ГОСТ Р ИСО 20816-2-2022. Национальный стандарт Российской Федерации. 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

5.2 Критерий по абсолютному значению параметра (критерий I)

5.2.1 Общие положения

Данный критерий устанавливает значения контролируемого параметра вибрации, которые можно считать приемлемыми с точки зрения динамических нагрузок на подшипники, радиальных зазоров в подшипниках и вибрации, передаваемой машиной на опорную конструкцию и фундамент.

5.2.2 Оценка вибрации при работе машины в установившемся режиме на номинальной частоте вращения

5.2.2.1 Общие положения

Оценка вибрации заключается в сопоставлении максимального из абсолютных значений контролируемого параметра по всем точкам и направлениям измерений с границами четырех зон вибрационного состояния.

5.2.2.2 Зоны вибрационного состояния

Установленные зоны вибрационного состояния предназначены для качественной оценки вибрации машины в установившемся режиме работы на номинальной частоте вращения и принятия решения о необходимых мерах.

Зона A - в эту зону попадают, как правило, новые машины, только что введенные в эксплуатацию.

Примечание 1 - Для некоторых новых машин можно считать нормальным, если их вибрация не попадает в зону A. Стремление снизить вибрацию ниже границы между зонами A и B может привести к неоправданным затратам при минимальном положительном эффекте.

 

Зона B - машины, попадающие в эту зону, обычно считают пригодными для дальнейшей работы без ограничения сроков.

Зона C - машины, попадающие в эту зону, обычно рассматривают как непригодные для длительной непрерывной работы. Обычно данные машины могут функционировать ограниченный период времени, пока не появится подходящая возможность для проведения ремонтных работ.

Зона D - уровни вибрации в данной зоне обычно рассматривают как достаточно серьезные, для того чтобы вызвать повреждение машины.

Примечание 2 - В отношении оценки вибрации, наблюдаемой в переходных режимах работы машины, - см. 5.2.4.

 

5.2.2.3 Критерии приемки

Поставщику и заказчику машины следует заблаговременно согласовать критерии оценки вибрации при приемке.

Зоны вибрационного состояния могут служить основой такого соглашения при приемке новых или восстановленных машин, но численные значения границ этих зон не предназначены для использования в качестве критериев приемки.

Исходя из исторического опыта, обычно критерий приемки для новых машин устанавливают в пределах зоны A или B, но, как правило, не выше значения границы между этими зонами, умноженного на 1,25.

Машинам разной конструкции с учетом опыта их применения могут быть назначены разные критерии.

Приемочные испытания проводят в течение заранее согласованного времени при условиях работы с заданными характеристиками, такими как нагрузка, температура, давление.

Для машин, поступивших после технического обслуживания или ремонта, учитывают характер выполненных сервисных услуг и предшествующее вибрационное поведение машины.

5.2.2.4 Границы зон вибрационного состояния

Границы зон приведены:

- для радиальной вибрации на всех подшипниках и осевой вибрации на корпусах упорных подшипников в приложении A;

- для относительной и абсолютной вибрации вала в приложении B.

Границы зон применяют для результатов измерений вибрации в установившемся режиме при номинальной частоте вращения. Их численные значения были установлены после обработки большого объема данных, представленных как изготовителями, так и пользователями машин. Для данных подобного рода всегда характерен высокий разброс значений; тем не менее следует ожидать, что применение установленных границ позволит избежать ненужных затрат на снижение вибрации машины и предъявления к ней чрезмерно завышенных требований.

В других точках конструкции машины, а также в переходных режимах ее работы (см. 5.2.4) вибрация может быть выше.

В большинстве случаев значения, приведенные в приложениях A и B, позволяют судить о приемлемости динамических нагрузок на подшипниковые опоры и фундамент машины, а также о поддержании требуемых зазоров в подшипниках. Однако иногда особенности конструкции машины или опыт ее эксплуатации могут потребовать установления других граничных значений (более высоких или более низких). В частности, другие значения границ зон могут потребоваться в следующих случаях:

a) значительное влияние на вибрацию машины условий ее установки. Так, для жестких подшипниковых опор можно ожидать более высокую относительную вибрацию вала, и, наоборот, для податливых опор она будет ниже. Основываясь на опыте нормальной работы машины, границы зон можно соответствующим образом изменить;

