Pomiary temperatury na potrzeby oceny stanu technicznego w wielu wypadkach nie są dokonywane zgodnie z zasadami podstawowymi gwarantującymi ich poprawność i – w konsekwencji – użyteczność.
W pierwszej części artykułu odniesiono się do istotnie wzrastających kosztów ponoszonych na utrzymanie ruchu oraz wskazano możliwości ich minimalizacji, po czym skoncentrowano się na zróżnicowaniu czujników temperatury wykorzystywanych do nadzoru stanu technicznego majątku produkcyjnego. Omówiono takie cechy czujników, jak natura działania, konstrukcja, stała czasowa oraz sposób ich implementacji (np. z redundancją), które rzutują na efektywność pracy w systemach monitorowania i zabezpieczenia stanu technicznego.
Druga część publikacji koncentruje się na omówieniu zasad poprawności instalacji czujników do różnych węzłów konstrukcyjnych maszyn: ślizgowe łożyska poprzeczne (także prowadzące) i oporowo-nośne, panwie stacjonarne i ruchome, węzły łożyskowane tocznie. W części tej pokazano przykłady poprawnej instalacji czujników temperatury oraz wiele przykładów instalacji całkowicie błędnych. Koszty ponoszone pierwotnie na wdrożenie niepoprawnego monitorowania temperatury, a następnie przez wiele lat na utrzymanie tych pomiarów w ruchu to pieniądze wyrzucone w błoto.
Pomiary temperatury poprzecznych łożysk ślizgowych
Celem pomiarów temperatury łożysk jest w pierwszej kolejności monitorowanie i zabezpieczenie maszyny na okoliczność zniszczeń powodowanych przez uszkodzenie łożysk. W drugiej – dostarczanie danych umożliwiających rozpoznanie zwiększającego się ryzyka bezpośredniego uszkodzenia łożyska oraz warunków, w których działanie łożyska przyczynia się do kumulacji naprężeń w wirniku oraz w konsekwencji – do skrócenia żywotności resztkowej tak łożyska, jak i wirnika.
Zarówno temperatura panwi, jak i czopa zmienia się w kierunku obwodowym, promieniowym i osiowym. Podstawową zasadą poprawnej lokalizacji czujnika temperatury jest jego umieszczenie w strefie statystycznie największego obciążenia łożyska, a więc w strefie, w której spodziewana grubość filmu olejowego jest najmniejsza i w konsekwencji obszar ten jest najbardziej zagrożony wystąpieniem uszkodzenia.
Mechanizm pogorszenia stanu technicznego łożysk ślizgowych jest następujący:
-> pierwotna przyczyna pogorszenia stanu technicznego może być różna; przykładowe typowe przyczyny:
• w filmie olejowym zachodzi zmiana lepkości,
• nastąpił znaczący wzrost drgań względnych,
• do węzła łożyskowego nie dopływa wymagana ilość oleju;
-> w konsekwencji następuje wzrost temperatury oleju;
-> w przypadku drgań względnych większych niż luz promieniowy pomniejszony o ekscentryczność położenia czopa, w łożysku ślizgowym dochodzi do przytarć powodujących pogorszenie czystości oleju oraz do lokalnego wzrostu temperatury panwi;
-> wzrost temperatury oleju powoduje wzrost temperatury segmentu;
-> wzrost temperatury segmentu powoduje osłabienie przylegania wylewki (jeśli jest stosowana);
-> połączony efekt wzrostu obciążenia i podwyższona temperatura powodują przycieranie powierzchni roboczej;
-> dochodzi do uszkodzenia łożyska ślizgowego.
Na fot. 1-2 pokazano przykład uszkodzenia ciernego łożyska ślizgowego. W tym wypadku przycieranie wystąpiło na całej długości łożyska, co świadczy o braku oleju i jest równoznaczne ze znaczną ekscentrycznością osi czopa względem panwi. Przycierana była dolna część panwi (fot. 1), natomiast część górna (fot. 2) pozostawała nienaruszona.
Na rys. 1-3 [1] pokazano sposób ustalania zalecanej lokalizacji sond temperaturowych dla najbardziej popularnych łożysk ślizgowych, tzn. dla łożyska cylindrycznego (rys. 1) oraz dla łożysk ślizgowych segmentowych (na przykładzie łożyska pięciosegmentowego) dla konfiguracji segmentów, w której obciążenie przypada na segment (rys. 2) oraz między segmentami (rys. 3).
Wiele wskazówek praktycznych dotyczących przygotowania łożysk ślizgowych do montażu mechanicznego czujników temperatury w zakresie owiercenia, prowadzenia kabla itd. można znaleźć w publikacjach „How to install maintainable bearing temperature sensors” [2] oraz „Temperature Measurements in Fluid Film Bearings” [3]. Nie zaleca się usytuowania czujnika bezpośrednio w warstwie ciernej (babbit lub inny materiał łożyskowy), może on bowiem spowodować lokalny wzrost naprężeń, prowadzący do szybkiego uszkodzenia tej warstwy.
