Zastosowanie technologii ultradźwiękowej w strukturach Zakładów Tłuszczowych Kruszwica – część 1 z 4

222

Zarządzanie techniczne jest dziś jak nigdy wcześniej obszarem wymagającym nowatorskiego podejścia oraz integracji ze strategią produkcji. Odchodzimy od czasów, w których główną rolą działu utrzymania ruchu było „gaszenie pożarów”, a podejście reaktywne było jedynym słusznym. Dziś mówimy o Utrzymaniu Ruchu 4.0, coraz powszechniejszej digitalizacji, IIoT, rozwiązaniach chmurowychoraz sztucznej inteligencji mającej w niedalekiej przyszłości zastąpić ludzi.

W obecnej sytuacji rynkowej niezbędne jest nieustanne zmniejszanie kosztów utrzymania ruchu przy jednoczesnym zwiększaniu niezawodności naszego parku maszynowego.Oczywiście należy sobie zdać sprawę, że niezawodność kosztuje, ale jest to zawsze inwestycja z pozytywnym zwrotem.

Obecnie długotrwały przestój linii produkcyjnej jest znacznie bardziej dotkliwy niż koszty utrzymania niezawodności stąd coraz większą rolę odgrywa wczesna detekcja anomalii pracy maszyny. Przy zastosowaniu odpowiednich metod diagnostycznych jesteśmy w stanie przewidzieć na długo przed awarią problemy skutkujące potencjalnym postojem. Z badań przeprowadzonych dla przemysłu lotniczego przez Nowlana i Heapa w drugiej połowie ubiegłego wieku wynika, że zaledwie 2% awarii pasuje do profilu A, czyli naszego tradycyjnego punktu widzenia, 4% pasuje do profilu B, 5% do profilu C, 7% pasuje do profilu D, 14% pasuje do profilu E, a 68% pasuje do profilu F, co obrazują krzywe wannowe. Wyniki te powtórzyły, z niewielkimi różnicami, badania w Szwecji w 1973 i w Marynarce Wojennej USA w 1982. Oczywiście nie jest do końca istotne czy mówimy o 11% czy 15%, alenżeby sobie uświadomić, że tylko znikomy procent elementów maszyn posiada prawdopodobieństwo awarii związane z wiekiem, a zatem osiąga korzyści z okresowych remontów i wymian. Cała reszta wymaga zupełnie innego podejścia do zarządzania parkiem maszynowym.

Krzywe wannowe.Opracowanie własne na podstawie Reliability Awareness training

Dodatkowo ważnym jest, żeby zrozumieć, że awaria to proces, a nie jednorazowe wydarzenie. Doskonale pokazuje to krzywa P-F. Poszczególne punkty na krzywej odnoszą się do rozwoju defektu i wiążą z różnymi metodami kontroli podzespołu, które mogą być stosowane w celu określenia bieżącego stanu defektu.

Krzywa P-F. Opracowanie własne

Pierwszą z metod na krzywej są pomiary ultradźwiękowe.  Ultradźwięki jako zjawisko fizyczne, wywoływane są przez dwa źródła – tarcie i turbulencję.Przykładem mogą być tutaj tarcie wewnątrz niedosmarowanych lub uszkodzonych łożysk czy turbulencja wynikająca z wycieku sprężonego powietrza.W odróżnieniu od dźwięków z zakresu słyszalnego(20 – 20 kHz), ultradźwięki słyszane w słuchawkach są różne od hałasu pracy zakładu. Zakres ultradźwięków, które możemy usłyszeć zamyka się w przedziale między 20 kHz a 100 kHz, dzięki czemu możemy odciąć się od słyszalnego zakresu skupiając się tylko na interesujących nas dźwiękach. Cechy fizyczne ultradźwięków są inne od tych z zakresu słyszalnego i to dzięki nim inspekcja ultradźwiękowa jest możliwa i nie jest trudna w przeprowadzeniu.

Kolejnym punktem jest analiza drgań. Metoda ta wymaga znacznie więcej doświadczenia i wiedzy niż wspomniane wcześniej ultradźwięki, ale może dostarczyć dodatkowej wiedzy. Wiedzy nie tylko o tym, że pojawiły się pierwsze symptomy awarii, ale również o tym co wpłynęło na tą sytuację (niewyosiowanie, niewyważenie, problemy elektryczne).

