости при измерениях на щите «В» для дефектов, соответствующих вибрации при ослаблении креплений в лобовых частях и шинах, измерения в точке на «5 часов».

 

б) интегральные оценки ( Р_ч.г., , Р_и.г.) при вибрации лобовых частей. При вибрации лобовых и пазовых частей обмотки доминирующей является частота 100Гц, по этой причине величина критериального соотношения близка к 1. Однако при значительном возрастании вибрации лобовых частей обмотки фиксируется увеличение критерия (до =3÷5).

Пример повышенной вибрации лобовых частей обмотки на ТВВ-500. Результаты приведены на рисунке 11. Расчет характеристик для каждой точки измерений для щита «В» дан в табл.2, там же приведены и интегральные характеристики.

 

Рисунок 11 – Изменение виброскорости по окружности на щите «В»

Т а б л и ц а 2 – Результаты измерений и расчетов интегральных виброхарактеристик (дБ) для ТВВ-500, измерения по щиту «В»

 

 

 

Диагностические признаки вибраций из-за ослабления креплений лобовых и пазовых частей обмотки.

а) Признаки вибраций – по сопоставлению спектров (рис.11):

    - некоторый рост вибрации на частоте 100Гц и меньшие величины верхних гармоник;

    - локальные признаки интергармоник;

б) по интегральным оценкам (Р_ЧР, ), табл.2. При вибрации лобовых и пазовых частей обмотки доминирующей является частота 100Гц, по этой причине величина критериального соотношения <2,5;

в) по характеристикам электроразрядной активности (на «В» и «Т») фиксируются [7, 8, 9] и могут быть локализованы:    

     - разрядные явления в форме ЧР;

     - пазовые разряды.

Указанные явления возникают на повреждениях изоляции вследствие виброперемещений стержня в пазу. Измерения ЭРА являются важным фактором, позволяющим уточнить наличие и локализовать зону дефекта. [6]

 

4. Вибрация, обусловленная ослаблением прессовки и распушением крайних пакетов

 

Особенности дефекта. К дефектам [2, 6, 9], обусловленным вибрацией, относится  распушевка пакетов активной стали. Внешний вид дан на фотографии (рисунок 12). Ослабление прессовки и распушение зубцов в торцевой зоне приводит к вибрации листов активной стали под действием аксиальных знакопеременных элек­тродинамических усилий и усталостным повреждениям с  выкрашиванием фрагментов (рисунок 12-а). Вибрация в зубцовой зоне сопровождается интенсивными искрениями.

 

Рисунок 12 – Фотография участка пакета с дефектом крайних пакетов (распушевка пакета, образование гальванических контактов между пластинами и нагрев).

 

Кроме процесса длительного разрушения дефекты могут возникнуть или от ослабления прессовки, или от механических забоин при проведении ремонтных работ,  фотографии даны на рисунке 13.

 

Рисунок 13 – Механические повреждения зубцов, возникшие при ударах во время проведения ремонтных работ

 

4.1 Диагностические признаки распушевки пакетов следующие:

1) понижение амплитуды основной гармоники 100Гц и появление дополнительных гармоник, кратных 100Гц;

2) при этом величина значимо не увеличивается (в этом отличие распушевки от дефектов подвески, где значительно возрастает);

3)  признаки интергармоник;

б) по интегральным оценкам при вибрации крайних пакетов величина <5;

в) по наличию электроразрядной активности. По результатам локации зон электроразрядных явлений в зоне вибрации коронок зубцов при распушевке пакетов фиксируются интенсивные искровые явления^[3].

 

4.2 Критерии оценки технического состояния и распознавание дефекта с признаками распушевки пакетов

Наиболее информативным признаком распушевки пакета является наличие искрений в торцевой зоне сердечника (искрения определяются по структуре осциллограммы, пример на рисунке 15). Недостаточно информативными являются интегральные характеристики.

Дефекты с признаками распушевки пакетов: Сопоставление спектров, измеренных в одной точке на щите «В», дано на рисунке 14, при этом: «а» - вибрационное состояние в предшествующий период; «б» - появление вибраций в торцевых зонах, сопровождающихся искрением. Анализ показывает:

1)  произошло качественное изменение спектра от доминирующей гармоники 100Гц значительной амплитуды, формируется регулярный спектр с линиями 100Гц, 200Гц, 300Гц, 400Гц;

2) амплитуда линий на частоте 100Гц уменьшилась в ~7 раз;

3)  незначительные признаки интергармоник.

Рисунок 14 – Сопоставление спектров виброскорости при измерениях на щите «В» точка 9 часов

 

4) возникновение электроразрядной активности. На щите «В», в зоне, где изменился спектр вибрации (рисунок 14), локация характеристик электроразрядной активности  показало на наличие интенсивных искровых явлений (рисунок 15);

Интегральные оценки ( Р_ч.г., _100Гц, Р_и.г.) при распушёвке. Сопоставление виброэнергий (суммарной четных гармоник и виброэнергии на 100Гц, критериальному соотношению и интергармоникам) приведено в табл.3.

