Monitorização remota do estado das bombas submersíveis

Sensores para monitorização remota de condições

Captura de dados utilizáveis monitorização do estado dados sem estar perto da bomba pode parecer uma ilusão, mas na verdade existe uma tecnologia robusta de deteção de falhas que faz exatamente isso. Chama-se análise da assinatura eléctrica (ESA) e foi desenvolvida pela primeira vez pelos Laboratórios Nacionais de Oak Ridge nos anos 80 para monitorizar com segurança as válvulas accionadas por motor numa central nuclear. A ESA mede a tensão e a corrente fornecidas ao motor que acciona a válvula, a bomba ou outro equipamento, para monitorizar com precisão o estado de toda a máquina. Como o ESA capta sinais eléctricos, os seus sensores são sondas de corrente e tensão não invasivas que se instalam à volta dos fios de fase na segurança lisa, seca e de pH neutro do armário de controlo do motor, e não na própria máquina. Isto significa que os sensores do ESA nunca serão expostos às condições corrosivas e abrasivas em que uma bomba submersa funciona.

Qual é a eficácia do ESA na deteção de futuras avarias nas bombas submersíveis?

O controlo remoto do estado resolve certamente o problema "os sensores não gostam muito de esgotos ou ácido clorídrico", mas só vale a pena se a precisão da deteção de avarias resultante for boa! Felizmente, é. A análise da assinatura eléctrica teve quase quatro décadas para amadurecer desde que Oak Ridge a desenvolveu pela primeira vez. De um modo geral, a ESA está ao nível de outros métodos estabelecidos tecnologias de controlo do estado tais como acústico, térmico e análise de vibrações. Partindo do princípio de que cada tecnologia está a ser utilizada na sua encarnação da Indústria 4.0 - recolhendo amostras da fonte de dados com uma frequência elevada, dia após dia, e analisando os terabytes de dados resultantes através de algoritmos de aprendizagem automática (poderá também ouvir o termo "inteligência artificial") - então, em geral, conseguirá obter uma precisão robusta na deteção de falhas, com antecedência suficiente (pense em semanas a meses) para programar a manutenção numa altura conveniente e evitar completamente o tempo de inatividade não planeado.

Poderá estar a perguntar-se porque é que dissemos "globalA ESA está em pé de igualdade" com análise de vibraçõesetc. Isto deve-se ao facto de cada tecnologia de monitorização de condições ter pontos fortes e pontos fracos. Estes estão relacionados com as características naturais da fonte de dados subjacente. (A propósito, é um equívoco comum pensar que a análise da assinatura eléctrica só pode detetar falhas eléctricas, ou só pode detetar falhas no motor. O SCE também detecta falhas mecânicas na transmissão e na carga. O SCE tem pontos fracos, mas ver apenas falhas eléctricas não é um deles).

Em termos gerais, todos os sistemas maduros de monitorização de condições detectarão uma vasta gama de falhas comuns em desenvolvimento. Mas se nos concentrarmos num modo de falha específico, um sistema pode fazer um trabalho fantástico na deteção de danos precoces, enquanto outro se esforça por não ver nada. (Como um exemplo fora do comum, análise de emissões acústicas pode detetar instantaneamente o desenvolvimento de uma fissura num cano de água, mas nenhuma análise de lubrificante o poderá ajudar... porque não há lubrificante para analisar).

Em vez disso, pense na monitorização da saúde dos activos como uma caixa de ferramentas e nas diferentes tecnologias como as suas chaves de fendas, martelos e chaves de fendas.

Os pontos fortes e fracos únicos da ESA

Já mencionámos uma das principais vantagens do ESA em relação a outras tecnologias de monitorização do estado: os sensores não precisam de estar perto da bomba. Aqui estão mais três.

• Não é necessário escolher as falhas em que se deve concentrar (ou instalar dezenas de sensores dispendiosos), porque todas as frequências de interesse estão contidas nos sinais eléctricosFrequências do impulsor, frequências de cavitação, frequências de engrenagens e correias, frequências de avarias do motor, etc. Desde que se forneça ao sistema ESA as especificações da bomba, uma unidade de sensor detectará assinaturas de avarias em todo o espetro.
• Como seria de esperar pelo nome, O SCE é excelente na deteção de anomalias eléctricas tanto no motor como na fonte de alimentação. Falaremos mais sobre este assunto a seguir.
• O SCE pode gerir automaticamente velocidades e cargas variáveisque é fundamental para a deteção de falhas significativas em sistemas que registam este tipo de variação operacional. (Leia mais sobre como isto funciona em a nossa ESA explicar.)

