Monitoreo de condición - Condition monitoring

El monitoreo de condición (coloquialmente, CM ) es el proceso de monitorear un parámetro de condición en la maquinaria (vibración, temperatura, etc.), con el fin de identificar un cambio significativo que sea indicativo de una falla en desarrollo. Es un componente importante del mantenimiento predictivo . El uso de la monitorización de estado permite programar el mantenimiento u otras acciones para prevenir daños emergentes y evitar sus consecuencias. El monitoreo de condiciones tiene un beneficio único en el sentido de que las condiciones que acortarían la vida útil normal pueden abordarse antes de que se conviertan en una falla importante. Las técnicas de monitoreo de condición se usan normalmente en equipos rotativos, sistemas auxiliares y otra maquinaria (compresores, bombas , motores eléctricos , motores de combustión interna, prensas), mientras que la inspección periódica usa técnicas de prueba no destructiva (NDT) y evaluación de ajuste para servicio (FFS). se utilizan para equipos de planta estáticos como calderas de vapor , tuberías e intercambiadores de calor .

Tecnología de monitoreo de condición

La siguiente lista incluye las principales técnicas de monitoreo de condición aplicadas en los sectores industrial y de transporte:

  • Descripción general de la monitorización de condiciones
  • Análisis y diagnóstico de vibraciones
  • Análisis de lubricantes
  • Emisión acústica
  • Termografía infrarroja
  • Ultrasonido
  • Sensores de estado del aceite
  • Monitoreo de la condición del motor y análisis de firma de corriente del motor (MCSA)
  • Sistemas de voltaje y corriente basados ​​en modelos (sistemas MBVI)

La mayoría de las tecnologías CM están estandarizadas por ISO y ASTM .

Equipo rotativo

Equipo rotatorio es un término general de la industria que incluye cajas de engranajes, maquinaria de movimiento alternativo y centrífuga.

El método más utilizado para máquinas rotativas es el análisis de vibraciones .

Las mediciones se pueden tomar en carcasas de cojinetes de máquinas con acelerómetros (transductores sísmicos o piezoeléctricos) para medir las vibraciones de la carcasa, y en la gran mayoría de máquinas críticas, con transductores de corrientes parásitas que observan directamente los ejes giratorios para medir el radial (y axial) desplazamiento del eje. El nivel de vibración se puede comparar con valores de referencia históricos, como arranques y paradas anteriores, y en algunos casos estándares establecidos, como cambios de carga, para evaluar la gravedad. Los fabricantes de equipos originales (OEM) de maquinaria y piezas también definen límites de vibración según el diseño de la máquina o de las piezas internas, por ejemplo, la frecuencia de fallos de los cojinetes.

La interpretación de la señal de vibración obtenida es un procedimiento elaborado que requiere formación y experiencia especializadas. Se simplifica mediante el uso de tecnologías de vanguardia que proporcionan la gran mayoría de análisis de datos de forma automática y proporcionan información en lugar de datos sin procesar. Una técnica comúnmente empleada es examinar las frecuencias individuales presentes en la señal. Estas frecuencias corresponden a determinados componentes mecánicos (por ejemplo, las distintas piezas que componen un rodamiento ) o determinados fallos de funcionamiento (como el desequilibrio o la desalineación del eje). Al examinar estas frecuencias y sus armónicos, el especialista en CM a menudo puede identificar la ubicación y el tipo de problema y, a veces, también la causa raíz. Por ejemplo, la alta vibración a la frecuencia correspondiente a la velocidad de rotación se debe con mayor frecuencia a un desequilibrio residual y se corrige equilibrando la máquina. Un rodamiento de elemento rodante en degradación , por otro lado, generalmente exhibirá señales de vibración a frecuencias específicas que aumentan en intensidad a medida que se desgasta. Los instrumentos de análisis especiales pueden detectar este desgaste semanas o incluso meses antes de la falla, dando una amplia advertencia para programar el reemplazo antes de una falla que podría causar un tiempo de inactividad mucho más prolongado. Además de todos los sensores y análisis de datos, es importante tener en cuenta que más del 80% de todos los equipos mecánicos complejos fallan accidentalmente y sin ninguna relación con el período de su ciclo de vida.

