UNIVERSIDAD DE SEVILLA ESCUELA UNIVERSITARIA POLITÉCNICA DEPTO. DE INGENIERÍA MECÁNICA Y DE LOS MATERIALES
“La Aplicación del Ultrasonido como Tecnología
Complementaria en un Plan de Mantenimiento Predictivo”
Por: José Antonio Pedrouzo Tello DNI. 77852178-C Nelson Federico Quintero Carrero NIE. X-9671409-R
Trabajo de fin de curso para obtener el Título de Máster en Mantenimiento Industrial y Técnicas de Diagnóstico.
Septiembre 2009
INDICE INTRODUCCIÓN………………………………………………………........................... 3 OBJETIVOS…………………………………………………………………………….... 5 1. Mantenimiento ……………………………………………………………………….... 6 1.1. Objetivo Básico..................................... Básico....................................................... ................................... ..................................... ................................. ............. 6 1.2. Definiciones............................................................................................................. 6 2. Mantenimiento Mant enimiento Predictivo ……………………………………………………………... 8 2.1 Generalidades…………………………………………………………………………... 8 2.2. Beneficios del Mantenimiento Predictivo …………………………………………….. 10 2.3. Tecnologías Aplicables al Mantenimiento Predictivo……………………………….... Pr edictivo……………………………….... 12 2.3.1. Análisis de Vibraciones…………………………………………………………....... 12 2.3.2. Termografía Infrarroja……………………………………………………................. 13 2.3.3. Análisis de Aceite…………………………………………………….............. Aceite……………………………………………………........................ .......... 14 2.3.4. Análisis Espectral de Intensidades de Corrientes......................................... Corrientes........................................................ ............... 15 2.3.5. Análisis de Flujo de Dispersión............................................. Dispersión................................................................. ...................................... .................. 15 2.3.6. Detección Ultrasónica...................................... Ultrasónica........................................................ ...................................... ...................................... ..................... ..... 15 2.3.7. Resistencia de Aislamiento............................................ Aislamiento................................................................ ...................................... .......................... ........ 16 2.3.8. Descargas Parciales........................................ Parciales.......................................................... ...................................... ...................................... ..................... ...... ... 16 2.3.9. Índice de Dolarización................................................... Dolarización....................................................................... ...................................... ......................... ....... 16 2.3.10. DC. Hipot............................... Hipot................................................. ...................................... ........................................ ...................................... .................... ....... 16 2.3.11. Resistencia DC............................................. DC............................................................... .................................... ...................................... .......................... ...... 17 2.3.12. Ensayos EDA.................................. EDA................................................... ..................................... ...................................... ...................................... .................... 17 2.3.13. Capacidad.................................... Capacidad..................................................... ................................... ...................................... ...................................... ........................ ...... 17 2.3.14. Tip-Up Capacitivo..................................... Capacitivo....................................................... ...................................... ........................................ ........................... ....... 17 2.3.15. Factor de disipación................................. disipación..................................................... ...................................... ...................................... ............................ ........ 17 2.3.16. Tip-Up del Factor de de disipación.......................... disipación.............................................. ...................................... ................................... ................. 17 2.3.17. Endoscopia................................. Endoscopia................................................... ...................................... ........................................ ...................................... ...................... .... 18 2.3.18. Videoscopia............................ Videoscopia................................................ ..................................... ................................... ...................................... ....................... ......... ...... 18 3. Mantenimiento Predictivo complementado con el Ultrasonido .................................. 19 3.1. El Sonido................................. Sonido.................................................. .................................. ................................... ...................................... ........................... ................ ......... 19 3.2. Ultrasonido..................................... Ultrasonido....................................................... ................................... ................................... ...................................... ............................ ........ 23 3.3. Ventajas de esta Técnica................................... Técnica..................................................... ...................................... ...................................... ....................... ....... 23 3.4. Funcionamiento y operación del equipo de Ultrasonido............................... Ultrasonido................................................ ................. 24 3.5. Aplicaciones del uso uso del equipo de Ultrasonido............................ Ultrasonido.............................................. ................................. ............... 26 3.5.1. Inspección Eléctrica.................................. Eléctrica................................................... ..................................... ...................................... .............................. ............ 26 3.5.2. Problemas Mecánicos Generales..................................... Generales......................................................... ........................................ ........................ .... 27 3.5.3. Monitoreo de Rodamientos. (Bearing Wear)......................................... Wear)............................................................. ........................ 28 3.5.3.1. Ultrasonido para la Lubricación..................................... Lubricación......................................................... ...................................... ....................... ..... 31 3.5.3.2. Falta de Lubricación........................................... Lubricación............................................................... ...................................... ................................... ................. 32 3.5.3.3. Sobre lubricación................................. lubricación.................................................. ................................... ...................................... .................................. .............. 33 3.5.3.4. Rodamientos de Baja Velocidad............................................. Velocidad............................................................... .................................. ................ 33 3.5.4. Detección de Fugas................................... Fugas.................................................... ................................... ...................................... ................................ ............ 34 3.5.5. Inspección de Trampas de Vapor......................................... Vapor............................................................. ...................................... ...................... 36 3.5.5.1. Tipos de Trampas deVapor..................................... deVapor......................................................... ...................................... .............................. ............ 37 3.5.6. Inspección de Fallas en Válvulas............................................. Válvulas............................................................... .................................... .................. 38 3.5.7. Fugas Bajo Tierra...................................... Tierra....................................................... ................................... ...................................... ................................ ............ 39 1
INDICE INTRODUCCIÓN………………………………………………………........................... 3 OBJETIVOS…………………………………………………………………………….... 5 1. Mantenimiento ……………………………………………………………………….... 6 1.1. Objetivo Básico..................................... Básico....................................................... ................................... ..................................... ................................. ............. 6 1.2. Definiciones............................................................................................................. 6 2. Mantenimiento Mant enimiento Predictivo ……………………………………………………………... 8 2.1 Generalidades…………………………………………………………………………... 8 2.2. Beneficios del Mantenimiento Predictivo …………………………………………….. 10 2.3. Tecnologías Aplicables al Mantenimiento Predictivo……………………………….... Pr edictivo……………………………….... 12 2.3.1. Análisis de Vibraciones…………………………………………………………....... 12 2.3.2. Termografía Infrarroja……………………………………………………................. 13 2.3.3. Análisis de Aceite…………………………………………………….............. Aceite……………………………………………………........................ .......... 14 2.3.4. Análisis Espectral de Intensidades de Corrientes......................................... Corrientes........................................................ ............... 15 2.3.5. Análisis de Flujo de Dispersión............................................. Dispersión................................................................. ...................................... .................. 15 2.3.6. Detección Ultrasónica...................................... Ultrasónica........................................................ ...................................... ...................................... ..................... ..... 15 2.3.7. Resistencia de Aislamiento............................................ Aislamiento................................................................ ...................................... .......................... ........ 16 2.3.8. Descargas Parciales........................................ Parciales.......................................................... ...................................... ...................................... ..................... ...... ... 16 2.3.9. Índice de Dolarización................................................... Dolarización....................................................................... ...................................... ......................... ....... 