JAN CZECH Wybrane metody i narzędzia diagnostyki obiektów technicznych Kontrola stanu maszyn pracujących w liniach technologicznych jest istotnym elementem związanym z podniesieniem ich wydajności i dyspozycyjności. Do tego celu służą m.in. zintegrowane systemy monitorowania i diagnostyki maszyn wraz z oprogramowaniem wspomagającym prognozowanie ich stanu. Zastosowanie tych systemów pozwala na podniesienie poziomu bezpieczeństwa, zwiększenie dyspozycyjności i ograniczenie kosztów utrzymania ruchu. Istotne z punktu widzenia optymalnej diagnostyki jest wyznaczenie parametru określającego stosunek wartości systemu diagnostycznego dla danego urządzenia względem kosztu tego urządzenia bądź kosztów jego przestoju (np. czy wpływa na przestój całej linii). Przez system monitorowania stanu rozumie się wyposażenie techniczne i procedury obliczeniowe dla zbierania i analizy informacji związanej ze stanem i funkcjonowaniem poszczególnych części i podzespołów monitorowanego urządzenia w celu wykrycia początkowego stadium uszkodzenia lub zużycia, które może prowadzić do uszkodzenia. Realizacja tego procesu jest możliwa na podstawie danych, najczęściej pochodzących z pomiarów. Rys. 1. Model diagnozowanego obiektu z wyróżnieniem różnych rodzajów diagnostyk Wyróżniamy zasadniczo trzy główne rodzaje diagnostyki (rys. 1): diagnostykę odbiorczą, diagnostykę eksploatacyjną i diagnostykę remontową. Diagnostyka eksploatacyjna, wykorzystując wyniki pomiarów realizowanych w sposób okresowy lub ciągły, wyznacza aktualny stan obiektu oraz wykrywa uszkodzenie. Diagnostyka remontowa lokalizuje uszkodzenia oraz ocenia stopień jego zaawansowania. Informacje te są niezbędne do zaplanowania zakresu remontu. Do diagnozowania stanu urządzenia w diagnostyce eksploatacyjnej wykorzystywane są symptomy stanu związane ze zmiennymi procesowymi (takimi jak: ciśnienie, temperatura, moc), jak też procesy resztkowe, które nieodłącznie towarzyszą eksploatacji każdej maszyny: procesy termiczne, elektryczne, a przede wszystkim wibroakustyczne. Umożliwiają one prowadzenie procesu diagnozowania bez wyłączania urządzenia z ruchu (diagnostyka nieinwazyjna). W zakresie diagnostyki eksploatacyjnej można wyróżnić dwa sposoby wnioskowania diagnostycznego: oparte na symptomach diagnostycznych wykorzystanie relacji symptom stan, oparte na modelu wykorzystujące relacje stan parametry modelu. W realizacji procesu diagnostyki najbardziej istotne problemy to dobór systemu monitorowania, tak aby był on ekonomicznie System Maszyna Urządzenie Rys. 2. Maszyna jako system działaniowy z przepływem energii i informacji oraz możliwością jej obserwacji diagnostycznej 8
DIAGNOSTYKA UTRZYMANIE RUCHU 1/2011 uzasadniony i dostarczał informacji niezbędnych do sformułowania poprawnej diagnozy, oraz dobór algorytmów diagnozowania uszkodzenia (wykrywania, lokalizacji i prognozowania stanu). Dobór systemów monitorowania dla danej instalacji powinien być dokonany z uwzględnieniem rodzaju monitorowanego obiektu, znaczenia monitorowanego obiektu dla całego procesu, ryzyka, jakie niesie awaria monitorowanego obiektu, oraz kosztów instalacji i eksploatacji systemu monitorowania. Ponieważ systemy monitorowania są kosztowne, dlatego ważne jest, aby stosować je tylko tam, gdzie jest to uzasadnione. Metody diagnostyczne Metod diagnostycznych jest wiele i można je zasadniczo podzielić na dwie kategorie: 1. Metody stymulacyjne, które dla uzyskania diagnozy wymagają specjalnego bodźca (stymulatora), np. źródła światła, fali ultradźwiękowej, pola magnetycznego, promieniowania rentgenowskiego itp. Metody te zwane są nieniszczącymi (ang. NDT non destructive testing) w większości można stosować jedynie do oddzielnych, pojedynczych elementów. 