Można założyć, że praktycznie w każdym zakładzie produkcyjnym pracują różnego typu pompy. W wielu przypadkach produkcja zależy od ich bezawaryjnej pracy.
Obecnie można uniknąć nieplanowanych postojów związanych z awariami pomp dzięki narzędziom do predykcyjnego utrzymania ruchu (ang. Predictive Maintenance – PdM).
Strategia PdM a użytkowanie pomp
Strategia predykcyjnego utrzymania ruchu zakłada optymalne użytkowanie urządzeń, przez co rozumie się utrzymanie ich sprawności w całym okresie eksploatacji, jednak nie przez nadmierną częstotliwość obsługi i remontów. Dzięki wykorzystaniu nowoczesnych metod diagnostycznych, instalowaniu odpowiednich czujników itp. oraz modułów monitujących parametry pracy można na bieżąco badać stan techniczny pomp oraz przewidywać zużycie różnych ich elementów i możliwość wystąpienia awarii. Jest to podstawa do podejmowania decyzji o konieczności wymiany zużytych części, ich regeneracji oraz terminach smarowania, regulacji i innych czynności związanych z eksploatacją. Nie jest przy tym istotne utrzymanie „idealnego” stanu maszyny, ale działanie zgodne ze strategią eksploatacyjną CBM (ang. Condition Based Maintenance).
Choć CBM ma kilka zalet w stosunku do planowej konserwacji (większa niezawodność, mniejsze koszty utrzymania i mniej czynności konserwacyjnych), to koszty instalacji czujników mogą czasem być równe lub przekraczać wartość samego urządzenia. Pojawiają się też dodatkowe elementy, które same wymagają konserwacji i kontroli. Również okresy konserwacji są rozłożone nierównomiernie, co powoduje, że pojawiają się nieprzewidziane wcześniej koszty i możliwe kumulacje prac do wykonania. To oczywiście tylko wskazanie, by zawsze kierować się właściwie przeprowadzonym rachunkiem ekonomicznym i zwracać uwagę na wszystkie możliwe aspekty.
Różne pompy, różne zalecenia
Zgodnie z podręcznikową definicją, pompa to urządzenie, które dzięki wytworzeniu różnicy ciśnień pomiędzy stroną ssawną (wlotem) a tłoczną (wylotem) pozwala transportować ciecz lub osady. Siła mechaniczna może zostać przekazana cieczy przez tłok, łopaty wirnika lub membranę. Specjaliści nie wszystkie rodzaje przenośników cieczy zaliczają do pomp, ale w praktyce wszystkie tego typu urządzenia określa się tą nazwą.
Zróżnicowanie konstrukcji, materiałów i rodzajów wykonania powoduje, że trudno podać uniwersalne zasady postępowania przy tak zróżnicowanej ofercie sprzętowej. Nie zawsze sprawdza się zasada, która mówi, że żeby pompa mogła pracować, musi być zalana, bo są pompy samozasysające, a także pompy wyporowe o wysokiej szczelności, działające w układzie pompowym o niewielkiej wysokości ssania, które też nie muszą być wcześniej zalane.
W przemyśle spotyka się wiele rodzajów pomp: membranowe, zębate, wirowe, śrubowe, wyporowe, krzywkowe, perystaltyczne i magnetyczne. Pompami nazywa się (choć nie jest to właściwe) przenośniki cieczy, czyli pompy strumieniowe. Ponadto pompy pracują w różnych środowiskach i są wykonane z różnych materiałów. Trzeba to brać pod uwagę, mówiąc o ich serwisowaniu i regeneracji.
Kluczem do wykrycia źródła problemów związanych z pracą pomp jest przeprowadzenie analizy czynników, które doprowadziły do uszkodzenia pompy. Pozwala to zidentyfikować przyczynę i zapobiec jej w przyszłości. Ważne jest przede wszystkim ustalenie, kiedy pojawił się problem i czy rozwijał się w czasie. Jeśli wystąpił nagle, możliwe, że spowodowało go jakieś działanie ze strony użytkownika.
Jeśli w zakładzie stosowane są zasady zgodne z predykcyjnym utrzymaniem ruchu, to prognozowanie wykonuje się przez monitorowanie i ekstrapolację informacji uzyskanych w trakcie badań diagnostycznych. Oczywiście trzeba też ustalić wartości graniczne dla ważnych parametrów, by otrzymywać powiadomienia o ich przekroczeniu.
