Назначение и возможности систем вибрационного мониторинга и диагностики роторного оборудования

Основное правило размещения вибродатчиков -- максимально возможное их приближение к диагностируемому узлу и установка на жесткие элементы конструкции с подготовленной поверхностью. Желательно, чтобы число стыков деталей на путях прохождения вибросигналов от диагностируемой детали к месту установки датчика было минимальным. При выборе этого места учитывают также резонансные свойства конструкции в требуемой полосе частот. Направление измерительной оси вибродатчика желательно ориентировать по линии действия силы, вызывающей виброакустический сигнал.

Значительную часть потенциально ненадежных деталей выявляют ускоренными эквивалентными и циклическими испытаниями агрегатов еще в ходе отработки опытных образцов. При доработке конструкции по выявленным "слабым местам" предусматривают конструктивные решения, обеспечивающие требования вибродиагностики. Однако, иногда ненадежные детали со значительно укороченным (по сравнению с другими деталями агрегата) ресурсом проявляются лишь на этапе эксплуатации и требуют особого наблюдения.

Возможность установки вибродатчика обеспечивается созданием соответствующих площадок (на фланцах, бобышках, приливах и т. д.), либо возможностью установок специальных крепежных элементов (болтов, гаек с площадками под вибропреобразователи) взамен штатных, либо возможностью установок специальных кронштейнов.

В вибродиагностике машин широко используют пьезоэлектрические вибропреобразователи (пьезодатчики), обычно малогабаритные, что облегчает задачу по выбору мест их установки.

Места установки вибродатчиков, которые будут использоваться только в случаях необходимости для специальных исследований при возникновении неисправностей при эксплуатации, следует указывать в технической документации машины и Регламенте проведения виброизмерений предприятия. Кроме того, должны быть указаны способы крепления преобразователей, технология прокладки электропроводки от вибродатчика к средствам диагностики и возможности использования других сигналов, например, сигналов частоты вращения роторов.

В связи с тем, что техническое обслуживание эксплуатируемых агрегатов иногда проводится по "непредусмотренным" при проектировании агрегата отказам, требуется реализация принципа адаптирования контролепригодности к отказам, возникающим в ходе эксплуатации.[3]

2.11 Контрольные точки измерений вибрации

Поскольку реакции механических систем на возбуждение механическими колебаниями определяются сложными физическими процессами, то при измерении даже на одном элементе агрегата в близких друг к другу точках ввода может наблюдаться различный характер исследуемых колебаний. Вышесказанное особенно актуально для высокочастотной составляющей вибросигнала, что часто определяется различными типами распространения высокочастотных колебаний по поверхности.

Важно производить замеры вибрации в одних и тех же местах, называемых контрольными (штатными) точками измерения вибрации.

Обычно, измерения параметров вибрации в контрольных точках производятся на подшипниковых опорах агрегата, корпусе агрегата и на анкерных фундаментных болтах.

Абсолютную вибрацию (при диагностировании большинства механических дефектов) рекомендуется измерять в трех взаимно перпендикулярных направлениях: вертикальном, горизонтально -- поперечном и осевом. Преобразователи для измерения горизонтально -- поперечной составляющей вибрации крепят на уровне оси вала против середины длины опорного вкладыша. Осевую составляющую вибрации следует измерять в точке, максимально приближенной к оси вала на корпусе опоры подшипника вблизи горизонтального разъема между крышкой и корпусом. Вертикальную составляющую вибрации измеряют на верхней части крышки подшипника над серединой его вкладыша.

Рис. 2.6. Типичные контрольные точки измерений вибрации на корпусе подшипника.

Допускается измерение вертикальной, горизонтальной и осевой составляющих вибрации путем установки на верхнюю часть крышки подшипника трехкомпонентного вибродатчика для измерений вибрации во взаимно перпендикулярных направлениях совпадающих с главными осями агрегата.

В силу экономических соображений при изучении виброконтролепригодности каждого конкретного агрегата и подготовке контрольных точек всегда возникает вопрос о пространственном направлении измерений, оптимальном с точки зрения распознавания состояния определенного узла агрегата. Решающего правила или общего ответа на этот вопрос нет, но если невозможно проведение измерений в по трем главным направлениям в зоне одного подшипника или требуется минимизация количества замеров, то допускается измерение вибрации по двум направлениям: осевом и одном из поперечных направлений. Предпочтение отдается поперечному направлению, как правило, соответствующему направлению минимальной жесткости системы. Допускается также осевую вибрацию привода, нагнетателя и др. узлов агрегата измерять только у подшипника свободного конца вала.

Измерение вибрации при диагностировании подшипников качения производится на подшипниковых щитах в поперечном направлении, желательно в нижней части щита, как показано на рис. 2.7. а).

Рис. 2.7. Направления и точки измерения вибрации электрической машины при диагностировании механической (а) и электромагнитной (б) систем.

Точки и направления измерения сигнала вибрации для диагностирования моделей механической и электромагнитной систем электрических машин различны. На рис. 2.7. б) показаны основные точки измерения сигнала вибрации на корпусе машины при вибродиагностировании ее электрической несимметрии. В ряде случаев эти точки при измерении поперечной составляющей вибрации могут совпадать с точками измерения вибрации на подшипниковых щитах.

Нарушения гидродинамики потока, например, кавитацию, во многих случаях следует контролировать, измеряя сигнал вибрации на корпусе в районе входного патрубка насоса.

Места установки датчиков.

Датчик следует закреплять так, чтобы его измерительная ось совпадала с нужным при измерении направлением. Как правило, измерительная ось перпендикулярна плоскости крепления датчика (его рабочей поверхности). Цель измерения и анализа вибрации обычно диктует расположение мест крепления пьезодатчика на исследуемом объекте, см. приведенный на рис. 2.8. пример.

Рис. 2.8. Рекомендуемые места крепления датчика.

