1W pierwszej części artykułu zostały opisane metody kontroli stanu podzespołów maszyn zgodnie z krzywą P-F: pomiary ultradźwiękowe, analiza drgań, Motion Amplification, analiza oleju, pomiary termowizyjne oraz Motor Circuit Analysis. Omówione zostały korzyści z zastosowania detekcji ultradźwiękowej. W drugiej części zostaną przedstawione praktyczne case studies, prezentujące w sposób przekrojowy spektrum działania technologii ultradźwiękowej, która dopiero uzupełniona o pozostałe metody diagnostyczne pokazuje pełny obraz kondycji maszyny.
Badania dla wspomnianych case studies zostały przeprowadzone w warunkach przemysłowych na przestrzeni lat w Zakładach Tłuszczowych „Kruszwica” S.A., zajmujących się produkcją oleju rzepakowego, a także margaryn oraz olejów konsumenckich. ZT „Kruszwica”, będące częścią Grupy Bunge, z powodzeniem wdrożyły korporacyjny program utrzymania ruchu zorientowanego na niezawodność (Reliability Centered Maintenance) oraz w myśl zasady continuous improvement nieustannie się rozwijają w kierunku utrzymania ruchu 4.0. Co warto zauważyć, w 2016 r. zakład w Brzegu, będący częścią ZT „Kruszwica” S.A., został zwycięzcą w konkursie Fabryka Roku, organizowanym przez redakcję magazynu Inżyniera i Utrzymanie Ruchu. Jury doceniło sposób, w jaki zespół realizuje strategię utrzymania ruchu oraz zarządza swoim parkiem maszynowym. Stosowane w zakładzie metody kontroli kondycji maszyn zostały przedstawione na fot. 1.
Omówione w artykule przykłady detekcji problemów w funkcjonowaniu urządzeń są wynikiem zaharmonogramowanych inspekcji, a przez brak reakcji na dostrzeżone symptomy w wybranych przykładach można zaobserwować także skutki oraz poprawność metod.
Uszkodzone łożyska
Łożysko silnika
Badanie stanu łożysk za pomocą ultradźwięków (rys. 1) oparte jest na dwóch czynnikach: odczycie pomiaru w dB i analizie dźwięku (w słuchawkach lub nagranego w programie Spectralyzer). Zmiana decybeli w czasie informuje o wzroście tarcia wewnątrz łożyska. Dodatkowo można stworzyć linie trendu dla danego łożyska, dokonując kolejnych pomiarów w czasie. W ten sposób można się dowiedzieć, kiedy łożysko powinno być smarowane i jak szybko poziom tarcia zaczyna w nim rosnąć, co prowadzi do uszkodzenia.
Problem z łożyskiem może być również jednoznacznie potwierdzony za pomocą analizy drgań.
Analizując wibracje oraz natężenia ultradźwięków, zdiagnozowano początki uszkodzenia łożyska. Po pierwszych symptomach, czyli wzroście wartości ultradźwięków o 8 dB, próbowano zgodnie z praktykami dosmarować łożysko, jednak pomiar w kolejnych miesiącach pokazał, że łożysko już na tym etapie było uszkodzone (fot. 2). Postępujące uszkodzenie pokazują wyraźnie ostatnie pomiary (rys. 2).
Łożysko pompy oraz stwierdzone niewyosiowanie
Dźwięki uszkodzeń łożysk są różne w zależności od natury uszkodzenia, jednak te typowe są bardzo charakterystyczne i łatwo je odróżnić od prawidłowej pracy. Jeżeli chcemy badać w ten sposób stan łożysk, wystarczy przejść z detektorem w odpowiednio dobranych odstępach czasu i „słuchać” dźwięku łożysk w poszukiwaniu tych charakterystycznych dla stanów uszkodzenia (rys. 3).
Dodatkowo warto wiedzieć, że większość problemów elementów wirujących jest generowana przez drgania o częstotliwościach, które są dokładnie związane z prędkością obrotową danego elementu. Te częstotliwości mogą występować dokładnie co jeden obrót na minutę lub harmonicznie co 2×, 3× itp.
