521 稼 働 中 ポ ン プ の振 動 とISO10816-3…(1)

《特集:タ ーボポンプ分科会報告》

〔分科会報告〕

稼 働 中 ポ ン プ の振 動 とISO10816-3

長 田俊 幸*

1.ま えが き

フィール ドにおける産業用 回転機械 の軸受箱

振動 の評価基準 としてISO10816-3「Mechanical

vibration evaluation of machine vibration by

measurements on non-rotatingParts」(1)が、1998年

に新規制定 された。 その ドラフ トの審議段 階 よ

り、本基準へのポ ンプの適用性 を評価す るため

ターボポ ンプ分科会 の中に大学、ユ ーザー、エ

ンジニア リング会社 、ポ ンプメー カ計18名 か ら

な るワーキ ンググ ルー プ(WG)が 設 置 され、

検討が進め られた。

振動評価基準は、Maten(2)、Hancock(3)、Lifson(4)

らが論 じているが、本基準 の振動評価尺度であ

る振動 シ ビアリティに関する ポンプの調査報告

はこれ までになか った。そ こでWGで はブイー

ル ドで 良好 に稼動 してい るポ ンプ(計161台)

の振動調査 を行 い、基 準値 の妥 当性 を評価 し

た。 ドラフ ト段階 にお ける問題点、ISOへ の提

案、活動成果 などは本誌 にそ第1、2報(5)(6)を 、

制定 された新基準 に関す る詳細 な検 討結 果 は

ASMEに 報告済 みで ある(7)。本稿 は、WGの 調

査 データに基づ き、 ポ ンプ振動 に関する本基準

の適切性 についてま とめた ものである。

2.ISO010816-3の 概 要

振動評価基準の概要を以下 に示す。

(1)回 転 数:120～15,000min-1。

(2)評 価 尺 度:振 動速度、振幅のmms値

(3)計 測周波数:10～1,000Hz

(600rpm以 下 の機 械 は2～

1,000Hz)

(4)機 械 の分類

●Group1:300kW～50MWの 大型機械

●Group2:15kW～300kWの 中型機械

●Group3:15kW以 上 の 駆 動 機 軸 分 離 型

ポンプ

●Group4:15kW以 上 の 駆 動 機 一 体 型 ポ

ンプ

(5)サ ポー ト剛性

ポ ンプ 基礎 を含 む ポ ンプ構 造 系 の 最 低 次

の固有振動数がポ ンプ運転中の卓越周波数 より

25%を 超 える場合 はrigidで あ り、 それ以下 は

flexibleと定義 される。

(6)評 価 ゾー ン:A～D(Table1参 照)

(7)評 価基準値:Table2参 照

(8)基 準値適用運転状態:定 格の流量、

圧力、回転数 、負荷

3.ポ ン プ の振 動 レベ ル と評 価 基 準

振動評価基準は、 フィール ドで良好 に長期 間

(10年 以上)運 転 されているポ ンプの振動値 に

*三 菱 重 工 業(株)高 砂 製 作 所

E-mail:F822043@e.tmw.mhi.co.jp

原 稿 受 付 日 平 成14年6月5日

6 2002年9月

稼 働 中 ポ ンプ の振 動 とISO108163…(2) 522

Table 1 Definitions of vibration evaluation zones 基づ き論 ずるのが適切 と考 えた。 ポンプは以下

の3つ に分 けて調査、検討 した。

(1)駆 動機 軸分離型 ポンプ(300kW以 下)

(2)駆 動機軸分離型ポ ンプ(300kW超)

(3)駆 動機 一体型 ポンプ

振動調査 は、あ らか じめ定めた統一要領で実

施 され、振動計 はシ ビア リテ ィ計 測可能 なISO

2954準 拠、校正済みの もの を使用 した。調査 ポ

ンプの概要 と計測条件 をTable3に 示す。

Table 2 Zone boundaries of ISO 10816-3

Fig. 1 Vibration velocity level of pumps with separate driver (Group 3)

ターボ機械 第30巻 第9号7

523稼 働 中 ポ ン プ の 振 動 とISO10816-3…(3)

Table 3 The outline of the measurements

3-1低 出力ポンプ(駆 動機軸分離型)