В большинстве случаев целью измерений вибрации является контроль условий работы вала и подшипника. Датчик следует устанавливать так, чтобы на его рабочую поверхность непосредственно действовали механические колебания подшипника. Датчик 3 воспринимает механические колебания подшипника при меньшем влиянии вибрации, возбуждаемой другими узлами и деталями агрегата, по сравнению с датчиком 4, который воспринимает преобразованные при прохождении через разъемное соединение колебания подшипника и механические колебания, генерируемые другими узлами агрегата. Аналогично, датчик 1 расположен более целесообразно с точки зрения распространения механических колебаний, чем датчик 2. Измерение вибрации на тонкостенных участках корпусов и крышек недопустимо.[3]

2.12 Способы крепления датчика на поверхности

виброакустический диагностика дефект оборудование

Качественное и надежное крепление вибродатчика на поверхности исследуемого объекта является одним из самых важных условий достижения точных и надежных результатов при измерениях вибрации и распознавании состояния оборудования. Ненадежное крепление датчика приводит к уменьшению области линейности амплитудной характеристики датчика, и, следовательно, значительному уменьшению диапазона измерений акселерометра.

При проведении измерений измерительный кабель не должен подвергаться интенсивным колебаниям и должен быть удален (по мере возможности) от источников сильных электромагнитных полей.

Наилучшим считается крепление датчика на гладкой плоской поверхности ввода прочной стальной шпилькой. На рабочую поверхность датчика рекомендуется наносить слой консистентной (силиконовой) смазки, что увеличивает общую жесткость механического соединения датчика и объекта измерений и создает хороший акустический контакт.

Глубина резьбового отверстия должна быть достаточной, чтобы шпилька не упиралась в дно отверстия в основании датчика. В соответствии с рекомендациями ISO 1101 -- 1969 поверхность для крепления датчика должна удовлетворять следующим условиям:

• шероховатость поверхности -- не более 1,6 мкм;

• неперпендикулярность оси резьбового соединения к плоскости крепления преобразователя - не более 0,02 %;

• неплоскостность поверхности крепления -- 0,01 % .

Оптимальный крутящий момент при креплении датчика на шпильку диаметром 5...7 мм -- 1,7...2 Нм.

На рис. 2.9. показана амплитудно-частотная характеристика пьезодатчика общего назначения, закрепленного стальной шпилькой на гладкой поверхности объекта. В этом случае резонансная частота пьезодатчика практически совпадает с резонансной частотой полученной при калибровке производителем (примерно 33 кГц).

Рис. 2.9 Амплитудно-частотная характеристика пьезодатчика при применении для крепления датчика стальной шпильки

Крепление при помощи шпильки имеет неудобства: затраты времени при выполнении крепежа и необходимость проведения слесарных работ.

Альтернативным методом крепления пьезодатчиков является крепление на тонком слое пчелиного воска. При этом незначительно уменьшается его резонансная частота (примерно 29 кГц).

Рис. 2.10. Амплитудно-частотная характеристика пьезодатчика при применении для крепления датчика пчелиного воска.

Недостатками этого метода крепления являются размягчение воска с ростом температуры, так, что его можно применять в температурном диапазоне до 35...40 градусов Цельсия и ненадежность крепления сравнительно крупных датчиков, особенно в направлении измерения, отличном от вертикального. Крепление датчика пчелиным воском на гладкой чистой поверхности при измерении вибрации в вертикальном направлении можно считать допустимым для датчиков массой не более 20 г при виброускорениях с амплитудами (диапазон измерений) до 100 м/с2. При креплении пьезодатчика при помощи воска необходим определенный опыт, иначе этот метод крепления может оказаться ненадежным.

Широкое распространение в силу простоты и дешевизны нашло крепление датчиков на гладкой поверхности объекта с помощью постоянного магнита. При этом статическая сила сцепления магнита с измерительной поверхностью во многом влияет на диапазон измерений. Требования к обработке поверхности те же что и для шпилечного соединения.

Рис. 2.11. Амплитудно-частотная характеристика пьезодатчика при применении для крепления датчика постоянного магнита.

Резонансная частота в этом случае уменьшается примерно до 7... 15 кГц и зависит от типа магнита. То есть, этим методом можно пользоваться при измерении и анализе вибрации с верхним пределом частотного диапазона измерений 2...5 кГц.



Рис. 2.12. Амплитудно-частотная характеристика пьезодатчика при применении щупа.

Наиболее простым и быстрым является измерение вибрации с помощью щупа, соединенного с вибродатчиком. Однако рабочий частотный диапазон при этом в большинстве случае составляет примерно 10... 1000 Гц.

Угол между измерительной осью вибродатчика и направлением измерения не должен превышать 25 градусов. Следует также учитывать, что при применении различных типов щупов рабочий частотный диапазон может существенно изменяться.[3]

2.13 Обозначение точек контрольных измерений вибрации

Обозначение точек измерения устанавливается Регламентом измерений предприятия для типов оборудования по единой схеме. Обычно, в буквенно-цифровую комбинацию, составляющую код измерительной точки могут вносить:

• индекс принадлежности к узлу агрегата (например, М -- мультипликатор, Д -- двигатель, К -- компрессор и т. д.);

• номер или положение подшипника (например, передний подшипник -- П или У -- упорный и т. д.);

• направление измерения (например, V -- вертикальное, Н -- горизонтально -- поперечное и т. д.);

Обычно карты регистрации уровней вибрации и программы обработки информации содержат наименования узлов агрегата, принятые Регламентом предприятия.[3]

2.14 Данные измерения вибрации и способы ведения мониторинга

При проведении периодического вибромониторинга обычно используют три основных типа данных получаемых при измерении вибрации: общие уровни вибрации, формы и спектры сигнала вибрации. На многих предприятиях проводят измерения только общих уровней вибрации и анализ их трендов, в то время как спектры и формы сигналов вибрации или не собираются вовсе, или собираются лишь с агрегатов, имеющих развитые дефекты.