2. Metody diagnostyczne bierne stanowią drugą grupę metod, bazującą na obserwacji procesów resztkowych towarzyszących funkcjonowaniu maszyn. Najprostszy rodzaj tych badań diagnostycznych to analiza produktów zużycia zawartych w olejach smarnych lub hydraulicznych. Krótki przegląd metod badań stanu maszyn, konstrukcji i ich elementów przedstawiono w tab. 1. Podobny przegląd, lecz już ukierunkowany na diagnostykę maszyn, przedstawia rys. 3. Jak widać, każdy element konstrukcji maszynowej może być traktowany oddzielnie lub jako jedna funkcjonalna maszyna i może być badany za pomocą metod diagnostyki wibroakustycznej lub ultradźwiękowych, jako metody badań nieniszczących. O wyborze metody diagnozowania decyduje szereg czynników. Ważniejsze z nich to: waga uszkodzenia, którego możliwość powstania sygnalizuje wykorzystywana metoda i urządzenie rozpatrywane w aspekcie ceny zakupu, kosztów napraw uszkodzeń i strat finansowych z tytułu przestojów maszyny w wyniku zaistnienia danego uszkodzenia; Nazwa metody Istota pomiaru Zastosowanie Ograniczenia Badania wizualne endoskopowe holograficzne penetracyjne, barwne lub fluorescencyjne Magnetyczne proszkowe ogląd optyczny przez układ soczewek lub włókno światłowodu rekonstrukcja frontu falowego z trójwymiarowego obrazu dyfrakcyjnego wnikanie w wady widzialnych lub fluoryzujących chemikaliów koncentracja ferro proszku w okolicach wad i uszkodzeń wiroprądowe zmiana amplitudy i fazy w okolicy wady MPM (magnetycznej pamięci metalu) Radiografia rentgenowska izotopowa neutronowa Ultradźwiękowe Emisja akustyczna Badania produktów zużycia: wkłady filtracyjne korki magnetyczne zmiana amplitudy i fazy w okolicy wady tłumienie, odbicie, rozproszenie wnikającej radiacji lub strumienia neutronów tłumienie, rozproszenie, odbicie, zmiana fazy, rezonansu, padającej fali akustycznej wymuszony rozwój mikrouszkodzeń (np. polem naprężeń) jest źródłem emisji akustycznej fal o wysokiej częstotliwości olej smarny (ciecz robocza odfiltrowana, odwirowana) daje produkty zużycia do badań ilościowych pzechwytywanie dużych magnetycznych cząstek zużycia w oleju (cieczy roboczej) ferrografia jw., lecz wszystkie cząstki analiza spektralna oleju SOA zliczanie cząstek Diagnostyka termiczna termografia analiza spektrograficzna małych cząstek po spaleniu bieżące zliczanie cząstek w układzie smarowania (hydrauliki) analiza obrazu w podczerwieni termometria punktowy pomiar temperatury, termopara Diagnostyka wibroakustyczna drgania analiza drgań związanych z funkcjonowaniem maszyny (podzespołu) jw. z ferromateriałów jw., lecz z materiałów przewodzących jw. z ferromateriałów maszyny w ruchu, po pobraniu próbki oleju (cieczy) jw., po wymianie korka jw. po pobraniu próbki oleju (cieczy) jw., możliwość rozróżnienia typów uszkodzeń maszyny w ruchu, odczyt bieżący nagrzewające się nieruchome elementy maszyn i instalacji łożyska ślizgowe, kadłuby maszyn energetycznych maszyny (podzespoły) w ruchu; możliwość badań bezkontaktowych hałas jw., analiza hałasu jw. pulsacja