調査 した低 出力ポンプは、設計条件 を統一す

べ くISO又 はAPI準 拠の もの とした。Fig .1は 、

駆動機出力 と回転数 を横軸 に とり、計測点(3

方向)の 中で最 も高い振動速度 のシビアリテ ィ

で整理 した ものである。 これ よ り300kW以 下の

低出力ポンプの振動値 は出力、 回転数に依存 し

ない ことがわか る。Fig.2は 横 軸 ポ ンプの各振

動 レベル範 囲に含 まれ るポーンプ数の分布 を表 し

た もの で あ る。Fig.2(a)は 駆 動 機 出力15～

300kWの ポンプ(支持 剛性 は殆 どがhgidsupport)

を示 す。Group3の 基準値 と比較す る と,振 動

の許容値 をBゾ ー ンの上限値 とした場 合 、A又

はBの ゾー ンに入 るポ ンプの合計 は90%に な

り、Group3は ポンプの基準値 と して適切 であ

る と言 え る。 一方、立 軸 ポ ンプは通常flexible

8 2002年9月

稼 働 中 ポ ン プ の振 動 とISO10816.3…(4) 524

(a) Pomps with power from 15 to 300kW (b) Pomps with power above 1MW and exceeding 3600min-1

Fig. 2 Pump number distribution against vibration level, horizontal shaft pumps

Fig. 3 An example of BFP vibration spectrum

supportに なるため、Fig.1に 示 す とお り計 測 し

た全 てのポンプがA又 はBゾ ー ンに入る。

3-2高 速 ・高出力ポンプ(駆動機軸分離型)

駆動機 出力300kWを 超 える ポ ンプ(26台)

の振動調査 を実施 し、結果 をFig.1に 低 出力 ポ

ンプと同様 にま とめた。ポ ンプの設計条件が ほ

ぼ統一 されてお り、調査 デー タ数 も多い ポ ンプ

回転数3,600min-1、 駆動機 出力1MWを 超 える火

力発 電所 向 ボ イラ給水 ポ ンプ(以 下BFPと 略

す)20台 の検討 結果 を以下 に述べ る。

BFPの 振動 レベルは、Fig.1に 示 す とお り低

出力 ポンプに比べて明 らかに高 い。 これはBFP

の回転速度が高 いため、サ ポー ト条件が相対 的

Fig. 4 BFP excitation test result

にflexibleと な っ て い る た め と考 え ら れ る 。Fig.

2(b)は 、BFPの 振 動 シ ビ ア リ テ ィ分 布 を 示 す 。

Group3のrigid supportを 適 用 す る とA又 はBの

ゾ ー ン に 入 る ポ ン プ は 全 体 の20%に 過 ぎ な い

が 、nexible supportを 適 用 す る と80%が 満 足 す

る こ と に な る 。Fig.3は 、 超 臨 界 圧 プ ラ ン ト用

BFP(駆 動 機 出 力:18,500kW、 ダ ブ ル ボ リ ュ ー

ト タ イ プ)の 最 高 効 率 点 流 量 の94%流 量 運 転

ターボ機械第30巻 第9号 9

525稼 働 中 ポ ン プ の振 動 とISO10816.3…(5)

Fig. 5 Vibration velocity level of pumps with integrated driver (Group 4)

