Pomiar drgań względnych jest procesem niezbędnym w organizowaniu bezpiecznej pracy maszyn i urządzeń. Uszkodzenie ścieżki pomiarowej lub czujnika może być przyczyną zagrożenia bezpieczeństwa ruchu lub nieplanowanego postoju.
Ścieżka pomiarowa to szczególne miejsce na wale maszyny, specjalnie przygotowane do współpracy z wiroprądowymi czujnikami zbliżeniowymi drgań względnych, bardzo wrażliwe na mechaniczne uszkodzenie struktury krystalicznej i wpływ obcego pola magnetycznego, które podlega kontroli i obsłudze. Sygnał generowany przez czujniki wiroprądowe jest ściśle związany ze stanem technicznym ścieżki pomiarowej. Każde jej uszkodzenie powoduje zakłócenie pracy systemów stałego nadzoru drgań względnych i utrudnia prowadzenie diagnostyki maszyn wirnikowych.
Dobrą praktyką diagnostyczną jest dokumentowanie „życia” ścieżki pomiarowej, a jej aktualny stan techniczny powinien być załącznikiem do każdego sprawozdania z oceny stanu maszyny. Brak takiej informacji obniża wiarygodność dobrze przeprowadzonej oceny.
Obsługa ścieżek pomiarowych
Ścieżki pomiarowe współpracujące z wiroprądowymi czujnikami do pomiaru drgań względnych wirników maszyn wirnikowych podlegają nadzorowi stanu technicznego tak jak inne elementy maszyny, a procedura ich obsługi powinna być częścią dokumentacji technicznej maszyny.
Niesprawność ścieżki pomiarowej wpływa negatywnie na pracę całego systemu stałego nadzoru drgań względnych i prowadzenie diagnostyki wibroakustycznej maszyny. Powoduje ona zawyżenie lub zaniżenie sumarycznego poziomu drgań (zaniżanie jest szczególnie niebezpieczne, ponieważ rzeczywisty poziom drgań jest wyższy niż wynika to ze wskazań systemu) oraz utrudnia prowadzenie diagnostyki stanu przez zaburzenia fazy i generowanie składowych drgań niezwiązanych z dynamiką pracy maszyny.
Ocena stanu technicznego ścieżek pomiarowych określana jest w czasie:
1. pracy na obracarce,
2. bieżącej eksploatacji maszyny według określonego resursu czasowego,
3. przed odstawieniem maszyny do naprawy,
4. po wykonaniu naprawy – odbiór ścieżki pomiarowej.
Każdy z tych stanów ma określoną specyfikę i dostarcza niezbędnych informacji.
Ocena w czasie pracy na obracarce
Pierwszym wskaźnikiem oceny stanu technicznego nowej lub regenerowanej ścieżki pomiarowej jest sygnał z czujnika wiroprądowego rejestrowany w czasie pracy turbiny parowej na obracarce. Jednak tak określona jakość ścieżki musi być potwierdzona w innych stanach eksploatacyjnych maszyny, wymienionych w punktach od 2 do 4, ponieważ parametry odchyłki magnetycznej dla danej płaszczyzny ścieżki pomiarowej są niezmienne i nie zależą od obrotów, obciążenia mechanicznego czy obciążenia cieplnego maszyny.
Na rys. 1 przedstawiono sygnał ze zbliżeniowego czujnika wiroprądowego uszkodzonej ścieżki pomiarowej w czasie pracy turbiny na obracarce, na którym widoczne jest uszkodzenie ścieżki powtarzające się jeden raz na obrót.
Ocena w trakcie bieżącej eksploatacji maszyny według określonego resursu czasowego
Stan techniczny ścieżek pomiarowych zmienia się w czasie eksploatacji maszyny. Pod wpływem długotrwale działających naprężeń mechanicznych zmienia się struktura materiału wału maszyny, która wpływa na jego właściwości magnetyczne. Naprężenia zmęczeniowe powodują zmiany odległości między płaszczyznami atomowymi w kryształach, co wpływa na elektryczną przewodność właściwą i przenikalność magnetyczną wału, a w rezultacie zmienia jego właściwości magnetyczne. Postępujące w czasie eksploatacji zmęczenie powoduje powstawanie mikropęknięć. Wszystkie te czynniki mają wpływ na stan techniczny ścieżki pomiarowej, charakter i poziom odchyłki magnetycznej. To sprawia, że stan ścieżki musi być z czasem kontrolowany, a przy demontażu wirnika ścieżka powinna być regenerowana.
