ISO 20816-8 Предельные значения вибрации для поршневых компрессоров

Что такое ISO 20816-8 и почему это важно для поршневых компрессоров?

ISO 20816-8 — это международный стандарт, определяющий критерии оценки интенсивности вибрации специально для поршневых компрессоров, в том числе для компрессоров технологического газа, воздуха и холодильных компрессоров. В нем установлены четыре зоны вибрации (A, B, C, D) на основе измеренной среднеквадратичной скорости в мм/с, что помогает инженерам определить, работает ли компрессор в допустимых пределах или требует принятия корректирующих мер.

Поршневые компрессоры принципиально отличаются от роторных машин, таких как центробежные или осевые компрессоры. Поршнево-кривошипный механизм и пульсирующие газовые нагрузки, присущие поршневым конструкциям, приводят к значительно более высоким уровням вибрации при нормальной работе. Именно поэтому стандарт ISO 20816-8 существует как отдельная часть серии стандартов ISO 20816 — применение предельных значений из стандартов для ротационных машин (таких как ISO 20816-3) к поршневым компрессорам привело бы к вводящим в заблуждение и чрезмерно консервативным оценкам.

Область применения ISO 20816-8 конкретна: он относится к системам поршневых компрессоров, установленным на жёстких фундаментах, с типичными рабочими скоростями от 120 r/min до 1800 r/min. Вращательная и крутильная вибрация валов, а также вибрация приводов (электродвигателей, двигателей внутреннего сгорания) и приводимого вспомогательного оборудования выходят за пределы его области применения и должны оцениваться по другим применимым стандартам для этих типов машин.

Пределы вибрации — поршневые компрессоры Бесплатный онлайн-инструмент из этого набора инженерных инструментов реализует классификацию зон по стандарту ISO 20816-8 в виде браузерного калькулятора. Инженеры могут ввести измеренную скорость колебаний, выбрать тип компрессора и тип фундамента и мгновенно получить информацию о соответствующей зоне вибрации вместе с рекомендациями по эксплуатации — без необходимости использования таблиц или ручного поиска данных в таблицах.

Каковы границы зон вибрации по стандарту ISO 20816-8 для жестких фундаментов?

Для поршневых компрессоров, установленных на жестких бетонных или стальных фундаментах, непосредственно соединенных с конструкцией здания, стандарт ISO 20816-8 определяет три границы зон: A/B при 7,1 мм/с (среднеквадратичное значение), B/C при 14,0 мм/с (среднеквадратичное значение) и C/D при 28,0 мм/с (среднеквадратичное значение). Зона A соответствует вновь введенному в эксплуатацию оборудованию или оборудованию в отличном состоянии, тогда как зона D указывает на вибрацию, достаточно сильную, чтобы вызвать повреждения.

Граница зоны	Предельное значение скорости (мм/с, среднеквадратичное значение)	Эксплуатационная интерпретация
A/B	7.1	Переход от категории «только что введенный в эксплуатацию» (отлично) к категории «пригоден для долгосрочной эксплуатации»
B/C	14.0	Переход от режима «допустимой эксплуатации» к режиму «ограниченной эксплуатации» — рекомендовано провести расследование
C/D	28.0	Переход из режима «ограниченный» в режим «опасный» — при продолжении работы существует риск повреждения

Жесткие фундаменты являются наиболее распространённым способом установки крупных компрессоров технологического газа на нефтеперерабатывающих и химических заводах. Масса и жёсткость фундамента ограничивают перемещения каркаса, поэтому границы зон здесь ниже, чем при гибкой (пружинной) установке. Например, показатель 12 мм/с (среднеквадратичное значение) на компрессоре технологического газа с жёстким фундаментом попадает в зону B, что является допустимым для бесперебойной долгосрочной эксплуатации.

Охватывает ли ISO 20816-8 гибкие (пружинно-изолированные) фундаменты?