16 2.3.10. DC. Hipot............................... Hipot................................................. ...................................... ........................................ ...................................... .................... ....... 16 2.3.11. Resistencia DC............................................. DC............................................................... .................................... ...................................... .......................... ...... 17 2.3.12. Ensayos EDA.................................. EDA................................................... ..................................... ...................................... ...................................... .................... 17 2.3.13. Capacidad.................................... Capacidad..................................................... ................................... ...................................... ...................................... ........................ ...... 17 2.3.14. Tip-Up Capacitivo..................................... Capacitivo....................................................... ...................................... ........................................ ........................... ....... 17 2.3.15. Factor de disipación................................. disipación..................................................... ...................................... ...................................... ............................ ........ 17 2.3.16. Tip-Up del Factor de de disipación.......................... disipación.............................................. ...................................... ................................... ................. 17 2.3.17. Endoscopia................................. Endoscopia................................................... ...................................... ........................................ ...................................... ...................... .... 18 2.3.18. Videoscopia............................ Videoscopia................................................ ..................................... ................................... ...................................... ....................... ......... ...... 18 3. Mantenimiento Predictivo complementado con el Ultrasonido .................................. 19 3.1. El Sonido................................. Sonido.................................................. .................................. ................................... ...................................... ........................... ................ ......... 19 3.2. Ultrasonido..................................... Ultrasonido....................................................... ................................... ................................... ...................................... ............................ ........ 23 3.3. Ventajas de esta Técnica................................... Técnica..................................................... ...................................... ...................................... ....................... ....... 23 3.4. Funcionamiento y operación del equipo de Ultrasonido............................... Ultrasonido................................................ ................. 24 3.5. Aplicaciones del uso uso del equipo de Ultrasonido............................ Ultrasonido.............................................. ................................. ............... 26 3.5.1. Inspección Eléctrica.................................. Eléctrica................................................... ..................................... ...................................... .............................. ............ 26 3.5.2. Problemas Mecánicos Generales..................................... Generales......................................................... ........................................ ........................ .... 27 3.5.3. Monitoreo de Rodamientos. (Bearing Wear)......................................... Wear)............................................................. ........................ 28 3.5.3.1. Ultrasonido para la Lubricación..................................... Lubricación......................................................... ...................................... ....................... ..... 31 3.5.3.2. Falta de Lubricación........................................... Lubricación............................................................... ...................................... ................................... ................. 32 3.5.3.3. Sobre lubricación................................. lubricación.................................................. ................................... ...................................... .................................. .............. 33 3.5.3.4. Rodamientos de Baja Velocidad............................................. Velocidad............................................................... .................................. ................ 33 3.5.4. Detección de Fugas................................... Fugas.................................................... ................................... ...................................... ................................ ............ 34 3.5.5. Inspección de Trampas de Vapor......................................... Vapor............................................................. ...................................... ...................... 36 3.5.5.1. Tipos de Trampas deVapor..................................... deVapor......................................................... ...................................... .............................. ............ 37 3.5.6. Inspección de Fallas en Válvulas............................................. Válvulas............................................................... .................................... .................. 38 3.5.7. Fugas Bajo Tierra...................................... Tierra....................................................... ................................... ...................................... ................................ ............ 39 1
3.5.8. Pérdidas por las Paredes................................ Paredes.................................................... ...................................... ...................................... ......................... ..... 3.5.9. Bloqueo Parcial.................................... Parcial...................................................... ...................................... ........................................ .................................. .............. 3.5.10. Dirección del Flujo............................................ Flujo................................................................ ...................................... ..................................... ................... 3.5.11. Prueba Prueba con el Generador de Tono.................. Tono...................................... ...................................... ...................................... ....................... ... CONCLUSIONES................................................. ................................................................... .................................... ...................................... ............................. ......... BIBLIOGRAFÍA.......................................... ........................................................... ..................................... ...................................... ................................... ................. .
2
40 40 40 41 42 43
INTRODUCCION. Todos tenemos una idea general, más o menos precisa, de lo que es el mantenimiento. Lo concebimos como todo el trabajo necesario para mantener en buen estado de funcionamiento todo tipo de bienes, como los edificios y las máquinas. Se puede decir que el mantenimiento nació con los primeros hombres. Desde el momento en que el hombre busca cubrir su cuerpo de las inclemencias del tiempo, está haciendo mantenimiento, el de su propia persona. Cuando el hombre buscó materias grasas para engrasar los ejes de sus carretas, echó a andar las bases de los métodos que actualmente se usan. Una definición de mantenimiento podría ser la siguiente: todas las actividades desarrolladas con el fin de conservar las instalaciones y equipos en condiciones de funcionamiento seguro, eficiente y económico. Los costos de mantenimiento; como los definen los procedimientos de contabilidad de planta, normalmente son una parte importante del total de los gastos de funcionamiento en la mayoría de las plantas. Los costos de mantenimiento tradicionales (mano de obra y materiales) han aumentado en una gran tasa en los últimos 10 años. El motivo predominante de este uso ineficaz de los gastos de mantenimiento es la falta de recopilación de datos que cuantifica cuanto y que tipo de mantenimiento, es necesario para mantener, reparar o reemplazar la maquinaria crítica, cr ítica, o equipos de la planta. Sin dudas, el desarrollo de nuevas tecnologías ha marcado sensiblemente la actualidad industrial mundial. En los últimos años, la industria mecánica se ha visto bajo la influencia determinante de la electrónica, la automática y las telecomunicaciones, exigiendo mayor preparación en el personal, no sólo desde el punto de vista de la operación de la maquinaria, sino desde el punto de vista del mantenimiento industrial. La realidad industrial, se ha visto matizada por la enorme necesidad de explotar eficaz y eficientemente la maquinaria instalada y elevar a niveles superiores la actividad del mantenimiento. No remediamos nada con grandes soluciones que presuponen diseños, innovaciones, y tecnologías de recuperación, si no que mantenemos con una alta disponibilidad nuestra industria. 3
Es decir, la Industria tiene que distinguirse por una correcta explotación y un mantenimiento eficaz. En otras palabras, la operación correcta y el mantenimiento oportuno constituyen vías decisivas para cuidar lo que se tiene. Casi todos los equipos emiten señales de alerta temprana, tales como cambios en la temperatura, la vibración o el sonido, antes de que falle. Estas señales de advertencia, o los modos de fallo, pueden ser detectadas con las tecnologías de monitoreo de condición. El problema es que una o dos tecnologías por sí solas no pueden detectar la mayoría de las señales de advertencia en su planta. Como resultado, un programa de predictivo de una única tecnología, perderá muchas más de las que captura. Así que la clave para un programa de Mantenimiento Predictivo es asegurarse de que es muy sensible a los modos de fallo de su equipo. Es por eso que es necesario aplicar múltiples tecnologías, por lo que puede detectar la mayoría de los modos de fallo en su planta. Un instrumento de ultrasonido para el mantenimiento predictivo, incluyendo fugas de aire, análisis de cojinetes, diagnóstico de trampas de vapor, escaneo eléctrico, de la caja de engranaje y lubricación acústica, entre otras aplicaciones, es necesario cuando se quiere implantar un programa de confiabilidad; simplemente "Usted no tiene un programa de confiabilidad si usted no tiene un programa de ultrasonido".
4
OBJETIVOS. o
Definir los tipos de gestión del mantenimiento.
o
Definir el mantenimiento Predictivo, ventajas y tecnologías que aplica.
o
Definir el concepto del Ultrasonido y su uso en tecnologías predictivas.
o
Aplicaciones del Ultrasonido en mantenimiento.
o
Demostrar que mejora la probabilidad de encontrar un posible fallo al aplicar una tecnología complementaria en nuestras inspecciones rutinarias.