Rys. 2 przedstawia przebieg czasowy sygnału rejestrowanego przez wiroprądowy czujnik zbliżeniowy ścieżki pomiarowej przedstawionej na rys. 1, dla maszyny pracującej na wolnych obrotach z uszkodzoną ścieżką pomiarową. Impuls jest negatywny – od czujnika. Przebiegi te potwierdzają charakter sygnału rejestrowanego w czasie pracy na obracarce.
Ocena przed odstawieniem maszyny do naprawy
Jest to stan szczególny, który nie może być pominięty. Po zatrzymaniu maszyny niemożliwe jest bowiem wykonanie charakterystyk amplitudowo-fazowo-częstotliwościowych, niezbędnych do oceny stanu technicznego ścieżek pomiarowych.
Ocena po wykonaniu naprawy
Porównanie charakterystycznych przebiegów przed naprawą i po jej wykonaniu jest podstawą wysokiej jakości wykonanych napraw i powinno być niezbędnym wymogiem protokołu odbiorowego. Zakres wykonywanych czynności odbiorowych jest określany w wibroakustycznej procedurze badań maszyny. Procedura ta określa również sposób oceny stanu ścieżek pomiarowych i wartości graniczne odchyłki magnetycznej.
Ochrona przed uszkodzeniem ścieżki
Ścieżki pomiarowe są bardzo delikatne i łatwo ulegają uszkodzeniu przy kontakcie mechanicznym, który powoduje odkształcenie powierzchni – widoczne – i zmiany struktury krystalicznej – niewidoczne. Autorowi znane są przypadki zacierania uszkodzonej mechanicznie ścieżki pomiarowej przez szlifowanie papierem ściernym. Ta operacja, mimo że likwiduje uszkodzenie mechaniczne, nie usuwa zmian struktury i wprowadza dodatkowe naprężenia powierzchniowe, które mogą zmienić strukturę domenową, co dyskwalifikuje ścieżkę pomiarową z dalszej pracy. Zatajenie i wykrycie takiego uszkodzenia ścieżki w czasie odbioru maszyny, po naprawie, skutkuje poważnymi konsekwencjami finansowymi i prowadzi do ponownego demontażu maszyny.
Ścieżki pomiarowe trzeba szczególnie chronić. Po otwarciu łożyska pierwszą operacją jest zabezpieczenie ścieżki, które usuwa się jako ostatnia czynność przed zamknięciem korpusu maszyny.
Niesprawności ścieżki pomiarowej, mimo że niechciane, w niektórych przypadkach mogą być wykorzystane do rozpoznawania i diagnozowania stanów maszyny, takich jak:
-> ugięcie, skrzywienie wału,
-> pęknięcie wału,
-> rozpoznawanie kierunku precesji wirnika,
-> pomoc przy diagnozowaniu.
Dokumentacja kontroli ścieżki pomiarowej
Badanie stanu technicznego ścieżek pomiarowych wykonuje się według procedury precyzyjnie opisującej poszczególne operacje kontroli. Wielkość dopuszczalnej odchyłki magnetycznej określana jest przez normy i standardy.
Standard API 670 określa maksymalną wartość odchyłki magnetycznej jako stanowiącą 25% wartości dopuszczalnego poziomu przemieszczeń drgań Peak-Peak lub 6 μm p-p, jeżeli definiowane 25% byłoby mniejsze niż 6 μm p-p.
Ocena stanu ścieżek pomiarowych wiąże się z określeniem wielkości i charakteru odchyłki magnetycznej, która ma wpływ na:
-> sumaryczny poziom drgań,
-> amplitudę i fazę poszczególnych składowych drganiowych,
-> kształt i wielkość orbity,
-> generowanie składowych niezwiązanych z dynamiką maszyny.
Podstawowym narzędziem do określania parametrów ścieżki pomiarowej są wykresy Bodego, Nyquista, widma drgań, orbity i przebiegi czasowe drgań rejestrowane w stanach transientowych (przejściowych) maszyny.
