Обзор отечественных и зарубежных стандартов вибромониторинга электроэнергетического оборудования

Одна из главных задач современного предприятия — поддерживать в рабочем состоянии производственное оборудование и своевременно выявлять его дефекты, еще до выхода из строя узлов и механизмов. В большей мере это относится к предприятиям электроэнергетики, от работы которых зависит бесперебойное функционирование компаний и заводов, объектов социальной сферы и жизнеобеспечения.

Вибрационная диагностика, как и любая другая технически сложная область, регламентируется рядом стандартов, отечественных и зарубежных. При этом отечественные стандарты по большей части являются переводами стандартов ISO и IEC.

Одним из наиболее важных стандартов области является ГОСТ Р ИСО 20816-1-2021. Вибрация. Измерение вибрации и оценка вибрационного состояния машин. Часть 1. Общее руководство (ISO 20816-1:2016, IDT) [1].

4 зоны состояния оборудования

Основные положения ГОСТ Р ИСО 20816-1-2021 составлены исходя из того, что вибрационный мониторинг производится непрерывно, начиная от ввода оборудования в эксплуатацию. Стандарт выделяет 4 зоны состояния оборудования:

• Зона А — соответствует новому оборудованию, введенному в эксплуатацию относительно недавно;
• Зона В —  соответствует оборудованию, которое считается пригодным для эксплуатации без ограничения сроков, ремонт или диагностика такого оборудования не считаются необходимыми;
• Зона С — соответствует оборудованию, которое является непригодным для длительной работы, так как велика вероятность выхода его из строя. Однако такое оборудования может эксплуатироваться непродолжительное время, пока не будет найдена возможность ремонта;
• Зона D — соответствует оборудованию, которое должно быть остановлено незамедлительно, так как текущий уровень вибрации может вызвать серьезные повреждения.

ГОСТ Р ИСО 20816-1-2021 требует, чтобы в случае перехода оборудования из зон A и B в зону C проводился  дополнительный  анализ (например, спектральный анализ для выявления дисбаланса, смещения, нестабильности масла и так далее, анализ орбиты вала, анализ смещения осевой линии вала, проверка температуры подшипников, визуальный осмотр и так далее).

При переходе из зоны C в зону D стандарт требует либо отключения оборудования, либо снижения нагрузки, при этом обязательна полная проверка оборудования (визуальный осмотр, затяжка всех монтажных болтов, оценка напряжений, проведения при необходимости модального анализа, неразрушающего контроля и так далее).

Рассматриваемый стандарт дает лишь основные рекомендации для разработки процедур и руководящих документов по измерению вибрации механизмов и оценке их состояния.

Требования по вибрации и критерии оценки к конкретному виду оборудования 

Критерии оценки состояния агрегатов конкретных типов устанавливаются в отдельных стандартах, определенным образом являющихся продолжением ГОСТ Р ИСО 20816-1-2021. Например, ISO 20816-5:2018 определяет критерии для оборудования гидроэлектростанций [2]. 

ГОСТ Р ИСО 20816-2-2022 Вибрация. Измерение вибрации и оценка вибрационного состояния машин. Часть 2. Стационарные газовые турбины, паровые турбины и генераторы с гидравлическими подшипниками мощностью свыше 40 МВт и частотами вращения 1500, 1800, 3000 и 3600 мин^-1 (ISO 20816-2:2017, IDT) — определяет значения границ зон вибрационного состояния для среднеквадратичного значения виброскорости, измеренной на  корпусах или опорах подшипников паровых турбин или генераторов [3].  Необходимо отметить, что стандарты на нормы вибрации разделяют оборудование не только по типу и сфере применения, но также и по размерам,  массе  и мощности машин. Последний критерий считается весьма критичным, так как для машин разной мощности критерии вибрационного состояния регламентируются разными ГОСТ.

В общем случае структура стандартов, устанавливающих требования по вибрации к конкретному виду оборудования одинакова и может быть рассмотрена на примере ГОСТ Р ИСО 20816-2-2022. Стандарт содержит пять глав, первые три из которых определяют область применения документа, а также содержат некоторую общую информацию. Наибольший интерес представляют четвертая и пятая главы стандарта.

В четвертой главе даются рекомендации по способам измерения вибрации с учетом различных факторов, которые могут повлиять на точность измерений. К ним относятся такие факторы, как:

1. изменение температуры;
2. электромагнитные поля;
3. акустический шум и посторонняя вибрация, например от соседних машин;
4. изменения питания преобразователей;
5. импеданс и длина соединительных кабелей;
6. частотный диапазон измерения вибрации (от 10 Гц до как минимум 500 Гц, предпочтительно 1000 Гц);
7. места установки датчиков (акселерометров или датчиков виброперемещения/виброскорости) и т.д.