5
1. MANTENIMIENTO, GENERALIDADES Y DEFINICIONES. 1.1. OBJETIVO BÁSICO. Como un objetivo básico, el mantenimiento procura contribuir por todos los medios disponibles a reducir, en lo posible, el costo final de la operación de la planta. De este se desprende un objetivo técnico por el que se trata de conservar en condiciones de funcionamiento seguro y eficiente todo el equipo, maquinaria y estructuras de tratamiento. El personal de mantenimiento tiene dos puntos de vista para cumplir estos objetivos: el aspecto humano y el técnico. El evitar los accidentes previene pérdidas humanas y de grandes responsabilidades. Por el lado técnico, la maquinaria, las instalaciones y los equipos bien mantenidos no provocarán pérdidas económicas y facilitarán la producción continua y eficiente de la planta. 1.2. DEFINICIONES. Según la norma UNE-EN-13306; el mantenimiento es la combinación de todas las acciones técnicas, administrativas y de gestión, durante el ciclo de vida de un elemento, destinadas a conservarlo o devolverlo a un estado en el cual pueda desarrollar la función requerida. La nueva filosofía de mantenimiento determina que sólo hay dos clases o tipos de mantenimiento industrial: El mantenimiento Correctivo y el Mantenimiento Preventivo. El mantenimiento correctivo es el mantenimiento ejecutado después del reconocimiento de una avería, y destinado a llevar un elemento a un estado en el que pueda desarrollar una función requerida. Este tipo de mantenimiento puede dividirse en dos ramas, el correctivo de urgencia y el correctivo programable. El mantenimiento correctivo de urgencia que es ejecutado sin dilación después de que la avería se ha detectado, con el fin de evitar consecuencias inaceptables. Las labores deben ejecutarse, tienen por objetivo la recuperación inmediata de la calidad de servicio, es decir, que ésta se sitúe dentro de los límites esperados por medio
6
de arreglos provisionales; así, solo se efectuarán los trabajos indispensables para que el equipo continúe operando normalmente. El mantenimiento correctivo programable, se refiere a las actividades que se desarrollan en los equipos o máquinas que están proporcionando un servicio trivial y éste, aunque necesario, no es indispensable para dar una buena calidad de servicio, por lo que es mejor programar su atención, por cuestiones económicas. El mantenimiento preventivo es el mantenimiento ejecutado a intervalos predeterminados o de acuerdo con unos criterios prescritos, y destinados a reducir la probabilidad de fallo o la degradación re funcionamiento de un elemento. Este sistema requiere un alto grado de conocimiento y una organización muy eficiente. Implica la elaboración de un plan de inspecciones para los distintos equipos de la planta, a través de una buena planificación, programación, control y ejecución de actividades, a fin de descubrir y corregir deficiencias que, posteriormente, puedan ser causa de daños más graves. Este tipo de mantenimiento siempre es programable y existen muchos procedimientos para llevarlo a cabo. El mantenimiento preventivo puede darse de varios tipos, tal como se presenta en el cuadro a continuación. Cuadro 1: Tipos de mantenimientos preventivos más comunes.
Mantenimiento
Definición
Programado
Mantenimiento preventivo ejecutado de acuerdo a un programa de tiempo establecido, o a un número de unidades de uso definido.
Progresivo
Como su nombre lo indica, es un tipo de mantenimiento que consiste en atender al recurso por partes, progresando en su atención cada vez que se tiene oportunidad contra un tiempo ocioso de éste.
Predictivo
Mantenimiento basado en la condición ejecutado siguiendo una previsión consecuencia del análisis y evaluación de los parámetros significativos de la degradación del elemento.
7
2. MANTENIMIENTO PREDICTIVO. 2.1. GENERALIDADES. Este procedimiento de mantenimiento preventivo se define como un sistema permanente de diagnóstico que permite detectar con anticipación la posible pérdida de calidad de servicio que esté entregando un equipo. Esto nos da la oportunidad de hacer con el tiempo cualquier clase de mantenimiento preventivo, y si lo atendemos adecuadamente, nunca se pierde la calidad del servicio esperado. En el mantenimiento predictivo, se evalúa el estado de los componentes mediante técnicas de seguimiento y análisis, permitiendo programar el mantenimiento “solo cuando sea necesario”. Consiste en el estudio de variables o parámetros
para
percibir los síntomas con que la máquina nos está advirtiendo y que están relacionados con la condición del equipo. Consiste de varias pruebas no destructivas, tal como análisis de aceite, análisis de desgaste de partículas, análisis de vibraciones y medición de temperaturas. El estudio de estos parámetros nos suministra valiosa información del estado de sus componentes y, del modo en que está funcionando el equipo, permitiendo no solo detectar problemas de componentes sino también de diseño y de instalación. La mayoría de los equipos industriales no fallan y dejan de funcionar repentinamente, la verdad es que los equipos fallan gradualmente con un periodo de semanas o meses. Además, ofrecen numerosas señales de alerta durante el proceso. Estas señales de alerta, por ejemplo pequeños cambios en la temperatura vibración o sonido, pueden ser detectados mediante las tecnologías del mantenimiento predictivo. La base del mantenimiento predictivo radica en la monitorización de los equipos, ya que debemos evaluar los parámetros antes comentados con la instalación en funcionamiento normal. No es por tanto necesario hacer una parada para poder evaluar la condición de los mismos, conocemos el estado de nuestras máquinas mientras están trabajando. La frecuencia con que se realizan las tareas "a-condición-de" debe basarse en la duración del período de desarrollo de la falla, también conocido como "tiempo de demora hasta la falla" ó "intervalo P-F".
8
La introducción de la Curva P-F y tareas PdM de en-condición proporcionó un cambio innovador necesario en un mundo donde el Mantenimiento preventivo era visto como la única opción para evitar el mantenimiento de emergencia/demanda. Se la denomina curva
P-F porque muestra cómo una falla comienza y
prosigue el deterioro hasta un punto en el cual puede ser detectado (el punto de falla potencial "P"). A partir de allí, si no se detecta y no se toman las acciones adecuadas, continúa el deterioro -a veces a un ritmo acelerado - hasta alcanzar el punto "F" de falla funcional. El intervalo P-F rige la frecuencia con que debe ser realizada la tarea predictiva. El intervalo de chequeo, debe ser sensiblemente menor que el intervalo P-F si deseamos detectar el fallo potencial antes de que se convierta en un fallo funcional.
FIGURA 1 – Representación gráfica de múltiples intervalos P-F.
El intervalo P-F puede ser medido en cualquier unidad asociada con la exposición al uso (tiempo de uso, unidades producidas, número de paradas y arranques, etc.). La medición más frecuente es por tiempo transcurrido. Para diferentes modos de fallo, el intervalo P-F puede variar desde fracciones de segundos a varias décadas. Salvo que aparezca una buena razón en contra, generalmente es suficiente definir un intervalo de chequeo igual a la mitad del intervalo P-F. Esto asegura que la tarea de chequeo encontrará la falla antes de que ocurra el fallo funcional, dando a la vez la mitad del tiempo del intervalo P-F para tomar alguna acción al respecto.
9
Si el intervalo P-F es demasiado corto para que el chequeo resulte práctico en ese intervalo, o si el intervalo P-F es demasiado corto para permitir cualquier medida una vez encontrada la falla potencial, la tarea "a condición" no es apta para el modo de falla en cuestión. El objetivo del mantenimiento predictivo es la reducción de los cotes de operación y de mantenimiento incrementando la fiabilidad del equipo. La diferencia en costos de reparación entre el tiempo en el que un especialista de predictivo puede detectar un problema en un equipo, hasta el momento que un operador informe de avería, puede ser enorme. De hecho, un estudio mostró que el costo de llevar un programa de mantenimiento predictivo, es la mitad que el de llevar un programa de mantenimiento de emergencia o correctivo. No existe otra estrategia de mantenimiento que brinde más tiempo para la planificación avanzada y programada que el mantenimiento predictivo. Estudios han demostrado que un trabajo de reparación bien planificado, normalmente toma solo la mitad del tiempo que un trabajo no planificado. El trabajo planificado siempre es más eficiente y menos costoso que el trabajo no planificado. 2.2. BENEFICIOS DEL MANTENIMIENTO PREDICTIVO. El uso eficaz del mantenimiento preventivo, incluyendo las tecnologías predictivas, eliminarán entre el 33% y el 50% de los gastos de mantenimiento que son gastados por la mayoría de las plantas. Basados en datos históricos en Estados Unidos, los ahorros iniciales generados por los efectivos programas de mantenimiento preventivo/predictivo entran en las siguientes áreas: 1. Eliminación de las paradas no programadas causadas por fallos en los equipos o sistemas. Normalmente, en los dos primeros años se han logrado reducciones del 40% al 60% y hasta reducciones del 90% en cinco años. 2. Se incrementa la utilización de la mano de obra. Estadísticamente, el promedio de tiempo de trabajo de un trabajador de mantenimiento es de 24.5% o alrededor de 2 horas por turno. Mediante la identificación precisa de la tarea de reparación necesaria para corregir las deficiencias en los activos de una planta, así como las piezas, herramientas y apoyo necesario para rectificar el problema, el 10
mantenimiento preventivo/predictivo puede aumentar drásticamente el tiempo de trabajo efectivo. La mayoría de las plantas han sido capaces de alcanzar y mantener entre un 75% y un 85% de utilización eficaz. 3. Incremento de la Capacidad. El principal beneficio de los programas de mantenimiento preventivo/predictivo efectivos es un aumento en el rendimiento o capacidad de producción de la planta. A corto plazo, es decir de 1 a 3 años, los aumentos en capacidad se mantienen en un rango entre un 15% y 40% . Se han logrado mejoras a largo plazo entre el 75% y 80%. 4. Reducción de los gastos de mantenimiento. En algunos casos, los gastos de mantenimiento aumentarán durante el primer año tras la aplicación de un programa eficaz de preventivo / predictivo. Este aumento, por lo general del 10% al 15%, es causado por problemas de fiabilidad inherentes, descubiertas por el uso de las tecnologías predictivas. Cuando estos problemas se eliminan, el resultado típico es la reducción de mano de obra y costo de materiales entre un 35% y 60%. 5. Mayor vida útil. Normalmente, la vida útil de funcionamiento de la planta de los activos se ampliará en un 33% al 60%. La detección de problemas incipientes o desviaciones de las condiciones de funcionamiento óptimo antes que los daños a los equipos, generan este beneficio. Haciendo pequeños ajustes o reparaciones, y no permitiendo que una deficiencia menor se convierta en un problema grave, se puede extender la vida útil efectiva casi indefinidamente. 6. El tiempo de reparación disminuye hasta un 60%. 7. El inventario de piezas de repuesto se reduce hasta un 30%. 8. La disponibilidad se incrementa hasta en un 30%.