b) высокое отношение (например, 10 к 1) массы подшипника (опоры, корпуса) к массе ротора. В этом случае вибрация подшипников может быть ниже. Основываясь на опыте нормальной работы машины, границы зон можно соответствующим образом изменить;

c) малый конструктивный зазор в подшипнике. При этом следует убедиться, что высокая относительная вибрация вала не связана с превышением зазора. В общем случае допустимая вибрация зависит от диаметра подшипника, поскольку обычно для подшипников большого диаметра рабочий зазор больше. Для подшипников с малым зазором может потребоваться уменьшение значений границ зон, приведенных в приложении B. Степень необходимого уменьшения зависит от типа подшипника (круглоцилиндрический, эллиптический, самоустанавливающийся сегментный и пр.), а также угла между направлением измерений и направлением минимального зазора. В связи с этим дать какие-либо общие рекомендации не представляется возможным. Случай цилиндрического подшипника скольжения рассмотрен в приложении E;

d) малонагруженные подшипники (например, подшипники ротора возбудителя генератора или синхронной муфты) или другие податливые подшипники, чья статическая нагрузка чувствительна к несоосности ротора;

e) измерение вибрации вала в плоскости вне подшипника.

Примечание 1 - Для некоторых крупных паровых турбин с частотой вращения 1500 или 1800 мин^-1, особенно в случае соединения роторов через единственный подшипник, могут быть установлены разные критерии для разных подшипниковых опор, чтобы не допустить чрезмерно больших вибраций на критических скоростях вращения при разгоне и выбеге ротора.

Примечание 2 - Установленные настоящим стандартом зоны вибрационного состояния не зависят от типа фундамента машины - жесткого или податливого. Однако в последующем, если дополнительные данные и их анализ покажут в этом необходимость, для разных типов фундамента могут быть установлены разные критерии.

 

Возможно задание разных значений границ зон для измерений в разных точках вдоль валопровода.

В общем случае при увеличении граничных значений следует приводить техническое обоснование, подтверждающее, что повышенная вибрация не приведет к уменьшению надежности машины. Такое обоснование может быть сделано, например, исходя из конструктивных особенностей машины или по опыту эксплуатации машин схожей конструкции, установленной на аналогичном фундаменте.

В качестве контролируемого параметра, для которого устанавливают границы зон вибрации на невращающихся частях, обычно выбирают среднеквадратичное значение скорости вибрации в широкой полосе частот (см. приложение A). Однако в ряде случаев встречалось применение средств измерений с калибровкой по пиковому значению скорости. Если в вибрации доминирует одна частотная составляющая (для газовых турбин такой обычно является составляющая на рабочей частоте), среднеквадратичное значение легко преобразовать в пиковое умножением на , что позволяет соответствующим образом скорректировать границы зон приложения A. И, наоборот, результаты измерений пикового значения могут быть преобразованы в среднеквадратичное значение для сравнения с границами зон, установленных в приложении A, делением на . Однако такое простое преобразование невозможно в случае сложного вибрационного сигнала, в котором доминирующая составляющая отсутствует.

Примечание 3 - В общем случае нет коэффициента, который связывал бы среднеквадратичное и пиковое значения.

 

5.2.3 Предельные уровни вибрации в установившемся режиме работы

5.2.3.1 Общие положения

Как правило, для машин, предназначенных для длительной эксплуатации, устанавливают предельные уровни вибрации, превышение которых в установившемся режиме работы машины приводит к появлению сигналов оповещения вида ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ или ОСТАНОВ.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ - оповещение для привлечения внимания к тому, что значение контролируемого параметра вибрации или его изменение достигло уровня, после которого может потребоваться проведение восстановительных мероприятий. Как правило, при появлении оповещения ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ машину можно эксплуатировать в течение некоторого времени пока исследуют причины изменения вибрации (например, определяют влияние нагрузки, частоты вращения или других рабочих параметров) и определяют, для какого узла и какие восстановительные мероприятия следует провести.

ОСТАНОВ - оповещение, указывающее на достижение параметром вибрации уровня, при превышении которого дальнейшая работа машины может привести к ее повреждениям. При достижении уровня ОСТАНОВ следует принять немедленные меры к снижению вибрации.

