Captura de datos de supervisión a distancia para permitir el mantenimiento predictivo.
En la mayoría de los sectores, es difícil recopilar datos fiables sobre el estado de las bombas sumergibles. Una técnica llamada análisis de la firma eléctrica resuelve este problema utilizando sensores que se instalan en el armario de control del motor, no en la propia bomba. Pero, ¿cuál es su rendimiento? Un análisis en profundidad de los puntos fuertes y débiles de ESA y de su precisión en la detección de fallos.
Las bombas sumergibles presentan una monitoreo de la condición desafío. A menudo se encuentran en lugares de difícil acceso, como el fondo de un pozo petrolífero o de abastecimiento de agua. Levantarlas es caro; con un coste que alcanza los cinco e incluso seis dígitos en algunas industrias, detener las operaciones para extraer la bomba y realizar mediciones manuales rutinarias está prácticamente descartado. En algunas aplicaciones (como las estaciones municipales de bombeo de aguas residuales), el parque de bombas sumergidas de una empresa se extiende además por una amplia zona geográfica, lo que convierte el tiempo de desplazamiento en un factor de coste significativo. Incluso en la relativa comodidad de una única planta de producción, puede llevar horas completar un recorrido por todas las máquinas.
Estos puntos encarnan el primer sentido de lo remoto: la necesidad de evitar emplear el valioso tiempo de los técnicos de mantenimiento en visitar físicamente la bomba y detener su funcionamiento para tomar lecturas. Esta necesidad se ha satisfecho en gran medida con el auge de la detección inalámbrica y el Internet de las cosas (IoT). Los sensores instalados de forma permanente capturan datos mientras la bomba sigue funcionando con normalidad y, a continuación, los transmiten a una ubicación central en la que su personal puede utilizarlos para supervisar eficazmente el estado de todas sus bombas a distancia y permitir el cambio de un mantenimiento basado en el tiempo a un mantenimiento basado en el tiempo. mantenimiento predictivo.
Pero también hay un segundo sentido remoto. Los sensores de vibración inalámbricos eliminan la necesidad de un acceso recurrente, pero siguen teniendo que instalarse en la bomba. Cuando la bomba vuelve a sumergirse en las aguas residuales, el aceite o el ácido sulfúrico, también lo hacen los sensores. Los sensores suficientemente duraderos para soportar esas condiciones a largo plazo son enormemente caros o inexistentes. La necesidad que encierra este sentido de lo remoto se aplica a los propios sensores: una forma de captar datos precisos y utilizables sobre el estado de los activos a distancia, sin tocar ni siquiera ver la propia bomba.
Sensores de control remoto
Captura de datos útiles monitoreo de la condición datos sin estar cerca de la bomba puede parecer una ilusión, pero en realidad existe una sólida tecnología de detección de fallos que hace exactamente eso. Se llama análisis de firmas eléctricas (ESA) y fue desarrollada por primera vez por los Laboratorios Nacionales de Oak Ridge en los años 80 para supervisar de forma segura las válvulas accionadas por motor en una central nuclear. El ESA mide la tensión y la corriente que se suministra al motor que acciona la válvula, bomba u otro equipo para hacer un seguimiento preciso del estado de toda la máquina. Dado que la ESA capta señales eléctricas, sus sensores son sondas de corriente y tensión no invasivas que se instalan alrededor de los cables de fase en la seguridad lisa, seca y con pH neutro del armario de control del motor, no en la propia máquina. Esto significa que los sensores ESA nunca estarán expuestos a las condiciones corrosivas y abrasivas en las que funciona una bomba sumergida.
¿En qué medida detecta la ESA las próximas averías de las bombas sumergibles?
La monitorización remota de las condiciones resuelve sin duda el problema de "los sensores no son muy amigos de las aguas residuales o el ácido clorhídrico", pero sólo merece la pena si la precisión de la detección de fallos resultante es buena. Afortunadamente, lo es. El análisis de firmas eléctricas ha tenido casi cuatro décadas para madurar desde que Oak Ridge lo desarrolló por primera vez. En general, el ESA está a la altura de otros métodos establecidos. tecnologías de control de estado como la acústica, térmica y análisis de vibraciones. Suponiendo que cada tecnología se utilice en su encarnación de Industria 4.0 (muestreo de la fuente de datos con alta frecuencia, día tras día, y análisis de los terabytes de datos resultantes mediante algoritmos de aprendizaje automático (también puede oír el término "inteligencia artificial")), por lo general se conseguirá una gran precisión en la detección de fallos, con suficiente antelación (semanas o meses) para programar el mantenimiento en el momento oportuno y evitar por completo el tiempo de inactividad imprevisto.