 

 

Рисунок 15 – Осциллограмма импульса от разрядного явления, соответствующего искровым явлениям в торцевых пакетах, измерения на щите «В» в точке на «9 часов», соответствует зоне измерения спектра (рисунок 14, позиция б)

 

Из данных табл.3 следует:

1)  при возникновении вибрации в торцевой зоне имеет место некоторый рост Р_ч.г., на 4дБ (рост в 2,5 раза в линейном масштабе);

2)  по сопоставлению критериального соотношения   видно, что величина  при возникновении дефекта изменилась слабо.

 

Т а б л и ц а 3 – Динамика интегральных характеристик для ТГ в исправном состоянии и с признаками вибрации пакетов на щите «В»

Критериальные признаки распушевки пакета. К критериальным признакам распушевки пакета следует отнести:

а) для распознавания дефекта с распушёвкой информативным является структура спектра и, главное, наличие искровых явлений;

б)  изменение спектра на локальном участке с появлением высоких гармоник и уменьшением 100Гц;

в) интегральные характеристики (особенно критерий ) неинформативны.

 

Выводы:

1) Приведены результаты вибродиагностики турбогенераторов, вызывающие появление дефектов и последующих повреждений, вибрация является первопричиной возникновения электроразрядных явлений.

2) Наиболее уязвимыми являются стяжные призмы в сердечнике, зубцы крайних пакетов и токонесущие узлы (стержни и шины).

3) При проведении вибродиагностики следует учитывать, что при появлении вибрационного дефекта в статоре возникают вынужденные колебания с вибрацией на частотах, кратных 100Гц.

4) Выполнена разработка и проведено обоснование критериев оценки технического состояния для распознавания вибрации сердечника, торцевых пакетов, а также пазовых и лобовых частей.

 

Список литературы:

[1]   Данилевич Я.Б., Кади-Оглы И.А., Попов В.В. Своевременная диагностика и модернизация оборудования на ее основе - первоочередная задача отечественного турбогенераторостроения.

[2]   Голоднова О.С., Ростик Г.В., О причинах повреждений торцевых зон сердечников статоров турбогенераторов и мерах по их предупреждению, Энергетик, 2005, №1.

[3]  Назолин А.Л., Поляков В.И. Виброударные режимы движения в дефектном узле подвески сердечника статора мощного генератора // Сборник трудов XV Международного симпозиума «Динамика виброударных (сильно нелинейных) систем». – Москва – Звенигород: РАН – ИМАШ РАН им. А.А.Благонравова, 2006.

[4]  Кузнецов Д.В., Шандыбин М.И. Применение методов виброконтроля для оценки состояния упругой подвески сердечника статора турбогенератора. - Электрические станции, 2007, № 10.

[5] МУ 1.3.3.99.0036-2009 Диагностика изоляции вращающихся машин классов напряжения от 0,4кВ до 24кВ по характеристикам частичных разрядов.

[6] МР 1.2.1.13.0975–2014 «Вибрационный контроль активной части турбогенераторов и электродвигателей»/

[7] Аксенов Ю.П., Аксенов Д.П., Талапов С.Б., Ярошенко И.В.  Применение диагностики для определения объема ремонта турбогенераторов.// Электро. - №2. – 2009. – С.27-36.

[8] Dr. Y. Aksenov and I.Yaroshenko, A.Andreev, J. Noe,  Dr. I. Arces “Pattern Analysis of Turbine Generators On-Line Discharge Zone Location in Winding”.// IEEE-SDEMPED'2009.

[9]  Назолин А.Л., Поляков В.И. Виброакустическая диагностика и ресурсосберегающая эксплуатация // Новости ЭлектроТехники. – 2008. – № 3(51).

[10]  Зинаков В.Е., Цырлин А.Л., Яковлев В.А. Вибродиагностика скрытых дефектов работающих генераторов.- Энергетик, 2001, № 5.

[11]  Д.В. Кузнецов, ВВ. Маслов, В.А. Пикульский, В.И. Поляков, Ф.А. Поляков, А.Н. Худяков, М.И. Шандыбин. Дефекты турбогенераторов и методы их диагностики на начальной стадии появления.// Электрические станции. - №8. - 2004.

[12]  Ю.А. Шумилов, А.В. Штогрин «Уменьшение повреждаемости статоров мощных турбогенераторов, вызванных вибрацией в торцевой зоне (анализ, гипотезы, эксперимент)». //Электротехника и электромеханика. - №1. – 2014. – С.37-39.