Pomiary temperatury będą się różnić w zależności od odległości sensora od źródła ciepła. Odległość ta będzie się zmieniać w zależności od obciążenia łożyska (kąt obciążenia, wielkość przeciążeń promieniowych wpływających na mimośrodowość położenia czopa w panwi itd.), a przy tym samym kącie, w zależności od zmieniającej się odległości sensora od źródła ciepła (co może następować w wyniku powiększenia się luzu łożyskowego w następstwie procesu przycierania). Na wynik pomiaru będzie także wpływać intensywność chłodzenia łożyska oraz prędkość obrotowa wirnika (jeśli nie jest stała).
Tym, co wymaga szczególnego podkreślenia, jest wymóg zróżnicowania w liczbie płaszczyzn pomiaru temperatury, w zależności od stosunku długości łożyska L do jego średnicy D. W przypadku długich łożysk ślizgowych (dla których L/D>0,5) API zaleca stosowanie dwóch płaszczyzn pomiaru temperatury i usytuowania płaszczyzn pomiarowych, w proporcji: 25-50-25 (%L). Pomiary temperatury (jak opisane) zostały wprowadzone do trzeciej edycji standardu API 670 [1] w 1993 r. Standard ten został opracowany dla maszyn wykorzystywanych w branżach zajmujących się przetwórstwem ropy i gazu oraz ich transportem. Ze względu na dużą precyzję i popularność ten standard jest często niejako automatycznie wymagany także w wielu innych branżach, w odniesieniu do wykorzystywanych w nich maszyn. W niektórych przypadkach lepiej jednak brać pod uwagę „intencję standardu”, niż stosować go dosłownie.
Maszyny stosowane w branżach zajmujących się przetwarzaniem ropy i gazu mają bowiem ograniczone moce i w konsekwencji określone wymiary fizyczne, w porównaniu z maszynami dużych mocy stosowanymi np. w energetyce. W przypadku sprężarek, pomp, dmuchaw i ich napędów, ze względu na stosunkowo niewielkie gabaryty łożysk ślizgowych w stosunku do wymiarów czujników temperatury, pewien problem techniczny może stanowić ich usytuowanie w płaszczyznach pomiarowych odległych od siebie o 50% L. Natomiast w przypadku dużych turbozespołów pracujących w energetyce możliwe jest bezproblemowe zwiększenie odległości między tymi płaszczyznami, przy zachowaniu pełnej poprawności konstrukcji oraz instalacji czujnika. A zatem w wypadku dużych maszyn wirnikowych, wykorzystujących długie łożyska ślizgowe, zastosowanie reguły 10-80-10 (%L) czy nawet 05-90-05 (%L) będzie prowadzić tylko do zwiększenia wrażliwości pomiaru (przy przekoszeniu osi), w porównaniu z zaleceniem pokazanym na rys. 13. Im bowiem większa jest odległość między płaszczyznami pomiaru temperatury, tym w przypadku zaistnienia przekoszenia osi czopa w stosunku do osi panwi większa jest szansa na wystąpienie jednostronnego przytarcia, które może być rozpoznane za pomocą zróżnicowania pomiarów temperatury.
Należy zatem patrzeć na turbiny parowe z długimi łożyskami ślizgowymi, które mają jedynie pojedynczą płaszczyznę pomiaru temperatury zlokalizowaną w środku łożyska, jak na niepoprawnie opomiarowane, nawet jeśli producent maszyny twierdzi, że pojedyncza płaszczyzna pomiaru temperatury jest wystarczająca. Na rys. 4 oraz fot. 3 pokazano przykład jednostronnego przytarcia. Jeśli w takim łożysku stosować jedynie pojedynczą płaszczyznę pomiaru temperatury zlokalizowaną pośrodku, to możliwość rozpoznania przytarcia jest stosunkowo niska. Natomiast w przypadku stosowania dwóch płaszczyzn pomiaru temperatury zostanie zauważone zróżnicowanie temperatur w obu płaszczyznach pomiaru.
Producenci niektórych turbozespołów instalowali również czujnik temperatury pośrodku górnej półpanwi, co miało na celu rozpoznawanie przytarć w tej części łożyska. Przykład takiego przytarcia łożyska turbozespołu średniej mocy został pokazany na rys. 5 oraz fot. 4. Z punktu widzenia monitorowania stanu technicznego na pomiar temperatury w górnej półpanwi należy patrzeć pozytywnie. Natomiast z punktu widzenia racjonalności technicznej może on budzić pewne wątpliwości. Pokazany na fot. 4 efekt przytarcia (podobnie jak w przypadku efektu pokazanego na fot. 3) jest widoczny jedynie na części długości łożyska. Dlatego również w tym wypadku, jeśli czujnik temperatury jest usytuowany w połowie długości łożyska, efektywność jego stosowania będzie niska na okoliczność rozpoznania fragmentarycznego przytarcia. Przytarcie górnej półpanwi może być efektem znacznego rozosiowania czopa i panwi, spowodowanego na ogół znacznym odciążeniem łożyska. Taka sytuacja występuje stosunkowo rzadko, natomiast obowiązkowo powinna być rozpoznawana za pomocą bezkontaktowych czujników XY, śledzących nie tylko dynamikę czopa, lecz także umożliwiających mimośrodowość położenia czopa w łożysku.