Нет — ISO 20816-8 применяется к поршневым компрессорам, установленным на жёстких фундаментах, и не определяет отдельную таблицу зон для гибких (пружинно-изолированных) установок. Для машин на пружинной изоляции инструмент предлагает необязательные инженерные ориентиры: граница A/B на 9.0 mm/s RMS, B/C на 18.0 mm/s RMS и C/D на 36.0 mm/s RMS, экстраполированные из значений для жёсткого фундамента, чтобы учесть дополнительное движение рамы, допускаемое пружинной изоляцией. Эти ориентиры не входят в ISO 20816-8, и оценку по ним нельзя представлять как классификацию зон ISO 20816-8.

Граница зоны	Жёсткий фундамент — ISO 20816-8 (mm/s RMS)	Гибкий фундамент — экстраполированные ориентиры, отсутствующие в ISO 20816-8 (mm/s RMS)	Коэффициент увеличения
A/B	7.1	9.0	×1,27
B/C	14.0	18.0	×1,29
C/D	28.0	36.0	×1,29

Установки с пружинной изоляцией широко применяются для воздушных и холодильных компрессоров в зданиях, где необходимо свести к минимуму передачу вибрации на конструкцию здания. Гибкое основание позволяет раме компрессора более свободно перемещаться на низких частотах, поглощая силы инерции, а не передавая их. Инженеры должны правильно определить тип основания перед использованием Пределы вибрации — поршневые компрессоры инструмент; выбор неправильного типа фундамента может сместить классификацию на целую зону и привести к неверным решениям по обслуживанию. Имейте в виду, что только оценка для жёсткого фундамента является подлинной классификацией по ISO 20816-8 — вариант для гибкого фундамента использует описанные выше экстраполированные ориентиры, которые находятся вне области действия стандарта.

Как предельные значения вибрации поршневых компрессоров соотносятся с предельными значениями для вращающихся машин?

Для поршневых компрессоров допустимые уровни вибрации значительно выше, чем для вращающихся машин. Верхний предел зоны A для поршневых компрессоров на жёстких фундаментах составляет 7.1 mm/s RMS — примерно в пять раз выше границы A/B 1.4 mm/s RMS для вращающейся машины среднего размера (ISO 20816-3, ранее ISO 10816-3, Группа 2 на жёсткой опоре). Такая разница существует потому, что возвратно-поступательный механизм по своей природе создаёт более высокую вибрацию, считающуюся нормальной работой.

Параметр	Поршневые компрессоры (ISO 20816-8, жесткие)	Вращающиеся машины (ISO 20816-3, Группа 2, жёсткая опора)	Коэффициент
Граница зон A и B	7,1 мм/с (среднеквадратичное значение)	1,4 мм/с RMS	5,1×
Граница зон B и C	14,0 мм/с (среднеквадратичное значение)	2,8 мм/с (среднеквадратичное значение)	5,0×
Граница зон C и D	28,0 мм/с (среднеквадратичное значение)	4,5 мм/с RMS	6,2×
Основной источник вибрации	Силы инерции поршня и коленчатого вала, пульсации газа	Дисбаланс ротора, несоосность	—
Состав доминантных частот	1-й, 2-й и более высокие порядки скорости движения	Преимущественно на частоте вращения 1×	—

Это сравнение подчеркивает важнейший инженерный принцип: предельные значения вибрации зависят от конкретного типа оборудования. Применение предельных значений, установленных для вращающихся машин, к поршневому компрессору привело бы к тому, что практически каждая установка была бы отмечена как имеющая чрезмерную вибрацию, что вызвало бы ненужные остановки и привело бы к напрасной трате ресурсов на техническое обслуживание. И наоборот, применение предельных значений, установленных для поршневых компрессоров, к центробежному компрессору может привести к тому, что действительно опасная вибрация останется незамеченной. Пределы вибрации — поршневые компрессоры Этот инструмент обеспечивает автоматическое применение нужного стандарта в зависимости от выбранного пользователем оборудования.

Что означают четыре зоны вибрации (A, B, C, D) в стандарте ISO 20816-8?

Четыре зоны, определенные в стандарте ISO 20816-8, позволяют классифицировать интенсивность вибрации по категориям, требующим принятия мер: зона A соответствует отличному состоянию, характерному для вновь введенных в эксплуатацию машин; зона B указывает на приемлемый режим длительной эксплуатации; зона C означает, что интенсивность вибрации достигла уровней, требующих проведения расследования и ограничения эксплуатации; а зона D сигнализирует о непосредственной угрозе повреждения, требующей немедленных действий.