Należy zwrócić uwagę, że ścieżkę kontroluje się zarówno w stanie zimnym, jak i gorącym maszyny. Takie badanie pozwala określić jednorodność ścieżki pomiarowej na jej szerokości. Wymóg stałej odchyłki magnetycznej na całej szerokości ścieżki wynika z jej osiowego przemieszczenia wraz z wałem pod wpływem obciążenia i rozszerzalności cieplnej wirnika w czasie pracy maszyny.
Regenerację ścieżek pomiarowych wykonuje się po wyjęciu wirnika z maszyny w warunkach imitujących podparcie jak w łożysku. Jest to jednak zamocowanie zastępcze, nie do końca odzwierciedlające warunki rzeczywiste w łożysku maszyny. Kontrola końcowa stanu technicznego ścieżki pomiarowej zawsze odbywa się w czasie odbioru, po naprawie i oddaniu maszyny do ciągłej eksploatacji.
Dobra praktyka diagnostyczna
Dobra praktyka diagnostyczna jest istotnym wymogiem, procesem realizowanym zarówno przez wykonawcę usługi, jak i przez użytkownika, właściciela maszyny. Zakłady zlecają wykonanie usług obsługowych swojego majątku technicznego firmom zewnętrznym, które bazują na badaniach diagnostycznych, w tym wibroakustycznych. Realizują zlecenie według własnych procedur, często nieznanych właścicielowi maszyny, który zdaje się na ich wiedzę i doświadczenie. Zdarza się, że zewnętrzna firma usługowa, dokonująca oceny stanu technicznego maszyn i realizująca prace naprawcze, korzysta z własnych służb diagnostycznych. Taka praktyka rodzi wątpliwość, czy służby te nie dokonują oceny stanu technicznego z myślą o swoim wykonawcy napraw lub czy nie kierują do naprawy maszyn, które tego nie potrzebują. Dobra praktyka diagnostyczna wymaga więc kontroli i weryfikacji czynności diagnostycznych.
Zakłady, które w wyniku procesu zlecania usług pozbyły się niezależnego, własnego nadzoru i kontroli stanu technicznego swojego majątku technicznego, nie mają żadnego specjalisty potrafiącego:
-> ze zrozumieniem przeczytać protokół z wykonanych pomiarów i analizy drgań,
-> uczestniczyć w sesji pomiarów kontrolnych,
-> w uzasadnionych przypadkach zlecić powtórne wykonanie badań stanu,
-> a więc są w tej kwestii ubezwłasnowolnione.
Znane są przypadki błędnych ocen diagnostycznych, a brak kontroli tych prac doprowadził do wystąpienia poważnych i kosztownych awarii.
Autor: Maciej Ziomek zajmuje się oceną stanu technicznego maszyn i urządzeń na podstawie pomiarów i analizy drgań. Jest specjalistą w zakresie systemów stałego nadzoru drgań, współpracujących z wiroprądowymi czujnikami zbliżeniowymi.
Tekst pochodzi z nr 5/2016 magazynu „Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
Literatura
1. API Standard 670, „Machinery Protection Systems”, 4th ed., November 2003.
2. M.J. DeBlock, B.M. Wood, J.W. McDonnell, „Shaft Proximity Probe Track Runout on API Motors and Generators”, „ORBIT” 2007, Vol. 27, No. 2, pp. 36-49.
3. M.G. Maalouf, „Sloe-speed Vibration Signal Analysis”, „ORBIT” 2007, Vol. 27, No. 2, pp. 4-16.
4. M. Ziomek, J. Migała, „Runout – przyczyny, pomiar i eliminacja”, „Przegląd Mechaniczny”, nr 1/1993, s. 26-29.
5. N. Littrell, „Understanding and Mitigating Shaft Runout”, „ORBIT” 2005, Vol. 25, No. 3, pp. 4-17.
6. R. Nowicki, „Rola znacznika fazy w systemach nadzoru stanu technicznego”, „Napędy i Sterowanie”, Nr 6/2014, s. 52-65.
7. R. Łączkowski, „Drgania elementów turbin cieplnych”, WNT, Warszawa 1974.
