ISO 13373-7:2017
(Main)Condition monitoring and diagnostics of machines — Vibration condition monitoring — Part 7: Diagnostic techniques for machine sets in hydraulic power generating and pump-storage plants
Condition monitoring and diagnostics of machines — Vibration condition monitoring — Part 7: Diagnostic techniques for machine sets in hydraulic power generating and pump-storage plants
ISO 13373-7:2017 gives guidelines for specific procedures to be considered when carrying out vibration diagnostics of various types of machine sets in hydraulic power generating and pump-storage plants (hydropower units). It is intended to be used by condition monitoring practitioners, engineers and technicians and provides a practical step-by-step vibration-based approach to fault diagnosis. In addition, it includes a number of examples for a range of machine and component types and their associated fault symptoms.
Surveillance et diagnostic d'état des machines — Surveillance des vibrations — Partie 7: Techniques de diagnostic pour machines équipant les centrales hydro-électriques et les stations de turbine-pompe
ISO 13373-7:2017 donne des lignes directrices pour les modes opératoires spécifiques à envisager lors des diagnostics des vibrations de divers types de machines équipant les centrales hydro-électriques et les stations de pompage (groupes hydro-électriques). Il est destiné aux professionnels, ingénieurs et techniciens assurant la surveillance d'état des machines et fournit une méthode pratique basée sur les vibrations, détaillée pas-à-pas, de diagnostic des défauts. En outre, elle donne un certain nombre d'exemples pour divers types de machines et de composants, et les symptômes des défauts qui leur sont associés.
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Relations
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Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 13373-7
First edition
2017-08
Condition monitoring and diagnostics
of machines — Vibration condition
monitoring —
Part 7:
Diagnostic techniques for machine
sets in hydraulic power generating
and pump-storage plants
Surveillance et diagnostic d’état des machines — Surveillance des
vibrations —
Partie 7: Techniques de diagnostic pour machines équipant les
centrales hydro-électriques et les stations de turbine-pompe
Reference number
ISO 13373-7:2017(E)
©
ISO 2017
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ISO 13373-7:2017(E)
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ISO 13373-7:2017(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Hydropower vibration . 1
5 Measurements . 2
5.1 Vibration measurements in general . 2
5.2 Instrumentation . 2
5.3 Measurement of machine operational parameters . 4
6 Initial analysis . 4
7 Specific analysis of hydropower units . 4
8 Additional diagnostics . 5
Annex A (normative) Fault table for vibration analysis of hydropower units .6
Annex B (informative) Vibration diagnostic process for faults in hydropower units .11
Annex C (informative) Examples of vibration problems in hydropower units .13
Bibliography .19
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ISO 13373-7:2017(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see the following
URL: w w w . i s o .org/ iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 108, Mechanical vibration, shock and
condition monitoring, Subcommittee SC 2, Measurement and evaluation of mechanical vibration and shock
as applied to machines, vehicles and structures.
A list of all the parts in the ISO 13373 series can be found on the ISO website.
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ISO 13373-7:2017(E)
Introduction
This document is a guideline for procedures to be considered when carrying out vibration diagnostics
of machine sets in hydraulic power generating and pump-storage plants, shortly named hydropower
units. It is intended to be used by vibration practitioners, engineers and technicians, and it provides
them with diagnostic tools. These tools include the use of diagnostic process tables and fault tables. The
material contained herein presents the most basic, logical and intelligent steps that should be taken
when diagnosing problems associated with these particular types of machines.
Acceptable vibration values for hydropower units, however, are contained in ISO 10816-5 (vibration of
non-rotating parts) and ISO 7919-5 (vibration of rotating shafts), which are at present under revision
and amalgamation to be published as ISO 20816-5.
ISO 13373-1 presents the basic procedures for narrow-band signal analysis of vibration. It includes
description of the types of transducers to be used, their ranges and their recommended locations on
various types of machines, online and periodic vibration systems, and potential machinery problems.
ISO 13373-2 leads to the diagnostics of machines. It includes descriptions of the signal conditioning
equipment that is required, time and frequency domain techniques, and the waveforms and signatures
that represent the most common machinery operating phenomena or machinery faults that are
encountered when performing vibration signature analysis.
ISO 13373-3 provides some procedures to determine the causes of vibration problems common to all
types of rotating machines. It includes systematic approaches to characterize vibration effects, the
diagnostic tools available, tools needed for particular applications and recommendations on how the
tools are to be applied to different machine types and components. However, this does not preclude the
use of other diagnostic techniques.
It should be noted that ISO 17359 indicates that diagnostics can be
— started as a succeeding activity after detection of an anomaly during monitoring, or
— executed synchronously with monitoring from the beginning.
This document considers only the first case in which diagnostics is performed after an anomaly has
been detected. Moreover, it focuses mainly on the use of process tables as diagnostic tools, as well as
fault tables since it is felt that these are the tools that are most appropriate for use by practitioners,
engineers and technicians in the field.
When approaching a machinery problem that manifests itself as a high or erratic vibration signal, the
diagnosis of the problem should be carried out in a well-thought-out systematic manner. ISO 13373-3 and
this document achieve that purpose by providing to the analyst guidance on the selection of the proper
measuring tools, the analysis tools and their use, and the recommended step-by-step procedures for
the diagnosis of problems associated with various types of machine sets in hydraulic power generating
and pump-storage plants.