Зона А — Уровни вибрации, характерные для вновь введенных в эксплуатацию или недавно отремонтированных поршневых компрессоров. Никаких действий не требуется. Это базовый показатель для приемочных испытаний.
Зона B — Уровни вибрации, допустимые для длительной эксплуатации без ограничений. Большинство компрессоров, находящихся в эксплуатации, работают в пределах этой зоны. Мониторинг следует продолжать с обычной периодичностью.
Зона C — Уровни вибрации, недопустимые для продолжительной эксплуатации. Компрессор может работать в течение ограниченного периода времени, пока планируются меры по устранению неисправности, однако расследование первопричины следует начать немедленно. К числу распространенных причин относятся изношенные направляющие крейцкопфа, ослабленные болты фундамента или резонанс, вызванный пульсациями газа.
Зона D — Уровень вибрации настолько высок, что может привести к быстрому повреждению компрессора, трубопроводов или фундамента. Рекомендуется немедленно остановить установку или снизить нагрузку. Продолжение работы в зоне D сопряжено с риском катастрофического выхода из строя подшипников, коленчатого вала или элементов, находящихся под давлением.

Зональная система обеспечивает универсальную основу для взаимодействия между подразделениями, занимающимися эксплуатацией, техническим обслуживанием и обеспечением надежности. Вместо того чтобы спорить о том, является ли конкретный показатель вибрации «высоким» или «низким», специалисты могут опираться на классификацию зон, предусмотренную стандартом ISO 20816-8, для принятия единообразных решений в отношении различных типов компрессоров и установок.

Какие типы компрессоров охватывает стандарт ISO 20816-8?

ISO 20816-8 охватывает все основные категории поршневых компрессоров: компрессоры технологического газа, используемые на НПЗ и химических предприятиях, промышленные воздушные компрессоры для заводских нужд и холодильные компрессоры, применяемые в HVAC и промышленных системах охлаждения. Одна и та же структура границ зон ISO 20816-8 применяется ко всем трём типам при установке на жёстких фундаментах; для пружинно-изолированных установок инструмент использует описанные выше экстраполированные не-ISO ориентиры.

Компрессоры для технологического газа — Как правило, это крупные многоступенчатые машины с низкой частотой вращения (300–600 об/мин), предназначенные для работы с водородом, природным газом, этиленом и другими технологическими газами. Обычно они устанавливаются на жестких железобетонных фундаментах. Эти машины относятся к категории оборудования с наибольшей степенью опасности в связи с использованием горючих или токсичных веществ.
Воздушные компрессоры — Поршневые воздушные компрессоры средней и большой мощности (обычно 500–1800 об/мин), используемые для подачи воздуха на производственные объекты. В зависимости от требований к монтажу они часто устанавливаются на жестких или гибких фундаментах. Проблемы с вибрацией воздушных компрессоров часто возникают из-за износа клапанов или неисправности разгрузочного клапана.
Холодильные компрессоры — Поршневые компрессоры с открытым приводом или полугерметичные поршневые компрессоры, применяемые в аммиачных холодильных установках, промышленных чиллерах и холодильных складах. Они могут работать на более высоких оборотах (900–1750 об/мин) и часто оснащаются пружинной изоляцией для минимизации передачи шума и вибрации в жилые помещения.

Пределы вибрации — поршневые компрессоры инструмент поддерживает все три типа компрессоров с соответствующими значениями быстрых предустановок. Например, он включает предустановки 12 mm/s для компрессора технологического газа на жёстком фундаменте (зона B), 20 mm/s для воздушного компрессора (зона C на жёстком фундаменте; также зона C по ориентировочным значениям для гибкого фундамента) и 8 mm/s для холодильного компрессора (зона B на жёстком фундаменте; зона A по ориентировочным значениям для гибкого фундамента).

Почему вибрация трубопроводов, вызванная пульсациями, не рассматривается в стандарте ISO 20816-8?