La mayoría de los instrumentos de análisis de vibraciones actuales utilizan una transformada rápida de Fourier (FFT) que es un caso especial de la transformada discreta de Fourier generalizada y convierte la señal de vibración de su representación en el dominio del tiempo a su representación en el dominio de la frecuencia equivalente . Sin embargo, el análisis de frecuencia (a veces llamado Análisis espectral o Análisis de firma de vibración) es solo un aspecto de la interpretación de la información contenida en una señal de vibración. El análisis de frecuencia tiende a ser más útil en máquinas que emplean rodamientos de elementos rodantes y cuyos principales modos de falla tienden a ser la degradación de esos rodamientos, que típicamente exhiben un aumento en las frecuencias características asociadas con las geometrías y construcciones de los rodamientos. Dependiendo del tipo de máquina, sus fallas típicas, los tipos de rodamientos empleados, las velocidades de rotación y otros factores, el especialista en CM puede usar herramientas de diagnóstico adicionales, como el examen de la señal en el dominio del tiempo, la relación de fase entre los componentes de vibración y una sincronización. marca en el eje de la máquina (a menudo conocida como keyphasor ), tendencias históricas de los niveles de vibración, la forma de la vibración y muchos otros aspectos de la señal junto con otra información del proceso, como carga, temperaturas de los cojinetes, tasas de flujo, posiciones de las válvulas y presiones para proporcionar un diagnóstico preciso. Esto es particularmente cierto en las máquinas que utilizan cojinetes fluidos en lugar de cojinetes de elementos rodantes . Para permitirles ver estos datos de una forma más simplificada, los analistas de vibraciones o los ingenieros de diagnóstico de maquinaria han adoptado una serie de gráficos matemáticos para mostrar los problemas de la máquina y las características de funcionamiento, estos gráficos incluyen el gráfico de Bode , el gráfico de cascada , el gráfico polar y el gráfico gráfico de la base de tiempo de la órbita, entre otros.

Los analizadores y recolectores de datos portátiles son ahora comunes en máquinas de planta no críticas o de equilibrio en las que la instrumentación de vibración permanente en línea no puede justificarse económicamente. El técnico puede recopilar muestras de datos de varias máquinas y luego descargar los datos en una computadora donde el analista (y a veces la inteligencia artificial) puede examinar los datos en busca de cambios indicativos de mal funcionamiento y fallas inminentes. Para máquinas más grandes y más críticas donde las implicaciones de seguridad, las interrupciones de producción (el llamado "tiempo de inactividad"), las piezas de repuesto y otros costos de fallas pueden ser apreciables (determinado por el índice de criticidad), generalmente se emplea un sistema de monitoreo permanente en lugar de confiar sobre la recopilación periódica de datos portátiles. Sin embargo, los métodos y herramientas de diagnóstico disponibles en ambos enfoques son generalmente los mismos.

Recientemente, también se han aplicado sistemas de monitoreo de condición en línea a industrias de procesos pesados ​​como pulpa, papel, minería, petroquímica y generación de energía.

La supervisión del rendimiento es una técnica de supervisión de condiciones menos conocida. Puede aplicarse a maquinaria rotativa como bombas y turbinas, así como a elementos estacionarios como calderas e intercambiadores de calor. Se requieren medidas de magnitudes físicas: temperatura, presión, caudal, velocidad, desplazamiento, según el artículo de la planta. Rara vez se necesita una precisión absoluta, pero se necesitan datos repetibles. Por lo general, se necesitan instrumentos de prueba calibrados, pero se ha logrado cierto éxito en la planta con DCS (sistemas de control distribuido). El análisis de rendimiento a menudo está estrechamente relacionado con la eficiencia energética y, por lo tanto, se ha aplicado durante mucho tiempo en las plantas de generación de energía a vapor. En algunos casos, es posible calcular el tiempo óptimo de revisión para restaurar el rendimiento degradado.

Sistemas de voltaje y corriente basados ​​en modelos (sistemas MBVI): esta es una técnica que hace uso de la información disponible de las señales de corriente y voltaje en las tres fases simultáneamente. Los sistemas basados ​​en modelos pueden identificar muchos de los mismos fenómenos que también se observan mediante técnicas más convencionales, que cubren áreas eléctricas, mecánicas y operativas. Los sistemas basados ​​en modelos funcionan en las líneas que se muestran en la Figura 6 a continuación y miden tanto la corriente como el voltaje mientras el motor está en funcionamiento y luego crean automáticamente un modelo matemático de la relación entre la corriente y el voltaje. Aplicando este modelo a la tensión medida, se calcula una corriente modelada y esta se compara con la corriente medida real. Las desviaciones entre la corriente medida y la corriente modelada representan imperfecciones en el motor y el sistema del equipo accionado, que se pueden analizar usando una combinación del vector de Park para simplificar las corrientes trifásicas en dos fases ortogonales (D&Q), análisis de Fourier para dar una potencia gráfico de densidad espectral y evaluación algorítmica del espectro resultante para identificar fallas específicas o modos de falla. Estos sistemas están diseñados para instalación permanente como una solución de monitoreo de condición en lugar de como un dispositivo de medición de diagnóstico a corto plazo, y sus salidas se pueden integrar en los sistemas normales de la planta. Al estar permanentemente conectados, las tendencias históricas se capturan automáticamente.

