Una acería evita fallas catastróficas con monitoreo de condición

Jul 01, 2023

A medida que la Industria 4.0 pasa rápidamente del ámbito de las ideas a la realidad, se han logrado grandes avances en el uso de la tecnología del Internet industrial de las cosas (IIoT) para impulsar una operación y un mantenimiento de plantas más inteligentes y eficientes. Por ejemplo, una acería integrada en el sureste de los Estados Unidos se dio cuenta del valor de invertir en esta tecnología después de enfrentar repetidos desafíos con cuatro de sus bombas sumergibles.

A pesar de ser una pequeña parte del sistema, estas bombas sumergibles juegan un papel vital en el proceso de fabricación de acero. Sin embargo, debido a que han experimentado un corto tiempo medio entre fallas (MTBF) y han sido propensos a fallas inesperadas, representan un riesgo para la producción.

Cansados ​​de gastar dinero y tiempo en reparaciones de emergencia, la planta tomó la iniciativa de instalar un sistema de monitoreo de condición inalámbrico que les dio una visión clara del estado del equipo. Este sistema les ha permitido predecir fallas inminentes con tiempo suficiente para minimizar los daños. Con aviso previo, ahora pueden desarrollar un plan de acción cuidadosamente considerado para restaurar el equipo.

Las bombas sumergibles en cuestión se instalaron en un pozo de aguas residuales del sistema de desagüe; se requerían las cuatro bombas para que la operación mantuviera el pozo a un nivel de agua aceptable. La instalación experimentó problemas de confiabilidad desde el inicio, con un MTBF promedio de menos de seis meses. Si alguna de las bombas fallaba, las bombas restantes no podían vaciar satisfactoriamente el pozo. Históricamente, el modo de falla había sido tan severo que una reparación no era posible y/o rentable.

La planta siderúrgica contrató a una empresa de reparación de servicios posventa para que revisara el diseño y analizara por qué el equipo estaba experimentando estas fallas recurrentes. El equipo de ingeniería analizó de cerca el diseño de la bomba y la interacción de las bombas y su sistema para identificar las debilidades del diseño.

El estudio concluyó que el pozo instalado de la bomba estaba subdimensionado para las condiciones de operación requeridas. Desafortunadamente, las condiciones no eran algo que pudiera modificarse, y rediseñar el pozo sería un esfuerzo costoso y lento. Después de una cuidadosa consideración, la planta decidió que no era factible cambiar el diseño del sistema. Entendiendo que la causa raíz de la degradación de la bomba no podía abordarse, el equipo de mantenimiento de la planta siderúrgica buscó una tecnología que pudiera ayudar a mitigar la naturaleza inesperada de las fallas para administrar su costo e impacto general. Sin embargo, debido a que se trataba de bombas sumergibles, los medios para evaluar con precisión el estado del equipo eran un desafío. Afortunadamente, se propuso una solución a la planta que les permitiría medir el estado del equipo y evaluar el riesgo de operación continua. Esta solución fue un sistema de monitoreo de condición inalámbrico.

Las bombas sumergibles a menudo se pasan por alto cuando se trata de monitoreo de condición. Están sumergidos, son inaccesibles para la mayoría de los instrumentos y, a menudo, se los considera un activo que puede fallar. Los indicadores de fugas en los sellos y los controles de sobrecarga del motor han mejorado a lo largo de los años, pero las tendencias de las condiciones mecánicas siguen siendo poco comunes. Esto se ve agravado por el hecho de que muchos nuevos sistemas de monitoreo de IIoT en el mercado no han desarrollado un medio viable de recopilación de datos automatizada en equipos sumergidos.

Con estos desafíos en mente, se desarrolló una solución que utiliza acelerómetros cableados conectados a un transmisor inalámbrico sobre el suelo. Estos acelerómetros sumergibles y dispositivos de comunicación inalámbricos se proporcionaron a la planta siderúrgica para monitorear mejor el desempeño mecánico en la condición sumergida. Los niveles de vibración en tiempo real en la bomba y el motor se recolectaron continuamente usando este sistema. Los datos recopilados se transmitieron de forma inalámbrica a la nube para el acceso remoto, el almacenamiento y el análisis de forma automatizada, y las mediciones se tomaron en intervalos de alta frecuencia.

El monitoreo proporcionado fue más allá del hardware y el software para aprovechar la experiencia humana del equipo de ingeniería de la empresa de servicios de posventa. Estos ingenieros y el usuario final trabajaron juntos para determinar la tendencia de los niveles de vibración mecánica, correlacionar los datos con el nivel de inmersión y otros parámetros hidráulicos y detectar los primeros signos de degradación en los cojinetes y otros componentes.