Patrząc na wykresy drgań łożyska znajdującego się na pompie, widzimy dominujące piki na częstotliwościach 1×, 2× i 4× RPM (rys. 4). Ponieważ piki te układają się identycznie zarówno na wykresie drgań poziomych, jak i pionowych, można mówić o drganiach promieniowych. Tego typu drgania są typowym objawem niewyosiowania liniowego.
Łożysko wolnoobrotowe prażni wstępnej
Do pomiaru urządzeń wolnoobrotowych należy używać częstotliwości w zakresie 20–25 kHz. Dodatkowo dla tego typu łożysk poziomy alarmów muszą być obniżone. Dzięki temu, kiedy pojawi się uszkodzenie, będzie ono wyraźnie słyszalne i widoczne w przebiegu czasowym nagranego pliku dźwiękowego. Należy podkreślić, że dla łożysk w zakresie 1–20 rpm informacja o uszkodzeniu może się pojawić przy wartości 0 dB.
W odniesieniu do badanej prażni wstępnej na przestrzeni kilku lat nagrano różne fazy – od wartości bazowej, po założeniu nowego łożyska, aż do jego uszkodzenia (rys. 5, 6, 7, fot. 3).
Na podstawie drgań z okresu, w którym za pomocą ultradźwięków stwierdzono już pewne symptomy uszkodzenia, w przypadku wibracji nie zdiagnozowano niczego niepokojącego. Co warte podkreślenia, używany tu był akcelerometr o czułości 100 mV/g. Firma dopiero w późniejszym czasie zaopatrzyła się w bardziej czułe urządzenia (500 mV/g).
Uszkodzona zębatka
Na podstawie pomiarów ultradźwiękowych w układzie został wykryty niepokojący dźwięk. Trudno było jednoznacznie stwierdzić, co jest problemem, ale znając dźwięki i inne wykresy łożysk, można było przypuszczać, że problem może dotyczyć czegoś innego. Z dużym prawdopodobieństwem uznano, że są to zębatki (rys. 8).
Pobrano też próbkę oleju do pomiaru. Na jej podstawie określono, że ze względu na krytycznie podniesioną zawartość żelaza oraz wysoki indeks PQ olej nie kwalifikuje się do dalszej eksploatacji (rys. 9). Dodatkowo stwierdzono, że żelazo pochodzi z metalurgii układu olejowego, najprawdopodobniej z uszkodzenia wału lub kół zębatych, i zalecono inspekcję tych elementów podczas wymiany oleju.
Dokładniejszą analizę przeprowadzono również z zastosowaniem pomiarów drgań (rys. 10). W przypadku podejrzenia problemów z przekładnią należało doszukiwać się pojawienia się wstęg bocznych oraz harmonicznych, które pozwalają dokładnie zidentyfikować element maszyny, w którym pojawia się usterka.
Na rys. 10 widać harmoniczne równe wielokrotności częstotliwości generowanej przez zębatkę. Zaznaczone są cztery harmoniczne. Przy każdej z nich występują wstęgi boczne, co pozwala przypuszczać, że nastąpiło uszkodzenie zębów. Również analiza oleju pokazała, że w próbce widoczne są cząsteczki. Odległość między harmonicznymi to 16 312 cykli/minutę.
Na podstawie wzoru:
GMF = T × RPM
gdzie:
GMF – częstotliwość defektu zębatki,
T – liczba zębów,
RPM – obroty na minutę,
wiedząc, że urządzenie pracuje z prędkością 1491 rpm i znając odległość między harmonicznymi częstotliwości generowanych przez zębatkę przekładni, można stwierdzić, która z nich jest uszkodzona.
T = GMF:RPM
T = 16 312:1491 = 11
Ze wzoru wynika, że uszkodzona zębatka ma 11 zębów.
Korzystając z dokumentacji techniczno-ruchowej, potwierdzono, że uszkodzonym elementem jest wałek atakujący. Po otwarciu przekładni dane te się potwierdziły (fot. 4).
