ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РОТОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО ВИБРАЦИИ В СООТВЕТСТВИИ С ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НОРМАТИВНОЙ БАЗОЙ

В последнее время на многих промышленных предприятиях самое пристальное внимание уделяется вопросам повышения надёжности эксплуатации оборудования и предотвращения возникновения аварийных ситуаций. Подобный интерес объясняется целым рядом объективных причин. Изменяются подходы к эксплуатации оборудования, изменяется и усложняется само оборудование, ужесточаются требования промышленной и экологической безопасности. Скрытый характер зарождения и развития неисправностей, накопленная усталость оборудования нередко являются причинами аварийных ситуаций, которые сопровождаются значительными экономическими потерями и загрязнением окружающей среды. Ряд аварий и техногенных катастроф последних лет заставляют по-новому переосмысливать требования к достоверности оценки текущего состояния оборудования и определения его остаточного ресурса с учётом последних достижений науки и техники в области технической диагностики [1].

Одним из наиболее ответственных производственных объектов, обеспечивающих непрерывность технологического процесса, является динамическое роторное оборудование. Именно от его надёжной и безаварийной работы во многом зависит промышленная безопасность всего производства. Для решения задач по безразборной оценке технического состояния и выявления зарождающихся дефектов различных видов роторного оборудования традиционно применяются методы неразрушающего контроля.

Анализ отечественного и зарубежного опыта показывает, что для своевременного выявления возможных отказов и обнаружения дефектов механической, электромагнитной и гидродинамической природы роторных агрегатов наиболее информативен (до 77 %) контроль оборудования по различным параметрам вибрации [2]. Именно вибрационные методы на протяжении нескольких десятилетий успешно используются на предприятиях различных отраслей промышленности для обеспечения безаварийной работы роторного оборудования.

Уже первый опыт использования простейшей виброизмерительной аппаратуры позволил разработать и утвердить ряд нормативных документов, прописывающих требования, предъявляемые к техническим характеристикам используемых средств измерений, а также регламентирующих места и способы установки первичных преобразователей (датчиков вибрации) на объекте контроля. На основании накопленного статистического материала были рассчитаны допустимые уровни вибрации для роторных агрегатов в зависимости от их частоты вращения. Эти мероприятия позволили уже на начальных этапах решить широкий круг задач, связанных со стандартизацией проведения измерений и интерпретации получаемых результатов.

По мере накопления практического материала и наработки статистических данных нормативная база подвергалась целому ряду редакций. Была внедрена классификация роторного оборудования, пересмотрены пороговые значения для оценки уровня виброактивности агрегатов различных групп и требования к используемым средствам измерений. Производимые редакции носили в основном эволюционный характер и основывались на результатах обработки накапливаемых статистических данных по различным группам роторного оборудования, в том числе с использованием более современной виброизмерительной аппаратуры. Итоги всех этих изменений нашли отражение в действующих на сегодняшний день нормативных документах [3, 4, 6].

В настоящее время в качестве базового стандарта, регламентирующего порядок проведения вибрационных измерений, перечень контролируемых параметров, пороговые значения для зон технического состояния роторного оборудования различных групп используется ГОСТ ИСО 10816-3-99 [4]. Преимущественно на базе этого документа и его более ранних редакций был создан ряд отраслевых стандартов, применяемых для отдельных видов оборудования. Основные положения ГОСТ ИСО 10816-3-99 распространяются на все агрегаты номинальной мощностью более 15кВт и номинальной скоростью вращения от 120 до 15000 мин-1, включая электродвигатели и генераторы, насосы, центробежные компрессоры, вентиляторы, воздуходувки и т.д., то есть на большинство видов роторного оборудования, эксплуатирующегося на промышленных производствах.

Данный стандарт устанавливает требования к средствам измерений, месторасположению измерительных точек, а также утверждает классификацию машин в зависимости от их вида, мощности (Группа 1, 2, 3 и 4) и жёсткости опорной системы (жёсткие или податливые опоры). Оценка вибрационного состояния производится по двум критериям – абсолютному и относительному. В первом случае, максимальная вибрация агрегата сравнивается с пороговыми значениями для различных зон технического состояния, установленными для данной группы оборудования с учётом жёсткости опорной системы (таблицы 1 и 2). По результатам оценки абсолютного критерия контролируемый агрегат относится к одной из четырёх зон вибрационного состояния: зона А – новые машины, зона В – машины, пригодные для эксплуатации без ограничений, зона С – машины, непригодные для длительной эксплуатации, зона D – машины с риском возникновения серьёзных повреждений. Относительный критерий регламентирует допустимые изменения (как увеличения, так и уменьшения) уровня вибрации агрегата по каждой из контролируемых точек. Как правило, относительный критерий устанавливается в пределах 25%. Окончательное решение о возможности дальнейшей эксплуатации оборудования принимается на основании комплексного анализа двух данных критериев.

