Monitoraggio remoto delle condizioni delle pompe sommergibili

Sensori per il monitoraggio remoto delle condizioni

Acquisizione di dati utilizzabili monitoraggio delle condizioni dati senza avvicinarsi alla pompa può sembrare un'illusione, ma in realtà esiste una robusta tecnologia di rilevamento dei guasti che fa esattamente questo. Si chiama analisi della firma elettrica (ESA) ed è stata sviluppata per la prima volta dagli Oak Ridge National Laboratories negli anni '80 per monitorare in sicurezza le valvole azionate da motori in una centrale nucleare. L'ESA misura la tensione e la corrente fornita al motore che aziona la valvola, la pompa o un'altra apparecchiatura per monitorare con precisione lo stato di salute dell'intera macchina. Poiché ESA cattura i segnali elettrici, i suoi sensori sono sonde di corrente e tensione non invasive che si installano intorno ai fili di fase nella sicurezza liscia, asciutta e a pH neutro dell'armadio di controllo del motore, non sulla macchina stessa. Ciò significa che i sensori ESA non saranno mai esposti alle condizioni corrosive e abrasive in cui opera una pompa sommersa.

In che misura l'ESA è in grado di rilevare i guasti imminenti delle pompe sommerse?

Il monitoraggio remoto delle condizioni risolve certamente il problema "i sensori non amano le acque reflue o l'acido cloridrico", ma è utile solo se la precisione del rilevamento dei guasti è buona! Fortunatamente lo è. L'analisi della firma elettrica ha avuto quasi quattro decenni per maturare da quando Oak Ridge l'ha sviluppata per la prima volta. Complessivamente, l'ESA è alla pari con altri metodi consolidati. tecnologie di monitoraggio delle condizioni come quelli acustici, termici e analisi delle vibrazioni. Supponendo che ogni tecnologia venga utilizzata nella sua incarnazione Industry 4.0 - campionando la fonte di dati ad alta frequenza, giorno dopo giorno, e analizzando i terabyte di dati risultanti con algoritmi di apprendimento automatico (si potrebbe anche sentire il termine "intelligenza artificiale") - in genere si otterrà una solida precisione nel rilevamento dei guasti, con un anticipo sufficiente (si pensi a settimane o mesi) per programmare la manutenzione in un momento conveniente ed evitare del tutto i tempi di inattività non pianificati.

Vi chiederete perché abbiamo detto "complessivoL'ESA è alla pari" con analisi delle vibrazioniecc. Questo perché ogni tecnologia di monitoraggio delle condizioni ha punti di forza e punti di debolezza. Questi sono legati alle caratteristiche naturali della fonte di dati sottostante. (A proposito, è un'idea errata comune che l'analisi delle firme elettriche sia in grado di individuare solo i guasti elettrici o di vedere solo i guasti del motore. L'ESA rileva anche i guasti meccanici nella trasmissione e nel carico.. L'ESA ha dei punti deboli, ma non vede solo i guasti elettrici).

In linea di massima, tutti i sistemi di monitoraggio delle condizioni maturi sono in grado di rilevare un'ampia gamma di guasti comuni in fase di sviluppo. Ma se ci si concentra su una specifica modalità di guasto, un sistema può fare un ottimo lavoro nell'individuare i primi danni, mentre un altro fatica a vedere qualcosa. (Per fare un esempio fuori scala, analisi delle emissioni acustiche può rilevare istantaneamente una crepa che si sta sviluppando in un tubo dell'acqua, ma nessuna analisi del lubrificante potrebbe mai aiutarvi... perché non c'è alcun lubrificante da analizzare).

Ciò significa che non esiste "una tecnica che le domini tutte"; pensate invece al monitoraggio della salute degli asset come a una cassetta degli attrezzi e alle diverse tecnologie come a chiavi, martelli e cacciaviti.

Punti di forza e di debolezza unici dell'ESA

Abbiamo già notato uno dei principali vantaggi dell'ESA rispetto ad altre tecnologie di monitoraggio delle condizioni: i sensori non devono essere vicini alla pompa. Eccone altri tre.

• Non c'è bisogno di scegliere su quali difetti concentrarsi (o di installare decine di costosi sensori) perché ogni frequenza di interesse è contenuta nei segnali elettricifrequenze della girante, frequenze di cavitazione, frequenze di ingranaggi e cinghie, frequenze di guasto del motore e così via. Se si forniscono al sistema ESA le specifiche della pompa, un'unica unità sensore è in grado di rilevare le firme dei guasti in tutto lo spettro.
• Come ci si potrebbe aspettare dal nome, ESA è in grado di rilevare anomalie elettriche sia nel motore che nell'alimentazione.. Ne parleremo più avanti.
• L'ESA è in grado di gestire automaticamente velocità e carichi variabiliche è fondamentale per un rilevamento significativo dei guasti nei sistemi che presentano questo tipo di variazioni operative. (Per saperne di più su come funziona la nostra ESA spiegar.)