Однако оказывается, что появление и развитие многих дефектов оборудования может сопровождаться при его работе ростом не столько "высокоэнергетичных" составляющих вибрации, сколько отдельных частотных составляющих или их групп сравнительно низкой амплитуды. Следовательно можно установить (определить) некоторые полосы частот, соответствующие отдельным дефектам или группам дефектов. Вибрацию в частотных полосах весьма удобно и целесообразно просматривать с целью поиска изменений уровней вибрации, которые могут говорить об изменении состояния агрегата и, в этом случае, проведении более детального анализа. Данный поиск обычно включает как сравнение амплитуд вибрации с фиксированными уровнями тревог, так и статистический анализ изменений, и сравнение с исходными значениями. Только в этом случае суждение о текущем состоянии агрегата будет выноситься с учетом его предыдущих состояний.

Для агрегатов с изменяемой частотой вращения ротора необходимо обеспечить измерение фактической частоты вращения и получение соответственно установленных параметров анализа и частотных полос. Эта процедура называется "частотной нормализацией". При использовании такой процедуры, ширина частотных полос определяется как функция частоты вращения ротора. Таким образом, ширина каждой частотной полосы автоматически регулируется во время сбора данных на основе фактической частоты вращения ротора агрегата.

При плановых остановах рекомендуется записывать частотные характеристики на выбеге и/или пуске агрегата. Текущие данные измерения вибрации необходимо сравнивать с записанными ранее. При сравнении однотипных данных, полученных в разное время, легко зафиксировать любое изменение резонансных частот и амплитуд, которое может указывать на происходящие изменения в системе ротор -- опора -- фундамент.

Весьма важным при приведении мониторинга состояния оборудования может оказаться периодический анализ изменений фазы вибрации на частоте вращения ротора. Фазовое окно должно быть установлено таким образом, чтобы учесть возможные изменения режима. Для установки пределов такого окна может потребоваться накопление статистических данных, т.е. проведение нескольких замеров вибрации.[3]

2.15 Проведение измерений

2.15.1 Подготовка к проведению измерений

При развертывании системы периодического мониторинга оборудования или включении дополнительного агрегата в число диагностируемых по параметрам вибрации необходимо оборудование точек измерения вибрации. Точки измерения обычно назначаются в соответствии с Регламентом предприятия. Требования к оборудованию точек измерений описано ранее.

Механики или операторы цехов (установок, станций) должны иметь карты регистрации уровней вибрации диагностируемого оборудования, содержащие нормируемые уровни вибрации и перечень регистрируемых сопровождающих технологических параметров. Карты регистрации уровней вибрации разрабатываются и распространяются службой Технической диагностики.[3]

2.15.2 Проведение измерений

Диагностические измерения и исследования вибрации оборудования можно условно разделить на следующие виды: контрольные измерения работающего агрегата, специальные диагностические измерения работающего агрегата, а также обследование остановленного агрегата.

Контрольные измерения предназначены для распознавания и прогнозирования технического состояния агрегата с учетом влияния на состояния технологических режимов эксплуатации оборудования. Контрольные измерения в свою очередь можно разделить на текущее контрольное измерение вибрации и полное контрольное измерение вибрации.

Специальные диагностические измерения и обследование остановленного агрегата предназначены для выявления дефектов и причин их возникновения, оценки и прогнозирования степени развития дефектов и разработки Рекомендаций по их устранению.[3]

2.15.3 Текущее контрольное измерение

Задачей текущего контрольного измерения вибрации является:

• определение текущего общего уровня вибрации в контрольных точках;

• сравнения текущего общего уровня вибрации с нормами (уровнями тревог);

• если обнаружено превышение общим уровнем вибрации установленных норм (уровней тревог) или появление тенденции возрастания уровня вибрации (например, более чем 1 мм/с за неделю), необходимо безотлагательное проведение полных контрольных измерений;

Целесообразно проводить контрольные измерения с момента пуска агрегата после ремонта и до остановки агрегата с периодичностью раз в сутки или раз в смену, что должно определяться Регламентом предприятия. Результаты измерений должны регистрироваться в вахтовом журнале или ответственным специалистом, осуществляющим мониторинг.

Для оборудования 4 и 5 категорий число измерительных точек агрегата для текущих контрольных измерений иногда минимизируют, оставив только точку с максимальной вибрацией на каждом подшипниковом узле. Достаточно часто, если проведение полных контрольных измерений не показывает изменения вибросостояния такого оборудования, для текущих контрольных измерений оставляют по одной точке на каждый узел агрегата.

Текущее контрольное измерение позволяет с минимальными трудозатратами обеспечить мониторинг состояния оборудования в период между более дорогими полными контрольными измерениями вибрации и, в большинстве случаев, вовремя обратить внимание на изменение состояния оборудования, если оно происходит.[3]

2.15.4 Полное контрольное измерение вибрации

Задачей полного контрольного измерения вибрации является:

• определение текущего уровня контролируемого параметра вибрации в контрольных точках;

• распознавание состояния оборудования, включающее сравнение текущего уровня контролируемого параметра вибрации с нормами (уровнями тревог);

• предварительная оценка степени опасности повышенной вибрации (связанных с этим обстоятельств) и локализация мест с максимальной вибрацией, если обнаружено превышение уровнем вибрации норм (уровней тревог);

• принятие немедленного решения о допустимости эксплуатации оборудования: если проблема очень серьезна (в зависимости от особенностей Регламента виброизмерений предприятия), возможно проведение частотного анализа и установление общего характера вибрации на месте измерения; при необходимости измеряется вибрация в дополнительных точках;

• регистрация, запоминание и анализ (при необходимости) результатов измерений;

* составление заключения о текущем состоянии агрегата и возможности его дальнейшей эксплуатации (например, неограниченная по времени эксплуатация, ограниченная по времени эксплуатация, эксплуатация недопустима и др.) и, по возможности, определение объема работ по устранению повышенной вибрации (в том случае, если установлено превышение уровнем вибрации норм, и при этом становятся ясными причины повышенной вибрации).