Także w przypadku krótkich łożysk ślizgowych producenci maszyn często instalują czujniki temperatury w sposób niezgodny z wytycznymi współczesnych standardów. Montaż czujnika temperatury jest prowadzony w oparciu o kryterium wymagające możliwości jego wymiany bez rozbierania maszyny. Takie podejście nie zawsze umożliwia pomiar w punktach pokazanych na rys. 1-3. Najczęstszym błędem jest instalacja czujnika temperatury nie w strefie maksymalnego obciążenia łożyska oraz w zalecanej odległości od warstwy ciernej, a na kierunku, który jest najłatwiejszy do przeprowadzenia montażu, tzn. od góry, przez obudowę łożyska.
Na fot. 5 pokazano węzeł łożyska po stronie napędowej silnika oraz część przekładni zębatej. Strzałkami zaznaczono pomiary temperatury i drgań wirnika włączone do systemu nadzoru stanu technicznego. O ile do poprawności pomiarów drgań nie można mieć uwag, o tyle zwraca uwagę fakt, że wszystkie czujniki temperatury, zarówno na silniku, jak i na przekładni (także te po drugiej, niewidocznej na zdjęciu jej stronie) są podłączone od góry łożysk, a więc w sposób sprzeczny z obowiązującymi standardami.
Na fot. 6 pokazano lokalne wskaźniki temperatury łożysk przekładni RENK oraz pierwszego łożyska sprężarki. W tym wypadku również można zgłosić uwagi do sposobu monitorowania temperatury: pomiary łożysk poprzecznych (zaznaczone strzałkami na rysunku) są realizowane od góry, natomiast monitorowanie łożyska oporowego przekładni (wskaźniki nr 5 i 6, licząc od lewej strony) jest realizowane za pomocą pojedynczych czujników; standard API wymaga dla takich maszyn zastosowania dwóch czujników i po stronie biernej, i czynnej łożyska oporowego. Wątpliwości budzi również wybór górnych klocków do pomiaru temperatury łożyska oporowego.
Na fot. 7 pokazano ssawę napędzaną silnikiem elektrycznym. W tym wypadku także zaznaczono strzałkami (zachowując konwencję kolorystyczną jak dla fot. 5) wybrane pomiary włączone do systemu nadzoru stanu technicznego. Warto zauważyć, że także w tej sytuacji ssawa jest nadzorowana za pomocą poprawnie podłączonych (w tym wypadku przez użytkownika) bezkontaktowych czujników XY1 oraz przeprowadzany jest monitoring temperatury w miejscach przygotowanych przez producenta ssawy. Jest on niepoprawny, czujniki temperatury są bowiem zainstalowane pionowo w górnych półpanewkach. Z prawej strony fot. 7 widoczny jest silnik napędzający ssawę. Producent silnika zrealizował pomiary stanu cieplnego węzłów łożyskowych bardziej poprawnie. W tym przypadku temperatura jest mierzona dla dolnych półpanewek przy użyciu termometrów bagnetowych (co zostało pokazane na fotografii dla skrajnego łożyska silnika).
Aby nie ograniczać się jedynie do przykładów błędnego wdrożenia pomiarów temperatury, na fot. 8 pokazano węzeł łożyskowy z dość poprawnie zrealizowanym pomiarem: tu bagnetowy czujnik temperatury został podłączony przez producenta maszyny także na kierunku pionowym, ale od dołu węzła łożyskowego, tzn. w punkcie bliskim do zalecanego przez standard API 670 [1].
Wracając do sposobu lokalizacji czujnika temperatury, warto dodać, że dla wszystkich rodzajów łożysk prezentowanych na rys. 1-3 lokalizacja czujnika ma miejsce w odległości ~0,8 mm poniżej wylewki. Należy jednak pamiętać, że stosowane są również łożyska ślizgowe, których panwie nie mają wylewki. W takich wypadkach zalecenie to można stosować w odniesieniu do powierzchni roboczej takiej panwi. Z drugiej strony trzeba pamiętać, że przywoływany standard jest dedykowany maszynom pracującym w obszarze przetwarzania ropy i gazu, a więc posiadającym napędy o mocy do kilku–kilkunastu MW. W odniesieniu do takich maszyn dąży się najczęściej do stosowania możliwie cienkiej warstwy ciernej, im bowiem jest ona cieńsza, tym dłuższa jest jej żywotność. W maszynach wykorzystywanych w branży zajmującej się przetwórstwem ropy i gazu grubość ta zawiera się na ogół w przedziale 0,151,5 mm. W konsekwencji, ze względu na gabaryty czujnika temperatury, nie należy się z nim zbliżać na mniejszą odległość niż zalecane 0,8 mm, można bowiem doprowadzić do osłabienia przylegania wylewki, jej deformacji i w konsekwencji do przyspieszonych problemów eksploatacyjnych.