時 における、継手側軸受箱水平方向の振動 スペ

ク トル例 を示 す。羽根車 とボリュー ト舌端 との

干 渉 に よるfNZi成 分(fN:ポ ンプ の 回転 数 、

Zi:羽 根車の翼 枚数)の 動的流体力が卓越 して

いる。Fig.4は 、 同BFPの 加振 テス ト結果 を示

す。 ポ ンプ構造 系の最低次 の固有振動数51.5HZ

は、 ポンプ回転 数やfNZi成 分 よ りも低 い。一般

的に高速 ・高 出力のBFPは 最低次 の構造系の固

有振動数が100Hz以 下にあ り、 ポ ンプ回転数や

fNZi成 分か らみる とnexible supportと して評価す

るのが妥当 と考 え られる。

3-3駆 動機一体型ポンプ

シールレス タイプ等駆動機 一体型 ポ ンプが対

象のGroup4は 、Group3よ り厳 しい振動基準値

となっている。 この背景には、継手が な く軸が

一体化 されてい るため、ア ンバ ランスや ミスァ

ライメン トに起 因す る振動成分が低減 されるこ

と、及 び軸受が 自液潤滑型の場合、潤滑状態が

過酷であ り振 動値 は小 さ く管理 され るべ きとの

理由が考えられ る。

Fig.5は 、駆動機 出力 と回転数 を横軸 にと り、

計 測点(3方 向)の 中で最 も高い振動 速度 のシ

Fig. 6 Support condition for pumps with integrated driver

ビアリテ ィを整理 した もの である。15kW未 満

のポンプ21台 はISO対 象外 だが、駆動機一体 型

ポ ンプは一般的 に小 型の ものが多い ため、 これ

らも合わせ て評価 した。13台 のポ ンプについて

計測 した ポ ンプ構造 系の固有振動 数 をFig.6に

示す。サポー ト条件 は、殆 どのポ ンプがnexible

の領域にあ ることがわかる。 これはポンプの回

転数が3,000min-1又 は3,600min-1と 高い こと、並

びに駆動機 とポンプが一体 ゆえ、 ポ ンプ質量/

10 2002年9月

稼 働 中 ポ ンプ の 振 動 とISO10816-3…(6) 526

サ ポー ト剛性比が大 きいため と考 え られ る。振

動 レベルをFig.5のnexible support条 件で評価す

る と、全 ての ポ ンプがA又 はBの ゾーンに入 る

ため、基準値 の設定 は妥当である と考 える。 ま

た、Fig.1とFig-5を 比較 す る と、駆動機 一体

型 ポンプの振動 レベ ルは、駆動 機軸分離型 のポ

ンプと比べ顕著 な差 はみ られない。 これは駆動

機一体型ポ ンプのサポー ト剛性がflexibleで ある

ためと考え られる。

3-4Aゾ ーンの定義

これまでの論議 は、振 動の許容値 をBゾ ー ン

の上 限値 として考 えて きた。ISOで は、Aゾ ー

ン を"newly commissioned machines would

normally fall withn this zone"と 定義 しているが、

これはポンプ以外 の動的流体力の小 さい回転機

械 には適 当か も しれ ない。 ポ ンプはFig.2と

Fig.5に 示す とお りBゾ ー ンで も多数問題 な く

運転 されている。正 し く保守管理 されたポ ンプ

の振動値 は製造時か ら殆 ど変 わ らない ことか ら

Aゾ ー ンの定義 については、 さらに論議 が必要

と思 われる。 ポ ンプに適切 と考 えられるAゾ ー

ンの定義 を以下 に示す。"themachine which fall

within this zone are considered to be fine"

4.他 振 動 基 準 との 比 較

単一振動数の振動 を考 えた場合 、速度 と振 幅

の関係 はFig.7に 示 す図で表 す ことがで きる。

ISO10816と 他 の ポ ン プ 振 動 基 準(ISO/

DIS13709.2(8)、API610-8th(9)、HI(10)、JIS(11))と

の比較 を、Group 3、rigid support条 件 のBゾ ー

ン上限値 をベースにFig.7に 示 す。 フラッ トな

部分は速度の上限値 で制 限 されてお り、傾 きの

あ る部分 は振 幅 で制 限されてい る。現在、API

610.8thが ベ ース となった石油精 製、石油化 学、

天然 ガス工業用 遠心 ポ ンプの 国際規格(ISO/

DIS13709.2)が ドラフ ト審議の段 階 にあ り、運

転流量範 囲、駆動機出力 、ポ ンプ回転数の違い

Fig. 7 Comparison of ISO with other vibration criteria

に よって管理値が具体的 に定め られ ようと して

いる。Fig-7よ り、ISOlO816とHI、JISは ほぼ

一致す るが、ISO/DIS13709.2、API610-8thは 、

やや厳 しい基準値 となってい ることが わかる。

5.ま と め

フィール ドにおける振 動調査結果 か ら、低出

力 ポンプ(300kW以 下)の 振動 レベルが出力や

回転数 に明確 に依存す る傾 向は認め られ なか っ

た。 しか しなが ら、BFPの ような高速 ・高出力

ポ ンプ(IMW、3,600min-1以 上)の 振動 レベル

は、低 出力 ポ ンプより高い。 これは卓越 周波数

となるポ ンプ回転数や動 的流体 力(fNZi成 分)