Полное контрольное измерение вибрации должно включать в себя опрос эксплуатационного персонала, при необходимости ознакомление с документацией на оборудование, осмотр агрегата, подготовку виброаппаратуры и проведение измерения вибрации, составление отчетной документации.

Опрос обслуживающего персонала необходим для прояснения следующих вопросов:

если были, то когда и при каких обстоятельствах обнаружены признаки изменения состояния агрегата (в процессе эксплуатации, после проведения капитального или текущего ремонта);

характер изменения параметров вибрации, температуры, условий эксплуатации и др. при этом;

какие приняты меры по обеспечению безопасности агрегата: агрегат остановлен, оставлен в эксплуатации с ограничениями по нагрузке (производительности) и т.д.

Если изменению вибрации предшествовал ремонт агрегата, должны быть рассмотрены монтажные и ремонтные формуляры, отчетные документы и технические акты, имеющие отношение к вибрации. При необходимости рассматриваются также чертежи агрегата. При ознакомлении с документацией необходимо определить соответствие зазоров и натягов в подшипниках, а также параметров центровки рекомендуемым значениям, выяснить изменение амплитуд вибрации во времени и в зависимости от режима работы агрегата. При осмотре агрегата обращают внимание:

вызывает ли что -- либо опасения (необычные шумы или звуки, вибрация трубопроводов, стола фундамента и др.);

имеются ли разливы или потеки технических жидкостей (смазок, охлаждающих) вокруг агрегата или подшипников, замасливание фундамента;

имеются ли нарушения или трещины конструкции;

имеются ли утечки (продуктов);

проверяют соответствие показаний термометров, манометров, вольт-- амперметров и других датчиков рекомендуемым нормам.

Полное контрольное измерение вибрации производятся без вмешательства в режим эксплуатации агрегата и, в основном, ограничивается измерением трех составляющих вибрации в контрольных измерительных точках (как правило, на опорах). Иногда в контрольные измерительные точки включают точки основания (рамы, фундаментных болтов), статора и других частей агрегата, в которых вибрация измеряется только в случае достижения значением параметра вибрации какой --либо из контрольных точек установленного допустимого значения.

Если повышенная вибрация возникает при определенном режиме, то для периодического обследования выбираются два режима: с нормальной и повышенной вибрацией.

В тех случаях, когда вибрация локализуется на одном подшипнике или части фундамента, или консольной части ротора, необходимо произвести измерения в дополнительных точках (например, снятие контурной характеристики вибрации).

Полное контрольное измерение позволяет распознать состояние агрегата, выяснить наиболее вероятные причины вибрации и при необходимости построить последующие работы таким образом, чтобы выделить из группы Вероятных действительную причину.[3]

2.15.5 Специальные диагностические обследования

Если по результатам полного контрольного измерения вибрации агрегата удается однозначно установить причины повышенной вибрации, то составляется программа и производятся специальное диагностическое обследование работающего агрегата. Обычно она включает в себя:

• измерение вибрации всех узлов и частей агрегата, включая всю трубопроводную обвязку, элементы крепления, раму и фундамент, корпуса узлов агрегата;

• выявления зависимости вибрации от изменения режима работы агрегата; ряд режимов агрегата, необходимых для исследования, может выходить за пределы, определенные правилами нормальной эксплуатации; во всех случаях эксперименты по исследованию вибрации связаны с вмешательством в режим работы производства, поэтому программа исследований должна быть согласована с эксплуатационным персоналом и утверждена техническим руководителем предприятия;

• расширенный анализ вибрации с применением всех возможностей аппаратуры (максимизация частотного диапазона и разрешающей способности, анализ кепстров, спектров огибающих, частотных и фазовых характеристик и др.);

Исследования включает опытное определение влияния на вибрацию различных факторов: теплового состояния, крутящего момента, условий охлаждения и т.д. При этом могут проводиться следующие работы:

• снятие частотных характеристик при пуске и останове агрегата; снятие режимных характеристик; снятие контурных характеристик;

• определение собственных частот агрегата и трубопроводов;

• снятие вибрационных характеристик продуктопроводов, аппаратов, маслопроводов и др.

• балансировка роторов в собственных подшипниках и др. Типовые исследование следует минимизировать и проводить в такой последовательности, чтобы по возможности обеспечить проведение всего комплекса намеченных экспериментов за один цикл нагружения и разгружения агрегата.[3]

2.15.6 Обследование остановленного агрегата

При минимальной разборке это обследование обычно ограничивается ревизией подшипников, проверкой центровки узлов агрегата и состояния муфт, осмотром мест возможных задеваний и доступной части роторов.

При ремонте агрегата могут быть проведены также работы по частичной разборке роторов, их всесторонней проверке, включающей ревизию шпоночных соединений и других монтажных сопряжений. По результатам исследований составляется заключение о причинах повышенной вибрации и методах ее устранения.

Следует учесть, что вибрационное обследование не всегда приводит к однозначному определению причины повышенной вибрации, поэтому в заключении по этому обследованию должны быть указаны все возможные причины вибрации, а намечаемый объем ремонтных работ должен предусматривать устранение всех этих причин.