Uszkodzone zwoje silnika
Pomiary ultradźwiękowe mogą być również wykorzystywane do analizy problemów elektrycznych (rys. 11). Badania te nie dostarczą wiedzy, czy występuje problem z upływem prądów do łożyska, czy uszkodzonymi uzwojeniami (chociaż doskonale słychać charakterystyczne częstotliwości elektryczne), jednak zainicjują użycie innych metod, bardziej dedykowanych do silników.
Problemy te będą też widoczne przy analizie drgań (2×FL i harmoniczne) (rys. 12).
W przypadku problemów z grzaniem uzwojeń dobrze sprawdzi się też termowizja (fot. 5).
Jako ostatnie z racji częstotliwości badań przeprowadzono badanie MCA, które potwierdziło problemy w obwodach silnika, co widać na wykresach (rys. 13).
Praca transformatora
Inspekcja urządzeń elektrycznych jest bardzo ważna z punktu widzenia bezpieczeństwa maszyn i ludzi. Bezpieczeństwo jest istotne również przy samych pomiarach, zwłaszcza że bardzo często badania muszą być przeprowadzane pod napięciem. Jednym z takich przykładów jest badanie transformatora, które musi być prowadzone z bezpiecznej odległości. Dzięki pomiarom ultradźwiękowym w połączeniu z termowizją można sprawdzać, czy transformator działa właściwie (fot. 6–7, rys. 14), oraz wykrywać szerokie spektrum problemów natury elektrycznej (fot. 8–9, rys. 15) i wcześniej im zapobiegać.
Szczelność układu skraplacza
Określenia szczelności rur w układzie można dokonać na kilka sposobów: w otoczeniu medium, metodą prądów wirowych lub za pomocą pomiarów ultradźwiękowych.
Na rys. 16 i 17 przedstawiono wykresy z procedur badania szczelności rur skraplacza przy ciśnieniu 8 mmHg, przy użyciu pomiarów ultradźwiękowych.
Zjawiska hydrauliczne
Kawitacja
Podczas pomiaru pompy zaobserwowano burzliwy (turbulentny) przepływ cieczy, charakteryzujący się dużą złożonością (rys. 18). Wykryte zjawisko to kawitacja.
Głównym czynnikiem wpływającym na występowanie kawitacji jest temperatura cieczy. Nie bez znaczenia są również: prędkość cieczy, kształt powierzchni, z jaką się styka, oraz mogące występować w niej zanieczyszczenia. Co istotne, lokalny spadek ciśnienia statycznego może prowadzić do wrzenia cieczy (im ciśnienie to jest niższe, tym niższa temperatura wrzenia) i tworzenia się pęcherzyków gazu. Kiedy ciecz opuści obszar szybkiego przepływu, ciśnienie statyczne ponownie wzrośnie, a wtedy pęcherzyki zapadną się i często gwałtownie implodują. Wszystko to sprawia, że kawitacja jest gwałtownym i najczęściej bardzo niepożądanym zjawiskiem, a powstające w ten sposób fale uderzeniowe powodują mikrouszkodzenia m.in. wirników pomp czy zaworów, znacząco skracając czas ich eksploatacji.
Młot wodny
Podczas rutynowych badań zarejestrowano bardzo ciekawy dźwięk (rys. 19). Pierwszym wrażeniem mierzącego było, że ktoś stukał młotkiem o rury. Dalsze obserwacje wykluczyły jednak czynnik ludzki, a jak się później okazało, przyczyną tych odgłosów był tzw. młot wodny (water hammer). Zjawisko to może występować w instalacjach, gdy pojawia się problem z odwadniaczami, a gromadzony w rurach kondensat nie jest właściwie odprowadzany.
Warto wiedzieć, że prędkość pary w rurociągu to przeważnie od 20 do 30 m/s. Jeżeli nagromadzone krople wody zostaną rozpędzone do takiej prędkości, będą się poruszać w systemie. Każda zmiana kierunku biegu instalacji będzie skutkować uderzeniami o dużej energii kinetycznej, której będą towarzyszyć charakterystyczne dźwięki (uderzenie młotem).