Todas estas são vantagens significativas não só para as bombas submersíveis, mas também para a maquinaria industrial em geral. E isto leva-nos à primeira das fraquezas do ESA: só funciona em sistemas accionados por eletricidade. Em princípio, estes podem ser sistemas AC ou DC e (para AC) monofásicos ou multifásicos, mas na prática os motores AC trifásicos dominam a paisagem industrial e é para eles que a maioria dos sistemas ESA no mercado são concebidos.

Em segundo lugar, só funciona em sistemas diretamente accionados por eletricidade. Quanto mais longa e complexa for uma unidade de tração, menos informação o sinal elétrico conterá sobre os componentes que estão longe do motor. (Esta perda de informação devido a atenuação, distorção e ruído à medida que um sinal viaja através de um meio de transmissão não perfeito é um princípio físico que afecta todos os sistemas de monitorização de condições - por exemplo, é também a razão pela qual os sensores de vibração têm de ser colocados perto do rolamento ou de outro componente que se pretenda monitorizar, e a razão pela qual um médico coloca o estetoscópio sobre o peito e não sobre o joelho quando quer ouvir o coração).

Isto significa que o SCE não pode monitorizar as bombas submersíveis hidráulicas (HSP), por exemplo: embora a fonte original de energia que acciona o sistema hidráulico seja frequentemente eléctrica, nenhuma das informações sobre o desenvolvimento de avarias da HSP passará pela bomba, válvulas e outros componentes da unidade de potência. Poder-se-ia certamente instalar um sistema ESA no motor elétrico de uma unidade de potência hidráulica, mas este só seria capaz de nos dizer como está a bomba na unidade de potência.

Em terceiro lugar, mesmo nas bombas eléctricas submersíveis, esta perda progressiva de informação pode dificultar o isolamento de avarias em partes muito distantes da máquina. Veja-se, por exemplo, o rolamento da extremidade mais distante de uma bomba submersível de vários estágios. Esta é uma situação em que os sensores localizados seriam uma escolha muito melhor. Por exemplo, os sensores de vibração escolhidos de modo a que a sua gama de frequências inclua as frequências naturais da chumaceira (gaiola, pista interior, pista exterior, etc.) e devidamente instalados num conjunto triaxial perto da chumaceira terão sempre um desempenho superior ao de um sistema SCE. Pela sua natureza, os sistemas ESA não podem instalar sensores localizados para partes distantes da unidade de tração - as sondas de corrente e tensão requerem acesso a fios eléctricos, o que significa que têm de ser instaladas entre a fonte de alimentação e o motor elétrico.

Mas a questão é que a maioria das indústrias considera impossível monitorizar de forma fiável as bombas submersíveis utilizando sensores de vibração, pelo que os sensores eléctricos são tudo o que temos. O que nos podem dizer dados eléctricos fiáveis e de alta qualidade? Um sistema SCE pode não ganhar nenhum prémio pela deteção mais rápida de salinização ou esboroamento, mas existe alguma forma de pode ajudar-nos a evitar que os rolamentos parem a bomba? Felizmente, a resposta é sim.

A deteção precoce de falhas em desenvolvimento evita danos colaterais nos rolamentos (e noutros componentes)

A avaria de um rolamento não é um acontecimento isolado, mas sim a consequência visível de uma causa indireta - algum tipo de tensão numa parte diferente do sistema que exerceu uma pressão adicional sobre o rolamento e provocou o seu desgaste mais rápido do que deveria. Os sistemas ESA detectam muitas destas tensões operacionais que podem levar à falha do rolamento. Por exemplo, um motor com excentricidade do rotor ou com barras do rotor partidas pode muitas vezes continuar a funcionar "corretamente" durante algum tempo, mas a força magnética desigual resultante da falha cria vibrações mecânicas que se propagam ao longo da cadeia de transmissão e colocam uma tensão adicional nos rolamentos. Os sistemas SCE são excelentes na deteção precoce de excentricidade do rotor e de barras do rotor partidas. Isto significa que, geralmente, terá muito tempo para planear a sua resposta; e quando decidir que é altura de retirar a bomba para reparar o motor, pode verificar se os rolamentos apresentam um desgaste indevido e substituí-los na mesma janela de manutenção.