The diagnostic process table methodology presents a structured procedure for a person in the field to
diagnose a fault and find its cause. The step-by-step procedure is able to guide the practitioner in the
vibration diagnostics of the machine anomaly in order to detect the probable root cause.
The fault tables present a list of the most common faults in machinery, as well as their manifestations in
the vibration data. The tables assist with the identification of machinery faults.
For some cases, it can be dangerous to start the machine again after a serious anomaly caused a trip.
Then, the diagnosis to be performed may differ from the methods described in this document.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 13373-7:2017(E)
Condition monitoring and diagnostics of machines —
Vibration condition monitoring —
Part 7:
Diagnostic techniques for machine sets in hydraulic power
generating and pump-storage plants
1 Scope
This document gives guidelines for specific procedures to be considered when carrying out vibration
diagnostics of various types of machine sets in hydraulic power generating and pump-storage plants
(hydropower units). It is intended to be used by condition monitoring practitioners, engineers and
technicians and provides a practical step-by-step vibration-based approach to fault diagnosis. In
addition, it includes a number of examples for a range of machine and component types and their
associated fault symptoms.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 2041, Mechanical vibration, shock and condition monitoring — Vocabulary
ISO 13372, Condition monitoring and diagnostics of machines — Vocabulary
ISO 13373-1, Condition monitoring and diagnostics of machines — Vibration condition monitoring —
Part 1: General procedures
ISO 13373-2, Condition monitoring and diagnostics of machines — Vibration condition monitoring —
Part 2: Processing, analysis and presentation of vibration data
ISO 21940-2, Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 2: Vocabulary
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 2041, ISO 13372 and
ISO 21940-2 apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: available at http:// www .iso .org/ obp
4 Hydropower vibration
Vibration measurements mainly consist of quantifying the oscillation of the rotating shaft at the guide
bearings relative to the bearing housing (shaft relative vibration) and the absolute vibration of the
bearing housing itself (bearing housing vibration), which is representative for non-rotating parts.
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ISO 13373-7:2017(E)
Unlike other heavy rotating equipment, such as gas turbines, compressors and pumps, hydropower
units are rigid without flexible couplings between the components and normally operate below the first
resonance speed. A hydropower unit shall therefore be analysed as one dynamic unit, which means that
all vibration quantities should be measured simultaneously at all bearing planes.
Hydropower units are influenced by
— mechanical unbalance,
— hydraulically excited forces acting on the turbine runner,
— magnetically interacting forces between the stator and rotor,
— mechanical forces in the bearings (bearing faults),
— fluid-film instability, and
— contact between rotating and non-rotating parts.
Any of these forces can cause mechanical vibration and deflections. The magnitude and behaviour of the
vibration varies dependent on the type of hydropower unit, general layout, bearing design, foundation,
rotational speed, etc. As the forces can seldom be measured directly, or as measuring the forces is much
more complex, vibration is used as an indirect indicator. Vibration analyses are based on the detection
and estimation of mechanical forces by observing the resulting vibrations.
5 Measurements
5.1 Vibration measurements in general
Hydropower units normally have a long lifespan with a stable and solid behaviour. Possible faults in
hydro plants usually develop slowly. Occasional monitoring is suitable to detect slowly developing faults.
Therefore, temporarily installed measurement systems for periodic, random or seldom monitoring
might be sufficient for an initial analysis as described in ISO 13373-3. But those systems might not be
sufficient for detailed diagnosis of faults that develop slowly as described in ISO 13373-2.
Trending of parameters should be performed regularly to detect changes of the vibration state over longer
periods of time. For such trend analyses, continuous long-term monitoring by a permanent monitoring
system is preferred. A permanent monitoring system will also give protection against failures (e.g.
bearing breakdowns). Periodic measurements with additional transducers give valuable information for
the condition evaluation and useful information to enable planning of maintenance work.
Condition-based monitoring may be considered and applied as described in ISO 17359. This can lead to
additional effort, including
— installation of additional transducers,
— monitoring of machine operating parameters influencing the vibration behaviour,
— more detailed analysis, and
— continuous online measurement with appropriate data storage and acquisition system.
More information relevant for vibration measurements on hydropower units is given in the documents
listed in the Bibliography.
5.2 Instrumentation
Two principal kinds of vibration measurement are common, which provide complementary information.
— Shaft relative vibration, measured with non-contacting proximity probes that are mounted at or
near the bearings, e.g. inductive, capacitive and eddy current probes.
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ISO 13373-7:2017(E)
— Bearing housing vibration, measured with seismic transducers, e.g. accelerometers or velocity
transducers, that are mounted on non-rotating parts of the bearing housing.
In addition to vibration measurements, transducers may also be installed to measure dynamic pressure,
air gap and, by means of strain gauges, even stress. These parameters can be used to correlate the
cause and effect of an event.
Large hydropower installations normally include proximity probes at each bearing as standard.
However, if this is not the case, it is advisable to install two temporary proximity probes at each bearing
position. The orientation is in the radial plane orthogonal to each other, see Figure 1.
When using temporarily installed proximeter probes, the following should be noted.