medium emisja akustyczna Analiza modalna analiza pulsacji medium w przestrzeniach roboczych maszyn odbiór i analiza fal akustycznych w materiale generowanych przez naturalny rozwój mikrouszkodzeń wymuszenie drgań obiektu za pomocą sił, ich pomiar podczas testu i pomiar odpowiedzi dynamicznej obiektu na to wymuszenie podzespoły maszyn przepływowych (silniki spalinowe, pompy itp.) elementy maszyn (konstrukcji) pod obciążeniem roboczym własności strukturalne obiektu dla warunków przeprowadzonego eksperymentu tylko wady powierzchniowe, konieczny bezpośredni dostęp jw. jw., wady rzędu milimetrów jw., wady rzędu milimetrów koncentracje naprężeń na powierzchni i wewnątrz materiału drogie i ciężkie oprzyrządowanie, konieczny bezpieczny dostęp; wady objętościowe, minimalny rozmiar wady: 2-4 mm; najmniejszy rozmiar wady rzędu milimetrów konieczny bezpośredni kontakt drogie oprzyrządowanie, rzadko stosowana trudności w lokalizacji uszkodzeń tylko ferromateriały, duże cząstki tylko ferromateriały, duże cząstki drogie oprzyrządowanie droga i skomplikowana instalacja konieczny dostęp bezpośredni trudności w instalacji, duża bezwładność brak istotnych ograniczeń wrażliwość na zakłócenia, szumy trudny dostęp do obszaru pomiaru drogie oprzyrządowanie drogie oprzyrządowanie, skomplikowany model obliczeniowy Tab. 1. Ważniejsze metody badań stanu maszyn, konstrukcji i ich elementów metody stymulacyjne badania nieniszczące (NDT) 9
Rys. 3. Możliwości wykrywania zużycia maszyny za pomocą diagnostyki technicznej i badań nieniszczących stopień złożoności badań diagnostycznych określony metodą, wynikający z konieczności zatrudnienia załogi o wysokich kwalifikacjach, do ich przeprowadzenia i opracowania odpowiednich wniosków; koszt związany z zakresem prac przygotowawczych i realizacją programu badań; czas realizacji programu badań diagnostycznych; dokładność uzyskiwanych wyników; stopień wiarygodności wyników; stopień trudności adaptacji metody i urządzenia dla celów diagnostyki w aspekcie kosztów lub czasu jej trwania; stopień złożoności metody i urządzenia diagnostycznego w aspekcie kosztów poniesionych na ich zakup i zainstalowanie. Wszystkie metody diagnostyczne są obarczone dużą dozą subiektywizmu, wynikającą z niedoskonałości ludzkich zmysłów, niepewności i błędów przyrządów pomiarowych, tendencyjności, braku powtarzalności wyników, przybliżonego charakteru estymacji symptomów czy wreszcie wskutek błędnej metody pomiarowej. Model organizacyjny W zakresie prowadzenia poprawnej i optymalnej diagnostyki warto przyjąć rozwiązanie bazujące na trójstopniowym modelu organizacyjnym. Za pierwszy stopień przyjmuje się tzw. system własnego okresowego monitoringu, polegający na zorganizowaniu okresowych prewencyjnych pomiarów diagnostycznych w oparciu o posiadane własne zasoby i powszechnie, łatwo dostępne na rynku, tanie i proste urządzenia diagnostyczne, takie jak: przemysłowe analizatory drgań, testery, kamery termowizyjne czy też przyrządy do osiowania czy wyważania. Drugim stopniem systemu diagnostycznego jest system ciągłego diagnozowania opartego o czujniki np. drgań i temperatury, wpięte online w system komputerowego wspomagania i rejestracji danych, czy też zorganizowanego jako lokalne moduły diagnostyczne (lub model mieszany). Jest to już obecnie stosunkowo tanie rozwiązanie a pozwalające na całkiem profesjonalną analizę trendów