По аналогичным принципам производится оценка технического состояния роторного оборудования и в соответствии с другими нормативами [4, 5]. В зависимости от типа агрегата могут изменяться пороговые уровни для различных зон технического состояния, но порядок процедуры проведения виброконтроля остается без изменений: измерение общего уровня виброскорости (мм/сек, СКЗ) в стандартной полосе частот, поиск максимального значения по всем измерительным точкам, сравнение этого значения с пороговыми уровнями для данной группы оборудования и выдача заключения о текущем техническом состоянии.

На протяжении десятилетий подобный подход оправдывался целым рядом факторов. С одной стороны, нормирование по общему уровню вибрации позволяло использовать для контроля текущего состояния оборудования простейшую недорогую виброизмерительную аппаратуру – переносные виброметры. С другой стороны, применение подобных устройств требовало от оператора лишь минимальных навыков практической работы, а основная задача сводилось к правильной установке датчика и сравнению показаний прибора с двумя-тремя числовыми значениями – порогами зон технического состояния.

На первых этапах практического распространения методологии вибрационных измерений эти факторы являлись существенным преимуществом, так как позволяли без существенных затрат на приобретение измерительной аппаратуры и обучение специалистов получать сведения о состоянии эксплуатируемого оборудования. Тот факт, что эти сведения в ряде случаев были недостоверными, а углублённая оценка состояния отдельных узлов требовала применения более совершенной измерительной аппаратуры, оставался без внимания по причине крайне высокой стоимости и низкой помехозащищённости подобных устройств.

Ситуация изменилась с массовым появлением недорогих виброанализаторов, созданных на современной элементной базе, которые отличались небольшими габаритами, высокой надёжностью, точностью, помехозащищённостью и, главное, превосходными техническими характеристиками и функциональными возможностями. Как показала практика, квалифицированное использование подобных приборов существенно повышает достоверность оценки технического состояния оборудования и сводит к минимуму возможности пропуска зарождающихся дефектов или выдачи ложного диагностического заключения. Достигается это за счёт целого ряда факторов:

– расширение частотного и динамического диапазона;

– применение спектрального анализа для оценки амплитудно-частотного состава вибрации;

– использование дополнительных замеров (формы сигнала, пик-фактора, эксцесса и т.д.) для обнаружения неисправностей;

– выявление и своевременное устранение зарождающихся неисправностей путём анализа спектров огибающей.

Рассмотрим более подробно все эти факторы.

Ряд основных нормативных документов [3, 5, 6] предписывает осуществлять контроль общего уровня вибрации в стандартной полосе частот – от 10 до 1000 Гц. Однако, в большинстве случаев одна или несколько частот неисправностей находятся вне контролируемого частотного диапазона. Таким образом, даже существенное увеличение амплитуд составляющих на этих частотах не приводит к изменению общего уровня вибрации в стандартной полосе частот. То есть, нет никаких формальных оснований для вывода агрегата в ремонт, так как его вибрационные характеристики (значения общего уровня) удовлетворяют требованиям нормативных документов.

В большинстве случаев величина общего уровня вибрации характеризует лишь совокупную виброактивность всех основных узлов контролируемого агрегата – степень «отбалансированности» роторов, качество центровки, состояние опорной системы и т.д. Многие дефекты, в том числе и развитые, не всегда приводят к росту общего уровня вибрации, даже в тех случаях, когда их частоты неисправностей попадают в контролируемый диапазон. Примерами таких дефектов для центробежных насосов являются перекос и задевания бандажа, разрушение уплотнений, дефекты подшипников качения и др. Для предотвращения аварийных выходов из строя и своевременного обнаружения этих и других видов неисправностей наряду с контролем общего уровня необходим анализ целого ряда дополнительных замеров, и, прежде всего, спектров. Именно спектральный анализ, в отличие от контроля по общему уровню, позволяет разобраться в причинах возникновения вибрации и подобрать оптимальное решение для их устранения.

В ряде ситуаций, даже методы спектральной вибродиагностики, использующие алгоритмы быстрого преобразования Фурье (БПФ), не способны выявить существующие неисправности. В определении БПФ сказано, что любой сигнал может быть разложен в сумму гармонических синусоидальных сигналов. К сожалению, это не выполняется для непериодических сигналов, ударов и «белого шума». Для выявления возможных неисправностей, проявляющихся в виде не-стационарной вибрации или ударов, необходимо контролировать ряд дополнительных параметров, таких как форма сигнала, пик-фактор и эксцесс.