Relative vibration transducers can be susceptible to electrical and mechanical runout which can differ
based upon probe axial location related to shaft. Axial locations should be chosen to allow repeatable
installations for monitoring and to reduce the effects of this measurement error.
The residual total electrical and mechanical runout should be documented and used to correct turning
speed vibration components when an appropriate phase reference signal is available.
Temporary vibration transducer radial locations should be consistent between measurement events.
Figure 1 — Example of measurement locations and directions on a vertical hydropower unit
For full information about bearing housing vibration, an installation should contain two radial
seismic transducers in orthogonal directions on each bearing housing and one seismic transducer in
axial direction for thrust bearing or a bearing braced against a vibrating structure like the turbine
head cover. The commonly used signal output is vibration velocity, measured directly with velocity
transducers or measured with accelerometers and signal integration.
Some acceleration and velocity measuring systems are only able to measure vibration at frequencies
down to 10 Hz, which is not suitable in hydropower units where the rotational speed is normally below
600 r/min. Recommended minimum frequency is 0,1 times rotational frequency for reaction turbines
and pumps and 0,4 times rotational frequency for impulse turbines.
All signals should be measured simultaneously with measurement duration sufficient to characterize
such low frequencies.
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ISO 13373-7:2017(E)
Adding a phase mark transducer for a trigger will provide a method to synchronize the measurements
and to give phase reference at each measurement point.
International Standards are available to help assessing the vibration severity for the described types of
measurement, in particular ISO 20816-1.
Description of transducer and measurement systems as well as specification of techniques are given in
ISO 13373-1 and ISO 13373-2, which shall be considered for appropriate transducer and measurement
system selection.
5.3 Measurement of machine operational parameters
Hydropower machine operational parameters, e.g. rotational speed, load, head, tail water level, opening
of main regulation device (e.g. wicket gate opening) and bearing oil temperature, can have an influence
on the machine vibration characteristics. For a reliable diagnosis, it is important to measure and to store
these data simultaneously to correlate vibration and the operational state because of very different
hydraulic and other forces.
A hydraulic operational point needs to be defined by at least two operational parameters, e.g. head and
discharge and operation mode (generating, pumping, transient, etc.). For variable speed machines, the
actual rotational speed shall be known.
The direction of rotation is also an important parameter, which is required to interpret the phase of
synchronous vibrations correctly.
6 Initial analysis
The first step should be to collect the design configuration of the machine and the history of any
anomalies. This initial analysis can be performed using the guidelines given in ISO 13373-3:2015,
Annex A, which indicates that this analysis should identify safety concerns, the presence of high
vibration and its vibration severity, the history, effects of operating parameters and the consequences
of failing to take corrective actions. All this is used as a basis to judge the risk of operating the machine.
When changes in the dynamic behaviour are detected, special investigations and tests should be
performed to find the reason for the changes.
7 Specific analysis of hydropower units
Hydropower units are often individual prototypes, which makes it difficult to compare one machine
to another. The assessment of the vibration state therefore needs to take into account actual boundary
conditions and design configuration. Long-term trend recording is of significant help.
The vibration magnitude is a reaction to the exciting forces. On the hydraulic side, e.g. flow condition
in the runner or pressure pulsation on stationary parts, there is a strong dependency on the hydraulic
operation point, which has to be defined by two operation parameters, e.g. head and discharge or gate
opening (see 5.3).
NOTE 1 The vibration magnitude alone does not necessarily indicate the stress level in the affected components.
A strain gauge measurement and/or a suitable calculation model is needed to derive the fatigue impact.
The generator or motor part is normally directly coupled to the hydraulic part, therefore the combined
system shall be analysed. A diagnosis of either the hydraulic components or the electrical side alone
is not advisable and will most probably not be successful. Exceptions are units with gearbox between
turbine and generator, or units with clutch between pump und turbine or pump and motor.
NOTE 2 Identical power units at the same apparent operating points can have different vibration behaviour. If
this cannot be related to different boundary conditions, such as temperature, the operation of adjacent machines
can provide an indication of an anomaly of the machine state and possibly to a fault.
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ISO 13373-7:2017(E)
The fault table presented in Annex A gives a list of the most common faults in machinery and their
manifestations in the vibration data. It shall be followed in the vibration analysis of hydropower units.
The diagnostic process table in Annex B gives a guideline for a methodical approach to diagnosis for a
person in the field to diagnose a fault and find its cause.
Annex C gives examples of vibration problems in hydropower units and physical explanations for the
related vibration pattern.
8 Additional diagnostics
This document focuses on the vibration based condition monitoring. While vibration values and
changes in vibration value are quite helpful, other values give additional information about condition of
the unit. Monitoring of steady-state operational parameters such as flow, head and guide vane opening
together with generator power output will show loss of efficiency, but very precise measurements are
necessary to detect common faults not showing up in vibration value.
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Annex A
(normative)
Fault table for vibration analysis of hydropower units
A systematic approach to vibration analysis of hydropower units is given by the fault table in Table A.1.