Sono tutti vantaggi significativi non solo per le pompe sommerse, ma per i macchinari industriali in generale. E questo ci porta al primo dei punti deboli di ESA: funziona solo su sistemi azionati dall'elettricità. In linea di principio, questi possono essere sistemi a corrente alternata o continua e (per la corrente alternata) monofase o multifase, ma in pratica i motori a corrente alternata trifase dominano il panorama industriale ed è per questo che la maggior parte dei sistemi ESA presenti sul mercato sono progettati.

In secondo luogo, funziona solo su sistemi direttamente azionati dall'elettricità. Quanto più lunga e complessa è la catena cinematica, tanto minore sarà l'informazione che il segnale elettrico conterrà sui componenti lontani dal motore. (Questa perdita di informazioni a causa dell'attenuazione, della distorsione e del rumore quando il segnale viaggia attraverso un mezzo di trasmissione non perfetto è un principio fisico che riguarda tutti i sistemi di monitoraggio delle condizioni; ad esempio, è anche il motivo per cui i sensori di vibrazione devono essere posizionati vicino al cuscinetto o ad un altro componente che si desidera monitorare e perché un medico mette lo stetoscopio sul petto e non sul ginocchio quando vuole ascoltare il cuore).

Ciò significa che l'ESA non può monitorare le pompe sommerse idrauliche (HSP), ad esempio: anche se la fonte originale di energia che aziona il sistema idraulico è spesso elettrica, nessuna delle informazioni sullo sviluppo dei guasti dell'HSP riesce a passare attraverso la pompa, le valvole e gli altri componenti dell'unità di potenza. Si potrebbe certamente installare un sistema ESA sul motore elettrico di un'unità di potenza idraulica, ma sarebbe in grado di dire solo come si comporta la pompa dell'unità di potenza.

In terzo luogo, anche nelle pompe sommerse elettriche questa perdita progressiva di informazioni può rendere difficile l'isolamento di guasti in parti molto distanti della macchina. Prendiamo ad esempio il cuscinetto di estremità di una pompa sommersa multistadio. Questa è una situazione in cui i sensori localizzati sarebbero una scelta migliore. Ad esempio, i sensori di vibrazione scelti in modo che la loro gamma di frequenze includa le frequenze naturali del cuscinetto (gabbia, pista interna, pista esterna, ecc.) e installati correttamente in un set triassiale vicino al cuscinetto saranno sempre superiori a un sistema ESA. Per loro natura, i sistemi ESA non possono installare sensori localizzati per parti distanti della catena cinematica: le sonde di corrente e tensione richiedono l'accesso ai cavi elettrici, il che significa che devono essere installate tra l'alimentazione e il motore elettrico.

Ma il punto è che per la maggior parte delle industrie è impossibile monitorare in modo affidabile le pompe sommerse utilizzando sensori di vibrazione, quindi i sensori elettrici sono tutto ciò che abbiamo. Quanto possono dirci dati elettrici affidabili e di alta qualità? Un sistema ESA potrebbe non vincere alcun premio per il rilevamento più precoce di brinellatura o scagliatura, ma c'è un modo per può ci aiutano a evitare che i cuscinetti facciano crollare la pompa? Fortunatamente, la risposta è sì.

Il rilevamento precoce dei guasti in fase di sviluppo previene i danni collaterali ai cuscinetti (e ad altri componenti).

Il guasto di un cuscinetto non è un evento isolato, ma piuttosto la conseguenza visibile di una causa indiretta: un qualche tipo di stress in un'altra parte del sistema che ha sottoposto il cuscinetto a ulteriori sollecitazioni e ne ha causato l'usura più rapidamente del dovuto. I sistemi ESA individuano molte di queste sollecitazioni operative che possono portare alla rottura dei cuscinetti. Ad esempio, un motore che presenta un'eccentricità del rotore o barre del rotore rotte può spesso continuare a funzionare "correttamente" per un certo periodo di tempo, ma l'attrazione magnetica irregolare risultante dal guasto crea vibrazioni meccaniche che si propagano lungo la catena di trasmissione e sottopongono i cuscinetti a ulteriori sollecitazioni. I sistemi ESA eccellono nel rilevamento precoce dell'eccentricità del rotore e delle barre del rotore rotte. Quando si decide di estrarre la pompa per riparare il motore, è possibile controllare che i cuscinetti non siano eccessivamente usurati e sostituirli nella stessa finestra di manutenzione.

L'individuazione precoce dei fattori di stress del sistema previene lo sviluppo di guasti futuri.