Quizá se pregunte por qué hemos dicho "en generalLa ESA está a la par" con análisis de vibracionesetc. Esto se debe a que cada tecnología de monitorización de condiciones tiene puntos fuertes y puntos débiles. Éstos están relacionados con las características naturales de la fuente de datos subyacente. (Por cierto, es un error común creer que el análisis de firmas eléctricas sólo puede detectar fallos eléctricos, o que sólo puede detectar fallos en el motor. ESA también detecta fallos mecánicos en la transmisión y la carga. El ESA tiene puntos débiles, pero ver sólo los fallos eléctricos no es uno de ellos).
En términos generales, todos los sistemas de monitorización de estado maduros detectarán una amplia gama de fallos comunes en desarrollo. Pero si nos centramos en un modo de fallo específico, un sistema puede hacer un trabajo fantástico en la detección de daños tempranos, mientras que otro tiene dificultades para ver nada en absoluto. (Un ejemplo muy ilustrativo, análisis de emisiones acústicas puede detectar instantáneamente una grieta en desarrollo en una tubería de agua, pero ningún análisis de lubricante podría ayudarle ahí... porque no hay lubricante que analizar).
Esto significa que no existe "una técnica que los gobierne a todos"; en su lugar, piense en la supervisión del estado de los activos como en una caja de herramientas y en las distintas tecnologías como en llaves inglesas, martillos y destornilladores.
"El análisis de la firma eléctrica es la herramienta elegida para maquinaria como las bombas sumergibles, donde otras técnicas de monitorización remota del estado luchan por aportar valor".
Puntos fuertes y débiles de la ESA
Ya hemos señalado una de las principales ventajas de ESA frente a otras tecnologías de monitorización de estado: los sensores no necesitan estar cerca de la bomba. He aquí tres más.
- No hay necesidad de elegir en qué fallos centrarse (ni de instalar docenas de costosos sensores), porque cada frecuencia de interés está contenida en las señales eléctricasfrecuencias del impulsor, frecuencias de cavitación, frecuencias de engranajes y correas, frecuencias de avería del motor, etc. Siempre que proporcione al sistema ESA las especificaciones de la bomba, una unidad de sensor detectará firmas de fallo en todo el espectro.
- Como cabría esperar por el nombre, ESA destaca en la detección de anomalías eléctricas tanto en el motor como en la fuente de alimentación. Hablaremos más de esto a continuación.
- El ESA puede gestionar automáticamente velocidades y cargas variablesque es fundamental para detectar fallos significativos en sistemas que experimentan este tipo de variaciones operativas. (Más información en nuestra ESA explicar.)
Todas ellas son ventajas significativas no sólo para las bombas sumergibles, sino para la maquinaria industrial en general. Y esto nos lleva al primero de los puntos débiles de ESA: sólo funciona en sistemas accionados por electricidad. En principio, pueden ser sistemas de CA o CC y (en el caso de la CA) monofásicos o multifásicos, pero en la práctica los motores trifásicos de CA dominan el panorama industrial y para eso están diseñados la mayoría de los sistemas ESA del mercado.
En segundo lugar, sólo funciona en sistemas directamente accionados por electricidad. Cuanto más larga y compleja sea una cadena cinemática, menos información contendrá la señal eléctrica sobre los componentes alejados del motor. (Esta pérdida de información debido a la atenuación, la distorsión y el ruido cuando una señal viaja a través de un medio de transmisión no perfecto es un principio físico que afecta a todos los sistemas de monitorización de estado; por ejemplo, también es la razón por la que los sensores de vibración deben colocarse cerca del rodamiento u otro componente que se desee monitorizar, y por la que un médico coloca el estetoscopio sobre el pecho y no sobre la rodilla cuando quiere auscultar el corazón).