Młot wodny jest zjawiskiem bardzo niepożądanym, a powstające w jego wyniku uderzenia powodują uszkodzenia instalacji, głównie miejsc, w których występują zagięcia, kolanka, rozgałęzienia, zawory czy wymienniki ciepła (fot. 10–13).
Opisana sytuacja nie doprowadziła do żadnego uszkodzenia, zmusiła jednak do refleksji i skontrolowania wszystkich garnków kondensu, by znaleźć źródło nieodprowadzania wody.
Kondycja odwadniacza termodynamicznego
W celu przeprowadzenia inspekcji garnków kondensu należy zasadniczo kierować się dobrą praktyką, ujętą w trzech prostych krokach: ocena wizualna, pomiary termowizyjne oraz ultradźwiękowe.
Ocena wizualna
Chociaż jej zakres jest ograniczony, obserwacja wizualna jest pierwszym krokiem w określaniu, czy odwadniacz działa prawidłowo. Na przykład pewne objawy, które można zaobserwować, takie jak brak zrzutu kondensatu lub bardzo duże ilości wyciekającej pary, mogą wskazywać na potrzebę naprawy. Oczywiście, by dokonać jakiejkolwiek oceny, zawsze należy czekać na pełen cykl pracy odwadniacza. Co ważne, ocena wizualna ogranicza się zazwyczaj do kontroli systemów otwartych.
Pomiary termowizyjne
Pomiary temperatury kondensatu na wejściu i wyjściu odwadniacza są kluczowym krokiem w procesie oceny jego kondycji:
→ jeżeli termogram pokazuje wyższą temperaturę na wejściu oraz niższą na wyjściu (<100°C), odwadniacz pracuje poprawnie;
→ jeżeli temperatura na wejściu jest znacząco niższa niż temperatura całego układu, może to oznaczać, że para nie dochodzi do odwadniacza. Należy się tu doszukiwać problemów w samym układzie, jak zamknięty zawór, zablokowana rura itp.;
→ jeżeli temperatury wejścia i wyjścia są takie same, odwadniacz prawdopodobnie jest w trybie niewłaściwie otwartym (failed-open). W trybie tym odwadniacz nadal działa, ale powoduje znaczące straty energii, „wdmuchując” parę do układu kondensatu;
→ jeżeli mamy do czynienia z niskimi temperaturami na wejściu i wyjściu, wskazuje to, że odwadniacz jest w trybie niewłaściwie zamkniętym (failed-closed).
Co istotne, zmienne takie jak przeciwciśnienie w systemie mogą sprawić, że kontrola za pomocą pomiarów termowizyjnych będzie mniej dokładna.
Pomiary ultradźwiękowe
Kondensat przepływający przez odwadniacz oraz elementy mechaniczne (mechanizm otwierania i zamykania) wytwarza dźwięk i drgania (wibracje). Kiedy garnek kondensatu przestaje działać zgodnie z przeznaczeniem, dźwięki te często się zmieniają. Rozpoznanie tej różnicy jest kluczową metodą oceny stanu odwadniacza. Do pomiarów za pomocą ultradźwięków należy używać sugerowanych częstotliwości 20–25 kHz.
Na ilustracjach przedstawiono przykłady sprawnie działającego (fot. 14–15, rys. 20) oraz wadliwego odwadniacza termodynamicznego (fot. 16–17, rys. 21).
Detekcja wycieków
W każdym zakładzie wykorzystującym sprężone powietrze, próżnię czy gazy techniczne występują nieszczelności instalacji. Mogą one negatywnie wpływać na jakość wyrobu w procesie czy obniżenie ciśnienia na odbiornikach, jednocześnie generując wymierne straty finansowe. Wykonując badania i rozwiązując problemy, firma może zmniejszyć zużycie energii, zwiększyć efektywność, zmaksymalizować wydajność powietrza, zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych, zwiększyć bezpieczeństwo i monitorować kontrolę jakości. Technika ultradźwiękowa jak żadna inna nadaje się do tego celu, w szczególności jeśli chodzi o lokalizację wycieków sprężonego powietrza, w tym niejednokrotnie w miejscach, gdzie normalnie nigdy nikt by nie zajrzał (instalacje znajdujące się w trudno dostępnych miejscach).