Стандарт ISO 20816-8 касается исключительно вибрации рамы и корпуса подшипников самого компрессора. Вибрацию трубопроводов, вызванную пульсациями, — которая зачастую является наиболее серьезной проблемой при эксплуатации поршневых компрессоров — необходимо оценивать отдельно с использованием таких стандартов, как «Руководство Института энергетики по предотвращению усталостных разрушений технологических трубопроводов, вызванных вибрацией» или требования к расчету пульсаций, изложенные в стандарте API 618.

Поршневые компрессоры создают пульсации давления газа с частотой, кратной рабочей частоте вращения и количеству цилиндров. Эти пульсации распространяются по подключенной трубопроводной системе и могут вызывать резонанс на собственных частотах пролетов трубопроводов, соединений малого диаметра и измерительных трубопроводов. Согласно опросу, проведенному Институтом энергетики в 2019 году, усталостная вибрация трубопроводов является причиной примерно 20 % всех утечек углеводородов в нефтегазовой отрасли на этапе добычи, что делает ее одной из основных причин инцидентов, связанных с потерей герметичности.

Это различие имеет важное значение: вибрация корпуса компрессора может находиться в допустимых пределах (зона A или B согласно ISO 20816-8), в то же время вибрация трубопроводов может быть настолько сильной, что приведет к усталостному разрушению уже через несколько недель. Инженеры, проводящие оценку вибрации установок поршневых компрессоров, должны всегда оценивать как вибрацию корпуса компрессора в соответствии с ISO 20816-8, так и связанную с ней вибрацию трубопроводов в соответствии с применимыми стандартами по вибрации трубопроводов.

Как пользоваться бесплатным онлайн-инструментом для оценки вибрации по стандарту ISO 20816-8?

Пределы вибрации — поршневые компрессоры бесплатный онлайн-инструмент требует три входных параметра: тип компрессора (технологический газ, воздух или холодильный), тип фундамента (жёсткий или гибкий) и измеренную скорость вибрации в mm/s RMS. Инструмент мгновенно возвращает применимую зону вибрации, значения границ зон и эксплуатационную рекомендацию — на основе критериев ISO 20816-8 для жёстких фундаментов или экстраполированных ориентировочных значений самого инструмента для гибких фундаментов.

Выберите тип компрессора — Выберите один из следующих типов: компрессор для технологического газа, воздушный компрессор или холодильный компрессор. Хотя границы зон в настоящее время одинаковы для всех трех типов, этот выбор позволяет адаптировать текст рекомендаций к конкретному контексту и обеспечивает возможность будущих изменений стандарта, в которых может быть предусмотрено различие по типу компрессора.
Выберите тип фундамента — выберите жёсткий фундамент или гибкий (пружинно-изолированный). Этот выбор определяет, какой набор зональных границ применяется; обратите внимание, что только границы для жёсткого фундамента взяты из ISO 20816-8, тогда как гибкий вариант использует экстраполированные не-ISO ориентиры инструмента. Если вы не уверены, осмотрите монтаж компрессора: у жёстких фундаментов рама напрямую закреплена болтами к бетону или стали; у гибких фундаментов между рамой и опорной конструкцией видны пружинные или резиновые изолирующие элементы.
Введите измеренную скорость — Укажите среднеквадратичную скорость общего колебания в мм/с, измеренную на корпусе компрессора или корпусе подшипника. Измерения следует производить в направлении максимального колебания, как правило, в горизонтальном направлении, перпендикулярном оси коленчатого вала.
Результаты проверки — Инструмент отображает индикатор зоны с цветовой маркировкой (A = зеленый, B = желтый, C = оранжевый, D = красный), значение измерения относительно границ зоны, а также конкретную рекомендацию по эксплуатации.

Для типичных сценариев предусмотрены готовые настройки: технологический компрессор на жестком основании со скоростью 12 мм/с, воздушный компрессор со скоростью 20 мм/с и холодильный компрессор со скоростью 8 мм/с. Эти настройки позволяют инженерам быстро ознакомиться с функциональными возможностями инструмента и понять принцип классификации зон, прежде чем вводить собственные данные измерений.