Иногда трудно предвидеть, окажутся ли достаточными намеченные работы по устранению причины повышенной вибрации. Это относится, например, к низкочастотной вибрации, к работам по изменению жесткости опорной системы и т.п. В таких случаях в заключении должна быть оговорена возможность дополнительных мероприятий по устранению вибрации после выполнения и проверки результатов проведенных работ.[3]

2.15.7 Периодичность измерений вибрации

В большинстве случаев период развития механических дефектов агрегата, прежде чем последний окажется в предельном состоянии, достаточен для их обнаружения средствами и методами периодического вибромониторинга. Период развития дефекта зависит от многих факторов (например, от вида износа) и может составлять от нескольких минут или часов (при заедании) до многих месяцев (при абразивном износе). Поэтому интервал периодических измерений вибрации обычно выбирают исходя из перечня контролируемых дефектов и режима эксплуатации оборудования. В большинстве случаев, интервал составляющий 7...30 дней считается достаточными для своевременного распознавания изменения состояния при развитии большинства механических дефектов агрегатов. Однако резкое изменение состояния агрегата иногда может произойти и значительно быстрее, чем за один месяц: это могут быть дни, минуты и даже секунды. Вероятность проведения виброизмерений именно в этот момент невелика, в силу чего для критичного оборудования устанавливают стационарные системы для постоянного вибромониторинга и/или значительно сокращают интервалы между сбором данных. Только стационарная система контроля вибрации может с большой вероятностью исключить аварию. В то же время, при проведении стационарного контроля, данные, собранные с применением систем периодического мониторинга, например, в случае появления проблемы, могут помочь организовать правильную работу оборудования (или персонала) до момента останова агрегата. Такие решения принимаются от случая к случаю по соображениям безопасности и экономическим последствиям различных вероятных исходов.

Различают несколько этапов проведения виброизмерений: после ремонта и монтажа, после завершения процесса приработки, на начальном этапе эксплуатации, в процессе эксплуатации, после нарушений технологического режима, после изменения состояния агрегата и перед остановкой агрегата на ремонт.[3]

2.15.8 Виброизмерения после ремонта и монтажа

В процессе после ремонтных испытаний агрегата или сразу же после выхода агрегата на рабочий технологический режим проводят полные контрольные измерения с целью оценки качества проведения ремонта и распознавания состояния агрегата по параметрам вибрации. В этот период рекомендуется у оборудования 1 и 2 категорий регистрировать собственные частоты. В случае некачественно проведенного ремонта, при оценке состояния агрегата "требует принятия мер" агрегат следует остановить для проведения повторного ремонта. В базе данных ЭВМ необходимо описать проведенный ремонт.[3]

2.15.9 Виброизмерения после завершения процесса приработки

Полные контрольные измерения проводятся спустя 3...5 суток после выхода агрегата на технологический режим. Если текущие уровни вибрации в контрольных точках ниже уровней "нормального" состояния, то агрегат принимается в эксплуатацию. В этот период оптимально минимизировать число точек для проведения текущих контрольных измерений. Уровни и спектры вибрации, зарегистрированные на этом этапе следует принимать в качестве опорных (эталонных). Если текущий уровень вибрации одной из точек выше уровня вибрации "нормального" состояния, то необходимо провести диагностику и составить заключение о техническом состоянии, с указанием возможных дефектов и путей их устранения.[3]

2.15.10 Виброизмерения на начальном этапе эксплуатации и выходе агрегата на номинальный технологический режим

В этот период следует провести несколько (3...5) полных контрольных измерений с периодичностью 1...2 недели. Если текущий уровень вибрации остается ниже уровня "нормального" состояния, агрегат оставляю т в эксплуатации.[3]

2.15.11 Виброизмерения в процессе эксплуатации

Периодичность измерений в процессе эксплуатации обычно устанавливают исходя из состояния агрегата и характера трендов вибрации.

Если уровень вибрации ниже уровня "средне-нормальной" вибрации и тренд вибрации не имеет тенденции к возрастанию, например, для СКЗ виброскорости 1 мм/с в неделю, то полные контрольные измерения вибрации проводят с максимальным интервалом не более 3-х месяцев.

Если текущий уровень вибрации выше уровня "нормального" состояния, но не достиг уровня состояния "еще допустимо", то допускается (только если проводятся текущие контрольные измерения) производить полные контрольные измерения также с интервалом в 1...3 месяца, а уровня "требует принятия мер" не реже одного раза в месяц.

Если текущая вибрация достигла уровня "требует принятия мер", то необходимо производить полные контрольные измерения не реже раза в неделю и, по возможности, планировать ремонт.[3]

2.15.12 Виброизмерения после нарушений технологического режима

Если агрегат останавливали, даже без разборки, или происходили нештатные изменения технологического режима, которые могли повлиять на техническое состояние агрегата, то следует провести полные контрольные измерения вибрации.[3]

2.15.13 Виброизмерения перед плановой остановкой на ремонт

Перед плановой остановкой агрегата на ремонт за несколько дней, чем меньше, тем лучше, следует провести полные контрольные измерения с пометкой "перед ремонтом". Это поможет в дальнейшем достоверно оценить качество проведенного ремонта.[3]

2.16 Методика нормирования вибрации и распознавания технического состояния оборудования

Мониторинг технического состояния оборудования, основанный на вибродиагностике, практикуется в различных отраслях промышленности несколько десятилетий. При этом используются многочисленные стандарты, в основе которых лежит нормирование вибрации в зависимости от мощности агрегата, массы и/или определенных частот вращения ротора агрегата, а также высоты оси вращения ротора и др. Поскольку методы ведения вибромониторинга постоянно совершенствуются, происходит периодическое изменение этих стандартов и их приложений.

В общем случае оценка состояния агрегата должна проводиться путем совместного учета всех вредных последствий, вызываемых вибрацией. Однако, в силу недостаточной изученности многих вопросов динамики машин, теоретически строгий вывод общего критерия оценки вибрации и сложность его использования для практического применения делают задачу труднореализуемой. При разработке норм эксплуатационного контроля вибрации в качестве критерия обычно используют один из кинематических параметров (виброускорение, виброскорость или виброперемещение), по которому оценивают техническое состояние агрегата.

Основная цель эксплуатационных норм вибрации оборудования -- контроль его технического состояния в процессе эксплуатации, т.е. решение диагностической задачи: создание таких условий эксплуатации, при которых была бы создана возможность своевременного обнаружения любых, даже незначительных повреждений или ненормальностей, т.е. обнаружения повреждений на начальной стадии их возникновения (развивающихся дефектов). Решение этой задачи требует обеспечения минимального уровня вибрации агрегата.