i automatyczną sygnalizację stanów awaryjnych. Trzeci system bazuje na wiedzy, doświadczeniu i wysoce wyspecjalizowanym oprzyrządowaniu firm specjalistycznych mających możliwości i wiedzę do sporządzania profesjonalnych analiz. System ten zaleca się jako stopień ostatni w szczególnych przypadkach, gdy nie jesteśmy pewni własnej diagnostyki lub gdy nie znajdujemy przyczyn powstania zaburzeń pracy obiektu, maszyny. Poniżej skrótowe omówienie wybranych metod diagnostycznych trzeciego stopnia. Analiza widmowa Pracy maszyn wirujących zawsze towarzyszą drgania, które powodują stopniową degradację niektórych elementów urządzenia. Zadaniem diagnostyki drganiowej jest uzyskanie zbioru informacji dotyczących stopnia zużycia podzespołów. W zależności od celu pomiaru oraz typów badanych maszyn podstawowe znaczenie mają przebiegi czasowe przemieszczeń, prędkości lub przyspieszeń drgań. Dla ogólnej oceny maszyny wirującej istotna jest wartość skuteczna (RMS) prędkości drgań, która w znacznym stopniu odzwierciedla energię niszczącą. Zmierzenie RMS drgań poprzez odniesienie do wartości granicznych dla danej grupy maszyn pozwala na ocenę stanu dynamicznego urządzenia. Tego typu pomiary można wykonać, wykorzystując nieskomplikowane oraz stosunkowo tanie przyrządy. W diagnostyce drganiowej, obok określenia wartości RMS drgań, istotne są odpowiedzi na pytania o przyczyny wysokich wartości drgań, o to, jak długo można jeszcze w miarę bezpiecznie eksploatować urządzenie, jakie działania korygujące należy przygotować (zakres prac, części zamienne itp.) w celu optymalnego pod względem kosztów i czasu trwania usunięcia zagrożenia oraz o działania, które należy podjąć w przyszłości, by wyeliminować tego typu problemy. Odpowiedzi na te pytania można uzyskać jedynie poprzez szczegółową analizę widma drgań, będącego transformacją przebiegu czasowego drgań w spektrum częstotliwości. Zabieg taki, klasyczny w diagnostyce mechanicznej, pozwala na rozbicie sygnału generowanego przez maszynę na składowe. Znając podstawowe parametry ruchowe maszyny oraz jej budowę, można poszczegól- 10
DIAGNOSTYKA UTRZYMANIE RUCHU 1/2011 Page 1 of 1 3 wentylator MP1 - str. silnika - Horizontal - Vel Freq 1000 Hz 2004-04-19 10:11:20 O/All 3,329 mm/s rms 2,5 2 mm/s rms 1,5 1 Rys. 4. Typowe widma drgań ze składowymi harmonicznymi dla różnych typów uszkodzeń nym składowym widma drgań przypisać generujące je elementy lub stany pracy maszyny. Zidentyfikowanie źródła drgań pozwala na określenie rzeczywistego stopnia zagrożenia awarią, przewidzenie jej następstw w obrębie urządzenia, a przede wszystkim podjęcie właściwych działań korygujących, eliminujących problem. Najczęstsze przyczyny podwyższonych poziomów drgań, istotne ze względu na zagrożenie awarią, to: brak wyważenia mas wirujących, brak współosiowości wałów urządzenia napędzającego i napędzanego, ugięcia wałów, luzy lub uszkodzenia łożysk. Typowy obraz widma zamieszczono na rys. 5. Wyraźnie dominująca pierwsza składowa harmoniczna drgań oznacza w tym przypadku brak wyważenia mas wirujących maszyny. 