Wnioski
Opisane w artykule case studies potwierdzają, że w wielu przypadkach krzywa P–F odzwierciedla rozwój defektu. Przykłady maszyn wirujących pokazują, że pierwsze punkty zapalne objawiają się wyższym natężeniem ultradźwięków. Wibracje wykrywalne dla przyrządu pojawiają się nieco później, jednak najdokładniej określają źródło problemu. Z wykresów wibracji można odczytać problem z niewyosiowaniem, jak w przypadku opisanej pompy, a z analizy częstotliwości występowania harmonicznych z dużą dokładnością określić, który element jest uszkodzony, np. zębatka czy łożysko.
W opisanych przykładach najpóźniej zmiany zaobserwowano na kamerze termowizyjnej, jednak jest to doskonała metoda porównawcza, zwłaszcza kiedy obok siebie występuje kilka urządzeń tego samego typu. Bardzo często jednak, kiedy występuje już duży przyrost temperatury, usterka jest już poważna, a poszczególne elementy są na tyle zużyte, że wymagają jak najszybszej wymiany.
Zaobserwowano również, że za pomocą ultradźwięków zostały wykryte uszkodzenia łożysk wolnoobrotowych, natomiast w przypadku wibroakustyki (na tym samym etapie) nic nie wskazywało na pogarszający się ich stan. Znacznie lepszym uzupełnieniem pomiarów ultradźwiękowych okazały się tutaj badania oleju.
Pomiary ultradźwiękowe pomogły również w określeniu problemów elektrycznych. Oczywiście badania te nie dostarczą wiedzy, czy problem dotyczy upływu prądów do łożyska, czy uszkodzonych uzwojeń, zainicjują jednak użycie innych metod, bardziej dedykowanych do silników, jak MCA. W przypadku problemów z grzaniem uzwojeń dobrze sprawdzi się też podczerwień. Problemy te będą też widoczne przy analizie drgań (2xFL i harmoniczne).
Z obserwacji wynika również, że nie bez znaczenia pozostają działania proaktywne, takie jak laserowe osiowanie urządzeń, montowanie łożysk za pomocą nagrzewnicy indukcyjnej czy odpowiedzialna gospodarka smarownicza.
Warto zaznaczyć, że samo smarowanie również nie musi być zupełnie manualne („na wyczucie”) czy bazować na uśrednionych wielkościach rekomendowanych przez producentów (2 g, 3 g), ale może, a wręcz powinno, opierać się na technologiach. W tym wypadku również doskonale sprawdzą się ultradźwięki (rys. 22, 23).
Na podstawie doświadczenia można jednoznacznie stwierdzić, że inspekcje ultradźwiękowe pozwalają wykrywać szerokie spektrum problemów nie tylko związanych z tarciem (łożyska, zębatki), a połączone z inspekcją termowizyjną stworzą solidny program pozwalający zapobiegać problemom natury elektrycznej (do tego również zaleca się MCA) w najwcześniejszej ich fazie. Taka współpraca świetnie sprawdza się również przy detekcji problemów z odwadniaczami.
Z obserwacji wynika również, że nie bez znaczenia pozostają badania zjawisk pneumatycznych, takich jak wycieki sprężonego powietrza i badanie próżni, czy hydraulicznych, jak detekcja występowania młota wodnego i kawitacji.
Podsumowanie
Wraz z rozwojem techniki (predykcyjne i preskryptywne utrzymanie ruchu, niezawodność) zmienia się podejście do zbierania (sensory online, rozwiązania Internet of Things – IoT) czy analizy danych (modele statystyczne i algorytmy uczenia maszynowego), i jest to niewątpliwie przyszłość (rys. 24).