Проблема нормирования вибрации включает решение четырех взаимоувязанных задач нормирования вибрации: опор подшипников, роторов, статоров (корпусов) и фундаментов и трубопроводных обвязок.

Разнообразие методов и критериев оценки состояния оборудования затрудняет сравнение различных отраслевых Руководящих документов и Стандартов. Весьма характерно, что даже на родственных предприятиях (например, однотипных установках различных НПЗ) специалисты по вибродиагностике нередко применяют для однотипных агрегатов различные критерии для контроля вибрации, не говоря уж об отсутствии близких по величине норм. В некоторых случаях это свидетельствует о том, что существующие отраслевые Руководящие документы и Стандарты не отвечают требованиям специалистов по вибродиагностике промышленных предприятий и последние вынуждены самостоятельно, исходя из накопленного опыта, устанавливать критерии и нормы, соответствующие требованиям конкретного оборудования, и оптимизировать их по мере накопления опыта.

В частности не существует также единственного набора критериев оценки технического состояния, подходящего не только для класса оборудования (например, для класса центробежных агрегатов: для центробежных компрессоров или для центробежных насосов, или центробежных вентиляторов со сходными мощностными характеристиками и сходной частотой вращения), но и даже для типа и типоразмера (например, для вентиляторов: воздуходувок одного типа или дымососов одного типа). Другими словами, из--за различий в конструкции, ТО и условиях эксплуатации каждый агрегат имеет свои собственные, несколько отличные от других, критерии и нормы оценки технического состояния.

Успех любой системы вибромониторинга в основном зависит от методов оценки состояния агрегата, т.е. способов определения допустимых значений (норм) вибрации и параметров анализа вибрации, интегрированных в анализирующее программное обеспечение пользователя. Главные алгоритмы оценки состояния оборудования продаваемого на рынке программного обеспечения обеспечивают распознавание состояния по общему уровню вибрации, по вибрации в сравнительно узкой полосе частот или по огибающей спектра.[3]

2.16.1 Оценка состояния по общему уровню вибрации

Разработанные международные (FDJ 2056, ISO 2372, ISO 3945 и др.) и Российские стандарты и нормативно-методические рекомендации на предельные уровни вибрации основаны на допущении, что подобные по мощности, высоте оси вращения и частоте вращения ротора, способам установки, условиям монтажа и эксплуатации агрегаты имеют примерно одинаковые допустимые значения вибрации при достижении предельного состояния. При оценке вибрации агрегатов с вращающимся ротором в качестве нормируемых параметров в большинстве случаев устанавливается один из следующих:

• среднеквадратическое значение виброскорости, Ve [мм/с];

• среднеквадратическое значение виброскорости в октавной полосе частот, включающей в себя частоту вращения ротора, Veo [мм/с];

• среднеквадратическое значение виброскорости на элементах крепления агрегата к фундаменту на месте установки, Vеф [мм/с];

• пиковое значение (размах) виброперемещения, S3 [мкм].

Так, например, в соответствии с одним из стандартов России оценка интенсивности вибрации при приемо-сдаточных, периодических, квалификационных, типовых и приемочных испытаниях машин электрических с частотой вращения ротора 3000 об/мин и массой ротора до 2000 кг должна соответствовать величинам, указанным в таблице 1.

Таблица 2.1

Нормируемые параметры вибрации	Срок эксплуатации не ограничен	Ограниченный срок эксплуатации	Эксплуатация недопустима
СКЗ виброскорости Ve, мм/с	до 4,5	4,5...7,1	свыше 7,1
СКЗ виброскорости Veo, мм/с	до 3,3	3,3...5,2	свыше 5,2
СКЗ виброскорости Vеф, мм/с	-	-	свыше 2,0

Другой стандарт на машины электрические вращающиеся (методы измерения и допустимые значения) при приемо-сдаточных, периодических, квалификационных, типовых и приемочных испытаниях регламентирует определять:

• для электрических машин с частотой вращения 600 об/мин и выше среднее квадратическое значение виброскорости опор подшипников,

• для электрических машин с частотой вращения менее 600 об/мин пиковое значение виброперемещения, допустимые значения которых приведены в таблице 2.

Таблица 2.2

Частота вращения, об/мин	Среднее квадратическое значение виброскорости ve, мм/с
	Способ установки
	Упругая подвеска	Жесткое закрепление
От 600 до 1800	2,8	2,8
Свыше 1800 до 3600	4,5	2,8
Для осевой составляющей вибрации подшипников, не являющихся упорными	4,5	4,5
Допустимое значение виброскорости сердечника статора	4,5	4,5
	Пиковое значение виброперемещения опор подшипников, S3 мкм
Менее 600	50	50

Практически в каждой отрасли разработаны и применяются собственные нормативно -- методические рекомендации. Например, Методические рекомендации по проведению диагностических виброизмерений центробежных компрессорных машин и центробежных насосных агрегатов предприятий Министерства химической и нефтеперерабатывающей промышленности (РДИ, утверждены 28.11.91), рекомендуемые в качестве методического документа для руководства при организации вибродиагностики на поднадзорных предприятиях Государственным комитетом по надзору за безопасным ведением работ в промышленности и горному надзору (Госгортехнадзор России, письмо No 04 -- 35/54 от 20.05.92) предписывают оценку технического состояния узлов ЦКМ по интенсивности абсолютной вибрации корпусов подшипников (Центробежные компрессорные агрегаты, нормы вибрации) определять в соответствии с таблицей 2.3.