W zakładach przemysłowych brakuje dziś specjalistów, którzy potrafią właściwie dobrać pompę lub system pomp oraz ich napędy do konkretnej aplikacji czy zinterpretować krzywą pracy pompy, podaną przez producenta w rzeczywistych warunkach eksploatacji (nawet gdy mamy do czynienia z zespołem kilku pomp i różnice pomiędzy parametrami nominalnymi a rzeczywistymi nakładają się kolejno na siebie). Doświadczenie jest potrzebne przy rozpoznawaniu pierwszych oznak nieprawidłowej pracy, nie mówiąc o sprawnej wymianie uszkodzonego elementu i naprawie pompy.
Diagnostyka i monitoring
Doświadczony operator potrafi sam zauważyć, że praca maszyny odbiega od normy. Niektóre elementy mają wyższą temperaturę niż zazwyczaj, odczuwa się wibracje, których wcześniej nie było. Trudno jednak polegać tylko na subiektywnych odczuciach. Jeśli objawy nieprawidłowej pracy są widoczne gołym okiem, często jest już za późno, by zaplanować rozsądne działania zapobiegawcze. Wielu usterek we wczesnych fazach powstawania, np. uszkodzenia łożysk, nie wykryje się w ten sposób.
Dziś coraz powszechniej korzysta się z analizy drgań, termowizji i detekcji ultradźwięków. Analizatory wibracji oparte są na pomiarze drgań, najczęściej w zakresie ich podstawowych parametrów, takich jak: częstotliwość, przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie. Uzyskane wyniki można porównywać zarówno z wartościami historycznymi, jak i podanymi w charakterystyce urządzenia.
Przykładem przenośnego miernika do tego rodzaju pomiarów jest oferowany przez firmę MBJ electronics, polskiego producenta aparatury do drganiowej diagnostyki maszyn, uniwersalny miernik i analizator drgań z funkcją wyważania w łożyskach własnych – model DIAMOND 401. Jak podaje producent, jego funkcje to: ogólne pomiary drgań, ocena stanu maszyny wg norm ISO, kontrola łożysk tocznych, pomiar prędkości obrotowej i temperatury, analiza częstotliwościowa drgań FFT, analiza obwiedni, pomiar fazy oraz wyważanie wirników w łożyskach własnych i zbieranie danych.
Innym tego typu urządzeniem jest produkt firmy Mera – kompaktowy, przenośny, cyfrowy miernik drgań HS-630 do ręcznego pomiaru drgań, oceny stanu łożysk i punktowego pomiaru temperatury, stosowany w diagnostyce zapobiegawczej. Obsługa przyrządu nie wymaga szkolenia, a urządzenie ma predefiniowane wartości progów ostrzegawczych i alarmowych dla stanu łożysk tocznych oraz wartości dopuszczalnych prędkości drgań zgodnie z normą ISO 10816-3.
Na rynku dostępnych jest wiele innych urządzeń tego typu, jak choćby wibrometr firmy Voltcraft VBM-100, z rejestratorem danych (zewnętrzny czujnik, pomiar częstotliwości drgań w zakresie 10 Hz1 kHz) lub SDL800 firmy Extech (zewnętrzny czujnik, pomiar częstotliwości drgań w zakresie 10 Hz1 kHz, zintegrowany rejestrator danych). Firma Fluke ma w ofercie miernik wibracji FLUKE805 wyposażony w czujnik, który pozwala ograniczyć błędy pomiarów wynikające z kąta ustawienia przyrządu lub siły nacisku. Zapewnia on stałą jakość danych w zakresach niskich i wysokich częstotliwości i pomiar poziomu wibracji w zakresie 10 Hz1 kHz, a funkcja Crest Factor+ (współczynnik szczytu) umożliwia bezpośrednie odczyty w zakresie 420 kHz, przy wykorzystaniu końcówki pomiarowej. Sygnalizacja i komunikaty na ekranie informują o sile nacisku, jaki należy zastosować w trakcie wykonywania pomiarów.