11
2.3. TECNOLOGÍAS APLICABLES AL MANTENIMIENTO PREDICTIVO. Son muchas y muy variadas las tecnologías que se pueden aplicar al campo de mantenimiento bajo condición. Cada una de ellas tiene un campo de aplicación más o menos concreto, existiendo complementariedad, prácticamente entre todas. A continuación comentaremos brevemente algunas de ellas.
2.3.1. Análisis de Vibraciones. De las distintas tecnologías aplicables al mantenimiento predictivo, quizás el análisis de vibraciones sea la más popular. La razón la encontramos en la posibilidad de determinar una gran cantidad de defectos, en una amplia gama de máquinas con una inversión económica inicial razonable. La vibración es uno de los indicativos más claros del estado de una máquina. Bajos niveles de vibración indican equipo en buen estado, cuando estos niveles se elevan es claro que algo comienza a estar mal. Los equipos utilizados para la adquisición de datos de vibraciones en las máquinas van desde los portátiles o de campo hasta la monitorización en continuo u “on line”. Existe una amplia gama y modelos de unos y otros, siendo los distribuidores
y
fabricantes de los mismos los que pueden orientarnos sobre las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos. En un primer contacto con la tecnología los equipos portátiles son una buena solución para validarla. Dentro de ellos nos encontramos con “vibrómetros” que nos miden niveles de vibración globales con poca
capacidad de diagnóstico, (solo indican si la vibración sube o baja, aunque vibrómetros de última generación son capaces de realizar análisis espectrales con ciertas limitaciones), y colectores de datos portátiles con un software de diagnóstico y tratamiento de datos. Estos equipos son más elevados en precios, pero tienen una capacidad de análisis importante a la hora de discernir distintos tipos de problemas en máquinas.
12
FIGURA 2 – Análisis de Vibraciones en equipos.
2.3.2. Termografía Infrarroja. La termografía infrarroja se podría definir brevemente como una técnica que permite, a través de la radiación infrarroja que emiten los cuerpos, la medida superficial de temperatura. El instrumento que se usa en termografía para medir, es la cámara de infrarrojos. La principal ventaja de la medida de temperatura mediante termografía, es que es una técnica de medida de no contracto, no requiere contacto físico, por lo que no afectará a las condiciones de los objetos observados. Esta cualidad la hace especialmente interesante en el control y mantenimiento de elementos en tensión. Entre las principales aplicaciones de la termografía podríamos citar:
Medidas de espesores y detección de discontinuidades en productos aislantes.
Térmicos y refractarios.
Inspección de tubos y tuberías.
Inspección en soldaduras.
Posicionamiento de componentes y fallos en circuitos eléctricos. 13
Aplicaciones en seguridad y defensa.
Aplicaciones médicas.
Aplicaciones de prevención y detección de incendios.
Medición en tanques de almacenamiento.
Control.
FIGURA 3 – Termogramas tomados con cámaras Termográficas.
2.3.3. Análisis de Aceites. El análisis de aceites en nuestras instalaciones tiene dos objetivos claros: Conocer el estado del aceite y conocer el estado de la máquina. Tradicionalmente éste último se obviaba, centrándonos siempre en determinar únicamente el estado del lubricante, para lo cual se realizan una serie de ensayos rutinarios de viscosidad, acidez, basicidad, análisis de aditivos, inspecciones visuales, etc. No es este el objetivo de la analítica del aceite como técnica de mantenimiento predictivo. Las espectrometrías, ferrografías y contenidos de partículas aportan valiosa información del estado de los componentes de las máquinas que bañamos con nuestros lubricantes. Podemos detectar defectos con una antelación mucho mayor que con otras técnicas como podría ser el análisis de vibraciones, la dificultad estriba en el alto costo de la tecnología implicada en ello. En casos de alta responsabilidad podría emplearse como técnica complementaria para verificar un diagnostico realizado, por ejemplo, con un análisis vibracional. Por ejemplo defectos en rodamientos, cojinetes o transmisiones pueden corroborarse al encontrar partículas de los mismos en un ferrograma. 14
FIGURA 4 – Análisis de Aceites de los Equipos.
2.3.4. Análisis espectral de intensidades de corrientes. El análisis de motores eléctricos puede realizarse mediante termografías o mediante análisis de vibraciones, pero otra de las técnicas que podemos emplear para detectar problemas en barras es el análisis espectral de corriente, consistente en tomar el espectro de intensidades en las fases de alimentación del motor. Esta tecnología puede realizarse en paralelo con el análisis de vibraciones, usando los mismos colectores de datos, cambiando los sensores de vibración por una pinza amperimétrica.
2.3.5. Análisis del flujo de dispersión. El espectro de flujo magnético es una técnica prometedora que ha despertado gran interés desde su aparición, hace menos de 5 años. Aunque la técnica no está demasiado probada en máquinas reales, los ensayos de laboratorio presentan resultados sorprendentes en el control de evolución de fallos de aislamiento, cortocircuitos de espiras, y otros problemas relacionados con estator y rotor.
2.3.6. Detección ultrasónica. Existen numerosos fenómenos que van acompañados de emisión acústica por encima de las frecuencias del rango audible. Las características de estos fenómenos ultrasónicos hacen posible la utilización de detectores de ultrasonidos en infinidad de aplicaciones industriales dentro del mantenimiento.
Detección de grietas y medición de espesores (por impulso eco). 15
Detección de fugas en conducciones, válvulas, etc.
Verificación de purgadores de vapor.
Inspección de rodamientos.
Control de descargas eléctricas.
Estas son algunas de las aplicaciones no habituales de los ultrasonidos, además de las normalmente usadas como ensayo no destructivo para la determinación de defectos internos en piezas, en este caso somos nosotros los que realizamos la emisión acústica para poder detectar el defecto.
2.3.7. Resistencia de Aislamiento. Se aplica una tensión DC durante 1 minuto para medir fugas.
2.3.8. Descargas Parciales. Se monitorizan descargas parciales durante el funcionamiento normal de la máquina mediante captadores capacitivos. Los sensores han de ser fijos a la máquina. El equipamiento de medida deberá rechazar ruidos y filtrar/discriminar señales.
2.3.9. Índice de Polarización (IP). Es la relación de resistencias de aislamiento entre 1 minuto y 10 minutos. Ensayos sencillos, aunque sólo ven contaminación, humedad o defectos serios. Aplicables a todas las máquinas y bobinados salvo a bobinados rotóricos de jaula de ardilla.
2.3.10. DC Hipot. Se aplica una sobretensión DC durante 1 ó 5 minutos. Fácil de realizar. Es un test agresivo y puede deteriorar aislamiento.
16
2.3.11. Resistencia DC. Se inyecta corriente y se mide tensión. Se busca detectar fallos en bobinados, debilidades, malas soldaduras, etc.