W innych branżach grubość warstwy ciernej może się znacząco różnić, a więc i optymalny sposób pomiaru temperatury może być nieco inny. I tak np. w przemyśle samochodowym często są to wartości w przedziale 0,020,12 mm, a w przypadku dużych maszyn wirnikowych wylewki mogą mieć nawet kilka milimetrów grubości. Zazwyczaj nie jest to więcej niż 2,5 mm, choć można spotkać w obszarze energetyki takie maszyny (turbiny, przekładnie, wentylatory), które użytkują łożyska mające warstwę cierną kilkakrotnie grubszą.
W konsekwencji instalacja czujnika temperatury różni się od wytycznych podanych na rys. 1-3. Wraz ze wzrostem grubości wylewki oraz gabarytów łożysk maleje ryzyko jej niezamierzonej deformacji, a zatem nieco inna instalacja czujników może być korzystna dla monitorowania temperatur łożysk. Niektórzy producenci turbin nawiercają gniazda dla czujników temperatury aż do granicy wylewki i do pomiaru wykorzystują czujniki TC zapewniające pomiar punktowy, mówiący bezpośrednio o temperaturze stopu łożyskowego. W ten sposób zapewniona jest możliwie mała stała τ, a więc szybka reakcja systemu monitorowania stanu technicznego na zachodzące zagrożenia.
Pomiary temperatury łożysk ślizgowych pozostających w ruchu
Opisany pomiar temperatury metalu łożyska ślizgowego jest więc technicznie mało skomplikowany. Problemy z brakiem poprawności jego implementacji są spowodowane przede wszystkim niedostateczną wiedzą techniczną projektantów odpowiedzialnych za projekt instalacji czujnika i rozciągają się na użytkowników maszyn, którzy prezentują brak krytycznego spojrzenia na poprawność zainstalowania czujników na użytkowanych maszynach.
Sytuacja jest bardziej skomplikowana w przypadku silników i sprężarek tłokowych. Na rys. 6 [5] pokazano schemat dużego silnika tłokowego i zaznaczono wybrane pomiary wykorzystywane do nadzoru jego stanu technicznego. Z prawej strony wskazano pomiary temperatury łożysk korbowodów. Ze względu na ich ruchliwość realizacja pomiarów temperatury dla połączenia łożysko korbowodu–trzpień stanowi większy problem techniczny niż w przypadku panwi nieruchomych.
W odniesieniu do takich łożysk ślizgowych bywają wykorzystywane bezprzewodowe systemy pomiaru temperatury zwane czujnikami radarowymi2. Na rys. 7 oraz fot. 9, 10 i 11 pokazano przykład takiego toru pomiarowego [5], [6], który umożliwia przekazanie sygnału z czujnika przymocowanego do panewki korbowodu i podłączonego do konwertera generującego sygnał transmisji radiowej do nieruchomej anteny mocowanej z kolei do wewnętrznej ściany skrzyni wału korbowego. Sygnał odebrany przez antenę jest przetwarzany ponownie na sygnał analogowy, podłączany klasycznie do kanału w systemie monitorowania stanu technicznego. Na fot. 10 pokazano przykład zastosowania takiego rozwiązania dla silnika tłokowego, a na fot. 11 – dla sprężarki tłokowej [7].
Pomiary temperatury oporowego łożyska ślizgowego
Podobnie jak dla pomiarów temperatury w łożyskach ślizgowych poprzecznych, w łożyskach ślizgowych oporowych można się wzorować na wytycznych standardu API 670 [1]. Zaleca on (w odniesieniu do maszyn z poziomą osią wirnika) stosowanie pomiarów temperatury w dwóch precyzyjnie wskazanych segmentach łożyska. Pomiary powinny być dokonywane po jego stronie czynnej i biernej, z zachowaniem lokalizacji czujnika ~0,8 mm poniżej wylewki lub poniżej warstwy roboczej.
W przeszłości, w odniesieniu do większych turbin, były stosowane pomiary temperatury dla wszystkich segmentów, co można tłumaczyć trojako:
-> bardziej kosztowne maszyny wymagają bardziej dokładnego systemu monitorowania stanu technicznego,
-> w przeszłości wiarygodna ocena stanu technicznego łożyska oporowego opierała się przede wszystkim na pomiarach temperatury, natomiast współcześnie stosowana jest dywersyfikacja monitoringu i w konsekwencji wysoce wiarygodne pomiary położenia osiowego wirnika pozwalają na zmniejszenie liczby czujników temperatury,
-> dla maszyn o mocach większych niż wykorzystywane w branży przetwórstwa ropy i gazu zasadność monitorowania stanu technicznego za pomocą zestawu czujników silniejszego od opisanego w standardzie API 670 [1] jest uzasadniona.
Na rys. 8 [1] pokazano zalecany sposób monitorowania temperatury łożyska oporowego na przykładzie łożyska 6-segmentowego, natomiast liczba segmentów nie wpływa na tę regułę wyboru segmentów, dla których powinien być prowadzony pomiar.