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Table A.1 — Fault table for vibration analysis of hydropower units
Operation
Initial rate Subsequent
conditions Major frequency
of change behaviour of Effect on
Defect under which component of changed Repeatability Comments
of vibration vibration with resonance speed
vibration vibration magnitude
magnitude time
change occurs
Material loss Steady-state Step change for 1x Steady following Response level Largest changes
from rotating and transients loss of com- step change significantly usually occur at
component ponent parts changed the bearings of the
or continuous affected rotor.
change by
abrasion, wear,
erosion
Looseness in Steady-state Immediately Combination of 0,5x, 1x plus Changes with tran- Flexibility of Trends but not
bearing or and transients evident harmonics of operating speed sient conditions, bearing support necessarily,
pedestal otherwise steady system can be amplitudes tend
changed leading to to repeat
changed reso- following simi-
nance speed lar transients
Local Steady-state Immediately Changes with tran- Yes Sometimes, the
resonances of and transients evident sient conditions, bearing support
support otherwise steady members can have
structures local resonance
modes which man-
ifest as bearing
housing vibrations.
Bearing Following Slow, unless oil Predominantly 1x. Less Under steady Can change the Trends but not Reversal of tran-
elevation operational whirl is pre- than 1x can be exhibited conditions, a new resonance speeds necessarily, sient does not
change transient dominant (see oil whirl). steady level will be of both the affected amplitudes tend immediately re-
reached. and coupled rotors to repeat verse the vibration
following simi- change; correlate
lar transients with bearing
wedge pressures
and metal
temperatures.
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Table A.1 (continued)
Operation
Initial rate Subsequent
conditions Major frequency
of change behaviour of Effect on
Defect under which component of changed Repeatability Comments
of vibration vibration with resonance speed
vibration vibration magnitude
magnitude time
change occurs
Permanent During or Rapid, often 1x Reduces with speed Response level sig- Yes Running the ma-
bend following a large reduction; will nificantly changed chine at low speed
speed change, stabilize at new for an extended
change in rotor steady level if cause period will relieve
axial position mechanism is a temporary bend
removed but if a permanent
bend is present,
this is unlikely to
be successful.
Transient Speed or load Fairly slow, 1x (also 0,5x harmonics and/ Cyclic amplitude Response level can Not Triggered by
bend, with change increasing with or 1x harmonics observed) with phase rotation be significantly necessarily contact between
rubbing local tempera- or variation. It changed repeatable rotating and
ture at rubbing varies with opera- each time the non-rotating parts,
position tional conditions, transient is often as a result of
especially if there undergone a shaft bend dis-
is a thermal bend tant from the point
present. of contact. Reversal
of speed or load
change can restore
previous vibration
magnitudes fairly
quickly.
Oil whirl (or Speed change Very rapid Predominantly just less than Erratic at higher None Unstable vibration
oil whip) or during 0,5x or at rotor first level than normal which repeats
bearing resonance frequency under identical
unloading operating condi-
tions. Significant
speed (and/or
load) reduction
required to exit
from the unstable
vibration.
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Table A.1 (continued)
Operation
Initial rate Subsequent
conditions Major frequency
of change behaviour of Effect on
Defect under which component of changed Repeatability Comments
of vibration vibration with resonance speed
vibration vibration magnitude
magnitude time
change occurs
Coupling Higher harmonics (2x, 3x, 4x, Power-dependent None Yes Higher harmonics
defect 5x) 1x signal not generally seen
if fluid-film
bearings are used.
Draft tube Part load (ro- 0,25x to 0,4x (Rheingans None Yes Not a typical fault,
surge vortex tating vortex) frequency). Depending on but the reason for
rope runner design, also a vibration.
“double” vortex rope is ob-
served with 0,5x to 0,7x
Unsymmet- Amplitude Harmonics of rotating speed Constant in time None Yes
rical static increasing with (gate passing frequency GPF,
pressure power GPF ± 1x or harmonic of
distribution runner blade passing fre-
quency at Francis turbines)
Interaction Harmonics of gate passing Constant in time None Yes
of wicket frequency
gates and
runner blades
(rotor-stator
interaction)
Anisotropic — Ratio of 1x ellipse princi- Significant change Backward whirl
bearing pal axis shaft vibration can
occur.
— Ratio of remaining value
(x-direction/y-direction) of Anisotropic
vibration properties need
not to be a fault but
— Static deflection plus max-
can also be due to
imum vibration value com-
the design of the
pared to bearing clearance
bearing.
— Direction of 1x ellipse
principal axis for different
operation conditions
— Standard deviation of 2x
phase
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Table A.1 (continued)
Operation
Initial rate Subsequent
conditions Major frequency
of change behaviour of Effect on
Defect under which component of changed Repeatability Comments
of vibration vibration with resonance speed
vibration vibrat
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 13373-7
Première édition
2017-08
Surveillance et diagnostic d’état
des machines — Surveillance des
vibrations —
Partie 7:
Techniques de diagnostic pour
machines équipant les centrales
hydro-électriques et les stations de
turbine-pompe
Condition monitoring and diagnostics of machines — Vibration
condition monitoring —
Part 7: Diagnostic techniques for machine sets in hydraulic power
generating and pump-storage plants
Numéro de référence
ISO 13373-7:2017(F)
©
ISO 2017
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ISO 13373-7:2017(F)
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sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur
l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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ISO 13373-7:2017(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Vibrations des groupes hydro-électriques . 1
5 Mesurages . 2
5.1 Mesurage des vibrations en général . 2
5.2 Instrumentation . 3
5.3 Mesurage des paramètres de fonctionnement de la machine . 4
6 Analyse initiale . 5
7 Analyses spécifiques aux groupes hydro-électriques . 5
8 Diagnostics supplémentaires . 6
Annexe A (normative) Tableau des défauts relatifs à l’analyse des vibrations des groupes
hydro-électriques . 7
Annexe B (informative) Processus de diagnostic vibratoire des défauts des groupes
hydro-électriques .12
Annexe C (informative) Exemples de problèmes vibratoires des groupes hydro-électriques .15
Bibliographie .22
© ISO 2017 – Tous droits réservés iii
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ISO 13373-7:2017(F)
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/ directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/ brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: w w w . i s o .org/ iso/ fr/ avant -propos .html.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 108, Vibrations et chocs mécaniques, et
leur surveillance, Sous-comité SC 2, Mesurage et évaluation des vibrations et chocs mécaniques applicables
aux machines, aux véhicules et aux structures.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 13373 est disponible sur le site Internet de l’ISO.