2.3.12. Ensayos EDA. Permite detectar problemas en el aislamiento, causados por degradación del mismo, sustancias contaminantes, vibraciones, descargas parciales, etc. Los datos obtenidos con este ensayo se pueden complementar con “tangente de Delta” o “medida de descargas parciales”.
2.3.13. Capacidad. Se inyecta baja tensión y se suelen usar puentes de capacidad. Se puede determinar la capacidad del estátor completo o realizar un mapa de capacidad con las medidas de todas las barras.
2.3.14. Tip-up capacitivo. Este test se suele facilitar anexo al de factor de potencia. Consiste en medir capacidad a distintas tensiones AC. Se suelen medir fases por separado con las otras a tierra. Dos medidas, una a 0.2E (E=ph/ph) y la otra a 0.58E.
2.3.15. Factor de disipación (Tangente de
delta=tg δ).
Este test provee una indicación de las pérdidas dieléctricas en el aislamiento. Al aplicarse una tensión AC ciertas moléculas polares vibran generando calor = pérdidas. La tendencia de aumento con el tiempo indicará degradación térmica o humedad. La tg δ se mide con un puente balanceado.
2.3.16. Tip-up del factor de disipación (tg δ tip -up). Este test es un indicativo indirecto para determinar la aparición de descargas parciales en el bobinado estatórico. Se usa habitualmente como control de calidad en fabricación y tras reparaciones. Se mide al 20% y luego al valor nominal siendo el tip 17
up la diferencia de los PF. Puede influir la capa de carburo de silicio, en las bobinas se podría medir usando la guarda.
2.3.17 Endoscopia. La endoscopia es una técnica diagnóstica, utilizada sobre todo en medicina pero tiene mucha aplicación en el mantenimiento industrial, que consiste en la introducción de un cámara o lente dentro de un tubo o endoscopio a través de un orificio o simplemente para llegar a un área que para nosotros es imposible de acceder, para la visualización del área que se está investigando. La endoscopia es una técnica cada vez más usada en los departamentos de predictivo. Ahorra muchas horas de desmontajes y montajes con la finalidad de poder efectuar una inspección visual en el punto concreto de un equipo o maquinaria industrial. Por tanto este método se está convirtiendo en imprescindible en el trabajo del día a día.
2.3.18 Videoscopia. La Videoscopia es una evolución de la endoscopia, que permite la grabación de imágenes fijas o en video de los procesos de inspección visual de equipos para su posterior uso, tratamiento u análisis.
18
3. MANTENIMIENTO PREDICTIVO COMPLEMENTADO CON EQUIPO DE ULTRASONIDO. 3.1. El SONIDO. El sonido es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas, ya sean audibles o no; generalmente a través de un fluido u otro medio elástico, que sea generado por el movimiento vibratorio de un cuerpo. A pesar de la naturaleza diversa de las ondas o perturbaciones que pueden originarlas, todas las ondas tienen un comportamiento semejante. Las ondas que se propagan a lo largo de un muelle como consecuencia de una compresión longitudinal del mismo constituyen un modelo de ondas mecánicas que se asemeja bastante a la forma en la que el sonido se genera y se propaga. Las ondas sonoras se producen también como consecuencia de una compresión del medio a lo largo de la dirección de propagación. Son, por tanto, ondas longitudinales. El sonido audible para las personas, consiste en ondas sonoras consistentes en oscilaciones de la presión del aire, que son convertidas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de presión. En los cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del medio. La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de materia, en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de la materia sólida, líquida o gaseosa. Como las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal. Ciertas características de los fluidos y de los sólidos influyen en la onda de sonido. Es por eso que el sonido se propaga en los sólidos y en los líquidos con mayor rapidez que en los gases. En general cuanto mayor sea la compresibilidad (1/ K ) del medio tanto menor es la velocidad del sonido. También la densidad es un factor importante en la velocidad de propagación, en general a mayor sea la densidad (ρ), a igualdad de todo lo demás, tanto menor es la velocidad de la propagación del sonido. La velocidad del sonido se relaciona con esas magnitudes mediante:
19
En los gases, la temperatura influye tanto la compresibilidad como la densidad, de tal manera que el factor de importancia suele ser la temperatura misma. La longitud de una onda es la distancia entre dos crestas consecutivas, en otras palabras describe lo larga que es la onda.
FIGURA 5 – Componentes de una Onda longitudinal. La longitud de onda λ es inversamente proporcional a la frecuencia f, siendo ésta
la frecuencia del movimiento armónico simple de cada una de las partículas del medio.
donde λ es la longitud de onda, v es la velocidad de la onda, y f es la frecuencia. Para las ondas de sonido que se desplazan por el aire, v es aproximadamente 343 m/s. El ser humano oye entre 20 Hz y 20 kHz; a 20 Hz la longitud de onda es aproximadamente 17 m, mientras que a 20 kHz es tan solo 1,7 cm. Las ondas de baja frecuencia y las ondas de alta frecuencia tienen comportamientos muy diferentes.
20
FIGURA 6 – Rango de frecuencias de los sonidos audibles.
La intensidad del sonido percibido, o propiedad que hace que éste se capte como fuerte o como débil, está relacionada con la intensidad de la onda sonora correspondiente, también llamada intensidad acústica. La intensidad acústica es una magnitud que da idea de la cantidad de energía que está fluyendo por el medio como consecuencia de la propagación de la onda. La magnitud de la sensación sonora depende de la intensidad acústica, pero también depende de la sensibilidad del oído. El intervalo de intensidades acústicas que va desde el umbral de audibilidad, o valor mínimo perceptible, hasta el umbral del dolor. La intensidad fisiológica o sensación sonora de un sonido se mide en decibelios (dB). Por ejemplo, el umbral de la audición está en 0 dB, la intensidad fisiológica de un susurro corresponde a unos 10 dB y el ruido de las olas en la costa a unos 40 dB. La escala de sensación sonora es logarítmica, lo que significa que un aumento de 10 dB corresponde a una intensidad 10 veces mayor.
21
FIGURA 7 – Sensación sonora del oído humano.
El tono es la cualidad del sonido mediante la cual el oído le asigna un lugar en la escala musical, permitiendo, por tanto, distinguir entre los graves y los agudos. La magnitud física que está asociada al tono es la frecuencia. Los sonidos percibidos como graves corresponden a frecuencias bajas, mientras que los agudos son debidos a frecuencias altas.
22
3.2. EL ULTRASONIDO. La tecnología de Ultrasonido está basada en el sensado de los sonidos de altas frecuencias. La mayoría de los instrumentos ultrasónicos empleados para monitorear equipos pueden captar frecuencias entre 20kHz hasta 100 kHz. Esto trasciende el rango del oído humano, cuyo promedio es de 16.5 kHz. La vía de baja frecuencia y alta frecuencia en que los sonidos viajan ayuda a entender porque esta tecnología puede ser efectiva en el monitoreo de rodamientos y programas de lubricación. Las diferencias físicas en la longitud de onda determina el porqué el ultrasonido es ideal para el monitoreo de condición. Los sonidos de baja frecuencia mantienen una alta intensidad de volumen de sonido y viajan más lejos que los sonidos de alta frecuencia. Las emisiones de alta frecuencia son más localizadas. Como las ondas de sonido de alta frecuencia se dispersan lejos del punto de generación, sus niveles de intensidad disminuyen rápidamente, con la ayuda de inspectores se identifica la localización de la fuente del sonido. Como ultrasonido es alta frecuencia, es una señal de onda corta. Un sonido de baja frecuencia requiere menos energía acústica para viajar a la misma distancia como un sonido de alta frecuencia. 3.3. VENTAJAS DE ESTA TÉCNICA.
Direccional.
Localizable.
Utilización en todos los ambientes.
Indicación de la falla incipiente.
Soporte a otras tecnologías.
Fácil de Integrar a programa de inspección.
No se necesita ser especialista.
Muy poco entrenamiento.
Múltiples Aplicaciones en las Plantas.