Przy wyborze segmentów należy uwzględnić kierunek obrotów wirnika, a czujniki powinny być instalowane w segmentach skrajnych (lewym i prawym), poniżej poziomej osi symetrii łożyska. Ze względu na zmienną grubość filmu olejowego na kierunku pracy segmentu, czujnik powinien być instalowany w segmencie asymetrycznie, tak jak to pokazano w prawym górnym narożniku rys. 8. Zalecana jest instalacja czujników „75%75%”.
Instalacja czujników temperatury w łożysku oporowo-nośnym jest szczególnie niewdzięczna, przede wszystkim ze względu na kłopotliwość poprowadzenia przewodów od czujnika. Na fot. 12 pokazano przykład instalacji pomiarów temperatury klocków oporowych turbiny o mocy ~100 MW3. W okienku „zoom” pokazano sposób prowadzenia kabli czujników temperatury przez korpus łożyska. Przygotowanie wymaga w pierwszym kroku instalacji czujników, wykonania stosowanego do średnicy przewodów wyfrezowania w dolnej połówce korpusu łożyska w celu wyprowadzenia kabli. Po zainstalowaniu czujników, podczas montażu łożyska, niezbędne jest z kolei doszczelnienie powstałego w ten sposób przepustu na przewody.
Pomiary temperatury nośnego łożyska ślizgowego
Nieco inaczej niż dla maszyn z poziomą osią wirnika przeprowadzane są pomiary temperatury łożysk nośnych agregatów z osią pionową, jak np. pionowe agregaty pompowe, hydro-turbo-generatory. Dla tych ostatnio wymienionych można wyróżnić jeszcze dodatkowo dwa scenariusze podłączenia czujników, w zależności od typu hydrozespołów: wykorzystywane jedynie do generacji elektryczności i pracujące w reżimie odwracalnym.
Na fot. 13-14 pokazano przykład dość typowego przygotowania segmentu łożyska nośnego do instalacji czujnika temperatury. Oś otworu znajduje się z lewej strony segmentu, co wskazuje na kierunek obrotu wirnika turbiny: patrząc na wirnik z góry, są to obroty zgodne z kierunkiem obrotu wskazówek zegara, pomiar temperatury powinien bowiem być dokonywany w pobliżu krawędzi spływowej oleju z segmentu (zob. rys. 8).
O pokazanym na ilustracji sposobie przygotowania otworu do instalacji czujnika nie można powiedzieć, że jest to rozwiązanie optymalne, oś otworu jest bowiem skierowana równolegle do powierzchni roboczej łożyska. Z tego powodu sensor temperatury nie może się znajdować w miejscu zalecanym w standardzie API 670 [1], tzn. w odległości ~0,8 mm poniżej strefy łączenia warstwy ciernej z podłożem. W konsekwencji, im większa jest odległość sondy pomiarowej od warstwy ciernej i im większa jest pojemność cieplna segmentu łożyska, tym reakcja toru pomiarowego na zmiany cieplne będzie wolniejsza, a więc system zabezpieczeń będzie mniej wrażliwy.
Na fot. 15 pokazano przykład instalacji czujników temperatury w dwóch przeciwległych segmentach łożyska oporowego, natomiast dla hydrozespołów większej mocy monitorowane są na ogół temperatury wszystkich segmentów.
Wymagania dotyczące sposobu instalacji czujników temperatury w łożyskach nośnych hydrozespołów odwracalnych są bardziej złożone. W tym wypadku pomiary temperatury powinny być dokonywane z obu stron segmentu, w zależności bowiem od kierunku obrotów wirnika zmienia się krawędź spływu i w konsekwencji lokalizacja maksymalnego obciążenia warstwy ciernej także będzie się zmieniać.
Opisane tu zasady monitorowania łożysk nośnych hydrozespołów pionowych winny być również przestrzegane dla pionowych agregatów pompowych posiadających ślizgowe łożysko nośne.
Pomiary temperatury węzłów z łożyskami tocznymi
Łożyska toczne nie mogą funkcjonować poprawnie bez substancji smarnej. W zdecydowanej większości przypadków (~90%) jest to smar, a rzadziej olej (9,5%). Na pracujący podzespół łożyska tocznego składają się: samo łożysko, właściwa substancja smarująca oraz system smarowania. Kiedy temperatura maszyny wzrasta, zadaniem służb UR jest co najmniej zahamowanie tego wzrostu, a najlepiej doprowadzenie do normalnych warunków pracy. Jeśli to zadanie nie może być wykonane, szczególnie ważne staje się monitorowanie przekroczenia dopuszczalnej temperatury pracy węzła łożyska tocznego. Już sam wzrost temperatury skraca bowiem żywotność smaru. Natomiast prawdziwy problem pojawia się wtedy, kiedy całkowicie zostają wykasowane luzy mechaniczne w łożysku bądź osiągnięta zostaje, a następnie przekroczona, dopuszczalna temperatura substancji smarnej. W przypadku przekroczenia granicznych wartości temperatury maszyna powinna być zatrzymana.