iv © ISO 2017 – Tous droits réservés
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ISO 13373-7:2017(F)
Introduction
Le présent document donne les lignes directrices concernant les modes opératoires à envisager lors
des diagnostics des vibrations des machines équipant les centrales hydro-électriques et les stations
de pompage, en abrégé groupes hydro-électriques. Il est destiné à être utilisé par les professionnels,
ingénieurs et techniciens, du domaine des vibrations et il leur fournit des outils de diagnostic utiles. Ces
outils comprennent l’utilisation de tableaux de processus de diagnostic et de tableaux de défauts. Le
contenu du présent document présente les étapes les plus fondamentales, logiques et intelligentes qu’il
convient de suivre dans le cadre du diagnostic des problèmes liés à ces types particuliers de machines.
Des valeurs de vibration acceptables pour les groupes hydro-électriques sont indiquées dans
l’ISO 10816-5 (vibration des parties non tournantes) et dans l’ISO 7919-5 (vibration des arbres
tournants) qui sont actuellement en cours de révision et de fusion en vue d’une publication en tant
qu’ISO 20816-5.
L’ISO 13373-1 présente les modes opératoires de base pour l’analyse des signaux de vibration à
bande étroite. Elle inclut la description des types de capteurs utilisés, leurs gammes d’utilisation et
emplacements recommandés sur les divers types de machines, les systèmes de surveillance vibratoire
continue et périodique, ainsi que des problèmes éventuels de l’équipement.
L’ISO 13373-2 conduit au diagnostic des machines. Elle inclut les descriptions de l’équipement de
conditionnement des signaux, les techniques dans les domaines fréquentiel et temporel, et les formes
d’ondes et signatures qui représentent les phénomènes de fonctionnement les plus courants des
machines ou les défauts des machines que l’on rencontre lorsqu’on effectue une analyse des signatures
vibratoires.
L’ISO 13373-3 fournit des modes opératoires permettant de déterminer les causes des problèmes
vibratoires communs à tous les types de machines tournantes. Elle inclut des méthodes systématiques
pour caractériser les effets des vibrations, les outils de diagnostic disponibles, les outils nécessaires à
des applications particulières et des recommandations sur la façon d’appliquer les outils à différents
types de machines et composants. Cependant, elle n’exclut pas l’utilisation d’autres techniques de
diagnostic.
Il convient de noter que l’ISO 17359 précise que le diagnostic peut être
— effectué à l’issue de la détection d’une anomalie par la surveillance, ou
— réalisé de façon synchrone avec la surveillance, dès le début de celle-ci.
Le présent document ne traite que du premier cas, à savoir la réalisation du diagnostic après détection
d’une anomalie. En outre, elle se focalise principalement sur l’utilisation de tableaux de processus
comme outils de diagnostic, ainsi que sur des tableaux de défauts, puisque l’on considère que ce sont les
outils les plus appropriés pour les professionnels, ingénieurs et techniciens du domaine.
Lorsqu’il s’agit d’aborder un problème de machines se manifestant par des niveaux de vibration
élevés ou erratiques, il convient de procéder au diagnostic du problème d’une manière systématique
et réfléchie. L’ISO 13373-3 et le présent document réalisent cet objectif en fournissant à l’analyste des
recommandations sur la sélection des outils de mesure et des outils d’analyse adaptés, ainsi que sur
leur utilisation, et les modes opératoires pas-à-pas préconisés pour le diagnostic des problèmes des
divers types de machines équipant les centrales hydro-électriques et les stations de pompage.
La méthodologie basée sur l’utilisation de tableaux de processus de diagnostic propose un mode
opératoire structuré permettant à un professionnel du domaine concerné de diagnostiquer un défaut et
d’en trouver la cause. Il convient que ce mode opératoire pas-à-pas soit à même de guider le professionnel
dans le diagnostic vibratoire des anomalies de la machine, afin d’identifier la cause à l’origine de cette
anomalie.
Le tableau des défauts présente une liste des défauts les plus répandus sur les machines, ainsi que leurs
manifestations dans les mesures vibratoires. Les tableaux aident à identifier les défauts des machines.
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ISO 13373-7:2017(F)
Dans certains cas, il est dangereux de redémarrer la machine après qu’une grave anomalie a provoqué
un déclenchement. Le type de diagnostic à effectuer peut alors différer des méthodes décrites dans le
présent document.