23
3.4. FUNCIONAMIENTO Y OPERACIÓN DE LOS EQUIPOS DE ULTRASONIDO. El mantenimiento predictivo usa el ultrasonido transportado en el aire o a través de la estructura. Los instrumentos basados en esta tecnología detectan frecuencias en un rango entre 20 y 100 kiloherts, las cuales son electrónicamente convertidas en un rango audible y luego amplificada. Debido a baja amplitud del ultrasonido, la amplificación es una importante característica. Hay componentes ultrasónicas en prácticamente todas las formas de fricción. Por ejemplo, si usted frota su índice y el pulgar juntos, generará una señal en el rango del ultrasonido. Los operadores escuchan el sonido a través de audífonos y ven los incrementos de intensidad en un medidor o pantalla. Existen instrumentos en formato análogo y digital, y son usados para mucha variedad de aplicaciones desde detección de fugas hasta inspecciones eléctricas y análisis mecánico. Las versiones digitales incluyen un software de recolección de datos y gestión. Aunque hay sonidos obviamente audibles emitidos por la mayoría de los equipos de operación, son los elementos del ultrasonido de las emisiones acústicas las que generalmente son las más importantes. Algunos equipos tienen ventajas como cambio de frecuencias para permitir a los usuarios filtrar extraños sonidos del exterior y de esa manera enfocarse en el sonido de interés. Otros permiten guardar una ruta, guardar tendencias, establecer alarmas y hasta grabar el sonido en el punto que se le defina para mejorar el proceso de diagnóstico.
24
FIGURA 8 – Equipo de Ultrasonido.
Con el fin de comprender y mantenerse por delante de los problemas potenciales, es necesario establecer bases de datos y observar si existen cambios en ellos. Puede acompañarse las inspecciones con un registro de las lecturas en forma directa o grabarse los sonidos puede bajarse a un programa que realice análisis espectrales en una PC.
FIGURA 9 – Software de Análisis del Equipo de Ultrasonido.
El software de análisis espectral es otra herramienta usada para un análisis de condición detallado. Se puede desarrollar un diagnóstico con la Transformada rápida de Fourier (FFT) en un ordenador estándar siempre y cuando el mismo cuente con tarjeta de sonido. Estos programas proporcionan las vistas del espectro de frecuencia y en el tiempo del sonido, pero también permite a los usuarios escuchar el sonido simultáneamente mientras se ven los espectros en el monitor.
25
FIGURA 10 – Análisis de Espectros con el Software de Ultrasonido.
3.5. APLICACIONES DEL USO DEL EQUIPO DE ULTRASONIDO.
3.5.1. Inspección Eléctrica. Existen tres problemas eléctricos básicos que se pueden detectar con este equipo:
Arco: ocurre cuando electricidad es conducida a “tierra”. Los rayos son un buen ejemplo.
Corona: Cuando la tensión de un conductor, como una antena o línea de transmisión de alta tensión excede el valor umbral del aire a su alrededor, y el aire comienza a ionizarse y forma una luz azul o púrpura.
Tracking: Referido a menudo como un “pequeño arco”, sigue al da ño del aislamiento. La inspección con Ultrasonido puede ser en baja (menos de 15 KV), media (15 a 115KV) y alta (más de 115 KV) tensión, en gabinetes abiertos o cerrados. Cuando la electricidad se escapa en líneas de alta tensión o “salta” a través de un
espacio en una conexión eléctrica, provoca un disturbio en las moléculas de aire a su alrededor y genera ultrasonido. Lo más común es percibir este sonido como un “cracking” o “fritura”, en otras situaciones será oído como un zumbido.
La ventaja de ser capaz de escuchar mientras se explora facilita a los inspectores una rápida identificación de anomalías eléctricas. El diagnóstico dependerá del voltaje puesto que el efecto corona no se presenta a menos de 1 kilovolt. Las pruebas con Ultrasonido de Gabinetes cerrados pueden ayudar a prevenir la exposición de los inspectores a un potencial incidente de Arc Flash(explosión eléctrica). 26
Las aplicaciones típicas incluyen: aisladores, cables, revestimientos de interruptores, barras, relés, cajas de empalme, etc. En subestaciones, componentes como aisladores, transformadores, etc. Inspección ultrasónica se usa frecuentemente en revestimientos de interruptores adjuntos. Como las emisiones de ultrasonido pueden ser detectadas escaneando alrededor de las costuras de las puertas y ventilaciones de aire, es posible detectar fallas serias como arco, tracking y corona sin sacar al interruptor fuera de línea como en un escaneo infrarrojo. Sin embargo, se recomiendan ambas inspecciones.
FIGURA 11 – Inspección de gabinetes Eléctricos.
3.5.2. Problemas Mecánicos Generales. Los equipos mecánicos producen un sonido “normal” característico cuando operan eficientemente. Cuando los componentes inician a fallar, hay un cambio en el sonido original; y muchas veces este sonido es enmascarado por el ruido ambiental de la planta y vibraciones de baja frecuencia. Este cambio se puede notar como un incremento de intensidad o como un cambio cualitativo del sonido a través de audífonos y grabando para un análisis exhaustivo. Tradicionalmente una excesiva vibración o un aumento de la temperatura son indicadores de una falla mecánica en un horizonte de tiempo no muy lejano. Cambios microscópicos en las fuerzas de fricción son detectables con pruebas de ultrasonido bastante tiempo antes de que la máquina entre al estado crítico de la falla, proveyendo una ventana más amplia para planificar el mantenimiento.
27
Cuando un equipo comienza a fallar, ocurren cambios ultrasónicos. Los patrones de sonido que acompañan el funcionamiento cambian, por lo que sería muy útil si se los monitoreara adecuadamente. Por lo que un historial ultrasónico de los componentes clave puede prevenir tiempos fuera de servicio. Escuchando los problemas en una etapa temprana, los daños son mínimos y el mantenimiento requerido se completa con un impacto menor sobre las operaciones del proceso. En el diagnóstico de cualquier equipo mecánico, es importante entender cómo éste opera. Ser capaz de interpretar los cambios sónicos depende de un entendimiento básico de las operaciones del equipo en particular que será inspeccionado. Como un ejemplo, en algunos compresores recíprocos, el diagnóstico del problema de una válvula depende de poder reconocer el sonido distintivo “clicking” de una válvula en buen estado vs el click que deja escapar una válvula en el modo “blow - by”. En algunas
bombas, algunas tienen “olas”, los que pueden confundir a un operador inexperto con el constante cambio en los niveles de intensidad.
FIGURA 12 – Inspección Mecánica con Equipo de Ultrasonido en Bombas.
3.5.3. Monitoreo de Rodamientos. (Bearing Wear) Los rodamientos están diseñados para tener una vida en donde sea de entre 100 y 1000 años en condiciones ideales. Se ha descubierto recientemente que si un rodamiento desarrolla un defecto por fatiga sin la acción de influencias externas como la contaminación o un lubricante inapropiado, esta primero aparecerá como una grieta hasta tres mil por debajo de la superficie.
28
La inspección ultrasónica y el monitoreo de rodamientos es la forma más confiable de detección de fallas incipientes en estos casos. La advertencia ultrasónica aparece previa a la elevación de temperatura o un incremento en los niveles de vibración de baja frecuencia. Este sistema es útil para reconocimiento de: a) Comienzo de falla por fatiga b) Efecto Brinell de las superficies c) Inundación o falta de lubricante En las bolillas de éstos, como el metal en vías, comienzan a sufrir fatiga, una sutil deformación comienza a ocurrir. Esta deformación del metal produce superficies irregulares, las cuales causan incrementos en la emisión de sonido ultrasónico. Los cambios en amplitud desde la lectura original son indicación de una falla incipiente en la pieza. Cuando la lectura excede cualquier lectura previa en 12dB se puede asumir que la pieza ha ingresado en el comienzo del modo de falla. Esta información fue descubierta originalmente a través de experimentos llevados a cabo por la NASA. En las inspecciones ejecutadas, mientras monitoreaban a frecuencias desde los 24 a 50KHz, encontraron que los cambios en amplitud indicaban falla antes que cualquier otra indicación incluyendo calor y cambios de vibración. El estudio demostró que un incremento en amplitud entre 12 y 50 veces sobre la línea base, de una frecuencia ultrasónica, indicará los estados iniciales de una falla de rodamientos. Un sistema ultrasónico basado en la detección y análisis de las modulaciones de las frecuencias de resonancia de este elemento puede proveer detecciones de cambios sutiles, visto que los métodos convencionales son incapaces de detectar fallas muy ligeras. Cuando una bola pasa por un hoyo o falla en una pista, produce un impacto. Una resonancia estructural de uno de los componentes de la pieza vibra o suena por este impacto repetitivo. El sonido producido se observa como un incremento en la amplitud cuando se monitorean las frecuencias ultrasónicas de esta pieza. El efecto Brinell producirá un incremento similar debido al proceso de achatamiento de las bolas perdiendo redondez. Esos puntos chatos producen también un sonido repetitivo que se detecta como incremento en la amplitud de las frecuencias monitoreadas.