Какие методы измерения рекомендуется использовать при проведении оценок в соответствии с ISO 20816-8?

Для оценок по ISO 20816-8 требуются измерения скорости вибрации в mm/s RMS, выполненные на раме компрессора или корпусах коренных подшипников. Измерения следует проводить в установившемся рабочем режиме по всем трём осям (горизонтальной, вертикальной, осевой), используя для классификации зон наибольшее значение. Рекомендуются широкополосные измерения с охватом не менее 2–1000 Hz.

Параметр измерения: Скорость, мм/с, среднеквадратичное значение (RMS). Не используйте пиковые значения или значения от пика до пика — они приведут к завышению уровня вибрации на 40–100 % в зависимости от характеристик формы сигнала.
Места измерения: Корпуса главных подшипников, корпуса направляющих крейцкопфа и поверхности рамы вблизи оси коленчатого вала. Не следует производить измерения на тонких крышках, крышках клапанов или трубопроводах — в этих местах наблюдается локальное усиление резонанса, которое не отражает вибрацию рамы.
Диапазон частот: Измерение в широком диапазоне частот, охватывающем как минимум диапазон от 2 Гц до 1000 Гц. Поршневые компрессоры генерируют значительную энергию на низких частотах (в 1 и 2 раза выше рабочей частоты вращения), поэтому крайне важно использовать приборы с адекватной низкочастотной характеристикой. Стандартные акселерометры с фильтрами высоких частот, настроенными на частоту выше 10 Гц, могут не уловить важную низкочастотную составляющую.
Условия эксплуатации: Измерения следует проводить при нормальной стационарной рабочей нагрузке. Вибрация во время запуска, остановки или работы без нагрузки не является репрезентативной и не должна использоваться для классификации зон.
Количество измерений: Проведите не менее трёх последовательных измерений в каждой точке для проверки повторяемости результатов. Вибрация поршневого компрессора может зависеть от нагрузки газа, состояния клапанов и теплового режима.

Какое место занимает стандарт ISO 20816-8 в семействе стандартов ISO 20816?

Стандарт ISO 20816-8 является одной из нескольких частей, посвященных конкретным типам оборудования, в рамках семейства стандартов ISO 20816 по оценке вибрации. Каждая часть посвящена отдельной категории оборудования, а границы зон в ней приведены в соответствие с вибрационными характеристиками данного конкретного типа оборудования. Это семейство стандартов заменило и объединило более старые серии стандартов ISO 10816 и ISO 7919.

Стандартная деталь	Тип машины	Основное отличие от стандарта ISO 20816-8
ISO 20816-1	Общие рекомендации	Стандартная структура; не определяет конкретные границы зон
ISO 20816-3	Промышленное оборудование (насосы, двигатели, вентиляторы, компрессоры мощностью более 15 кВт)	Только для вращающихся машин; значительно более низкие предельные значения вибрации
ISO 20816-5	Гидравлические турбины и насосно-турбинные установки	Охватывает как вибрацию вала, так и вибрацию конструкции гидрогенераторов
ISO 20816-8	Поршневые компрессоры	Границы верхней зоны, отражающие силы возвратно-поступательного механизма
ISO 20816-9	Редукторные агрегаты	Расчет частот зацепления зубчатых колес и сил зацепления зубьев
ISO 20816-21	Ветряные турбины	Рассматривает вопрос вибрации гондолы и башни при переменных ветровых нагрузках

Понимание того, какое место занимает стандарт ISO 20816-8 в этой серии, помогает инженерам избежать распространённой ошибки: применения к конкретному оборудованию не той части стандарта. Например, инженеру по надежности, работающему на нефтеперерабатывающем заводе, может понадобиться ISO 20816-3 для центробежных насосов и двигателей, ISO 20816-8 для поршневых компрессоров и ISO 20816-9 для редукторов — и все это на одном и том же предприятии.

Часто задаваемые вопросы

Какой уровень вибрации считается допустимым для поршневого компрессора?