El tipo de resultado que estos tipos de dispositivos pueden crear incluyen pantallas únicas, semáforos de la operación general del equipo, junto con el diagnóstico de una variedad de problemas mecánicos, eléctricos y operativos, y gráficos de tendencias que muestran cómo estos parámetros están cambiando a lo largo del tiempo. . El concepto de este tipo de dispositivo es que puede ser utilizado por los operadores y mantenedores normales de la planta sin la necesidad de una interpretación especializada de los espectros, aunque los gráficos espectrales subyacentes están disponibles si es necesario. El tipo de fallas que se pueden detectar incluyen una variedad de problemas mecánicos como desequilibrio, desalineación y problemas de cojinetes en el motor y el equipo accionado, así como problemas eléctricos que incluyen ruptura del aislamiento, devanados del estator sueltos, problemas de ranuras del rotor, corriente o voltaje. desequilibrio y distorsión armónica. Debido a que estos sistemas miden tanto la corriente como el voltaje, también monitorean la energía y pueden identificar problemas causados ​​por condiciones de operación inusuales e identificar las causas de la pérdida de eficiencia. Debido a que los sistemas basados ​​en modelos solo examinan la diferencia entre las corrientes reales y predichas, filtran efectivamente todas las señales eléctricas normales que son tan evidentes en el Análisis espectral de corriente de motor (MCSA) convencional, dejando un conjunto de señales mucho más simple para analizar. Debido a que estos sistemas se basan en la relación entre el voltaje y la corriente, se adaptan bien a los sistemas impulsados ​​por inversores en los que el voltaje de entrada puede ser de una frecuencia variable y puede haber una forma de onda ruidosa con muchos componentes armónicos. Los sistemas basados ​​en modelos filtran eficazmente todo este ruido en la señal de voltaje de la señal de corriente resultante, dejando solo las imperfecciones subyacentes. Esta facilidad de uso y bajo costo de este tipo de equipo lo hace apropiado para equipos de menor costo y menor criticidad.