Таблица 2.3

Интенсивность вибрации, СКЗ виброскорости (мм/с)	Оценка технического состояния
	Паропривод	Электропривод	Мультипликатор	Компрессор
до 1,8	Отлично	Отлично	Отлично	Отлично
св. 1,8 до 2,8	Хорошо			Хорошо
св.2,8 до 4,5	Допустимо	Хорошо	Хорошо	Допустимо
св.4,5 до 7.1	Требует принятия мер	Допустимо	Допустимо
св.7,1 до 11,2	Недопустимо	Требует принятия мер	Требует принятия мер	Требует принятия мер
свыше 11,2		Недопустимо	Недопустимо	Недопустимо

"Отлично", "Хорошо" -- оценка качества ремонта, допустимо при приемных испытаниях после ремонта; "Допустимо" -- бездефектное эксплуатационное состояние; "Требует принятия мер" -- необходимость проведения мероприятий по обнаружению дефекта, усилению контроля, планомерному выводу в ремонт; "Недопустимо" -- эксплуатация не допускается.

Оценка состояния оборудования по пиковому или среднеквадратическому значению виброскорости (виброперемещения) во всем частотном диапазоне измерений имеет три существенных недостатка:

• никак не могут быть учтены вибрационные проявления технологических и режимных отклонений при эксплуатации оборудования;

• уровень вибрации обычно определяется в фиксированной полосе частот (для большинства виброметров в полосе от 10 Гц до 1 кГц), что, иногда, в принципе не может обеспечить достаточно высокую степень чувствительности параметра на начальной стадии развития дефекта.

* допустимые (предельные) значения вибрации обычно определяются на основе статистического анализа вибросостояния групп оборудования или однотипных агрегатов при нормальных эксплуатационных условиях и установлены одинаковыми для всего класса подобных агрегатов, в то время как имеются экспериментальные данные о том, что одинаковые дефекты даже на однотипных машинах могут возбуждать на корпусе и подшипниках вибрации, уровни которых могут различаться в 100 раз (40 дБ), за счет различия значений конструкционных передаточных функций.

Однако, самым важным недостатком оценки состояния оборудования по общему уровню вибрации является то, что он практически нечувствителен к изменениям сравнительно низкоуровневых частотных составляющих (составляющих с малыми энергиями в колебательном процессе) вибросигнала, характерных, например, для ряда зарождающихся и развивающихся дефектов подшипников качения, зубчатых передач, электрических и ряда других дефектов.

Рис. 2.13. Тренд СКЗ виброскорости в вертикальном направлении подшипника электродвигателя в частотном диапазоне 10... 1000 Гц.

Если оценка состояния агрегата по общему уровню вибрации нацелена на детектирование высокоэнергетических развитых дефектов, таких как нарушение центровки или дисбаланс, значительные изменения уровня вибрации на частотах с низкими уровнями будут недостаточны для "срабатывания тревоги" по общему уровню.

В качестве иллюстрации к вышеизложенному можно привести такой пример: на рис. 2.13. показан тренд вертикального компонента вибрации опоры ЭД в продолжение семи месяцев эксплуатации и нанесены допустимые значения в соответствии с одним из Государственных стандартов. При таком СКЗ виброскорости срок эксплуатации агрегата не ограничивается.

Однако, если рассмотреть динамику изменения спектров вибрации этой же опоры ЭД (см. рис. 2.14) с течением времени, то можно отметить, что несмотря на некоторое уменьшение уровня вибрации, на частотах 50 и 100 Гц, вероятно вызываемой расцентровкой узлов агрегата, произошло существенное увеличение виброскорости (примерно в 10 и более раз) на некоторых частотных составляющих в полосе частот 200...600 Гц в период с 16.01.94 по 1.03.94, т.е. в продолжение всего 45 дней. Таким образом, очевидно быстрое развитие дефекта подшипника качения, т.е. необходимо принимать меры по тщательному наблюдению за данным агрегатом и, возможно, планировать его вывод в ремонт.

Рис. 2.14. Спектры виброскорости в вертикальном направлении подшипника ЭД в продолжение семи месяцев.

На рис. 2.15. показано изменение общего уровня вибрации и вибрации в частотной полосе 6... 10 fr в течение семи месяцев эксплуатации и нанесены допустимые значения вибрации в соответствии с общепринятыми стандартами.

Также нежелательно определение состояния агрегата только по уровню вибрации настроенному на "низкоуровневые" дефекты, такие, как ряд дефектов подшипников качения или дефектов зубчатых муфт, поскольку, например, неопасное (незначительное) увеличение дисбаланса может вызывать необоснованное "срабатывание тревоги". По этим причинам, большинство опытных специалистов по вибродиагностике используют оценку состояния агрегата по общему уровню вибрации только для дополнения более чувствительных способов оценки состояния.

Рис. 2.15. Тренды СКЗ виброскорости опори подшипника ЭД в частотных полосах 10... 1000 и 250...500 Гц.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о невысокой степени достоверности распознавания состояния агрегатов только по общему уровню вибрации.

При использовании современных цифровых виброанализаторов и ЭВМ возможен мониторинг состояния оборудования по уровню вибрации в частотной полосе произвольно заданной ширины и установки индивидуальных допустимых значений вибрации для каждой измерительной точки конкретного агрегата.

Таким образом недостатки, изложенные выше, казалось бы можно исключить, особенно если наблюдается возрастание уровня вибрации от измерения к измерению.[3]

2.16.2 Оценка состояния по огибающей спектра вибрации

Этот метод определения состояния агрегата основан на диаметрально противоположном (по сравнению с определением по допустимым значениям общего уровня вибрации) способе сравнения текущих параметров вибросигнала с допустимыми значениями: уровень вибрации на каждой частотной составляющей текущего спектра вибрации сравнивается с уровнем соответствующей составляющей "опорного" ("эталонного") спектра. В качестве опорного (эталонного) спектра обычно выбирается огибающая, совпадающая, например, с линиями 400 -- линейного частотного спектра. Опорный (эталонный) спектр можно построить двумя способами: подвергнуть статистической обработке ряд измерений или принять в качестве эталона послеремонтный "хороший" спектр (или предыдущий текущему спектр).