Для поршневых компрессоров на жёстких фундаментах скорость вибрации до 7.1 mm/s RMS считается отличной (зона A), а до 14.0 mm/s RMS — допустимой для неограниченной длительной эксплуатации (зона B) согласно ISO 20816-8. Для гибких (пружинно-изолированных) фундаментов ISO 20816-8 пределов не задаёт; экстраполированные инженерные ориентиры инструмента используют соответственно 9.0 и 18.0 mm/s RMS.

Можно ли применять предельные значения стандарта ISO 20816-3 к поршневому компрессору?

Нет. ISO 20816-3 применяется исключительно к вращающимся машинам. Поршневые компрессоры по своей природе создают более высокую вибрацию из-за поршнево-кривошипного механизма, и их допустимые уровни в несколько раз выше типичных пределов для вращающихся машин. Всегда используйте ISO 20816-8 для поршневых компрессоров, чтобы избежать ложных тревог и ненужных остановок.

Определяет ли ISO 20816-8 пределы для гибких (пружинно-изолированных) фундаментов?

Нет. ISO 20816-8 применяется к поршневым компрессорам на жёстких фундаментах и определяет границы зон только для жёстких установок. Значения для гибкого фундамента, предлагаемые инструментом (например, 9.0 mm/s на границе A/B против 7.1 mm/s для жёсткого), являются экстраполированными инженерными ориентирами — примерно на 27–29% выше границ для жёсткого фундамента, что отражает дополнительное движение рамы, допускаемое системой изоляции, — и не являются пределами ISO 20816-8.

Охватывает ли стандарт ISO 20816-8 вибрацию трубопроводов на поршневых компрессорах?

Нет. Стандарт ISO 20816-8 охватывает только вибрацию корпуса компрессора и подшипникового корпуса. Вибрацию трубопроводов, вызванную пульсациями — зачастую наиболее серьезную проблему — необходимо оценивать отдельно с использованием таких стандартов, как рекомендации Института энергетики, либо путем проведения на этапе проектирования исследования пульсаций и механической реакции в соответствии со стандартом API 618.

В соответствии с ISO 20816-8 следует ли измерять вибрацию по смещению, скорости или ускорению?

Границы зон по стандарту ISO 20816-8 определяются по скорости, а именно по среднеквадратичному значению в мм/с. Используйте широкополосные измерения скорости, охватывающие диапазон частот не менее 2–1000 Гц. Если ваш прибор измеряет ускорение, убедитесь, что он оснащен программным интегратором для преобразования показателей в скорость с достаточной низкочастотной характеристикой, поскольку поршневые компрессоры генерируют значительную энергию при 1× и 2× рабочей скорости (часто ниже 20 Гц).

Как часто следует измерять уровень вибрации на поршневых компрессорах?

Хотя стандарт ISO 20816-8 не устанавливает конкретного интервала мониторинга, в соответствии с передовой отраслевой практикой для некритических компрессоров рекомендуется проводить ежемесячные измерения по маршрутам, а для критически важных компрессоров технологического газа — осуществлять непрерывный онлайн-мониторинг. Установки, работающие в зоне C, должны контролироваться с повышенной частотой (еженедельно или в режиме непрерывного мониторинга) до тех пор, пока не будут завершены корректирующие меры.

Каковы наиболее распространённые причины сильной вибрации поршневых компрессоров?

К числу наиболее распространённых причин относятся износ уплотнений крейцкопфа или поршневого штока, ослабление крепежных болтов фундамента, дисбаланс противоположных цилиндров, износ или негерметичность клапанов компрессора, резонанс пульсаций газа в трубопроводной системе, несоосность компрессора и привода, а также износ коленчатого вала или подшипников. Анализ частотного состава вибрации (спектральный анализ) помогает различить эти основные причины.

Является ли инструмент «Пределы вибрации — поршневые компрессоры» бесплатным?

Да. Инструмент «Пределы вибрации — поршневые компрессоры» представляет собой бесплатный инженерный калькулятор, работающий в браузере (бесплатный инженерный инструмент № 024), в котором реализована классификация зон в соответствии со стандартом ISO 20816-8. Для его использования не требуется регистрация, установка программного обеспечения или оплата. Инженеры могут ввести измеренные значения вибрации и мгновенно получить классификацию зон с рекомендациями по эксплуатации.