Jako podstawę wykorzystujemy tu analizę widmową drgań FFT (mm/s) oraz analizę obwiedni przyspieszenia sygnałów drganiowych (g’s lub m/s2). Dodatkowo bazując na normie ISO 10816 możemy ustawiać alarmy wykorzystując metodę pomiaru drgań całkowitych (overall). Norma nie rozwiązuje wszystkich problemów, ale na pewno jest użyteczna w początkowej fazie wdrożenia strategii opartej na kondycji maszyn (Condition Based Maintenance).

W przypadku analizy drgań ważnym jest mieć świadomość jakim sprzętem dysponujemy i czego powinniśmy od niego oczekiwać. Wczesne oznaki problemów z łożyskami występują w zakresie wspomnianych wcześniej częstotliwości ultradźwiękowych (ok 20-60 kHz). Wiele firm wypuściło na rynek autorskie metody mogące wykrywać wczesne fazy uszkodzeń elementów wirujących. Są to na przykład:

  • Spike Energy (gSE) – firmy Entek / Rockwell Automation,
  • PeakVue –firmy CSI / Emerson,
  • Spectral Emitted Energy (SEE) – firmy SKF,
  • Bearing Condition Unit (BCU) – firmy Schenck,
  • Shock Pulse Method (SPM) i późniejsza wersja SPM HD- firmy SPM Instrument AB.

Metody tej jednak nie wykorzystamy do detekcji turbulencji stąd nie nada się ona do np. pomiaru wycieków. Analiza ma też pewne ograniczenia jeżeli chodzi o łożyska wolnoobrotowe przez co nie zawsze uzyskamy zadowalające nas rezultaty. Trudności związane z monitorowaniem wibracji łożyska o małej prędkości wynikają m.in. z faktu, że:

  • szybkość uwalniania energii z defektu zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem się prędkości,
  • częstotliwość powtarzania defektów staje się bardzo niska i trudna do wykrycia wśród dźwięków otoczenia,
  • bardzo długie przebiegi czasowe muszą zostać zdigitalizowane i dalej przetwarzane,
  • przetwarzanie sygnału generuje bardzo duże błędy matematyczne (FFT) na poziomie końca zakresu widmowego o bardzo niskiej częstotliwości,
  • łożyska toczne wolnoobrotowe są często bardzo masywne i sztywne.

Najlepiej do pomiaru drgań o niskiej częstotliwości nadają się czujniki przemieszczenia jednak standardowo przy wibracjach (konwencjonalne mierniki) używamy do tego akcelerometrów. Chcąc uzyskać jak najlepsze dane ważne jest używać akcelerometrów o odpowiedniej czułości. Rekomendowanym rozwiązaniem do pomiarów ogólnych są czujniki o czułości 100 mV/g, a do urządzeń wolnoobrotowych zaleca się czujniki o czułości 500 mV/g.

Następną metodą na naszej krzywej jest Motion Amplification. Jest to dość nowa i nowatorska metoda diagnostyczna opatentowana przez RDI Technologies. O ile w przypadku wczesnego zastosowania ultradźwięków czy analizy drgań (NASA, wojsko) mówimy już o latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku MA stosowane jest od zaledwie kilku lat.

Metoda w swoim zamyśle wykorzystuje szybie kamery rejestrujące obraz z dużą częstotliwością oraz opatentowany algorytm przetwarzający zapisany film. Dzięki temu obraz drgań (niewidoczny dla ludzkiego oka) przestawiony jest na filmie wideo, a każdy piksel staje się czujnikiem ruchu (pomiar przemieszczeń i prędkości drgań).

Porównanie standardowych pomiarów drgań oraz metody Motion Amplification. Rysunek za zgodą firmy VIMS, przedstawiciela w Polsce RDI Technologies

Metoda ma jednak swoje plusy i minusy. Niewątpliwym plusem jest analiza wszelkich luzów czy drgań strukturalnych (niedokręcona podstawa urządzenia, źle zaprojektowane (wykonane) systemy rur wraz z podporami, niewyosiowanie). W przypadku analizy drgań wykorzystującej standardowe akcelerometry powyższe też jest możliwe np. przy wykorzystaniu analizy modalnej i ODS (Operational Deflection Shape)co jest jednak bardzo czasochłonne. W przypadku MA pomiar taki zajmuje zaledwie parę chwil.

Motion Amplification nie zmierzy jednak tego czego „nie widzi” czyli np. łożysk czy części ruchomych wewnątrz maszyny (drgania przenoszą się na maszynę jednak nie wskażą bezpośrednio, która część za to opowiada).