Obecnie monitoring drgań to już sprawdzona technika oceny stanu technicznego wirujących części pomp. Można zainstalować czujniki i podłączyć je do centralnego systemu monitorowania lub np. poprzez skrzynki ze złączami BNC umożliwić podłączenie analizatora wibrodiagnostycznego. Na rynku dostępne są samodzielne moduły monitorowania drgań maszyn i urządzeń wirujących, które współpracują z czujnikami drgań. Można w nich również ustawiać poziomy ostrzeżeń i alarmów. Przy wykonywaniu pomiarów wykorzystuje się różnego typu sensory. Mogą to być bezkontaktowe sondy wiroprądowe lub np. piezoelektryczne akcelerometry. Punkty pomiarowe powinny być z góry określone i oznaczone. Miejsce zamocowania (często za pomocą magnesu) powinno być czyste (usunięty smar, luźne fragmenty farby, rdza itp.) i płaskie. Czujnik nie powinien też przemieszczać się w czasie pomiaru. Zawsze należy dbać, by warunki, w jakich wykonuje się pomiary, były możliwie ujednolicone.
Coraz częściej w celach diagnostycznych wykorzystuje się termowizję, ponieważ w wielu wypadkach nieprawidłowa praca, nadmierne zużycie pracujących elementów powoduje miejscowy wzrost temperatury. Do niedawna ograniczeniem w powszechnym stosowaniu tej technologii były wysokie koszty zakupu kamery. Obecnie sytuacja uległa zmianie i na pewno warto z tego sposobu diagnozowania stanu maszyn częściej korzystać.
Na przykład kamerę termowizyjną FLIR E4 można kupić za mniej niż 1 tys. euro. Jej podstawowe parametry są następujące: pole widzenia – 45° × 35°/0,5 m, czułość termiczna <0,15°C, rozdzielczość detektora – 80 × 60 pikseli, zakres temperatur – od -20°C do +250°C. Kamera zapisuje równocześnie obraz w świetle widzialnym oraz w podczerwieni, co ułatwia lokalizację elementów o podwyższonej temperaturze na rzeczywistym obiekcie.
Przy diagnozowaniu pracy pomp można się zetknąć z występowaniem zjawiska kawitacji. Jest ono spowodowane gwałtowną przemianą fazy ciekłej przepompowywanego medium w gazową. To szkodliwe zjawisko prowadzi do przedwczesnego zużycia pompy. Powstające pęcherzyki gazu zapadają się i powodują trzask, dobrze słyszalny szczególnie w zakresie ultradźwięków. Dlatego też z tym problemem radzą sobie mierniki ultradźwięków – można je skutecznie wykorzystywać nawet w środowisku o wysokim poziomie natężenia hałasu. Połączenie informacji uzyskanych z miernika ultradźwięków i wibracji pozwala zlokalizować miejsce występowania kawitacji. Dzięki temu można określić, przy jakich parametrach pracy pompy (gęstość cieczy, ciśnienie, temperatura) zjawisko to się pojawia. Natomiast natężenie sygnału może wskazywać na aktualny stan zużycia elementów pompy.
Przykładem przenośnego wielofunkcyjnego miernika ultradźwięków może być model SDT-270 z oferty firmy Introl. Można nim wykonywać pomiary statyczne i dynamiczne. Pomiary statyczne charakteryzują energię sygnału lub jego amplitudę. Wynik pomiaru składa się z wartości RMS, Max RMS, Peak (wartość szczytowa) oraz Crest Factor. Pomiary dynamiczne umożliwiają zobrazowanie wyniku pomiaru za pomocą wykresów sygnału w funkcji czasu, a także częstotliwości (FFT).
Pomiary wydajności, naprawa uszkodzeń, eksploatacja
Trzeba mieć na uwadze, że pompy są podstawowymi urządzeniami w wielu procesach przemysłowych i jedną z głównych przyczyn przestojów remontowych oraz napraw awaryjnych. Dlatego ważne jest, by pracowały z maksymalną wydajnością i przy zoptymalizowanym zużyciu energii. Obecnie można, nawet zdalnie, zbierać wiele informacji o parametrach pracy i stanie technicznym pomp. Chodzi o to, by pozyskane informacje zmienić w użyteczną dla służb UR wiedzę. Na podstawie pomiarów wydajności pomp można np. przewidzieć, kiedy będzie rzeczywiście potrzebna konserwacja danego urządzenia i odejść od jej przeprowadzania w średnich, zalecanych przez producentów odstępach czasu. Warto też rozważyć outsourcing i zlecać pomiary diagnostyczne wyspecjalizowanym firmom, które mają doświadczenie w kompleksowym serwisie zespołów pompowych.