W publikacji Bearing Temperature, zamieszczonej na stronie www.drivewatch.net [8], omówiono koszty związane z uszkodzeniem łożyska tocznego młyna pionowego. Wymiana łożyska wiąże się z nakładami w przedziale 2050 k$. Natomiast na jego żywotność w znaczącym stopniu wpływa stan oleju. Kiedy ma on temperaturę 27°C, żywotność ta jest szacowana na 30 lat. Natomiast wzrost temperatury o ~8,3°C powoduje skrócenie żywotności o połowę, a więc dopuszczenie do wzrostu temperatury oleju do ~67°C prowadzi do skrócenia żywotności łożyska tocznego do ok. 1 roku.
Temperaturę najlepiej kontrolować, dokonując jej pomiaru dla pierścienia zewnętrznego łożyska. W przypadku silników należy się spodziewać wyników w granicach 6070°C. W przypadkach, w których wymieniony pierścień nie jest dostępny dla pomiaru, temperatura łożyska może być estymowana na podstawie temperatury zewnętrznej powierzchni jego obudowy. Takie pomiary są na ogół niższe o 1520°C w stosunku do rzeczywistej temperatury łożyska. Natomiast wraz ze wzrostem gabarytów węzła łożyskowego skorelowanie dynamiki zmiany takiego pomiaru ze zmianą stanu technicznego łożyska pogarsza się. Temperatura węzła łożyskowego zależy nie tylko od jego obciążenia, ale także od prędkości obrotowej wirnika, która może się zmieniać, oraz od zdolności maszyny do odprowadzania ciepła. Zazwyczaj w przypadku uruchomienia maszyny ze stanu zimnego temperatura łożyska tocznego zaczyna się podnosić, a jej wartość stabilną uzyskuje się po 12 godzinach pracy (przy zachowaniu takich samych warunków obciążenia agregatu). Pogorszenie stanu technicznego maszyny, jakości oleju albo chłodzenia prowadzi do wzrostu temperatury podzespołów.
Efektywne oszacowanie temperatury jest łatwiejsze dla maszyn pracujących w pomieszczeniach zamkniętych, nawet jeśli pracują one w polu wysokich temperatur spowodowanych procesem produkcyjnym4, niż dla maszyn pracujących na zewnątrz hal produkcyjnych. W przypadku maszyn pracujących w otwartej przestrzeni dodatkowym czynnikiem wpływającym na wyniki pomiarów węzłów łożyskowych jest temperatura otoczenia, której znaczące zmiany występują nie tylko w cyklu rocznym, ale także mogą zachodzić w cyklu dobowym. Z tego względu niepewność oceny stanu technicznego w oparciu o pomiar temperatury obudowy łożyska wzrasta dla maszyn pracujących w przestrzeni otwartej.
W przypadku niektórych maszyn źródłem ciepła jest wał maszyny. Taka sytuacja ma miejsce np. w przypadku turbin parowych, turbin gazowych oraz podczas pompowania medium o wysokiej temperaturze. O ile w wypadku pomp wody temperatury te jeszcze nie tak bardzo przewyższają temperatury otoczenia, o tyle przy szeregu pomp procesowych temperatury medium mogą być znacząco wyższe, do 100°C. W konsekwencji, w odniesieniu do niektórych konstrukcji węzłów łożyskowych, stosuje się ich chłodzenie wodne5, aby zapewnić dopuszczalne warunki pracy łożysk. W takiej sytuacji (podobnie jak w przypadku łożysk ślizgowych i oleju), może być ważne dodatkowo monitorowanie temperatury medium chłodzącego na wejściu i wyjściu ze schładzanego stojaka łożyskowego.
Nieosiowość między poszczególnymi częściami agregatu rzutuje na obciążenie łożysk oraz w konsekwencji wpływa na zmianę poziomów drgań mierzonych na różnych kierunkach węzła łożyskowego. Nie musi ona prowadzić do zwiększenia poziomu drgań. W niektórych sytuacjach obserwuje się zmniejszenie poziomu drgań na kierunku kątowym maksymalnej nieosiowości. W zależności od rodzaju stosowanego sprzęgła oraz akceptowanego przez łożysko toczne przekoszenia pierścieni, podobne nieosiowości będą skutkować zróżnicowanym przyspieszeniem koncentracji naprężeń w łożysku i skróceniem jego żywotności [9]. Zmiana indykacji temperatury będzie tym większa, im bardziej nieosiowość powoduje zwiększenie zmienności naprężeń dynamicznych oraz procesów ciernych w łożysku.
Z punktu widzenia instalacji czujnika pomiary temperatury węzłów łożysk tocznych są łatwiejsze niż pomiary temperatury łożysk ślizgowych. W odniesieniu do łożysk tocznych dopuszczalna jest zdecydowanie większa dowolność w instalowaniu czujnika temperatury. Dobrą estymację stanu technicznego uzyskuje się nie tylko dzięki pomiarom temperatury nieruchomego pierścienia łożyska. W wielu przypadkach zupełnie dobrą informację o stanie technicznym łożyska tocznego uzyskuje się dzięki pomiarom dokonywanym za pomocą czujnika przymocowanego do jego obudowy.