Kolejną z metod na krzywej P-F jest analiza oleju czy bardziej ogólnie analiza cieczy pracujących w maszynie. Analiza oleju jest jednak nadal najpopularniejszą i najczęściej wybieraną metodą ze wszystkich cieczy. Z badanej próbki oleju silnikowego czy oleju przekładniowego możemy określić najważniejsze parametry użytkowe danego oleju, a dzięki m.in. analizie pierwiastków również i kondycję samej maszyny. Nadmiar przykładowych pierwiastków może świadczyć o problemach z:

  • żelazo – koła zębate, uszkodzenie wału, problem z łożyskami tocznymi (najczęściej występuje z chromem)
  • chrom – pierścienie tłokowe, łożyska, sworznie tłokowe, uszczelki, tuleje prowadzące; często można znaleźć z Fe, Al, Cr, gdyż w większości zużycie poszczególnych elementów spowodowane jest przez pył (tłoki- Al, pierścienie tłokowe –Cr, cylinder- Fe)
  • ołów– prawie wszystkie powierzchnie pracy łożysk ślizgowych oraz połączenia lutowane wraz z cyną; zwykle występuje w obecności cyny i/lub miedzi
  • miedź – główny składnik mosiądzu i brązu wykorzystywanych najczęściej do łożysk ślizgowych (panewek)

Dzięki analizie oleju możemy również wydłużyć czaso-okres pracy oleju gdyż zostanie on wymieniony na podstawie właściwości fizyko-chemicznych, a nie zgodnie z zaleceniami producenta maszyny.

Wartym podkreślenia jest też fakt, że metoda doskonale nadaje się do maszyn wolnoobrotowych

Im bliżej problemu czyli naszego punktu F tym bardziej rośnie temperatura. Zanim ciepło stanie się wyczuwalne przez dotyk, zwłaszcza w przypadku urządzeń izolowanych czy bez dostępu do grzejących się części możemy użyć pomiarów termowizyjnych będących kolejną metodą na krzywej P-F.

Termowizja często zwana również termografią polega na bezdotykowym badaniu rozkładu temperatury na powierzchni danego ciała operując w paśmie średniej podczerwieni (długości fali od ok. 0,9 do 14 μm). Badania termowizyjne bazują na zasadach termodynamiki, głównie na tym, że ciepło jest produktem ubocznym prawie wszystkich przemian energetycznych (np. grzejące się łożysko gdy zbliża się awaria czy poluzowany kabel elektryczny). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki o przepływie ciepła mówimy tylko wtedy, kiedy występuje różnica temperatur. Ciepło przepływa od ciała o wyższej temperaturze, do ciała o niższej temperaturze, aż do wyrównania.

Istnieją trzy rodzaje przepływu ciepła:

  • przewodzenie,
  • konwekcja (unoszenie),
  • emisja/absorpcja (promieniowanie).

Dokładność pomiaru w znacznej mierze zależy od posiadanego przyrządu. Obecnie większość kamer podczerwonych zapewnia nam jakość na poziomie ±2⁰C lub 2% pomiarów. Główne czynniki wpływające na pogorszenie jakości pomiaru to:

  • emisyjność ≤0,6
  • różnice temperatur ≥30⁰C
  • pomiary poza rozdzielczością kamery (zbyt duży przedmiot, lub za duża odległość)
  • pole widzenia

Przyczyn zmian temperatury może być wiele, mogą to być m.in. niewyosiowanie silnika z urządzeniem, wzrost tarcia w łożyskach, luzy.Warto zapamiętać, że dla łożysk tocznych temperatura nie powinna przekraczać temperatury otoczenia o więcej niż 60oC. W przeciętnych warunkach eksploatacyjnych przy temperaturze czynnika chłodzącego ok +20oC temperatura ta powinna być na poziomie 50-60oC. W trudniejszych warunkach temperatura pracy może być wyższa, nie powinna jednak przekraczać 125oC gdyż powyżej tego progu obniża się twardość bieżni oraz znacząco pogarszają parametry smaru.

W celu dokładnej weryfikacji usterki, należy zawsze zestawiać termogramy z pozostałymi wynikami pomiarów.

Ostatnim elementem w zakresie predykcji na krzywej P-F jest MCA. Motor Circuit Analysisto zestaw metod oceny stanu technicznego urządzeń i sieci elektrycznych. Testy te dzielimy na dwie kategorie:

  • MCA online,
  • MCA offline.