Вследствие разницы в динамических нагрузках и жесткостях опор машины для различных точек и направлений измерений могут быть установлены разные предельные уровни вибрации.

5.2.3.2 Задание уровня ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

Уровень ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ может существенно изменяться в сторону возрастания или уменьшения от машины к машине. Обычно данный уровень определяют относительно некоторого базового уровня (базовой линии), полученного для каждого конкретного экземпляра машины для заданной точки и заданного направления измерений на основе опыта эксплуатации.

Рекомендуется устанавливать уровень ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ выше базовой линии на значение, равное 25% значения границы между зонами B и C. Обычно уровень ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ не превышает границу между зонами B и C более чем на 25%. Если базовое значение мало (менее 75% границы между зонами B и C), то уровень ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ может находиться ниже зоны C (см. пример в приложении C).

Если базовый уровень не определен (например, для новой машины), то уровень ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ определяют либо из опыта эксплуатации аналогичных машин, либо относительно согласованных приемлемых значений контролируемого параметра вибрации. При отсутствии соответствующих данных рекомендуется уровень ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ устанавливать не выше границы между зонами B и C. Спустя некоторое время по наблюдениям вибрации машины устанавливают базовую линию и соответствующим образом корректируют уровень ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ.

По причинам, указанным в 5.2.2.4, следует отдельно рассмотреть возможные значения уровня ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ для вибрации вала в случае подшипников малых размеров или с малым конструктивным зазором между валом и уплотнением (см. приложение E).

Если вибрация в установившемся режиме работы машины носит нестационарный характер или не обладает повторяемостью, то для определения контролируемого параметра используют соответствующие методы усреднения. При этом настоятельно рекомендуется выяснить причины такого характера вибрации.

Если произошло изменение базового уровня (например, вследствие ремонта машины), то уровень ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ также должен быть скорректирован соответствующим образом. Вследствие разницы в динамических нагрузках и коэффициентах жесткости различных опор машины для них могут быть установлены разные уровни ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ.

Пример установления уровня ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ приведен в приложении C.

5.2.3.3 Задание уровня ОСТАНОВ

Уровень ОСТАНОВ обычно связывают с сохранением механической целости машины, которая, в свою очередь, определяется конструктивными особенностями машины, отражающими ее способность противостоять действию аномальных динамических сил. Поэтому уровень ОСТАНОВ, как правило, одинаков для машин аналогичных конструкций и не связан с базовой линией.

Вследствие многообразия конструкций машин не представляется возможным дать универсальное руководство по заданию уровня ОСТАНОВ. Обычно уровень ОСТАНОВ устанавливают в пределах зон C или D, но не выше границы между этими зонами более чем на 25%. Однако опыт эксплуатации конкретной машины может послужить основанием для задания иного уровня ОСТАНОВ.

По причинам, указанным в 5.2.2.4, следует отдельно рассмотреть возможные значения уровня ОСТАНОВ для вибрации вала в случае подшипников малых размеров или с малым конструктивным зазором между валом и уплотнением (см. приложение E).

Работа газовых турбин, паровых турбин и генераторов часто контролируется автоматическими системами управления, останавливающими машину при превышении вибрацией уровня ОСТАНОВ. Чтобы избежать необоснованных остановов машины из-за паразитных сигналов (помех), на практике часто используют логические схемы управления с несколькими датчиками вибрации и установленными временами задержки для сигнала останова. В этом случае превышение уровня ОСТАНОВ приведет к соответствующей реакции системы управления только при условии поступления такого оповещения по крайней мере от двух независимых [т.е. соответствующих разным точкам и (или) направлениям измерений] датчиков вибрации в течение всего заданного времени задержки. Обычно время задержки выбирают от 1 до 3 с, что, с одной стороны, достаточно для устранения влияния паразитных шумов и в то же время достаточно мало, чтобы не позволить развиться серьезным повреждениям под действием повышенной вибрации. Иногда может оказаться целесообразным задание дополнительного уровня предупреждения между имеющимися уровнями ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ и ОСТАНОВ, превышение которого подготавливало бы оператора к необходимости выполнить соответствующие корректирующие действия (например, снизить нагрузку), чтобы избежать останова машины.