C'è solo un problema nell'esempio del guasto al rotore di cui sopra: abbiamo evitato il guasto della pompa legato al cuscinetto, ma non abbiamo evitato di dover estrarre la pompa per le riparazioni. Un preavviso di mesi è certamente utile per pianificare la finestra di manutenzione meno dispendiosa e più efficiente e per evitare tempi di inattività catastrofici e non pianificati. Ma ciò che vorremmo davvero che il nostro sistema di monitoraggio della salute degli asset ci aiutasse a evitare che i danni si sviluppino in primo luogo, nella misura in cui ciò è possibile.

Un sistema ESA può aiutare in due modi. Entrambi sono una conseguenza diretta dell'acquisizione di dati elettrici, il che significa che sono unici per i sistemi ESA.

• L'ESA misura direttamente la qualità dell'energia. Innanzitutto, le sottotensioni e le sovratensioni, la distorsione armonica, lo squilibrio di tensione e altri problemi di qualità dell'alimentazione sono direttamente visibili nei dati elettrici, molto prima che causino surriscaldamento o vibrazioni. Segnalando immediatamente questi problemi sul lato dell'alimentazione, un sistema ESA consente di risolverli prima che abbiano la possibilità di degradare l'isolamento o gli avvolgimenti del motore. Questo è un grande vantaggio, perché la bruciatura dell'avvolgimento dello statore, causata da questi problemi di PQ, è responsabile dell'80% dei guasti del motore.. Soprattutto nelle pompe controllate da un azionamento a frequenza variabile (VFD), la capacità di rilevare direttamente la distorsione della tensione può migliorare notevolmente la durata della pompa. Questi problemi elettrici sono ancora problemi che devono essere risolti, ma in questa fase iniziale la loro risoluzione non richiede il sollevamento della pompa. Solo se passano inosservati fino a quando il motore della pompa inizia a soffrire, sarà necessario estrarre la pompa stessa per le riparazioni.
• L'ESA può riferire sulle prestazioni della pompa. In secondo luogo, le leggi di affinità consentono ai sistemi ESA di trasformare le misure di corrente e tensione in stime accurate di potenza, prevalenza e portata in tempo reale. Ciò significa che è possibile monitorare le prestazioni della pompa sia istantaneamente che nel tempo. Confrontando il funzionamento effettivo della pompa con quello desiderato, che si verifica in corrispondenza o in prossimità del suo punto di massima efficienza (BEP), un sistema ESA può identificare i comportamenti che, se cronicizzati, porteranno a danni a cuscinetti, giranti e guarnizioni. Questa visione in tempo reale può migliorare il processo decisionale, dalle azioni correttive immediate (come la riduzione della frequenza di alimentazione per fermare la cavitazione) alle modifiche di processo a lungo termine. Nel frattempo, queste informazioni consentono di mantenere la pompa in funzione in modo più sano di quanto non farebbe altrimenti, evitando così l'accumulo di danni.

Per ricollegarci all'esempio del cuscinetto di estremità: poiché le forze idrauliche sulla girante sono sostenute dai cuscinetti della pompa e queste forze sono proporzionali al quadrato della velocità, la riduzione della velocità riduce la sollecitazione sui cuscinetti, contribuendo ancora una volta a prevenire la morte della pompa per cuscinetti. Il funzionamento a velocità ridotte riduce anche l'usura di un altro dei principali responsabili dei guasti della pompa, la tenuta meccanica. Inoltre, la riduzione della velocità consente di risparmiare energia e di ridurre le emissioni, due aspetti che oggi sono oggetto di crescente attenzione in quasi tutti i settori industriali.

Conclusione

Abbiamo iniziato questo articolo esaminando l'esigenza del proprietario di una pompa sommersa di disporre di una tecnologia di monitoraggio delle condizioni che permetta ai sensori di acquisire dati a distanza, al riparo dalle condizioni corrosive e abrasive che circondano letteralmente la pompa sommersa media. Questo ci ha portato all'analisi della firma elettrica, una tecnica consolidata di monitoraggio della salute degli asset con una storia di 40 anni iniziata nelle centrali nucleari. Da qui abbiamo stabilito che l'ESA poteva effettivamente rilevare i guasti in corso con il tipo di precisione a cui siamo abituati dai nostri migliori sistemi vibrazionali, termici, acustici e di altro tipo. Come tutti gli altri sistemi, ESA è debole su alcune modalità di guasto, ma abbiamo visto come l'uso dei dati elettrici abbia permesso di rilevare qualcosa di probabilmente ancora migliore: le condizioni iniziali che danno origine a questi guasti lungo la strada. Il nostro verdetto finale: l'ESA non è una panacea, non è un anello che li domina tutti, ma i suoi vantaggi unici lo rendono lo strumento numero uno da utilizzare per la manutenzione e l'affidabilità delle pompe sommergibili.