回転機械における速度関連の5つの不具合

タービン、ポンプ、コンプレッサーなどの回転機械は、常に大きな機械力を受けています。これらの機械の多くはプロセスにとって重要であるため、故障を防止するための保護機能や監視機能を備えたシステムが導入されています。この記事では、回転機械で発生する可能性のある、速度に関連した一般的な故障をいくつか紹介します。

Speed保護

1.オーバースピード

回転機械の構造は、建設速度と呼ばれる一定の回転速度に耐えられるように設計されている。オーバースピードが発生すると、機械のシャフトは機械の構造が耐えられる速度よりも速く回転する。力は回転速度に比例して増加し、部品が緩む原因となる。これは、プロセス、人員、環境の双方に壊滅的な影響を及ぼす可能性がある。したがって、リスク分析によると、ほとんどの場合、過速度保護システムの設置が必須です。回転数測定により、回転数（RPM）を測定することができます。オーバースピードプロテクションシステムは、機械の損傷を防ぐため、回転速度が一定の制限値内に収まるようにします。事前に定義された制限値を超えた場合、機械は直ちにスイッチを切ります（図1）。このような機械のトリップは、非常に短い時間枠の中で起こる必要がある。現行の機械ガイドライン（API 670）によれば、過速度保護システムの応答時間は40ms以内でなければならない。

図1.この図は、トリップ機能がどのように働くかを示している。最大許容回転速度の110%で機械がトリップし、即座にシャットダウンします。

オーバースピードは、回転機械のオペレーターにとって最大の恐怖です。対応が間に合わなかったり、オーバースピード・プロテクション・システムが誤動作したりすると、タービンのブレードやローターの部品が外れてしまう可能性があります。最悪の場合、これらの部品はタービンのハウジングを貫通し、作業員の安全が損なわれるだけでなく、タービンを動力源とする機器に大きな損傷を与えます。

2.加速度

回転機の加速が速すぎると、現在の過速度保護装置にもかかわらず、回転機が過速になり、危険な状態になることがある。加速速度にもよるが、機械の運転を停止してもすぐに回転速度が低下するわけではない。大きな力によって、ドライバが停止した後しばらくしてから回転速度が上昇することさえあります。許容最大回転速度の110%という限界値に達したときに過速度保護システムがトリップしても、ある程度の加速があれば、発生した速度が許容110%を超えることがある（図2）。このようにして、機械は依然として臨界回転速度に達し、その結果、損傷を受けることになる。

図2.緑の線は、加速度トリップ機能がどのように機能するかを示しています。過度の加速度上昇が検出されると、保護システムは機械をトリップさせます。赤線は、加速度が保護パラメータに含まれておらず、過度の加速度を検出できない場合に発生する可能性があることを示しています。オーバースピード・プロテクション・システムがマシンをトリップさせても（最高回転速度の 110％）、マシンはしばらくの間速度を上げる可能性があります。このため、加速度保護を実装することを強くお勧めします。

回転機械の始動時には、利用可能なエネルギーに応じて、加速保護が必要です。過速度保護とは異なり、加速度保護は回転数だけでなく、所定の時間間隔内の回転数の増加も監視します。速度センサーが過度の加速度増加を検出すると、保護システムはタービンをトリップさせます。

マシンが加速保護されていない場合でも、オーバースピードになります。オーバースピード・プロテクション・システムは、過度な加速の際にマシンを停止させることはできません。

Speedモニタリング

3.逆回転

コンプレッサーを駆動するタービンが作動していない間に、プロセスからの圧力によってコンプレッサーが誤った方向に回転することがある。これは逆回転として知られている。この圧力は、サクションバルブが適切に閉じず、漏れを引き起こすために発生する可能性があります。コンプレッサーのこの状態でタービンが始動すると、損傷につながる。逆回転の結果蓄積された圧力とタービンからの圧力は互いに反発し合い、例えばカップリングの損傷を引き起こす可能性があります。これはしばしば金銭的な損害に関係しますが、人員や環境に直接危険を及ぼすものではありません。

4. 静止／クリープ

turnaroundを開始する前に、タービンが実際に停止していることが重要です。何しろ、タービンがまだゆっくりと回転している状態でメンテナンス作業を開始すると、その巨大な質量によって危険な状況を引き起こす恐れがあるからです。これを監視するには、シャットダウンプロセス中はタービンが極めて低速で回転しているため、通常の速度測定よりも長い期間にわたって速度測定を行う必要があります。

5.アンダースピード

アンダースピードはオーバースピードの逆で、致命的な故障ではありません。プロセスの運転を維持するために、設備は最低回転数を維持しなければならない。それ以下の回転数では、もはやプロセスを運転することはできない。アンダースピードは生産工程を中断させるため非常に望ましくないが、オーバースピードのような致命的な影響はない。プロセスの運転を維持するための最低回転数に達するとアラームが作動するように、リミット値を設定することができます。これにより、オペレーターはアンダースピードの発生を防ぐことができます。アンダースピード測定は、例えば、ジョグエンジンのスイッチオンに使用することもできます。

アイステック・ハードウェア

SpeedSys 200 は、SIL 2 認定の過速度保護システムです。高度な自己監視機能、ガルバニック絶縁された入出力、および設計による認証を備えた堅牢な設計により、市場で際立つハイエンド製品となっています。中核となる安全機能に重点を置いているため、使いやすくメンテナンスも容易で、証明試験の間隔も非常に長く設定されています。