Таким образом, для достоверной оценки текущего состояния роторного оборудования, наряду с традиционным измерением общего уровня, необходима организация комплексного контроля различных вибрационных параметров (спектров виброскорости, виброускорения, формы сигнала, пик-фактора, эксцесса и т.д.). Отсутствие подобного контроля может привести как к пропуску развитого дефекта, так и выдаче ложного заключения, что чревато целым рядом негативных последствий экономического и техногенного характера.

Другой важной практической задачей является обнаружение неисправностей узлов роторного оборудования на ранних стадиях их зарождения и развития. Контроль общего уровня вибрации, выполняемый в рамках периодического вибромониторинга, не позволяет выявлять зарождающиеся дефекты по причине их низкой виброактивности, по сравнению с общей виброактивностью всего механизма. Между тем, скорость развития среднего или сильного дефекта большинства узлов роторных агрегатов, выявляемых по общему уровню, такова, что специалист, проводящий виброконтроль даже с периодичностью один раз в несколько недель, попросту не успевает зафиксировать появившуюся неисправность, а, следовательно, и предотвратить аварийный выход агрегата из строя. Для успешного выявления и локализации зарождающихся дефектов может быть использована спектральная характеристика модулированного высокочастотного сигнала – спектр огибающей. Практический опыт показывает, что для подавляющего большинства узлов роторного оборудования развитие дефектов на ранних стадиях происходит достаточно медленно, то есть при анализе спектров огибающей даже в рамках мониторинга с периодичностью один раз в несколько недель, с высокой степенью вероятности обеспечивается своевременное выявление и устранение неисправностей. Таким образом, контроль и анализ спектров огибающей (поиск гармонических рядов и оценка глубины модуляции) также является важным элементом программы виброизмерений, позволяющим заблаговременно выявлять зарождающиеся дефекты, предотвращая возможные аварийные ситуации.

Приведенные примеры наглядно доказывают, что оценка технического состояния оборудования по общему уровню виброскорости в стандартной полосе частот не гарантирует отсутствия неисправностей. Даже если состояние роторного агрегата относится в соответствии с положениями действующей нормативной базы к зоне А или В (эксплуатация допустима без ограничений), возможно наличие ряда развивающихся или уже развитых дефектов отдельных узлов. Подобные пропуски дефектов не могут быть допущены на оборудовании опасных промышленных производств, так как способны привести к возникновению аварии с непредсказуемыми последствиями. Для предотвращения аварийных ситуаций, проведения углублённой оценки технического состояния роторного оборудования, выявления неисправностей отдельных его узлов и косвенной оценки остаточного ресурса, наряду с измерениями общего уровня, должны использоваться методы спектрального анализа в широкополосном частотном диапазоне. Кроме того, дополнительно необходимо контролировать форму сигнала, спектр огибающей, пик-фактор, эксцесс и ряд других замеров. Окончательный перечень контролируемых параметров и их настроек должен выбираться индивидуально для каждой группы роторных агрегатов с учётом кинематической схемы и конструктивных особенностей оборудования, частоты вращения, а также возможного перечня неисправностей и характерных частот их проявления.

Для унификации оценки технического состояния роторного оборудования по результатам расширенных вибрационных измерений для каждой группы однотипных агрегатов должны быть пересмотрены требования к применяемым средствам измерений (расширен частотный и динамический диапазоны и регламентированы функциональные возможности), описаны места установки датчиков, типы контролируемых параметров и их настройки (частотный диапазон, минимальная длина выборки, спектральное разрешение, количество и тип усреднений и т.д.). Кроме того, с учётом расширенного перечня замеров должны быть определены пороговые значения для различных зон технического состояния как одномерных, так и многомерных признаков. В первом случае могут быть использованы статистические подходы к нормированию вибрации [7]. Во втором, для нормирования многомерных признаков в комбинации со статистическими подходами могут быть использованы либо спектральные маски с разбиением на полосы (октавные, 1/3-октавные или произвольные), либо признаки меры сходства между векторами.

Предлагаемый подход не только существенно увеличит надёжность эксплуатации роторного оборудования за счёт повышения достоверности оценки текущего состояния, но в сочетании с элементами поузловой диагностики на основе расчёта характерных частот неисправностей позволит более точно оценивать остаточный ресурс и планировать сроки, виды и объёмы необходимых ремонтных воздействий.