Na rys. 9-13 pokazano wybrane konstrukcje czujników temperatury i specjalizowanych uchwytów wykorzystywanych do ich mocowania. Pierwszy z nich (rys. 9) jest czujnikiem oczkowym, mocowanym śrubą do obudowy łożyska. Czujnik na rys. 10 ma gwint umożliwiający jego bezpośrednie wkręcenie w stojak łożyskowy. Na rys. 11 pokazano specjalizowany uchwyt czujnika temperatury, który wykorzystuje gwintowany otwór przeznaczony do mocowania smarowniczki łożyska, a więc umożliwiający bezpośredni dostęp do pierścienia zewnętrznego łożyska. Czujnik temperatury jest mocowany w tym uchwycie i dokonuje bezpośrednio pomiaru tego pierścienia zewnętrznego. Na rys. 12 przedstawiono otwór wykonany w obudowie węzła łożyskowego, umożliwiający także bezpośredni pomiar temperatury pierścienia zewnętrznego. Takie rozwiązanie pozwala uniknąć niedogodności związanej z okresowym montażem/demontażem smarowniczki. W okienku z fotografią pokazano przykład węzła łożyskowego z zainstalowanym czujnikiem (czujnik jest niewidoczny, ilustracja pokazuje bowiem wąż giętny, zabezpieczający przewód czujnika przed uszkodzeniami mechanicznymi). Na rys. 13 pokazano rozwiązanie, które realizuje pomiar podobny do omówionego dla rys. 9, tzn. obudowy węzła łożyskowego. W tym wypadku gwintowany czujnik jest wkręcony w uchwyt (uchwyt jest w kolorze niebieskim), który jest mocowany do węzła łożyskowego. Jeśli czujnikiem jest termopara, dokonywany jest punktowy pomiar temperatury w miejscu kontaktu czujnika z węzłem łożyskowym. Takie rozwiązanie jest preferowane przez firmę BENTLY NEVADA do jednoczesnego mocowania w uchwycie czujnika temperatury (np. TYP 200125) oraz czujnika drgań (np. TYP 200150)6, co zostało pokazane w okienku na rys. 13.
Brak monitorowania temperatury węzłów łożysk tocznych lub stosowanie niepoprawnie wdrożonego systemu monitorowania stanu technicznego prowadzi do kosztownych awarii. W wielu sytuacjach awarię zapoczątkowuje uszkodzenie łożyska po stronie napędu lub maszyny. Powoduje ono wzrost temperatury w węźle, jego zatarcie, w konsekwencji ukręcenie wału między silnikiem a maszyną, co często pociąga za sobą skutek w postaci rozerwania węzła łożyskowego. Standard API 670 [1] oraz norma ISO 10816-3:2009 [10] zalecają monitorowanie stanu technicznego maszyn łożyskowanych tocznie, w oparciu o czujniki temperatury oraz sejsmiczne czujniki drgań. Taka dywersyfikacja pomiarów prowadzonych na rzecz oceny i zabezpieczenia stanu technicznego przyczynia się zdecydowanie do zwiększenia wiarygodności oceny i w konsekwencji znacząco minimalizuje zagrożenie wystąpienia poważnej awarii maszyny, a także minimalizuje liczbę fałszywych alarmów, jeśli system monitorowania i zabezpieczeń umożliwia programowanie bardziej zaawansowanej logiki zabezpieczeń.
Pomiary temperatury łożysk przekładni zębatych
Dokładnie takie same reguły, jak opisane dla łożysk ślizgowych i węzłów łożysk tocznych, obowiązują dla węzłów przekładni zębatych według punktu 6.1.9.1.4 standardu API 670 [1]. Natomiast standard ten oględnie określa lokalizację punktów największego obciążenia łożyska. W publikacji „Wykorzystanie charakterystyki SCL w diagnostyce maszyn łożyskowanych ślizgowo” [11] omówiono siły działające w łożyskach ślizgowych oraz zmianę położenia czopów w różnych warunkach pracy maszyny. Na rys. 14 pokazano zróżnicowanie obciążenia przekładni (z wałami poziomymi), w zależności od jej rodzaju (reduktor lub przekładnia przyspieszająca) oraz kierunku obrotu wałów. Pokazane na rysunku maksymalne obciążenie powinno być uwzględniane przy wyborze miejsc pomiarów temperatury w węzłach łożyskowych. Jak widać, w każdej przekładni zębatej z wirnikami poziomymi to największe obciążenie (w kierunku którego powinien być prowadzony pomiar) będzie przypadać, w zależności od wału, na dolną lub górną półpanewkę i należy wykluczyć możliwość, aby zachodziło ono dla wszystkich łożysk na identycznym kierunku.