Sistemas basados ​​en modelos
Concepto de sistemas basados ​​en modelos

Otras tecnicas

  • A menudo, se considera que las inspecciones visuales forman un componente subyacente del monitoreo de la condición; sin embargo, esto solo es cierto si los resultados de la inspección se pueden medir o comparar con un conjunto documentado de pautas. Para que estas inspecciones se consideren monitoreo de condición, los resultados y las condiciones en el momento de la observación deben recopilarse para permitir un análisis comparativo con las mediciones anteriores y futuras. El acto de simplemente inspeccionar visualmente una sección de tubería para detectar la presencia de grietas o fugas no puede considerarse monitoreo de condición a menos que existan parámetros cuantificables para respaldar la inspección y se haga una comparación relativa con inspecciones anteriores. Un acto realizado de forma aislada a las inspecciones anteriores se considera una Evaluación de Condición, las actividades de Monitoreo de Condición requieren que el análisis sea comparativo con los datos anteriores e informe la tendencia de esa comparación.
  • Se pueden descubrir ligeras variaciones de temperatura en una superficie con inspección visual y pruebas no destructivas con termografía . El calor es indicativo de componentes defectuosos, especialmente la degradación de los contactos eléctricos y las terminaciones. La termografía también se puede aplicar con éxito a cojinetes de alta velocidad, acoplamientos de fluido, rodillos transportadores y acumulación interna de tanques de almacenamiento.
  • Un microscopio electrónico de barrido puede tomar una imagen de una muestra cuidadosamente tomada de desechos suspendidos en aceite lubricante (tomados de filtros o detectores de chips magnéticos). Luego, los instrumentos revelan los elementos contenidos, sus proporciones, tamaño y morfología. Con este método, se puede determinar el sitio, el mecanismo de falla mecánica y el tiempo hasta la eventual falla. Esto se llama WDA - Wear Debris Analysis.
  • El análisis de aceite espectrográfico que prueba la composición química del aceite se puede utilizar para predecir modos de falla. Por ejemplo, un alto contenido de silicio y aluminio indica contaminación de suciedad o arenilla (silicatos de aluminio), etc., y niveles altos de hierro indican componentes desgastados. Individualmente, los elementos dan indicaciones justas, pero cuando se usan juntos pueden determinar con mucha precisión los modos de falla, por ejemplo, para motores de combustión interna, la presencia de hierro (revestimiento), aluminio (pistón) y cromo (anillos) indicaría desgaste del cilindro superior.
  • El ultrasonido se puede utilizar para aplicaciones mecánicas de alta y baja velocidad y para situaciones de fluidos a alta presión. Los medidores ultrasónicos digitales miden señales de alta frecuencia de los rodamientos y muestran el resultado como un valor de dBuV (decibeles por microvoltio). Este valor tiene una tendencia a lo largo del tiempo y se utiliza para predecir aumentos en la fricción, el roce, el impacto y otros defectos de los cojinetes. El valor de dBuV también se utiliza para predecir los intervalos adecuados para la relubricación. La monitorización por ultrasonido, si se realiza correctamente, resulta ser una gran tecnología complementaria para el análisis de vibraciones.
Los auriculares también permiten a los humanos escuchar ultrasonidos. Un "zumbido" agudo en los cojinetes indica fallas en las superficies de contacto, y cuando se producen bloqueos parciales en los fluidos a alta presión, el orificio provocará una gran cantidad de ruido ultrasónico. El ultrasonido se utiliza en el método de pulso de choque de monitoreo de condición.
  • Análisis de rendimiento, donde la eficiencia física, el rendimiento o la condición se encuentran comparando los parámetros reales con un modelo ideal. El deterioro suele ser la causa de la diferencia en las lecturas. Después de los motores, las bombas centrífugas son posiblemente las máquinas más comunes. El monitoreo del estado mediante una prueba simple de flujo de cabeza cerca del punto de trabajo utilizando mediciones repetibles se ha utilizado durante mucho tiempo, pero podría adoptarse de manera más generalizada. Se puede utilizar una extensión de este método para calcular el mejor momento para reacondicionar una bomba en función de equilibrar el costo de la reparación con el aumento del consumo de energía que se produce a medida que se desgasta la bomba. Las turbinas de gas de aviación también se monitorean comúnmente utilizando técnicas de análisis de rendimiento con los fabricantes de equipos originales como Rolls-Royce plc que monitorean rutinariamente flotas enteras de motores de aeronaves bajo acuerdos de servicio a largo plazo (LTSA) o paquetes de atención total.
  • Los sensores de detección de residuos de desgaste son capaces de detectar partículas de desgaste ferrosas y no ferrosas dentro del aceite de lubricación, lo que brinda información considerable sobre el estado de la maquinaria medida. Al crear y monitorear una tendencia de los desechos que se están generando, es posible detectar fallas antes de una falla catastrófica de equipos rotativos como cajas de engranajes, turbinas, etc.

El índice de criticidad

El índice de criticidad se usa a menudo para determinar el grado de monitoreo de condición en una máquina dada teniendo en cuenta el propósito de la máquina, la redundancia (es decir, si la máquina falla, hay una máquina en espera que pueda asumir el control), el costo de reparación, los impactos del tiempo de inactividad, cuestiones de salud, seguridad y medio ambiente y una serie de otros factores clave. El índice de criticidad coloca a todas las máquinas en una de tres categorías:

  1. Maquinaria crítica: máquinas que son vitales para la planta o el proceso y sin las cuales la planta o el proceso no pueden funcionar. Las máquinas en esta categoría incluyen las turbinas de vapor o gas en una planta de energía, las bombas de exportación de petróleo crudo en una plataforma petrolera o el cracker en una refinería de petróleo. Dado que la maquinaria crítica está en el corazón del proceso, se considera que se requiere un monitoreo completo de la condición en línea para registrar continuamente tantos datos de la máquina como sea posible independientemente del costo y, a menudo, lo especifica el seguro de la planta. Siempre que sea posible, se toman medidas como cargas, presiones, temperaturas, vibración y desplazamiento de la carcasa, desplazamiento axial y radial del eje, velocidad y expansión diferencial. Estos valores a menudo se retroalimentan en un paquete de software de gestión de maquinaria que es capaz de determinar la tendencia de los datos históricos y proporcionar a los operadores información como datos de rendimiento e incluso predecir fallas y proporcionar un diagnóstico de fallas antes de que sucedan.
  2. Maquinaria esencial: unidades que son una parte clave del proceso, pero si hay una falla, el proceso aún continúa. Las unidades redundantes (si están disponibles) entran en este ámbito. La prueba y el control de estas unidades también es esencial para mantener planes alternativos en caso de que falle la maquinaria crítica.
  3. Máquinas de uso general o equilibrio de la planta: estas son las máquinas que componen el resto de la planta y que normalmente se monitorean mediante un recolector de datos portátil, como se mencionó anteriormente, para crear periódicamente una imagen del estado de la máquina.

Ver también

notas y referencias

Otras lecturas