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NORME INTERNATIONALE ISO 13373-7:2017(F)
Surveillance et diagnostic d’état des machines —
Surveillance des vibrations —
Partie 7:
Techniques de diagnostic pour machines équipant les
centrales hydro-électriques et les stations de turbine-pompe
1 Domaine d’application
Le présent document donne des lignes directrices pour les modes opératoires spécifiques à envisager
lors des diagnostics des vibrations de divers types de machines équipant les centrales hydro-électriques
et les stations de pompage (groupes hydro-électriques). Il est destiné aux professionnels, ingénieurs
et techniciens assurant la surveillance d’état des machines et fournit une méthode pratique basée sur
les vibrations, détaillée pas-à-pas, de diagnostic des défauts. En outre, elle donne un certain nombre
d’exemples pour divers types de machines et de composants, et les symptômes des défauts qui leur sont
associés.
2 Références normatives
Les documents suivants sont référencés dans le texte de sorte qu’une partie ou la totalité de leur
contenu constitue les exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée
s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y
compris les éventuels amendements).
ISO 2041, Vibrations et chocs mécaniques, et leur surveillance — Vocabulaire
ISO 13372, Surveillance et diagnostic de l’état des machines — Vocabulaire
ISO 13373-1, Surveillance et diagnostic d’état des machines — Surveillance des vibrations — Partie 1:
Procédures générales
ISO 13373-2, Surveillance et diagnostic d’état des machines — Surveillance des vibrations — Partie 2:
Traitement, analyse et présentation des données vibratoires
ISO 21940-2, Vibrations mécaniques — Équilibrage des rotors — Partie 2: Vocabulaire
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 2041, l’ISO 13372 et
l’ISO 21940-2 s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
— ISO Online Browsing Platform (OBP): disponible à l’adresse http:// www .iso .org/ obp
4 Vibrations des groupes hydro-électriques
Les mesurages des vibrations consistent principalement à quantifier le déplacement de l’arbre tournant
au niveau des paliers guides par rapport au logement du palier (vibrations relatives de l’arbre) et
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les vibrations absolues du logement du palier lui-même (vibrations absolues du palier) qui sont
représentatives des parties non tournantes.
Contrairement à d’autres machines tournantes lourdes telles que les turbines à gaz, les compresseurs
et les pompes, les groupes hydro-électriques sont rigides sans accouplements flexibles entre les
composants et fonctionnent normalement en dessous de la première vitesse critique. Un groupe
hydroélectrique doit donc être analysé comme un unique ensemble dynamique, ce qui signifie qu’il
convient de mesurer simultanément toutes les grandeurs vibratoires au niveau de tous les plans de
guidage.
Les groupes hydroélectriques sont influencés par:
— le balourd mécanique,
— les forces d’excitation hydrauliques agissant sur la roue de turbine,
— les forces d’interaction magnétiques entre le stator et le rotor,
— les forces mécaniques dans les paliers (défauts de palier),
— l’instabilité du film fluide, et
— le contact entre les parties tournantes et non tournantes.
N’importe laquelle de ces forces peut produire des vibrations mécaniques et des déformations.
L’amplitude et le comportement des vibrations varient selon le type de groupe hydro-électrique, sa
disposition générale, la conception des paliers, les fondations, la vitesse de rotation, etc. Étant donné
que les forces peuvent rarement être mesurées directement ou qu’il est beaucoup plus complexe de
mesurer les forces, les vibrations sont utilisées comme indicateur indirect. Les analyses des vibrations
reposent sur la détection et l’estimation des forces mécaniques basées sur l’observation des vibrations
résultantes.
5 Mesurages
5.1 Mesurage des vibrations en général
Les groupes hydro-électriques ont normalement une longue durée de vie ainsi qu’un comportement
stable et robuste. Leurs éventuels défauts apparaissent donc généralement lentement. Une surveillance
occasionnelle permet de détecter des défauts qui apparaissent lentement. Par conséquent, des systèmes
de mesure installés temporairement et destinés à la surveillance périodique, aléatoire ou rare peuvent
suffire pour une analyse initiale telle que décrite dans l’ISO 13373-3. Toutefois, ces systèmes peuvent
être insuffisants pour le diagnostic détaillé des défauts qui se développent lentement tel que décrit
dans l’ISO 13373-2.
Il convient d’effectuer un suivi de tendance régulier des paramètres pour détecter toute modification
de l’état vibratoire sur de plus longues périodes de temps. Pour ces analyses des tendances, il est
préférable de mettre en place une surveillance continue à long terme avec un système de surveillance
permanent. Un système de surveillance permanent assurera également une protection contre les
défaillances (par exemple, dégradation de palier). Des mesurages périodiques à l’aide de capteurs
supplémentaires donnent des informations fiables pour l’évaluation d’état et pour la planification des
travaux de maintenance.
La surveillance d’état peut être envisagée et appliquée tel qu’il est décrit dans l’ISO 17359. Cela peut
conduire à des tâches supplémentaires, notamment:
— l’installation de capteurs supplémentaires,
— la surveillance des paramètres de fonctionnement de la machine influençant le comportement
vibratoire,
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— des analyses plus détaillées, et
— le mesurage en ligne continu à l’aide d’un système de stockage et d’acquisition de données approprié.