Если в месте установки преобразователей наблюдается низкочастотная вибрация от сторонних источников (какая может иметь место, например, в зонах повышенной сейсмоактивности), то это может потребовать применение соответствующей фильтрации сигнала или установления времени задержки, чтобы избежать необоснованных остановов машины.

5.2.4 Вибрация в неустановившихся (переходных) режимах работы

5.2.4.1 Общие положения

Значения границ зон состояния, приведенные в приложениях A и B, предназначены для использования при долговременной работе газовой турбины, паровой турбины или генератора в заданном установившемся режиме. При разгоне и выбеге ротора, а также в режиме работы на рабочей частоте вращения, но в условиях, когда тепловое равновесие в механической системе еще не достигнуто, допустима более высокая вибрация. Такая вибрация может превышать заданные для установившегося режима работы уровни ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ и ОСТАНОВА (см. 5.2.3). В этом случае возможно применение повышающего коэффициента (см. 5.2.4.4), автоматически увеличивающего уровни ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ и ОСТАНОВА на то время, пока установившийся режим работы не будет достигнут.

При неустановившемся режиме работы газовой турбины, паровой турбины или генератора, который обычно бывает связан с температурными изменениями (например, вследствие изменений температуры или тока в обмотке ротора при начальном нагружении и изменениях нагрузки), влиянием глубины вакуума в конденсаторе или частоты вращения (например, при разгоне и выбеге), вибрация имеет вид переходного процесса, который всегда связан со значительными вариациями контролируемого параметра.

Для машин с синхронными муфтами могут наблюдаться скачкообразные изменения вибрации при обычных осевых расширениях ротора и изменениях угла включения муфты.

Как и в случае вибрации в установившемся режиме работы машины, любые критерии приемки по результатам измерений в неустановившихся режимах должны быть предметом соглашения между поставщиком и заказчиком. Однако следование рекомендациям настоящего пункта позволит избежать необоснованных затрат на снижение вибрации, создаваемой машиной, а также предъявления чрезмерно завышенных требований к ее вибрационному состоянию.

5.2.4.2 Вибрация в переходных режимах на рабочей частоте вращения

Переходные режимы работы включают в себя работу без нагрузки, начальное нагружение или быстрое изменение нагрузки, изменение коэффициента мощности, а также другие кратковременные рабочие процессы в машине. Для них обычно полагают, что создаваемая машиной вибрация может считаться приемлемой, если не превышена граница между зонами C и D. Соответствующим образом корректируют уровни ОСТАНОВА и ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ.

5.2.4.3 Вибрация в процессе разгона, выбега и при работе на повышенных частотах вращения

Перед пуском газовой турбины, паровой турбины или генератора следует устранить временный прогиб вала, способный вызвать повышенную вибрацию. В частности, рекомендуется по возможности перед пуском машины осуществлять медленное проворачивание ротора валоповоротным устройством или вращать его на низкой скорости. Если при этом машина оснащена датчиками вибрации вала, то во время указанного движения измеряют перемещение вала на низкой частоте вращения, когда на результат измерений не оказывают влияние такие факторы, как низкочастотный резонанс механической системы, нестабильность масляного клина или центробежные эффекты. Наряду с другими контролируемыми параметрами, перемещение вала на низкой частоте вращения также должно поддерживаться в пределах, установленных на основе предшествующего опыта эксплуатации машины. Такой контроль позволяет убедиться, насколько удовлетворительным может быть признано состояние валопровода (например, имеет ли место временный прогиб ротора или несоосность валов). Кроме того, рекомендуется, чтобы во время разгона машины проводились измерения вибрации подшипников до достижения критической частоты вращения ротора, чтобы иметь возможность сравнить их результаты с результатами аналогичных измерений во время предшествующих успешных пусков. При наличии существенных расхождений целесообразно принять соответствующие меры (например, прекратить рост частоты вращения или даже снизить ее до стабилизации вибрации или возвращения ее параметров к прежним значениям; провести более детальные исследования, в том числе, проверить значения рабочих характеристик машины).

Если измерения при медленном проворачивании или вращении вала невозможны, то поставщиком машины может быть предложен другой способ контроля, которым следует руководствоваться.