Jak podaje firma Partner Serwis (remonty, serwis, diagnostyka i modernizacja zespołów pompowych), 65% energii zużywanej przez maszyny, urządzenia i instalacje przemysłowe jest wykorzystywane do napędzania silników elektrycznych, a 20% energii zużywanej przez silniki elektryczne do napędzania pomp. Dlatego można uzyskać znaczące oszczędności energii i wydajności układu, gdy utrzymuje się urządzenia w dobrej kondycji technicznej i stosuje optymalne systemy sterowania. Firma ma własną stację prób, pozwalającą przeprowadzać badania, które obejmują, oprócz wyznaczenia sprawności pompy, sprawdzenie poziomu drgań, temperatury wybranych węzłów konstrukcyjnych, szczelności, wybiegu po wyłączeniu. To daje pewność, że wykonane czynności remontowe doprowadziły urządzenie do stanu opisanego w dokumencie DTR producenta.
Postęp w zakresie materiałów kompozytowych pozwala łatwiej wykonywać naprawy powierzchni, korpusów, wirników itp. Wykonuje się je specjalnymi kompozytami, m.in. firm: Chesterton, Belzona, Chester Molecular. Na przykład materiały Chesterton ARC, jak podaje firma, umożliwiają naprawę uszkodzonych korpusów i zapewniają znaczne przedłużenie eksploatacji pompy, a zastosowana powłoka ma większą odporność chemiczną i wytrzymałość na ścieranie niż żeliwo. Kompozyty wykorzystuje się też do zabezpieczania powierzchni wewnętrznej korpusu i wirnika przeciw wycieraniu i kawitacji. Można np. odbudować zużytą powierzchnię lub strefy korpusu i wirnika przy wykorzystaniu Loctite (marka Henkel) 3478 Superior Metal, a powierzchnie pokryć produktem Loctite Nordbak 7227 lub 7228 Brushable Ceramic, co pozwala uzyskać gładką powłokę, o wysokim połysku i niskim tarciu, a także zapewnić wzrost wydajności pompy.
Ocenia się, że 80% awarii pomp było kiedyś spowodowanych uszkodzeniem uszczelnień. To nadal jest duży problem dla użytkowników, pomimo stosowania nowoczesnych materiałów, takich jak: węgliki krzemu, węglik wolframu, ceramika Al2O3, tytan, kompozyty węglowe.
Najlepiej ograniczać stosowanie lub rezygnować z uszczelnień. Nie w każdej sytuacji jest to jednak możliwe. Specjaliści zwracają uwagę, że eksploatacja precyzyjnie wykonanych uszczelnień mechanicznych różni się od eksploatacji uszczelnień sznurowych.
Na pewno na uszczelnieniach nie powinno się oszczędzać. Nie należy też wybierać danego produktu tylko dlatego, że jest najtańszy.
Uszczelnienia należy instalować kiedy pompa jest sprawna – nie występują drgania, przesunięcia wału. Elementy uszczelnień powinny być przechowywane w odpowiednich warunkach. Niektóre tworzywa, z których zostały wykonane, ulegają procesom starzenia i tracą swoje właściwości użytkowe. Często też, w trakcie nieostrożnego montażu, może nastąpić uszkodzenie elastomeru.
Specjaliści radzą, jeśli to możliwe, ograniczać liczbę zatrzymań i uruchomień pompy, co z reguły źle wpływa na uszczelnienia. Na pewno przy montażu i demontażu należy stosować się do zaleceń dokumentacji (DTR) pomp.
Warto też korzystać z dostępnej obecnie bogatej oferty produktów z zakresu chemii technicznej, takich jak środki do połączeń gwintowych, uszczelniacze, kleje itp. Spośród nich można wymienić produkty marki Loctite, np. smar 8023 Marine Grade, który zapobiega korozji i zapieczeniom nakrętek mocujących wirnik do wału, środek mocujący 641 do mocowania połączeń cylindrycznych, zapobiegający zużyciu ciernemu i korozji, a także środki zabezpieczające gwinty 243 i 248 średniej wytrzymałości, chroniące przed przeciekami pomiędzy elementami obudowy.
Autor: Bohdan Szafrański jest od początku lat 90. związany z branżą informatyczną. Ukończył studia podyplomowe z zakresu informatyki i telekomunikacji na Politechnice Warszawskiej. Zajmował się zagadnieniami normalizacyjnymi w Polskim Komitecie Normalizacyjnym. Publicysta, dziennikarz. Obecnie publikuje m.in. w prasie specjalistycznej skierowanej do służb utrzymania ruchu w przemyśle.