Dlatego, widząc projekt instalacji czujników temperatury łożysk dla przekładni łożyskowanej ślizgowo, przewidujący lokalizację wszystkich punktów pomiaru na tym samym kierunku lub widząc przekładnię z czujnikami zainstalowanymi w taki właśnie sposób, można być pewnym, że nie zostały uwzględnione zasady najlepszej praktyki jej temperaturowego nadzoru. Przykłady takiej niepoprawnej instalacji czujników temperatury pokazano na fot. 5, 6, 7 oraz 16, 17. W przypadku każdego węzła łożyskowego są one zainstalowane od góry łożyska. W każdym przypadku można być pewnym, że nie jest to rozwiązanie optymalne z punktu widzenia wymogów nadzoru stanu technicznego. Pokazany na rysunkach błąd jest bardzo powszechny – wynika z braku zrozumienia wymogów poprawności tego pomiaru oraz z tego, że czujnik najłatwiej zainstalować od góry węzła łożyskowego.
Pokazana na fot. 16-17 przekładnia może przenosić moce do ~25 MW. Jak widać na ilustracji, jest ona przygotowana przez producenta do zainstalowania czujników XY dla wszystkich łożysk (na fotografii widoczne są zaślepki otworów na kierunkach ±45° od pionu). Natomiast dostawca agregatu ograniczył nadzór jej stanu technicznego do dwóch czujników przyspieszeń drgań oraz do błędnie zainstalowanych czujników temperatury metalu łożysk, wszystkie czujniki zamontowano bowiem na kierunku pionowym od góry łożysk (na fotografiach wskazano je strzałkami). Tym samym uniemożliwia jej użytkownikowi realizację nie tylko predykcyjnego UR (co dla tej mocy i rodzaju agregatu powinno mieć bezwzględnie miejsce), ale poddaje także w wątpliwość możliwość efektywnego realizowania prewencyjnego UR.
Przekładnie zębate wykorzystują często długie łożyska ślizgowe (stosunek L/D może przekraczać nawet 1,2). Zgodnie więc z podanymi wcześniej zasadami (zob. rys. 1), nadzór temperatury nie tylko powinien być prowadzony na kierunku kątowym maksymalnego obciążenia każdego łożyska ślizgowego, ale pomiary te powinny być wykonywane w dwóch płaszczyznach.
Pomiary temperatury łożysk satelitów przekładni planetarnych
W przekładniach planetarnych koła pośrednie są łożyskowane tocznie. Podobnie jak w wypadku korbowodów, są to łożyska pozostające w ruchu. W celu pomiaru temperatury węzłów łożyskowych satelitów mogą być także wykorzystywane radarowe czujniki temperatury, jak pokazano na rys. 7 oraz fot. 9, 10 i 11. Na rys. 15 przedstawiono fragment przekładni planetarnej, pokazujący sposób instalacji bezprzewodowego systemu pomiaru temperatury umożliwiającego pomiary temperatur łożysk satelitów [12]. Pomiar dokonywany jest indywidualnie dla każdego satelity (czujnik nadawczy zaznaczono na ilustracji kolorem niebieskim), natomiast antenę odbiorczą (może być wykorzystywana jedna dla wszystkich czujników) – czerwonym.
Autor: Ryszard Nowicki jest ekspertem w zakresie systemów nadzoru stanu technicznego. Pracuje w GE.
Tekst pochodzi z nr 4/2016 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”, 5th edition, November 2014.
2. H. Maxwell, „How to install maintainable bearing temperature sensors”, Proceedings of the X Turbomachnery Symposium, Texas A&M University, College Station, Texas 1981.
3. D.R. Garner, A.J. Leopard, „Temperature Measurements in Fluid Film Bearings”, Proceedings of the XIII Turbomachinery Symposium, Texas A&M University, College Station, Texas 1984.
4. R. Nowicki, „Rola znacznika fazy w SN ST”, „Napędy i Sterowanie”, nr 6/2014.
5. „SENTRY® – crosshead and crank temperature monitoring”, www.km.kongsberg.com.
6. „Bearing Distance and Temperature Monitoring System. For two stroke diesel engines”, edition 2/2008, www.dr-e-horn.com.
7. B. Howard, „Wireless Connecting Rod Temperature Measurements for Reciprocating Compressor Monitoring”, GER-4606 (06/10).
8. Technical Brief: Bearing Temperature, Xtek, Inc. 07/30/07, www.drivewatch.net.
9. C.R. Massey, A.J. Cambell, „Reverse Alignment. Understanding Centerline Measurement”, Proceedings of the XXI Turbomachinery Symposium, Texas A&M University, College Station, Texas 1992.
10.ISO 10816-3:2009, „Mechanical vibration. Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts. Part 3: Industrial machines with nominal power above 15 kW and nominal speeds between 120 r/min and 15 000 r/min when measured in situ”.
11. R. Nowicki, P. Miałkowski, „Wykorzystanie charakterystyki SCL w diagnostyce maszyn łożyskowanych ślizgowo”, publikacja w przygotowaniu, 2016.
12. „Wireless Temperature Monitoring – SENTRY” – Prezentacja firmy Kongsberg, 12 JAN 2009.