"Todo el análisis de aprendizaje automático del mundo no te ayudará si no estás obteniendo datos de calidad para empezar".
Esto significa que ESA no puede supervisar bombas sumergibles hidráulicas (HSP), por ejemplo: aunque la fuente original de energía que impulsa el sistema hidráulico suele ser eléctrica, ninguna información de desarrollo de fallos de la HSP llegará a través de la bomba, las válvulas y otros componentes de la unidad de potencia que intervienen. Se podría instalar un sistema ESA en el motor eléctrico de una unidad de potencia hidráulica, pero sólo podría informar sobre el funcionamiento de la bomba de la unidad de potencia.
En tercer lugar, incluso en las bombas sumergibles eléctricas, esta pérdida progresiva de información puede dificultar el aislamiento de averías en partes muy distantes de la máquina. Tomemos como ejemplo el cojinete del extremo de una bomba sumergible multietapa. Esta es una situación en la que los sensores localizados serían una opción mucho mejor. Por ejemplo, los sensores de vibración elegidos de forma que su gama de frecuencias incluya las frecuencias naturales del rodamiento (jaula, anillo interior, anillo exterior, etc.) e instalados correctamente en un conjunto triaxial cerca del rodamiento siempre superarán a un sistema ESA. Por su naturaleza, los sistemas ESA no pueden instalar sensores localizados para partes distantes del tren motriz: las sondas de corriente y tensión requieren acceso a los cables eléctricos, lo que significa que tienen que instalarse entre la fuente de alimentación y el motor eléctrico.
Pero la cuestión es que a la mayoría de las industrias les resulta imposible controlar de forma fiable las bombas sumergibles mediante sensores de vibración, por lo que todo lo que tenemos son sensores eléctricos. ¿Cuánto pueden decirnos unos datos eléctricos fiables y de alta calidad? Puede que un sistema ESA no gane ningún premio por ser el más rápido en detectar salmuera o desconchones, pero ¿hay alguna forma de que puede ayudarnos a evitar que los rodamientos paren la bomba? Afortunadamente, la respuesta es sí.
La detección precoz de fallos en desarrollo evita daños colaterales en los rodamientos (y otros componentes)
El fallo de un rodamiento no es un suceso aislado, sino más bien la consecuencia visible de una causa indirecta: algún tipo de tensión en una parte diferente del sistema que ha ejercido una presión adicional sobre el rodamiento y ha provocado que se desgaste antes de lo debido. Los sistemas ESA detectan muchas de estas tensiones operativas que pueden provocar fallos en los rodamientos. Por ejemplo, un motor que experimenta excentricidad en el rotor o barras de rotor rotas puede seguir funcionando "correctamente" durante bastante tiempo, pero la atracción magnética desigual resultante del fallo crea vibraciones mecánicas que se propagan por el tren de transmisión y ejercen una tensión adicional sobre los rodamientos. Los sistemas ESA destacan en la detección precoz de la excentricidad del rotor y de barras de rotor rotas. Esto significa que, por lo general, dispondrá de tiempo suficiente para planificar su respuesta; y cuando decida que ha llegado el momento de extraer la bomba para reparar el motor, podrá comprobar si los cojinetes están excesivamente desgastados y sustituirlos en la misma ventana de mantenimiento.
La detección precoz de los factores de estrés del sistema evita que se produzcan fallos en el futuro
Sólo hay un problema en el ejemplo anterior del fallo del rotor: evitamos el fallo de la bomba relacionado con los cojinetes, pero no evitamos tener que retirar la bomba para repararla. No cabe duda de que avisar con meses de antelación es útil para planificar el periodo de mantenimiento menos perturbador y más eficaz, y para evitar paradas catastróficas no planificadas. Pero lo que realmente nos gustaría que hiciera nuestro sistema de supervisión del estado de los activos es ayudarnos a evitar que se produzcan daños en primer lugar, en la medida de lo posible.
Hay dos formas en las que un sistema ESA puede ayudar en este sentido. Ambas son consecuencia directa de la captura de datos eléctricos, lo que significa que son exclusivas de los sistemas ESA.