Учет пожеланий специалиста в формировании эталонного спектра для конкретного случая в продаваемых на рынке готовых программных пакетах во многих случаях весьма ограничен. По этой причине при оценке состояния оборудования с применением анализа изменения огибающей спектра иногда появляются необоснованные "срабатывания" тревоги, преимущественно потому, что вибрация оборудования с вращающимся ротором обычно немного флуктуирует по частоте и амплитуде относительно определенной линии спектра с четкой границей.

Флуктуация по частоте: совершенно постоянная частота вращения ротора агрегата труднодостижима. Небольшие ее флуктуации, вызываемые изменением нагрузки, частоты сети и др. (2...8% fr у асинхронных и до 1% fr у синхронных электрических машин), часто приводят к ощутимому сдвигу первой и высших гармоник частоты вращения ротора в текущем спектре (частот спектральных линий) относительно эталонного. Например, при уменьшении частоты вращения ротора асинхронного электродвигателя (fr = 2950 об/мин) насосного агрегата с 7 лопатками на рабочем колесе насоса на 0,5 Гц (примерно 1%) ведет к уменьшению лопаточной частоты на 3,5 Гц, а в зубчатой передаче с 47 зубьями на ведущем колесе -- на 23,5 Гц. Это может привести превышению допустимых значений опорного спектра и ложному появлению сигнала об изменении состояния оборудования.

Флуктуация по амплитуде: это явление означает практически постоянное присутствие апериодических скачкообразных изменений амплитуд вибрации. Значения, как общего уровня, так и отдельных частотных составляющих вибрации часто демонстрируют небольшую флуктуацию во времени вокруг некоторой величины, затем без явной причины происходит резкий переход к новым величинам с новыми флуктуациями. Эти изменения легко наблюдать при мониторинге вибрации в высокочастотной области спектра, особенно они характерны для "промежуточных" частот. Хотя амплитудные флуктуации во многих случаях могут быть небольшие, их апериодический и "неслучайный" характер приводит к ложному "срабатыванию" тревоги.

К самым существенным недостаткам мониторинга по огибающей спектра вибрации можно также отнести отсутствие исходных данных на начальном этапе мониторинга при организации обследований новых и модифицированных агрегатов или при отклонении эксплуатационных режимов.

По этим причинам, оценка состояния по огибающим спектра считается, в лучшем случае, относительно надежным и достоверным методом анализа.[3]

2.16.3 Оценка состояния по значениям параметра в частотных полосах

Этот метод распознавания состояния оборудования является компромиссным между оценкой состояния оборудования по общему уровню вибрации и по огибающей спектра, а точнее частным случаем оценки состояния по огибающей спектра, поскольку дает возможность произвольно устанавливать положение, ширину частотной полосы и допустимое значение параметра (критерия) который сравнивается с текущим значениями и далее строить тренды параметра в этой полосе, давая возможность пользователю оценивать и прогнозировать состояние оборудования. Количество частотных полос обычно составляет 6... 18.

Ряд методов вибродиагностики основан на том, что определенные механические дефекты по мере развития генерируют вибрацию в определенных частотных полосах с определенным соотношением величин параметров. Например, рассматривая амплитуды определенных гармоник кепстра, полученного в определенном частотном диапазоне спектра, можно легко установить глубину модуляции высокочастотной вибрации, которая определяется степенью износа ряда деталей и узлов агрегата. Другой пример -- достаточно интенсивная вибрация на лопаточной частоте насоса говорит о нарушении гидродинамики потока, на дробных гармониках частоты вращения ротора о нарушениях жесткости и т.д. Таким образом производя разбиение частотного диапазона измерений на сравнительно узкие, возможно перекрывающиеся частотные полосы и применяя индивидуальные для каждой полосы допустимые значения и критерии (см. рис. 2.16.) можно распознавать появление ряда зарождающихся дефектов.

Рис. 2.16. Спектр виброскорости, разделенный на 7 частотных полос с индивидуальными допустимыми значениями.

Индивидуальные допустимые значения в частотных полосах могут быть установлены как для "высокоэнергетических" составляющих колебательного процесса, сопровождающих дисбаланс или расцентровку (обычно диапазоны 0.5...1.5 fr и 1.5...2.5 fr), так и для сравнительно "низкоэнергетических" составляющих колебательного процесса, сопровождающих дефекты подшипника качения (обычно диапазон 7,5...15,5 fr). Другие полосы могут быть размещены для предупреждения о нарушениях жесткости (обычно диапазон 2,5...10,5 fr), "масляных" дефектов подшипников скольжения (диапазон 0,1...0,9 fr), зубчатых муфт и зубчатых передач, электрических дефектов электроприводов и др. В общем случае, распознавание состояния по частотным полосам является (как модифицированный метод оценки состояния оборудования по огибающей спектра) наиболее точным и надежным среди других, поскольку обладает рядом достоинств метода огибающей и лишен некоторых ее недостатков.

Перед приобретением того или иного пакета программ по вибромониторингу необходимо тщательно изучить его возможности, поскольку многие программные пакеты не содержат возможности установки допустимых значений по выбранной частотной полосе.

Использование современных компьютерных систем мониторинга технического состояния оборудования (например, пакет "MasterTrend" фирмы CSI, США) предполагает индивидуальный подход к каждому агрегату, паспортизацию его исходного или среднего работоспособного состояния и отслеживание изменений его состояния во времени на основе проведения периодических замеров технических параметров, что обеспечивает высокую чувствительность системы мониторинга к изменению состояния оборудования. С другой стороны чувствительность системы мониторинга повышается за счет возможности расчета, отслеживания и прогнозирования трендов различных параметров: вибрации, динамического давления или температуры и пр.

Подобный подход предусматривает отказ от стандартных допустимых значений и возможность определения индивидуальных критериев состояния оборудования вплоть до каждой измерительной точки каждого агрегата.