Jednak zjawiska fizyczne leżące u podstaw opisanych w artykule technologii pozostają bez zmian. Nie ma więc z fizycznego punktu widzenia większego znaczenia, czy zbieramy dane offline, online, czy z wykorzystaniem technologii IoT. Gromadzone dane nadal będą te same. Różnica pojawia się, gdy mamy do czynienia z bardzo krytycznymi lub niestabilnymi (w odniesieniu do których nie da się zaplanować rozsądnych ram czasowych pomiaru) maszynami. W przeciwnym razie przy np. pomiarach drgań, gdy dane zbierane są co miesiąc, a linia trendu zachowuje się stabilnie przez okres kilku–kilkunastu miesięcy (kondycja maszyny zgodna z przyjętymi standardami), pomiar ciągły (teoretycznie ciągły, gdyż najczęściej mówimy o próbkowaniu co 10–15 min przez ustalony czas, w zależności od prędkości maszyny, np. 1 s dla urządzeń pracujących z prędkością min. 60 rpm) niczego nie zmieni i nie będzie tu miało również znaczenia, czy sensor jest podłączony kablem, czy jest w technologii IoT.
Sama analiza również się nie zmienia. Jeżeli wiemy, że np. w przypadku podejrzenia problemów z przekładnią i używaną do tego analizą drgań należało spodziewać się pojawienia wstęg bocznych oraz harmonicznych, które pozwalają dokładnie zidentyfikować uszkodzony element maszyny, a Gear Mesh Frequency to prędkość razy liczba zębów, to maszyna (algorytm) podejdzie do problemu w identyczny sposób. To, co kiedyś robił doświadczony inżynier, dziś szybciej może wykonać komputer, ale zarówno do modeli statystycznych, jak i zaawansowanych algorytmów uczenia maszynowego (deep learning) potrzebne są dane wejściowe bazujące na tym, co przez lata udało się wypracować w dziedzinie analizy danych.
Oczywiście, im więcej danych uczących zostanie zaimplementowanych w maszynie (algorytmie), tym dokładniejsza diagnoza i z czasem będzie ona znacznie bardziej trafna niż ta przeprowadzona przez człowieka, a przynajmniej znacznie szybsza (zwłaszcza analizując sygnały z wielu źródeł jednocześnie), jednak początki zawsze będą obarczone błędem. Co ważne, jeżeli chcemy mieć programy bazujące na sztucznej inteligencji „szyte na miarę”, u podstaw tego muszą leżeć dostępne dane historyczne (wejściowe), a nie ogólnie przyjęte średnie. Jeżeli więc chcemy myśleć o utrzymaniu ruchu jutra, już dziś musimy poważnie podejść do tematu diagnostyki leżącej u jego postaw oraz zbudować optymalną strategię utrzymania ruchu (niezawodność vs. koszty), wykorzystującą również najnowsze zdobycze techniki, czy to do gromadzenia, czy zarządzania i analizy danych.
Jerzy Halkiewicz – od 2013 r. menedżer regionalny na Polskę w UE Systems Europe. Odpowiedzialny za przedstawicielstwo handlowe, prowadzenie szkoleń wdrażających programy inspekcji ultradźwiękowych w zakresie detekcji wycieków sprężonych gazów, badania stanu łożysk (PdM), badania poprawności pracy odwadniaczy pary oraz urządzeń elektrycznych. Certyfikowany w zakresie Technologii Ultradźwiękowej (Cat. II), prowadzący szkolenia Cat. I.
Paweł Łęciński, CMRP – od blisko 10 lat związany z utrzymaniem ruchu i niezawodnością. Kierownik projektu wdrożenia programu niezawodności w ZT Kruszwica S.A. w Brzegu – zakładzie, który został zwycięzcą konkursu Fabryka Roku 2016. Laureat wielu krajowych i międzynarodowych nagród branżowych, w tym „Liderzy inżynierii poniżej 40” oraz CMRP of the Year 2017 (USA). Obecnie w strukturach regionalnych Bunge Limited.
