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.

Сайт 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)	Операционная интерпретация
А/Б	7.1	Переход от категории «только что введенный в эксплуатацию» (отлично) к категории «пригоден для долгосрочной эксплуатации»
Б/С	14.0	Переход от режима «допустимой эксплуатации» к режиму «ограниченной эксплуатации» — рекомендовано провести расследование
С/Д	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.

Каковы границы зон вибрации согласно стандарту ISO 20816-8 для гибких (пружинных) фундаментов?

Для поршневых компрессоров, установленных на пружинных или гибких фундаментах, стандарт ISO 20816-8 допускает более высокие предельные значения вибрации: A/B — 9,0 мм/с (среднеквадратичное значение), B/C — 18,0 мм/с (среднеквадратичное значение) и C/D — 36,0 мм/с (среднеквадратичное значение). Увеличенные допустимые значения обусловлены тем, что пружинная изоляция обеспечивает большую свободу перемещения корпуса, одновременно снижая уровень вибрации, передаваемой на окружающую конструкцию.

Граница зоны	Жесткий фундамент (мм/с, среднеквадратичное значение)	Гибкость основания (мм/с, среднеквадратичное значение)	Коэффициент увеличения
А/Б	7.1	9.0	×1,27
Б/С	14.0	18.0	×1,29
С/Д	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 неверного типа фундамента может привести к смещению классификации зоны на целую ступень и стать причиной принятия неверных решений по техническому обслуживанию.

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

У поршневых компрессоров допустимые уровни вибрации значительно выше, чем у роторных машин. Верхний предел для зоны A в случае поршневых компрессоров, установленных на жестком фундаменте, составляет 7,1 мм/с (среднеквадратичное значение) — это примерно в 2,5 раза превышает типичный предел для зоны A в 2,8 мм/с (среднеквадратичное значение), установленный для роторных машин в соответствии с ISO 20816-3. Такая разница объясняется тем, что поршневой механизм по своей природе генерирует более сильную вибрацию, которая считается нормальным явлением при эксплуатации.

Параметр	Поршневые компрессоры (ISO 20816-8, жесткие)	Вращающиеся машины (ISO 20816-3, группа 2)	Коэффициент
Граница зон A и B	7,1 мм/с (среднеквадратичное значение)	2,8 мм/с (среднеквадратичное значение)	2,5×
Граница зон B и C	14,0 мм/с (среднеквадратичное значение)	7,1 мм/с (среднеквадратичное значение)	2,0×
Граница зон C и D	28,0 мм/с (среднеквадратичное значение)	18,0 мм/с (среднеквадратичное значение)	1,6×
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	В первую очередь — скорость бега 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 Б — 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 С — 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?

Стандарт ISO 20816-8 охватывает все основные категории поршневых компрессоров: компрессоры для технологического газа, используемые на нефтеперерабатывающих и химических заводах; промышленные воздушные компрессоры для систем технического обеспечения предприятий; а также холодильные компрессоры, применяемые в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ) и в промышленных системах охлаждения. Для всех трех типов действует одинаковая структура границ зон, которые различаются лишь типом фундамента (жесткий или гибкий).

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.

Сайт Пределы вибрации — поршневые компрессоры Этот инструмент поддерживает все три типа компрессоров с соответствующими значениями быстрых настроек. Например, в инструменте предусмотрены настройки со скоростью 12 мм/с для технологического компрессора на жестком фундаменте (зона B), 20 мм/с для воздушного компрессора (зона C на жестком фундаменте, зона C на гибком фундаменте) и 8 мм/с для холодильного компрессора (зона B на жестком фундаменте, зона A на гибком фундаменте).

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?

Сайт Пределы вибрации — поршневые компрессоры Этот бесплатный онлайн-инструмент требует ввода трех параметров: типа компрессора (промышленный газ, воздух или холодильная техника), типа фундамента (жесткий или гибкий) и измеренной скорости колебаний в мм/с (среднеквадратичное значение). Инструмент мгновенно выдает соответствующую зону вибрации, граничные значения зоны и рекомендации по эксплуатации на основе критериев стандарта ISO 20816-8.

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 «Жесткое основание» или «Гибкое (с пружинной изоляцией)». Этот выбор определяет, какой набор границ зон будет применяться. Если вы не уверены, осмотрите крепление компрессора: при жестком основании рама прикручена болтами непосредственно к бетону или стали; при гибком основании между рамой и несущей 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?

В соответствии с требованиями стандарта ISO 20816-8 измерения скорости колебаний необходимо проводить в единицах мм/с (среднеквадратичное значение) на корпусе компрессора или корпусах опорных подшипников. Измерения следует производить в режиме установившегося рабочего состояния по всем трем осям (горизонтальной, вертикальной и осевой), при этом для классификации по зонам используется наибольшее из полученных значений. Рекомендуется проводить широкополосные измерения в диапазоне частот не менее 10–1000 Гц.

Параметр измерения: Скорость, мм/с, среднеквадратичное значение (RMS). Не используйте пиковые значения или значения от пика до пика — они приведут к завышению оценки серьезности 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 просмотров: 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, установленных на жестких фундаментах, в соответствии со стандартом ISO 20816-8 значение скорости колебаний до 7,1 мм/с (среднеквадратичное) считается отличным (зона A), а до 14,0 мм/с (среднеквадратичное) — приемлемым для беспрепятственной длительной эксплуатации (зона B). Для гибких (пружинных) фундаментов эти пределы увеличиваются до 9,0 и 18,0 мм/с (среднеквадратиное) соответственно.

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

Нет. Стандарт ISO 20816-3 применяется исключительно к вращающимся машинам. Поршневые компрессоры по своей конструкции создают более сильную вибрацию из-за работы поршнево-коленчатого механизма, и допустимые уровни вибрации для них примерно в 2–2,5 раза превышают предельные значения для вращающихся машин. Для поршневых компрессоров всегда следует использовать стандарт ISO 20816-8, чтобы избежать ложных срабатываний сигнализации и ненужных остановок оборудования.

В чём заключается разница между жесткими и гибкими ограничениями по фундаменту в стандарте ISO 20816-8?

Предельные значения для гибких (с пружинной изоляцией) фундаментов примерно на 27–29 % выше, чем для жестких фундаментов, на всех границах зон. Например, на границе зон A и B предельное значение для жестких фундаментов составляет 7,1 мм/с, а для гибких — 9,0 мм/с. Это объясняется дополнительным перемещением каркаса, допускаемым системой изоляции, которое снижает передачу вибрации за счет увеличения смещения на уровне оборудования.

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.