MCA online podlega dalszemu podziałowi na:

  • analizę prądową,
  • analizę napięciową.

Analiza prądowa skupia się na elementach wirujących. Za pomocą tej metody możemy wykryć poluzowane lub uszkodzone pręty klatki silnika, połamane pierścienie, niewyważenie rotora jak i problemy wynikające z niewyosiowania elementów zewnętrznych jak sprzęgła czy pasy klinowe.

Analiza napięciowa natomiast identyfikuje problemy związane z jakością energii elektrycznej jak:

  • harmoniczne,
  • odchylenia napięcia (wolne zmiany napięcia),
  • wahania napięcia (szybkie zmiany napięcia),
  • asymetria napięcia.

Metoda offline to przede wszystkim pomiary ukierunkowane na identyfikację problemów związanych z obwodami silnika jak rezystancja uziemienia, impedancja czy pojemność.

Dzięki temu, że zrozumiemy słabe i mocne strony każdej z metod diagnostycznych uświadomimy sobie, że żadna z nich nie jest lepsza od innych, ale wszystkie razem stanowią doskonałe uzupełnienie całości. Można się oczywiście sprzeczać, która z metod powinna być zaimplementowana jako pierwsza czy może należy od razu skupić się na wszystkich. Z praktyki przemysłowej uważamy, że najlepiej skupić się najpierw na najprostszych metodach, które w łatwy sposób dadzą pierwsze rezultaty –gdy zbyt zaawansowany sprzęt wymagający dogłębnej wiedzy i doświadczenia zostanie wdrożony jako pierwszy technicy, którzy mieliby się tym zajmować bardzo szybko się zniechęcą i wrócą do starych nawyków.

W związku z powyższym bardzo często jako pierwsze wdrażane są termowizja lub ultradźwięki. Kierując się łatwością obsługi, szerokością spektrum działania oraz krzywą P-F bez wątpienia pierwszy wybór powinien paść na ultradźwięki. Poprzez dopasowanie się do wąskiego zakresu wysokich częstotliwości, ultradźwięki wykrywają subtelne zmiany w amplitudzie i jakości dźwięku generowanego przez pracujące urządzenia. Następnie poprzez heterodynowanie normalnie niewykrywalnego sygnału, uzyskuje się sygnał słyszalny w słuchawkach i obserwowany na wyświetlaczu (mierniki typu Ultraprobe), który możemy wykorzystać do tworzenia linii trendu, porównywania i analiz.

Zostało udowodnione, że monitoring ultradźwiękowy zapewnia wczesne ostrzeżenie o awarii łożyska. Rozróżniono również różne stany awarii łożysk. Przyrost o 8dB względem linii bazowej wskazuje wczesny stan przed awaryjny lub brak poprawnego smarowania. Przyrost o 12 dB względem linii bazowej oznacza początkowy stan uszkodzeń łożyska, a 16 dB oznacza zaawansowany stan uszkodzeń łożyska. Odczyt 35-50 dB ponad linię bazową oznacza stan katastrofalny. Dla tych którzy korzystają z ultradźwięków do analizy spektralnej, stany te można obserwować w dziedzinie czasu i częstotliwości (FFT). Co ważne ultradźwięki można stosować do łożysk pracujących z dowolną prędkością, w tym również do łożysk wolnoobrotowych.

Poza łożyskami (tarcie) ultradźwiękowa detekcja obejmuje szeroki zakres wycieków próżniowych i ciśnieniowych, niezależnie od rodzaju gazu. W zależność od dźwięku instrumenty ultradźwiękowe wykrywają przepływ turbulentny gazu od strony wysokiego do strony niskiego ciśnienia wycieku. Korzystając z cech ultradźwięków, lokalizacja wycieków jest szybka i łatwa w obsłudze dzięki:

  • kierunkowości ultradźwięków, co czyni je łatwymi do wykrycia u źródła,
  • intensywność sygnału: im bliżej źródła, tym silniejszy sygnał dźwiękowy,
  • ustalona częstotliwość detekcji czyni lokalizację wycieków łatwą nawet w głośnym otoczeniu.

Świetnie nadaje się również do wykrywania takich zjawisk jak młot wodny czy kawitacja.