の振動 数が 高 い こ とか ら、BFPの 支 持 剛性 が

刊exibleであるため と考 えられる。 また、駆動機

一体型 ポンプの振動 レベ ルは、駆動機 軸分離型

ポ ンプ と顕著 な差はなか った。 これは駆動機一

体型 ポンプの支持剛性がnexibleで あるため と考

えられ る。 これ らの調査 デー タか ら振動 基 準

ISO10816-3適 用 についてポ ンプの適切性 を検討

の結果、Bゾ ー ンの上限値 は振動 の許容値 とし

て妥 当である と判断 され る。一方、Aゾ ー ンの

ター ボ機械第30巻 第9号 11

527 稼働 中ポ ンプ の振 動 とISO10816-3…(7)

定義は今後も議論が必要 と考えられる。

現在、ISOで はポンプの軸振動 と軸受箱振動

の基準を独立 させ、新 しく一つにまとめる動き

がある。また、ISO/DIS13709.2で は定格流量

以外の範囲についても基準値が具体的に定めら

れようとしてい る。今後 これ らの動向 も踏 ま

え、ポンプ振動基準の検討 を引 き続 き実施 して

いく必要がある。

終わりにWGの フィール ド調査にあた り、ご

理解 とご支援 を頂 きま したポ ンプユーザの皆

様、貴重なご助言を頂いた神戸大学 神吉教

授、横浜国立大学 黒川教授、名古屋大学 菊

山教授、振動データの調査、提供、討議に参加

されたWGメ ンバー各位に改めて深 く謝意を表

します。

〈参考文献〉

(1) ISO 10816-3, Mechanical vibration-Evaluation of machine

vibration by measurements on non-rotating parts-, (1998-5),

International Organization for Standardization.

(2) Maten, S., Velocity Criteria for Machine Vibration,

Vibration and Acoustic Measurement Handbook, (1972),

267-277.

(3) Hancock, W. P.‘¼2–¼, How to Control Pump

Vibration, Hydrocarbon Processing, (1974-3), 107-113.

(4) Lifson, A ‘¼2–¼, Vibration Limits for Rotating

Machinery, Mechanical Engineering, (1987-6), 60-63.

(5) ISOポ ンプ振 動 評 価 基 準 に 関す る検 討 結 果 報 告, タ ー

ボ機 械, 24-2 (1996-2), 46-52.

(6) ISOポ ンプ振 動 評 価 基 準 に関 す る 検 討 結 果 の 報 告 (第

2報), ターボ 機 械, 25-4 (1997-4), 24-29.

(7) Osada, T.‘¼3–¼, Field Study on Pump Vibration and

ISO's New Criteria, Transactions of the ASME Journal of

Fluids Engineering, Vol.121 (1999-12), 798-803.

(8) ISO/DIS 13709.2, Centrifugal pumps for petroleum,

petrochemical and natural gas industries, (2001), 41-47,International Organization for Standardization.

(9) API Standard 610, Centrifugal Pumps for Petroleum,

Heavy Duty Chemical, and Gas Industry Services, 8th edition

(1995), 2-14-2-18, American Petroleum Institute.(10) American National Standard for Centrifugal Pumps for

Nomenclature, Definitions, Application and Operation,

(1994), 131, Hydraulic Institute.

(11) Japanese Industrial Standard JIS B 8301, 遠心 ポ ンプ, 斜

流 ポ ン プ及 び軸 流 ポ ン プ ー試 験 方 法, (2000-7), 57, 日

本 規 格 協 会.

「ISO振動評価基準検討WG名 簿(順 不同)」

主査:辻 本良信 大阪大学

幹事:川 上 孝 三菱重工業㈱

委員:青 山大造 千代田化工建設㈱

入江俊和 大阪ガス㈱

江口真人 ㈱荏原総合研究所

尾園哲郎 石川島播磨重工業㈱

勝部能民 ㈱粟村製作所

兼森裕司 ㈱酉島製作所

刈田耕太郎 ㈱帝国電機製作所

神野秀基 ㈱荏原製作所

木村辰美 ㈱電業社機械製作所

今 正行 大阪ガス㈱

取出政照 日機装㈱

半田康雄 ㈱酉島製作所

真鍋 明 ㈱日立インダストリイズ

横井 正 ㈲横井技術士事務所

(元東洋エンジニアリング㈱)

米村省一 ㈱クボタ

長田俊幸 三菱重工業㈱

12 2002年9月