- La ESA mide directamente la calidad de la energía. En primer lugar, las subtensiones y sobretensiones, la distorsión armónica, el desequilibrio de la tensión y otros problemas de calidad de la energía son directamente visibles en los datos eléctricos, mucho antes de que causen sobrecalentamiento o vibraciones. Al alertarle inmediatamente de estos problemas del lado de la alimentación, un sistema ESA le permite resolverlos antes de que tengan la oportunidad de degradar el aislamiento o los bobinados del motor. Esto supone una gran ventaja, porque la rotura del bobinado del estator causada por estos problemas de PQ es responsable del 80 por ciento de los fallos del motor.. Especialmente en las bombas controladas por un variador de frecuencia (VFD), la capacidad de detectar directamente la distorsión de la tensión puede mejorar drásticamente la vida útil de la bomba. Estas cuestiones eléctricas siguen siendo problemas que deben resolverse, pero en esta fase inicial su resolución no requiere levantar la bomba. Sólo si pasan desapercibidos hasta que el motor de la bomba empiece a resentirse, será necesario desmontar la bomba para repararla.
- La ESA puede informar sobre el rendimiento de las bombas. En segundo lugar, las leyes de afinidad permiten a los sistemas ESA transformar sus mediciones de corriente y tensión en estimaciones precisas de potencia, altura y caudal en tiempo real. Esto significa que se puede hacer un seguimiento del rendimiento de la bomba tanto instantáneamente como a lo largo del tiempo. Al comparar el funcionamiento real de la bomba con el funcionamiento deseado, que se produce en su punto de máximo rendimiento (BEP) o cerca de él, un sistema ESA puede identificar el comportamiento que provocará daños en los cojinetes, el impulsor y las juntas en el futuro si se convierte en crónico. Esta información en tiempo real puede mejorar la toma de decisiones, desde acciones correctivas inmediatas (como reducir la frecuencia de suministro para detener la cavitación) hasta cambios en el proceso a largo plazo. Al mismo tiempo, esta información le permite mantener la bomba funcionando de forma más saludable de lo que lo haría de otro modo, lo que significa que está previniendo la oportunidad de que se acumulen los daños.
Para volver a relacionar esto con nuestro ejemplo del cojinete del extremo lejano: puesto que las fuerzas hidráulicas sobre el impulsor son soportadas por los cojinetes de la bomba y estas fuerzas son proporcionales al cuadrado de la velocidad, reducir la velocidad disminuye la tensión sobre los cojinetes, ayudando de nuevo a evitar la muerte de la bomba por los cojinetes. El funcionamiento a velocidades más bajas también reduce el desgaste de otro de los principales responsables de los fallos de las bombas, el cierre mecánico. Además, al reducir la velocidad también se ahorra energía y se reducen las emisiones, dos aspectos que preocupan cada vez más a casi todas las industrias.
"Entre las tecnologías de detección de fallos, la ESA es única por su capacidad de proporcionar también datos de rendimiento y eficiencia que pueden utilizarse para mejorar las operaciones y reducir el derroche de energía."
Conclusión
Empezamos este artículo analizando la necesidad del propietario de una bomba sumergible de disponer de una tecnología de monitorización de estado cuyos sensores puedan captar datos a distancia, donde estén a salvo de las condiciones corrosivas y abrasivas que rodean literalmente a la bomba sumergida media. Esto nos llevó al análisis de firmas eléctricas, una técnica consolidada de supervisión del estado de los activos con 40 años de historia que comenzó en centrales nucleares. A partir de ahí, determinamos que el ESA podía detectar fallos en desarrollo con la misma precisión a la que nos tienen acostumbrados nuestros mejores sistemas de vibración, térmicos, acústicos y de otro tipo. Como todos estos otros sistemas, el ESA es débil en algunos modos de fallo, pero vimos cómo el uso de datos eléctricos permitía detectar algo posiblemente aún mejor: las condiciones iniciales que dan lugar a estos fallos más adelante. Nuestro veredicto final: el ESA no es una panacea, no es un anillo que los gobierne a todos, pero sus ventajas únicas lo convierten en la herramienta número uno a tener en cuenta en el conjunto de herramientas de mantenimiento y fiabilidad de las bombas sumergibles.
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