29
Estas frecuencias detectadas por el equipo se reproducen como sonidos audibles. Este señal “heterodina” puede ayudar enormemente para determinar problemas. Para
escuchar este tipo de fallas, se recomienda familiarizarse primero con el sonido que produce una de estas piezas en buen estado. Este se oye como un ruido veloz o siseo. Craqueos o ruidos ásperos indican un estado de falla. En ciertos casos una bola dañada se escucha como un “crackling” de gran intensidad, mientras que un sonid o
uniformemente áspero puede indicar un daño uniforme en general de todas las bolas. Un sonido fuerte y veloz, parecido al de una pieza en buen estado pero ligeramente más áspero, puede indicar falta de lubricación. Incrementos de corta duración en el sonido con componentes rugosas o “tipo arañazo” indican que un elemento rotante golpea el
punto achatado y se desliza en las superficies de la pieza más que rotar. En esta condición se debe llevar a cabo un examen. Hay tres fases en una falla de un rodamiento. En la fase de pre-fallo (falta de lubricación), los niveles de lubricación disminuyen y los niveles del ultrasonido se incrementan sin un cambio dramático en la calidad de la forma de onda de la señal. La amplitud se incrementa y está acompañado de un cambio reconocible en la calidad del sonido, como las condiciones empeoran y el rodamiento entra a las tempranas etapas de fallo o fallo incipiente. En la fase dos, el inicio del fallo, el rodamiento inicia a emitir una variedad de sonidos diferentes que pueden ser vistos con un analizador espectral de vibración. Como esa situación persiste, los niveles de sonido se incrementan rápidamente y se inicia un calentamiento. Desafortunadamente si a un rodamiento se le permite llegar a este estado, el resultado puede ser catastrófico. (Fase tres) Para determinar si un rodamiento está en buen estado o en estado de fallo, un inspector toca un punto de referencia en la caja del rodamiento usando el instrumento de sonda de contacto. Ajusta la sensibilidad/volumen para obtener una lectura a una intensidad específica. El próximo paso es comparar esta lectura a la misma sensibilidad con una referencia de un rodamiento operando a las mismas condiciones. La amplitud tomada y la calidad del sonido deben ser similares. Un inspector puede usar esta lectura de línea base para determinar con antelación si un rodamiento carece de lubricación o si esta en modo de fallo.
30
FIGURA 13 – Inspección con Equipo de Ultrasonido de Rodamientos de un Motor.
3.5.3.1. Ultrasonido para la Lubricación. Un programa de lubricación de éxito se basa en un concepto básico: la cantidad correcta del lubricante correcto en el lugar correcto en el momento correcto. Para cualquiera que haya pasado un tiempo en el mantenimiento o la función de fiabilidad, esto no es tan simple como suena.
FIGURA 14 – Engrase con instrumento de Ultrasonido.
31
Actualmente, la tecnología de ultrasonido proporciona ventajas del sistema de bombeo tradicional y una visión sin precedentes de la condición del lubricante en una unidad operativa de la maquinaria. Dado que la calidad de la lubricación disminuye durante la operación, la fricción crea energía vibratoria en una frecuencia de alrededor de 30 kilohertz (kHz), y se crea un faro de ultrasonidos. Al tomar mediciones periódicas de ultrasonidos y llevando tendencias con estos valores, se puede conocer el estado actual del sistema de lubricación de la máquina y de la mísma, durante la operación. Normalmente, se toman lecturas de ultrasonidos cada dos semanas o mensuales.
FIGURA 15 – Mediciones Periódicas de los niveles de Ultrasonidos y tendencia generada.
La grasa se bombea, midiendo los niveles de los ultrasonidos, hasta que un chorro genere un ligero aumento en dB. Después del ligero aumento, el nivel de dB reanuda su decadencia hasta que un chorro adicional resulta en otro ligero aumento seguido de otro declive. Se añaden chorros de grasa hasta que los niveles aumentan y no disminuyen. Esto indica que la cavidad del rodamiento se llena hasta el punto de que los elementos rodantes están continuamente empujando la grasa nueva. 3.5.3.2. Falta de Lubricación. A medida que la película del lubricante se reduce, hasta el punto de que la fricción aumenta notablemente., el nivel de sonido aumenta. Por encima de los 8dB de la línea base, acompañado con un sonido uniforme y veloz, indicará la falta de lubricación.
32
Cuando se lubrique, se debe añadir sólo lo suficiente como para regresar a las lecturas de la línea de base. Algunos lubricantes necesitan tiempo para cubrir en forma uniforme las superficies. Se debe lubricar de a pequeñas cantidades por vez. No sobre
lubrique.
FIGURA 16 – Imágenes Termográficas tomadas antes y después de relubricar.
3.5.3.3. Sobre lubricación. Es una de las causas más comunes de fallas. El exceso de presión del lubricante usualmente rompe o provoca el estallido de los sellos o causa incremento de calor, el que provoca fatiga y deformación. No se debe lubricar si la calidad de sonido se mantiene así como las lecturas de la línea base. Cuando se lubrique, se debe añadir sólo lo suficiente como para regresar a las lecturas de la línea base. 3.5.3.4. Rodamientos de Baja Velocidad. Es posible monitorear con Ultrasonido los rodamientos de baja velocidad que siempre son un problema de monitorear con vibraciones. Debido al rango de sensibilidad y la sintonización de frecuencia, es posible escuchar la calidad de sonido de los mismos. Sólo para aquellos extremadamente lentos (menos de 25 rpm), es necesario a menudo no prestar atención al display y sólo escuchar el sonido. En esas situaciones extremas, son rodamientos usualmente grandes y engrasados con lubricantes de alta viscosidad. La mayoría de las veces no se oirá sonido alguno, pues el lubricante absorbe
33
casi toda la energía acústica. Si algún sonido se oyera (usualmente tipo crackling), es señal de deformación en proceso. Una vez definida la línea base (decibeles para un funcionamiento normal) el siguiente Cuadro sugerido, muestra un análisis del comportamiento y su acción para ejecutar el mantenimiento. Cuadro 2: Análisis de comportamiento y acción de mantenimiento. Modo de falla del rodamiento
Decibeles sobre la línea base
Acción
Pre-falla o falta de lubricación
8 – 10 db
Lubricar y retomar lecturas.
Primeros síntomas o comienzo de la falla
10 – 12 db
Vigilar en el tiempo
Falla
16 db
Programar su reemplazo (próximo periodo conveniente)
Falla catastrófica
35 – 50 db
Remover y reemplazar de inmediato
3.5.4. Detección de Fugas. Cuando un gas pasa a través de un orificio restringido bajo presión, está pasando de un flujo laminar presurizado a un flujo de baja presión turbulento (ver Fig.17). La turbulencia genera un amplio espectro de sonido llamado “ruido blanco” (White Noise).
Existen componentes ultrasónicas en el mismo. Como el mayor nivel de ultrasonido estará ubicado en el sitio de la fuga, la detección de esas señales será muy simple.
FIGURA 17 – Fuga a Presión.
Una fuga puede encontrarse en un sistema presurizado o en un sistema en vacio. En ambas instancias, el ultrasonido será producido como se ha descrito. La única diferencia entre los dos es que una fuga de vacío produce una amplitud menor que la de presión bajo la misma relación de flujo. La razón de ello es que la turbulencia producida por la fuga de vacío ocurre dentro de una cámara de vacío, mientras la turbulencia de una fuga en presión es generada en la atmósfera (Fig.18). 34
FIGURA 18 – Fuga en Vacio.