0,5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 Hz 2004-04-19 10:11:20 O/All 3,329 mm/s rms Rys. 5. Typowe widmo drgań z wieloma składowymi harmonicznymi (tutaj: uszkodzone elementy łożyska) Niezwykle ważną funkcją diagnostyki wibracyjnej jest określanie stanu łożysk, umożliwiające optymalizację kosztów związanych z ich wymianą. Znając typ łożyska zamontowanego w maszynie oraz prędkość obrotową, identyfikuje się drgania wytwarzane przez poszczególne elementy łożyska (bieżnia zewnętrzna, bieżnia wewnętrzna, koszyk, element toczny). Termowizja diagnostyczna Uszkodzenia maszyn i urządzeń już w ich wczesnej fazie odznaczają się podwyższoną temperaturą. Poprzez zastosowanie termowizji możliwa jest detekcja tych krytycznych obszarów bez odłączania urządzeń z prądu lub przerywania procesów produk- reklama 11
cyjnych i w zależności od rozmiaru uszkodzenia dobranie najbardziej korzystnego terminu naprawy. Bezpośredni kontakt z obiektem pomiarowym nie jest konieczny, więc wykonywanie pomiarów np. urządzeń wirujących nie stanowi problemu. Możliwości termowizji są bardzo duże i niełatwo jest określić wyraźną granicę potencjalnych zastosowań. Rozwijająca się technika termowizyjna jest wykorzystywana w różnych obszarach, począwszy od praktyki przemysłowej, poprzez diagnostykę medyczną, na badaniach naukowych kończąc. W zależności od przemysłu pomiary te stosowane są w różnym celu. Wykorzystuje się je w branży chemicznej, mineralnej i papierniczej. W reaktorach i kolektorach oraz piecach obrotowych można wykrywać miejsca pogorszenia się stanu wymurówek, w rurociągach pyłowych wykrywać zastoje. Termografia pozwala również określać jakość pracy wymienników ciepła oraz stopień wysuszenia wstęg papieru. W hutnictwie poprzez pomiary termiczne określa się rozkład temperatur w piecach, bada jakość odlewów, testuje izolację termiczną urządzeń, ocenia stan przewodów doprowadzających gazy itp. Tymczasem w budownictwie wykrywa się miejsca powodujące straty ciepła lub obszary wilgotne. Termowizja jest też przydatna do lokalizacji rur z ciepła i zimną wodą. W elektronice poszukuje się uszkodzonych elementów, bada jakość układów scalonych, określa rozpływ ciepła w aparaturze i ocenia jakość chłodzenia. Obrazowanie termiczne ma też zastosowanie w ochronie środowiska, gdzie służy do analizy skażenia atmosfery dymami i pyłami, skażenia cieplnego oraz chemicznego wód i gruntów, a także wykrywania samozapłonów hałd węglowych i śmieci. Tę długą listę zamyka obszar zastosowań związany z rolnictwem i leśnictwem, gdzie bada się stopień nawodnienia i zasolenia terenu, przebiegu wód gruntowych i złóż minerałów oraz rozwoju roślin, jak też ogniska pożarów leśnych. Słabe strony metody to konieczność kompensacji niekorzystnego wpływu otoczenia na wynik pomiaru (kamerę umieszcza się w obudowie ochronnej, często wentylowanej powietrzem), brak możliwości określenia temperatury wewnątrz budynku przy badaniu go z zewnątrz czy też możliwości ustalenia temperatury elementów wewnątrz pieca (przy braku wziernika) itd. Kamera odbiera wyłącznie promieniowanie z powierzchni obiektu, nie odbiera żadnego promieniowania pochodzącego z wnętrza np. od rur wodociągowych, kabli elektrycznych itp. Wadą jest też duża zależność obrazów termowizyjnych od temperatury otoczenia i światła. Oznacza to konieczność wykonywania niektórych badań w określonych porach, np. nocą czy zimą (np. latem w związku z wysoką temperaturą gruntu obraz rur ciepłowniczych będzie posiadał jednolity kolor). Metoda magnetycznej pamięci metalu (MPM) Metodę magnetycznej pamięci metalu zaliczamy obecnie do pasywnych metod kontroli nieniszczącej, opartej na rejestracji i analizie rozkładu własnych