D’autres informations relatives au mesurage des vibrations sur les groupes hydro-électriques sont
données dans les documents répertoriés dans la Bibliographie.
5.2 Instrumentation
Il existe deux principaux types de mesurage des vibrations qui fournissent des informations
complémentaires.
— Les vibrations relatives de l’arbre mesurées à l’aide de capteurs de proximité sans contact montés
au niveau ou à proximité des paliers, par exemple capteurs inductifs, capacitifs et à courant de
Foucault.
— Les vibrations du logement du palier mesurées à l’aide de capteurs sismiques, par exemple
accéléromètres ou vélocimètres montés dans les parties non tournantes du logement de palier.
En plus du mesurage des vibrations, des capteurs peuvent également être installés pour mesurer la
pression dynamique, l’entrefer voire les contraintes, à l’aide de jauges extensométriques. Ces paramètres
peuvent être utilisés pour établir la relation de cause à effet d’un événement.
Les grandes installations hydro-électriques comprennent normalement des capteurs de proximité au
niveau de chaque palier. Cependant, si tel n’est pas le cas, il est conseillé d’installer deux capteurs de
proximité temporaires à chaque palier. L’orientation est dans le plan radial, perpendiculairement l’un à
l’autre, voir la Figure 1.
Lors de l’utilisation de capteurs de proximité installés temporairement, il convient de noter les points
suivants.
Les capteurs de vibrations relatives peuvent être sensibles à l’excentricité électrique et mécanique
qui peut varier selon l’emplacement axial du capteur par rapport à l’arbre. Il convient de choisir les
emplacements axiaux de façon à permettre des installations répétées pour la surveillance et à réduire
les effets de cette erreur de mesure.
Il convient de documenter l’excentricité électrique et mécanique totale résiduelle et de l’utiliser pour
corriger les composantes vibratoires de la vitesse de tournage lorsqu’un signal de référence de phase
approprié est disponible.
Il convient que les emplacements radiaux du capteur de vibrations temporaire soient cohérents entre
les mesurages.
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Figure 1 — Exemple d’emplacements et de directions de mesure sur un groupe hydro-électrique
vertical
Pour obtenir des informations complètes sur les vibrations des paliers, il convient d’installer deux
capteurs sismiques radiaux perpendiculaires l’un à l’autre sur chaque logement de palier ainsi qu’un
capteur sismique dans la direction axiale sur la butée ou un palier fixé sur une structure vibrante
telle que le flasque supérieur de la turbine. La grandeur généralement utilisée est la vitesse vibratoire,
mesurée directement à l’aide de vélocimètres ou mesurée à l’aide d’accéléromètres et intégration des
signaux.
Certains systèmes de mesure de l’accélération et de la vitesse ne peuvent que mesurer les vibrations à
des fréquences inférieures à 10 Hz, ce qui n’est pas approprié pour les groupes hydro-électriques dont
la vitesse de rotation est souvent inférieure à 600 r/min. La fréquence minimale recommandée est
de 0,1 fois la fréquence de rotation pour les turbines à réaction (Francis, Kaplan) et les pompes et de
0,4 fois la fréquence de rotation pour les turbines à impulsion (Pelton).
Il convient de mesurer simultanément tous les signaux pendant une durée suffisante pour caractériser
ces basses fréquences.
L’ajout d’un capteur top-tour permettra de synchroniser les mesures et de donner une référence de
phase à chaque point de mesure.
Il existe des Normes internationales permettant d’évaluer l’intensité vibratoire pour les types de
mesurage décrits, notamment l’ISO 20816-1.
La description des capteurs et des systèmes de mesure ainsi que la spécification de techniques sont
fournies par l’ISO 13373-1 et l’ISO 13373-2, qui doivent être prises en compte pour faire un choix
approprié des capteurs et du système de mesure.
5.3 Mesurage des paramètres de fonctionnement de la machine
Les paramètres de fonctionnement de la machine hydro-électrique, par exemple la vitesse de
rotation, la charge, les cotes amont et aval, l’ouverture du principal dispositif de régulation (par
exemple, ouverture des directrices) et la température de l’huile des paliers, peuvent influencer les
caractéristiques vibratoires de la machine. Pour effectuer un diagnostic fiable, il est important de
mesurer et d’enregistrer ces données simultanément pour corréler les vibrations aux conditions de
fonctionnement en raison de forces hydrauliques et autres très différentes.
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Un point de fonctionnement hydraulique doit être défini par au moins deux paramètres de
fonctionnement, par exemple la hauteur et le débit d’eau et le mode de fonctionnement (turbinage,
pompage, transitoire, etc.). Pour les machines à vitesse variable, la vitesse de rotation instantanée doit
être connue.
La direction de rotation est également un paramètre important requis pour interpréter correctement
la phase des vibrations synchrones.
6 Analyse initiale
La première étape consiste à obtenir les caractéristiques de conception de la machine et l’historique
des anomalies. Cette analyse initiale peut être effectuée en utilisant les lignes directrices données dans
l’Annexe A de ISO 13373-3:2015 qui indique qu’il convient que cette analyse identifie les problèmes
d’intégrité, la présence de fortes vibrations et de leur sévérité, l’historique, l’effet des paramètres de
fonctionnement et les conséquences en l’absence de mesures correctives. L’ensemble est utilisé pour
évaluer le risque de fonctionnement de la machine.