Kolejnym ze spektrum działania, które swoim zakresem obejmują ultradźwięki są odwadniacze parowe lub tzw. garnki kondensu. Odwadniacze różnią się od siebie sposobem pracy w zależności od typu urządzenia. Technologia ultradźwiękowa może być stosowana do określenia poprawności pracy każdego typu odwadniaczy: dzwonowych, termostatycznych, termodynamicznych czy pływakowo-termodynamicznych. Standardowo szukamy dwóch czynników poprawności pracy:

  • wewnętrznych przecieków: stan otwarty, częściowo otwarty, zamknięty,
  • modulacji: czy podczas pracy modulacja następuje zgodnie ze specyfikacją

Żeby jednoznacznie określić czy odwaniacz pracuje prawidłowo czy nie ważnym jest znać specyfikę pracy każdego ze wspomnianych urządzeń, żeby w łatwy sposób określić kiedy zrzut kondensatu wykonywany jest w sposób właściwy. Mając tą wiedzę samo użycie technologii jest dość proste i intuicyjne.

Kolejną właściwością ultradźwięków jest fakt że potrafią wykryć ruch cząstek powietrza spowodowany jonizacją. Dzięki temu zjawiska fizyczne jak wyładowania niezupełne/ulot, łuk elektryczny czy wyładowania koronowe mogą w łatwy sposób zostać zdiagnozowane. Ultraprobe wykrywa dźwięki wysokich częstotliwości produkowane przez te zjawiska i przetwarza je (heterodyning) do zakresu słyszalnego. Charakterystyczne dźwięki towarzyszące tym zjawiskom można usłyszeć w słuchawkach, podczas gdy ich intensywność określona jest w dB na wyświetlaczu. Słyszalną sygnaturę korony, wyładowania niezupełnego i łuku można również nagrać i przeanalizować poprzez program Spectralyzer służący do potwierdzania diagnozy i analiz.

Jest ważnym żeby śledzić te zjawiska i odpowiednio wcześniej reagować. Najbardziej destrukcyjna forma tych wyładowań zwana koroną(powstaje przy napięciu powyżej 1 kV) tworzy ozon i tlenki azotu. Te w połączeniu z wilgocią tworzą kwas azotowy, który jest destrukcyjny dla większości dielektryków i pewnych kompozycji metalicznych, skutkując korozją. Ponadto, wysoka energia w niektórych wyładowaniach powoduje mechaniczne, elektryczne i termiczne uszkodzenia.Oprócz strat energii ze zmiennego prądu na liniach przesyłowych wysokiego napięcia, korona może spowodować uszkodzenie powierzchni i rozłam powierzchni stałych izolacji, poważne skutki chemiczne lub straty transformatorów. Niektórymi popularnymi sprzętami rutynowo badanymi za pomocą ultradźwięków powietrznych są izolatory, transformatory, kable i rozdzielnice.

Co warto również wiedzieć normalnie urządzenia elektryczne powinny być ciche, jednak niektóre z nich, na przykład transformatory mogą tworzyć stały, 50 hercowy dźwięk lub tworzyć dźwięki mechaniczne. Jest to jednak zupełnie inny dźwięk niż nieregularny, nierówny, strzelający dźwięk wyładowań elektrycznych.

Case studies

W celu zobrazowania powyższego w dalszej części artykułu zostaną przedstawione praktyczne case studies. Autorzy zdecydowali przekrojowo pokazać spektrum działania technologii ultradźwiękowej, ale dodatkowo uzupełnione o pozostałe metody diagnostyczne, które dopiero zebrane razem pokazują pełny obraz kondycji maszyny.

Badania dla wspomnianych case studies zostały przeprowadzone w warunkach przemysłowych na przestrzeni lat w Zakładach Tłuszczowych „Kruszwica” S.A., zajmującymi się produkcją oleju rzepakowego a także margaryn oraz olejów konsumenckich. ZT „Kruszwica” S.A. będąca 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 nadmienić w 2016 Zakłady Tłuszczowe „Kruszwica” S.A. zdobyły nagrodę Fabryka Roku za to w jaki sposób realizują strategię utrzymanie ruchu, także na pewno wiedzą jak zarządzać w sposób optymalny swoim parkiem maszynowym, a opisane case studies mają tym większą wartość merytoryczną.

Autorzy:
Pan Paweł Łęciński
BEU Predictive Maintenance Subject Matter Expert and
Reliability Lead Poland, Hungary and Romania

Pan Jerzy Halkiewicz
Regional Manager – UE Systems Poland

Zapraszamy do przeczytania kolejnych części artykułu:

Diagnostyka Część 2 z 4
Diagnostyka Część 3 z 4
Diagnostyka Część 4 z 4