В процессе разгона машины может оказаться необходимой задержка на определенной частоте вращения (например, в целях температурной стабилизации ротора). В этом случае необходимо убедиться, что эта частота вращения находится достаточно далеко от какой-либо критической частоты вращения, на которой наблюдается значительный рост вибрации. Задание пороговых уровней вибрации для разгона, выбега и для работы на повышенных (выше рабочей) частотах вращения зависит от конструктивных особенностей машины и рабочих условий. Например, для машины, длительное время работающей с нагрузкой, близкой к номинальной, без частых пусков, может быть допустима более высокая вибрация, в то время как для машин, у которых регулярно чередуются режимы работы и ожидания и для которых могут быть заданы определенные временные ограничения на достижение требуемой выходной мощности, уровни допустимой вибрации могут быть снижены. Кроме того, вибрация, наблюдаемая при прохождении ротором машины критических частот вращения во время разгона и выбега, существенно зависит от демпфирования в механической системе и, в меньшей степени, от скорости изменения частоты вращения ротора (см. [13]).

Уровни ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ, задаваемые для разгона, выбега и для работы на повышенных частотах вращения, отличаются от аналогичного уровня, заданного для работы в установившемся режиме. Обычно эти уровни устанавливают относительно некоторых значений, определенных из наблюдений за работой машины в указанных переходных режимах. Рекомендуется, чтобы уровни ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ превышали эти значения на величину, равную 25% значения границы между зонами B и C для установившегося режима работы машины.

При отсутствии данных, основанных на наблюдениях, рекомендуется, чтобы уровни ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ для разгона, выбега и для работы на повышенной частоте вращения не превышали значений, указанных в таблице 1.

 

Таблица 1

 

Уровни ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ для разгона, выбега и работы

на повышенной частоте вращения

 

Отношение частоты вращения к номинальной частоте, %	Вибрация на невращающихся частях в единицах границы между зонами C и D (см. таблицу A.1)	Относительная и абсолютная вибрация вала в единицах границы между зонами C и D (см. таблицы B.1 и B.2)
Менее 20	См. примечание	1,5
От 20 до 90	1,0	1,5
Более 90	1,0	1,0
Примечание - Отношение перемещения к скорости вибрации обратно пропорционально частоте. Поэтому при измерениях вибрации на невращающихся частях на частотах ниже 20% нецелесообразно использовать критерий постоянной скорости (см. приложение D).

 

По причинам, указанным в 5.2.2.4, следует отдельно рассмотреть возможные предельные значения для вибрации вала в случае подшипников с малым зазором (см. приложение E).

При установлении для разгона и выбега уровня ОСТАНОВ исходят из иных соображений. При нарастании вибрации во время разгона выше допустимого значения предпочтительнее может оказаться не останов, а снижение частоты вращения ротора. При нарастании вибрации во время выбега ротора останов машины имеет мало смысла, поскольку данный режим сам по себе приводит к ее останову. Однако при наличии автоматической системы управления работой машины может оказаться необходимым установить уровень ОСТАНОВ для разгона и выбега. В этом случае данный уровень задают с тем же повышающим коэффициентом относительно предельного значения в установившемся режиме работы, что и для уровня ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ.

Примечание - При разгоне и выбеге максимальная вибрация обычно наблюдается при прохождении критических частот вращения.

 

5.2.4.4 Использование повышающего коэффициента

Если работа газовой турбины, паровой турбины или генератора контролируется автоматической системой управления, то эта система остановит машину при превышении вибрацией уровня ОСТАНОВ. Чтобы избежать необоснованных остановов машины при ее работе в неустановившихся (переходных) режимах, допускающих более высокую вибрацию, часто используют повышающий коэффициент, автоматически увеличивающий уровни ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ и ОСТАНОВА при работе машины в неустановившемся (переходном) режиме согласно рекомендациям 5.2.4.2 и 5.2.4.3.

Обычно повышающий коэффициент применяют при возрастании/уменьшении частоты вращения ротора относительно рабочей частоты вращения (но не при поддержании какой-либо постоянной частоты вращения), а также, при необходимости, на рабочей частоте вращения в начальный период нагружения и в ограниченный промежуток времени, необходимый для достижения температурной стабилизации после скачкообразных существенных изменений нагрузки. Значение повышающего коэффициента может варьироваться для разных неустановившихся режимов работы, а также от машины к машине и должно задаваться на основе опыта ее безопасной эксплуатации.