A deteção precoce de factores de stress do sistema evita o desenvolvimento de futuras falhas

Há apenas um problema no exemplo da falha do rotor acima: evitámos a falha da bomba relacionada com o rolamento, mas não evitámos ter de, eventualmente, retirar a bomba para reparação. Meses de aviso prévio são certamente úteis para planear a janela de manutenção menos perturbadora e mais eficiente, e para evitar tempos de inatividade catastróficos e não planeados. Mas o que realmente gostaríamos que o nosso sistema de monitorização do estado dos activos fizesse era ajudar-nos a impedir que os danos se desenvolvessem em primeiro lugar, na medida do possível.

Há duas formas de um sistema SCE poder ajudar neste domínio. Ambas são uma consequência direta da captação de dados eléctricos, o que significa que são exclusivas dos sistemas SCE.

• O SCE mede diretamente a qualidade da energia. Em primeiro lugar, as sub e sobretensões, a distorção harmónica, o desequilíbrio de tensão e outros problemas de qualidade de energia são diretamente visíveis nos dados eléctricos, muito antes de causarem sobreaquecimento ou vibrações. Ao alertá-lo imediatamente para estes problemas do lado da alimentação, um sistema ESA permite-lhe resolvê-los antes que tenham a oportunidade de degradar o isolamento ou os enrolamentos do motor. Esta é uma grande vantagem, porque o desgaste do enrolamento do estator causado por estes problemas de PQ é responsável por 80 por cento das avarias do motor. Especialmente nas bombas controladas por uma unidade de frequência variável (VFD), a capacidade de detetar diretamente a distorção da tensão pode melhorar drasticamente a vida útil da bomba. Estas questões eléctricas continuam a ser problemas que têm de ser resolvidos, mas nesta fase inicial a sua resolução não requer o levantamento da bomba. Só se passarem despercebidos até o motor da bomba começar a sofrer é que terá de puxar a bomba para reparação.
• O SCE pode informar sobre o desempenho da bomba. Em segundo lugar, as leis de afinidade permitem que os sistemas ESA transformem as suas medições de corrente e tensão em estimativas precisas de potência, altura manométrica e caudal em tempo real. Isto significa que é possível monitorizar o desempenho da bomba instantaneamente e ao longo do tempo. Ao comparar o funcionamento real da bomba com o seu funcionamento desejado - que ocorre no ponto de melhor eficiência (BEP) ou próximo dele - um sistema ESA pode identificar o comportamento que levará a danos nos rolamentos, no impulsor e nos vedantes, caso se torne crónico. Este conhecimento em tempo real pode melhorar a sua tomada de decisões, desde acções correctivas imediatas (como a redução da frequência de alimentação para parar a cavitação) a alterações de longo prazo no processo. Ao mesmo tempo, esta informação permite-lhe manter a bomba a funcionar de forma mais saudável do que seria de outra forma, o que significa que está a evitar a oportunidade de acumulação de danos.

Para voltar a relacionar isto com o nosso exemplo do rolamento da extremidade mais distante: como as forças hidráulicas no impulsor são suportadas pelos rolamentos da bomba e estas forças são proporcionais ao quadrado da velocidade, reduzir a velocidade diminui a tensão nos rolamentos, ajudando novamente a evitar a morte da bomba por rolamento. Trabalhar a velocidades mais baixas também reduz o desgaste noutro dos principais culpados de avarias na bomba, o vedante mecânico. Como bónus, a redução da velocidade também poupa energia e reduz as emissões - ambas preocupações crescentes para quase todas as indústrias actuais.

Conclusão

Começámos este artigo por analisar a necessidade do proprietário de uma bomba submersível de uma tecnologia de monitorização do estado cujos sensores pudessem captar dados à distância, onde estivessem a salvo das condições corrosivas e abrasivas que rodeiam literalmente a bomba submersa média. Isso levou-nos à análise da assinatura eléctrica, uma técnica estabelecida de monitorização do estado dos activos com uma história de 40 anos que começou nas centrais nucleares. A partir daí, determinámos que a ESA podia de facto detetar falhas em desenvolvimento com o tipo de precisão a que estamos habituados com os nossos melhores sistemas de vibração, térmicos, acústicos e outros sistemas estabelecidos. Tal como todos estes sistemas, o ESA é fraco em alguns modos de falha, mas vimos como a utilização de dados eléctricos tornou possível detetar algo indiscutivelmente ainda melhor: as condições iniciais que dão origem a estas falhas no futuro. O nosso veredito final: o ESA não é uma panaceia, não é um anel que rege todos os sistemas, mas as suas vantagens únicas fazem dele a ferramenta número um a utilizar no kit de ferramentas de manutenção e fiabilidade de bombas submersíveis.