magnetycznych pól rozproszonych, powstających w wyrobach i urządzeniach w strefach koncentracji naprężeń. W trakcie badań MPM wykorzystywane jest naturalne namagnesowanie, które pojawia się jako magnetyczna pamięć metalu podczas faktycznych odkształceń, czego następstwem jest zachodzenie zmian strukturalnych w metalowych wyrobach i urządzeniach. Za pomocą metody MPM można obecnie z bardzo dobrymi wynikami określać strefy koncentracji naprężeń, czyli podstawowe źródła rozwoju uszkodzeń (MPM to jedyna na obecne czasy miarodajna metoda detekcji). Metoda pozwala też wykryć mikro- i makrowady na powierzchni i w głębszych warstwach metalu. Zaletami metody MPM w porównaniu z innymi metodami badawczymi w tych obszarach są brak wymagania żadnych przygotowań powierzchni obiektu kontroli oraz niewymaganie specjalnego sztucznego namagnesowania, ponieważ MPM bazuje na naturalnym namagnesowaniu uformowanym podczas wykonania lub eksploatacji wyrobu. MPM można wykorzystywać do kontroli obiektu zarówno podczas produkcji, jak również w czasie remontu. Jest to jedyna metoda kontroli nieniszczącej pozwalająca w trybie szybkiej kontroli określać z dokładnością do 1 mm strefy koncentracji naprężeń (SKN). Do kontroli stosuje się przyrządy o małych gabarytach, posiadające samodzielne zasilanie i urządzenia rejestrujące. Główne korzyści płynące z diagnostyki MPM to: ujawnienie stref koncentracji naprężeń jako głównych źródeł uszkodzeń, wczesna diagnostyka uszkodzenia oraz oszacowanie stanu jakościowego elementu, wykrywanie wad w połączeniach spawanych i materiale rodzimym elementu, redukcja kosztów materialnych przy użyciu MPM w kombinacji z konwencjonalnymi metodami oraz znacznie niższe koszty badań i diagnostyki. Obecnie metody MPM wykorzystuje się do kontroli jakości metalu i spoin wyrobów podczas ich produkcji w przedsiębiorstwach, diagnostyki i kontroli: rurociągów, zbiorników, oprzyrządowania, różnych konstrukcji i wyrobów (z ferromagnetycznego lub paramagnetycznego materiału) we wszystkich gałęziach przemysłu podczas produkcji, remontów i eksploatacji, diagnostyki mechanizmów załadowczych, maszyn wirujących, tłoczących, instalacji poddanych procesom pełzania materiału lub chorobie wodorowej i wiele innych, zwłaszcza w energetyce, ciepłownictwie, lotnictwie itp., a także badań mechanicznych własności metalu w warunkach laboratoryjnych. Obszary zastosowań MPM lawinowo ulegają poszerzeniu o nowe aplikacje, jak choćby diagnostyka korpusów pras, ustników itp. Analiza modalna Jedną z metod umożliwiających sformułowanie modelu strukturalnego konstrukcji mechanicznej, przydatnego do zastosowania w procedurze diagnostycznej, jest eksperymentalna analiza modalna. To metoda doświadczalna stosowana w praktyce inżynierskiej dla opisu dynamicznych własności strukturalnych układów mechanicznych, budowli czy środków transportu. Metoda ta jest szeroko stosowana, ponieważ daje możliwość efektywnego sformułowania przybliżonego opisu własności strukturalnych obiektu dla warunków przeprowadzonego eksperymentu. Istotną zaletą eksperymentalnej analizy modalnej jest brak założeń dotyczących rozkładu przestrzennego parametrów strukturalnych rozważanego obiektu. Analiza przebiegu form drgań umożliwia określenie przyczyny uszkodzenia diagnozowanego obiektu. W szczególności metoda ta jest skuteczna w przypadku diagnozowania maszyn wirnikowych. 12