Рисунок 1. Рекомендованные места установки датчиков на крышках или корпусах опорных подшипников согласно ГОСТ Р ИСО 20816-2-2022

Пример рекомендованных мест установки показан на рис.1. В пятой главе стандарта приводятся критерии оценки вибрационного состояния механизма. ГОСТ выделяет два критерия: один критерий (критерий I)  применяют для абсолютного значения контролируемого параметра вибрации в широкой полосе частот, другой (критерий II)  — для изменений этого значения (безотносительно к направлению этих изменений — в большую или меньшую сторону).

Первый из упомянутых критериев устанавливает значения вибрации, которые можно считать приемлемыми с точки зрения динамических нагрузок на подшипники, радиальные зазоры в подшипниках и вибрации, передаваемой машиной на опорную конструкцию и фундамент. Именно по этому критерию выделяют зоны A, B, C и D. Например, в Приложении А ГОСТ Р ИСО 20816-2-2022 определены границы зон, приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Границы зон вибрационного состояния, выраженные через СКЗ скорости вибрации на корпусах и опорах подшипников

Критерий II предполагает сравнение текущего уровня контролируемого параметра вибрации с некоторым опорным значением, соответствующим конкретному режиму работы. Это опорное значение может быть взято из нормативной документации производителя оборудования или являться средним значением, вычисленным за значительный промежуток времени. Значительное изменение вибрации от некоторого установившегося значения – вне зависимости от того, было ли отклонение в большую или меньшую сторону, может свидетельствовать о механических повреждениях и других неполадках. Можно утверждать, что согласно рассматриваемому стандарту критерий II предполагает контроль оборудования функционирующего без значительных изменений рабочих параметров, таких как мощность. В приложениях ГОСТ приведены значения критериев для различных случаев.

Недостатки стандартов

К недостаткам рассматриваемых стандартов можно отнести использование исключительно обобщенных значений вибрации – среднеквадратических значений виброскорости в полосе частот или же размаха виброперемещения. Данные параметры позволяют оценить состояние оборудования, но не позволяют определить конкретный дефект, что вынуждает проводить дополнительное обследование при переходе машины в зону C или D. Более того, несмотря на то, что подобное обследование предусмотрено при переходе в зону C, стандарт не  содержит подробного описания диагностических инструментов, которые должны быть использованы при проведении подробного обследования.

Выводы

В настоящее время имеется серия стандартов, описывающих как общие принципы вибрационного мониторинга и диагностики, так и дающих конкретные рекомендации по проведению данных процедур для конкретных типов машин и механизмов. 

Стандарты содержат также критерии оценки состояния оборудования. В качестве критериев выдвигается как сравнение значений вибрации с некоторым пределом, так сравнение относительных изменений вибрации с заданным пределом.

Однако проведенный  анализ нормативной документации в области вибрационного мониторинга и диагностики показывает необходимость проведения дополнительных исследований и разработки дополнительных методов для получения информации о неисправности исследуемого объекта.

Для расширения информативности вибрационной диагностики и вибрационного мониторинга в дополнение к методам, описанным в ГОСТ, целесообразно использовать:

• методы спектрального анализа вибрации, позволяющие определить тип механической неисправности;
• различные методы определения остаточного ресурса оборудования, например анализ трендов с помощью линейной или параметрической аппроксимации.

Авторы статьи

• В.П.Кавченков, д.т.н., проф. ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске.
• Р.В. Солопов, к.т.н, доцент ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске.
• И.Н. Соколов, асп. ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в г. Смоленске и начальник Управления программирования «Висом».

Доклад был представлен на XIII Международной научно-технической конференции «Энергетика, Информатика, Инновации – 2023».

Литература

1. ГОСТ Р ИСО 20816-1-2021. Вибрация. ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ И ОЦЕНКА ВИБРАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ МАШИН. Часть 1. Общее руководство (ISO 20816-1:2016, IDT). М.:Российский институт стандартизации, 2022.
2. ISO 20816-5:2018 Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 5: Machine sets in hydraulic power generating and pump-storage plants. Geneva:ISO,2018
3. ГОСТ Р ИСО 20816-2—2022 Вибрация ИЗМЕРЕНИЯ ВИБРАЦИИ И ОЦЕНКА ВИБРАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ МАШИН Часть 2 Стационарные газовые турбины, паровые турбины и генераторы с гидравлическими подшипниками мощностью свыше 40 МВт и частотами вращения 1500, 1800, 3000 и 3600 мин^-1 (ISO 20816-2:2017, IDT). М.:Российский институт стандартизации, 2022.