El objetivo del proyecto de monitoreo sumergible era simple: detectar problemas antes de que se conviertan en fallas catastróficas y ahorrar dinero (y dolores de cabeza) para el usuario final. El monitoreo remoto demostró su valor cuando el equipo de monitoreo de condición predijo una falla inminente en los cojinetes y el sitio pudo movilizarse antes de que ocurriera un daño catastrófico a la bomba.

Los sensores capturaron un defecto de rodamiento y lo transmitieron al usuario a través del software analítico. Las fallas de los rodamientos generalmente se observan en cuatro etapas discretas. La etapa uno suele ser bastante sutil y está causada por defectos a nivel de la superficie que forman parte del proceso de fabricación; puede haber ondas de alta frecuencia presentes entre 5 y 40 kilohercios (kHz).

La etapa dos comienza a correlacionarse con las condiciones de daño que se pueden observar directamente; la aceleración en el rango de 1 a 5 kHz puede presentarse como un piso de ruido elevado con excitación de frecuencia discreta en armónicos de velocidad de funcionamiento y/o frecuencias de fallas en los rodamientos. En particular, el impacto se puede observar en la etapa dos.

La etapa tres muestra signos más evidentes de degradación, ahora en el espectro de velocidad, a medida que la excitación de la frecuencia de falla del rodamiento se vuelve más severa. Las bandas laterales pueden estar presentes en el espectro alrededor de las frecuencias de falla del rodamiento, y el impacto en la forma de onda es más severo. Este es un punto típico para programar el mantenimiento para remediar la condición/problema.

La etapa final, la etapa cuatro, muestra los niveles de vibración a la velocidad de funcionamiento (1X) y posiblemente los armónicos de la velocidad de funcionamiento. En esta etapa, el daño puede ser tan extenso que la firma de vibración experimente altos niveles de ruido y ángulos de fase inconsistentes que se asemejan a la holgura. La falla es inminente y puede provocar daños en los componentes en cascada o algo peor.

Poco después de poner en servicio el sistema de monitoreo de condición, una de las cuatro bombas experimentó niveles de amplitud de vibración dinámica que superaron varios umbrales de alarma. Los umbrales de alarma están programados en el software para permitir una respuesta inmediata a condiciones cambiantes y adversas. Cuando se infringe cualquier umbral de alarma, el software envía un aviso de alarma automatizado al usuario final y al equipo de supervisión. En este caso, los ingenieros de monitoreo de condición analizaron la condición de alarma y recomendaron una acción inmediata al usuario final.

Como se muestra en el espectro de la Imagen 5, se detectaron niveles de vibración de alta energía con un piso de ruido elevado, indicativo de una falla en el cojinete. El gráfico de espectro está acompañado por el gráfico de forma de onda de tiempo (forma de onda) en la Imagen 6, que muestra la ocurrencia de energía de vibración una vez por revolución. La excitación de energía es el resultado del impacto que se produce en el rodamiento del elemento rodante.

El equipo de monitoreo de condición notificó al usuario sobre el problema emergente y recomendó que se apagara la bomba para una inspección adicional. La bomba se apagó el día después de que se disparó la alarma inicial y posteriormente se envió a un centro de servicio posventa.

La recomendación resultó ser precisa. La inspección reveló que se encontraron fugas menores en el sello y contaminación en el cojinete. Los escombros habían causado rozaduras y rozaduras en el cojinete. Debido a que la condición de la bomba y el motor mostró daños relativamente menores, permitió una reparación sencilla de la bomba, evitando el costo y el tiempo de entrega de una nueva bomba y motor del fabricante.

Mientras se reparaba la unidad dañada, se instaló una de repuesto para reemplazar la bomba con problemas. Sin un repuesto disponible, ahora era esencial que todas las demás bombas funcionaran bien. El monitoreo de condición permitió al usuario final continuar monitoreando el sistema 24/7. La imagen 7 muestra que los niveles generales de amplitud de vibración de la unidad de repuesto eran aceptables.

Debido a que pudieron predecir una falla inminente y quitar la bomba para restaurarla antes de que ocurriera un daño significativo, el usuario final recibió una máquina reparada por una fracción del costo de una nueva y en un cronograma más oportuno y receptivo. Además, el tiempo de respuesta rápido en la reparación permitió al usuario final tener un repuesto disponible a mano, en caso de que se produjera otra falla en la bomba.

La implementación con visión de futuro de la tecnología de monitoreo de condición para estas bombas sumergibles ayudó al usuario final a mantener el tiempo de actividad del proceso, mejorar la confiabilidad del equipo y reducir el costo general de mantenimiento de este sistema crítico.

Ares Panagoulias administra las ventas y la ingeniería de productos y servicios de monitoreo de condiciones inalámbricas IIoT en Hydro, Inc. Puede comunicarse con él en [email protected]. Para obtener más información, visite www.hydroinc.com/sensors.