В последние годы наметились некоторые положительные изменения в области необходимого совершенствования нормативной базы. Так, в одном из стандартов по вентиляционному оборудованию [6] приведена таблица с перечнем возможных видов неисправностей, определяемых по спектральному составу вибрации. Другой стандарт по центробежным насосам и компрессорам [8] помимо общего уровня виброскорости в стандартной полосе частот, нормирует также и общие уровни виброперемещения (мкм) и виброускорения (м/с2). Есть и ряд других похожих нормативных документов. Однако все эти изменения ещё далеки от желаемых, а внесённые дополнения по-прежнему не могут гарантировать безопасной эксплуатации роторного оборудования.

Для изменения создавшейся ситуации необходимо создание ряда отраслевых нормативных документов, направленных на повышение достоверности распознавания технического состояния контролируемого роторного оборудования путём формализации перечня измеряемых параметров и расчёта допустимых уровней для различных зон технического состояния. Решение данной задачи наряду с хорошим методическим и аппаратным оснащением, требует кропотливого анализа большого объёма статистически состоятельных данных, систематизированных по отдельным группам промышленного оборудования [9].

Специалисты ООО «ЭКСПЕРТИЗА и ДИАГНОСТИКА» при поддержке

ООО «ДИАМЕХ 2000» уже на протяжении нескольких последних лет занимаются работами по сбору и статистической обработке данных комплексных вибрационных измерений насосно-компрессорного оборудования. Многолетний опыт выполнения практических работ по вибродиагностике различных видов роторного оборудования, а также накопленный на сегодняшний день статистический материал, включающий информацию более чем по 500 агрегатам различных типов, могут лечь в основу создания подобных отраслевых документов, ориентированных на повышение надёжности эксплуатации роторных агрегатов промышленных производств.

Список литературы

1. Сушко А.Е. Современные технологии повышения надёжности эксплуатации и ремонта роторного оборудования опасных промышленных производств // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2010. №8 С. 5 – 11.

2. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 7: Кн.2: Вибродиагностика. / Ф.Я. Балицкий, А.В. Барков, Н.А. Баркова и др. М.: Машиностроение, 2005. 829с.: ил.

3. ГОСТ Р ИСО 10816-3-99. Вибрация. Контроль состояния машин по результатам измерений на невращающихся частях. Часть 3. Промышленные машины номинальной мощностью более 15кВт и номинальной скоростью от 120 до 15000 мин-1. Введен впервые. Введ. 22.12.1999. М.: Изд-во стандартов, 2000. 11с. УДК 621.9 : 534.1.08:006.354. Группа Т34.

4. ГОСТ 20815-93 (МЭК 34-14-82). Машины электрические вращающиеся. Механическая вибрация некоторых видов машин с высотой оси вращения 56 мм и более. Измерение, оценка и допустимые значения. Взамен ГОСТ 20815-88, ГОСТ 12379-75, ГОСТ 16921-83. Введ. 01.01.1997. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. УДК 621.313.281:006.354. Группа Е60.

5. ГОСТ 30576-98. Вибрация. Насосы центробежные питательные тепловых электростанций. Нормы вибрации и общие требования к проведению измерений. Введен впервые. Введ. 01.07.2000. М.: Изд-во стандартов, 2000. УДК 621.165.:534.1:006.354. Группа Е23.

6. ГОСТ 31350-2007. Вибрация. Вентиляторы промышленные. Тре-

бования к производимой вибрации и качеству балансировки. Взамен ГОСТ 5976-90 и ГОСТ 11442-90. Введ. 01.07.2008. М.: Стандартинформ, 2008. УДК 534.322.3.08:006.354. Группа Т34.

7. Гольдин А.С. Вибрация роторных машин. М.: Машиностроение, 1999

8. ГОСТ Р 53565-2009. Контроль состояния и диагностика машин. Мониторинг состояния оборудования опасных производств. Вибрация центробежных насосных и компрессорных агрегатов. Введен впервые. Введ. 15.12.2009. М.: Стандартинформ, 2010. УДК 534. 322.3.08:006.354. Группа Т34.

9. Сушко А.Е. Вибродиагностика как путь экономии. Практика внедрения современных ресурсосберегающих технологий для повышения надёжности эксплуатации и ремонта оборудования опасных промышленных производств // Химагрегаты. 2010. №3 С. 34 – 37.

В.А. ГРИБАНОВ,

генеральный директор

ООО «ЭКСПЕРТИЗА

и ДИАГНОСТИКА»

А.Е. СУШКО,

начальник отдела, к.т.н.,

ООО «ДИАМЕХ 2000»

ООО «ЭКСПЕРТИЗА

и ДИАГНОСТИКА»

115114, г. Москва, Павелецкая набережная, д. 2

тел./факс: 8 (495) 651 8473,

8 (495) 651 8428