Lorsque des changements du comportement dynamique sont détectés, il convient d’effectuer des
investigations et essais particuliers pour en trouver la cause.
7 Analyses spécifiques aux groupes hydro-électriques
Les groupes hydro-électriques étant souvent des prototypes individuels, il est difficile de comparer une
machine avec une autre. L’évaluation de l’état vibratoire doit donc tenir compte des conditions limites et
de la configuration de conception particulière. L’enregistrement des tendances à long terme est très utile.
L’amplitude des vibrations est une réaction aux forces d’excitation. En ce qui concerne l’hydraulique,
par exemple les conditions de débit dans la roue ou les fluctuations de pression sur les parties fixes,
on observe une forte dépendance vis-à-vis du point de fonctionnement hydraulique qui doit être défini
par deux paramètres de fonctionnement, par exemple la hauteur et le débit d’eau ou l’ouverture des
directrices (voir en 5.3).
NOTE 1 L’amplitude des vibrations seule n’indique pas nécessairement le niveau de contraintes dans les
composants concernés. Un mesurage par jauges extensométriques et/ou un modèle numérique approprié est
nécessaire pour en déduire l’impact en fatigue.
La partie génératrice ou motrice étant normalement directement couplée à la partie hydraulique,
l’ensemble du système doit être analysé. Le diagnostic séparé des composants hydrauliques et
électriques n’est pas conseillé et sera très probablement voué à l’échec. Ne sont pas concernés les
groupes équipés d’un multiplicateur entre la turbine et le générateur, ou les groupes avec un embrayage
entre la pompe et la turbine ou entre la pompe et le moteur.
NOTE 2 Des groupes hydro-électriques identiques exploités dans des conditions apparentes similaires
peuvent avoir des comportements vibratoires différents. S’il est impossible d’établir une relation avec des
conditions limites différentes telles que la température, le fonctionnement de machines adjacentes peut donner
une indication d’une anomalie d’état de la machine et éventuellement d’un défaut.
Le tableau des défauts présenté dans l’Annexe A donne une liste des défauts les plus répandus sur
les machines, ainsi que leurs manifestations dans les signatures vibratoires. Il doit être suivi lors de
l’analyse des vibrations des groupes hydro-électriques.
Le tableau de processus de diagnostic de l’Annexe B donne les lignes directrices permettant à un
professionnel du domaine concerné de diagnostiquer un défaut et d’en trouver la cause.
L’Annexe C donne des exemples de problèmes vibratoires rencontrés sur les groupes hydro-électriques
et fournit des explications physiques à la signature vibratoire correspondante.
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8 Diagnostics supplémentaires
Le présent document concerne la surveillance d’état basé sur les vibrations. Bien que les niveaux
vibratoires et leurs variations soient très utiles, d’autres paramètres donnent des informations
supplémentaires sur l’état du groupe. La surveillance des paramètres de fonctionnement stabilisés tels
que le débit, la cote amont et l’ouverture des directrices, associés à la puissance produite par l’alternateur
permet d’identifier une perte de rendement, mais des mesurages très précis sont nécessaires pour
détecter les défauts courants qui n’apparaissent pas dans le niveau vibratoire.
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Annexe A
(normative)
Tableau des défauts relatifs à l’analyse des vibrations des groupes
hydro-électriques
Une méthode systématique d’analyse des vibrations des groupes hydro-électriques est fournie dans le
tableau des défauts du Tableau A.1.
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Tableau A.1 — Tableau des défauts relatifs à l’analyse des vibrations des groupes hydro-électriques
Régime de
Vitesse initiale Comportement
fonctionne- Principale composante Effet sur
d’évolution vibratoire
Défaut ment lors de la fréquentielle de l’amplitude la vitesse Répétabilité Commentaires
de l’amplitude ultérieur dans
modification vibratoire modifiée critique
vibratoire le temps
des vibrations
Perte de métal des Stabilisé et tran- Évolution 1x Permanent après Niveau de Les évolutions les plus
parties tournantes sitoires discontinue en l’évolution discon- réponse forte- importantes sont obser-
cas de perte de tinue ment modifié vées au niveau des paliers
pièce ou évolu- du rotor concerné
tion continue en
cas d’abrasion,
usure, érosion
Desserrage du palier Stabilisé et tran- Immédiatement Combinaison de 0,5x, de 1x et Variable lors des La flexibilité Tendances, mais
ou de son support sitoires évidente des harmoniques de la vitesse de transitoires, sinon du support de pas nécessai-
fonctionnement permanent palier peut être rement, les
modifiée, ce amplitudes se
qui peut faire répètent généra-
varier la vitesse lement lors de
critique transitoires
similaires
Résonances locales Stabilisé et tran- Immédiatement Variable lors des Oui Parfois, les composants
des structures de sitoires évidente transitoires, sinon de supportage du palier
supportage permanent peuvent avoir des modes
locaux de résonance qui se
manifestent par des vibra-
tions absolues du palier
Modification de la Après un Lente, sauf si Principalement 1x. Une valeur Dans des régimes Peut modifier Tendances, mais Le
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.