Generalmente, cualquier gas, incluyendo aire, producirá turbulencia cuando se escapa a través de un orificio restringido. A diferencia de los sensores para gases específicos, el equipo de Ultrasonido es específicamente para sonido. Un sensor de un gas específico está limitado a ese gas en particular para el que ha sido diseñado para sensar, como por ejemplo el helio. El equipo de Ultrasonido puede sensar cualquier fuga de gas pues detecta el ultrasonido producido por la turbulencia de la fuga. El ultrasonido ofrece una forma rápida y precisa como método para detectar diminutas como importantes fugas. Como el ultrasonido es una señal de onda corta, los elementos de ultrasonido de una fuga serán más intensos y más claros de percibir en el lugar de la pérdida. En una fábrica de ambiente ruidoso, este aspecto del ultrasonido lo hace incluso más útil. La mayoría de los sonidos de ambiente en una fábrica bloqueará los elementos de baja frecuencia de una pérdida y por eso hará inútil a la inspección de pérdidas por vía audible. Escaneando el área con el equipo de ultrasonido, el usuario puede rápidamente ubicar la fuga.
FIGURA 19 – Búsqueda de fugas con Equipo de Ultrasonido.
35
Debido a su versatilidad, puede ser utilizado en una amplia variedad de detecciones de fugas. Sistemas neumáticos pueden ser chequeados, cables presurizados, como los utilizados en compañías telefónicas. Sistemas de frenos de aires en autos, camiones y buses. Tanques, cañerías, cámaras de vacío, sistemas para manipular materiales, condensadores, sistemas de oxígeno pueden ser fácilmente inspeccionados por fugas atendiendo la turbulencia de la fuga. Según Alan Urwick, director de U.S. Based Anovotek Energy, una planta que gasta más de $1 millón de dólares anuales en aire comprimido; entre $75,000 dólares y $100,000 dólares son del aire que se pierde debido a las fugas.
3.5.5. Inspección de Trampas de Vapor. Una inspección ultrasónica en trampas de vapor es recomendable. La principal ventaja es que aísla el área bajo prueba eliminando los ruidos de fondo que confunden. Un usuario puede ajustar rápidamente para reconocer diferencias entre varias de ellas, de la que existen tres tipos: mecánica, termostática y termodinámica. Cuando se inspeccionan trampas de vapor por ultrasonido se debe:
Determinar qué tipo de trampa está en la línea.
Hay que familiarizarse con su operación. Es una trampa de drenaje intermitente o continua.
Tratar de verificar si está en operación; si está caliente o fría, utilizando un termómetro infrarrojo.
Utilizar el módulo de contacto.
Setear la frecuencia a 25KHz.
Tratar de inspeccionarla hacia el lado de descarga.
Escuchar el flujo de operación de la trampa.
Si el flujo es intermitente usualmente son del tipo cubos invertidos, termodinámicas (disco) y termostáticas (bajo cargas livianas). Si son de flujo continuo: incluye el flotador, flotador y termostática.
36
Mientras se inspeccionan las intermitentes, escuchar lo suficiente para determinar la medida del ciclo completo. En algunos casos, puede tomar más de 30 segundos. Tener en mente que a mayor carga que le llega, más largo es el periodo de tiempo que permanece abierta. Al chequear por ultrasonido, un sonido continuo y veloz será un indicador del paso de vapor. Hay sutilezas para cada tipo de trampa que pueden notarse. Utilice los niveles de sensibilidad para ayudarse en la inspección. Si se va a inspeccionar un sistema de baja presión, ajuste la sensibilidad al máximo; si es un sistema por encima de los 100 psi, reduzca la sensibilidad. 3.5.5.1. Tipos de Trampas de Vapor. a) Cubos Invertidos: Normalmente fallan en la posición de abierto porque la trampa pierde su premisa. Esta condición significa una pérdida completa y no parcial. Ya no operará en forma intermitente. Al lado de un continuo rápido sonido, otra pista para determinarlo es que el sonido del cubo resuena contra el lado de la trampa. b) Flotación y Termostática: Falla normalmente en la posición cerrado. La fuga producida por un agujero del tamaño de la cabeza de un alfiler en la bola del flotador causará que deje de flotar o que un golpe de agua haga que el flotador colapse. Al estar la trampa totalmente cerrada, no habrá ningún sonido. En adición, se debe verificar el elemento termostático en el flotador y la trampa termostática. Si la trampa opera correctamente, es un elemento estático, si se escucha un sonido rápido, indica que o vapor o gas fluye por la ventilación de aire lo que indica que ha fallado en posición abierto, y está malgastando energía. c) Termodinámica(disco): Trabajan con la diferencia en respuesta dinámica a la velocidad del cambio del flujo de fluidos comprimibles o no. El vapor ingresa, una presión estática por encima del disco fuerza el disco contra el asiento de la válvula. Una presión estática sobre áreas grandes provoca el ingreso de vapor a presión. 37
Como empieza a condensarse, la presión contra el disco baja y la trampa hace su ciclo. Un buen disco de trampa debe realizar su ciclo (sostener-descargar-sostener) 4 a 10 veces por minuto. Cuando falla, usualmente lo hace en modo abierto, permitiendo el flujo de vapor. d) Termostática: Opera con la diferencia de temperatura entre condensación y vapor. Condensan para que la temperatura caiga a cierto nivel bajo la temperatura de saturación de modo que la trampa se abre.
3.5.6. Inspección de Fallas en Válvulas. Utilizando el módulo de contacto del equipo de Ultrasonido, pueden ser monitoreadas las válvulas y se puede determinar si funcionan correctamente. Sea líquido o gas lo que fluye por la tubería; hay una pequeña o ninguna turbulencia generada, excepto ante curvaturas u obstáculos. En el caso de pérdidas, el líquido o gas que escapa está pasando de un área de alta a baja presión, creando turbulencia en el lado de poca presión o de “descarga”
(aguas abajo). Esto produce ruido blanco. La componente ultrasónica de éste es mucho más fuerte que la componente audible. Si es una pérdida interna, las emisiones ultrasónicas generadas, serán detectadas por el equipo.
FIGURA 20 – Inspección de Válvulas con Ultrasonido.
38
El sonido de una válvula que tiene pase, variará dependiendo de la densidad del líquido o gas. A veces se escuchará como un sutil sonido de craqueo, y otras un fuerte y rápido sonido. La calidad del sonido depende de la viscosidad y diferenciales de presión interna de la tubería. Sin embargo, agua a alta presión corriendo a través de una válvula abierta parcialmente puede sonar muy parecido a vapor. Una válvula con un sello apropiado no generará sonido alguno. En situaciones de alta presión, el ultrasonido generado dentro del sistema será tan intenso que la onda superficial viajará desde otras válvulas o partes del sistema y hará dificultoso el diagnóstico de pérdida. En este caso es posible aún diagnosticar la válvula comparando las diferencias de intensidad sónica.
3.5.7. Fugas Bajo Tierra. La detección de pérdidas bajo tierra depende del ultrasonido generado por una pérdida en particular. Algunas pérdidas lentas emiten poco ultrasonido. Complicando el problema, está el hecho de que la tierra tiende a aislar el ultrasonido. Adicionalmente, la tierra no firme absorberá más ultrasonido que tierra firme. Si la pérdida está cerca de alguna superficie y es importante, será rápidamente localizada. Las más sutiles pérdidas serán detectadas pero con algún esfuerzo adicional. En algunas instancias será necesario crear presión en la línea para generar un flujo mayor y por ende mayor ultrasonido. En otros casos será necesario drenar el área de la tubería en la zona de la pérdida. Este último ha sido probado exitosamente. Es posible inyectar gas en el área bajo prueba de la tubería sin drenarla. El gas presurizado se moverá a través de la tubería y producirá el sonido de un crujido en el sitio de la fuga, que puede ser detectado por el equipo de Ultrasonido. Para la inspección se utiliza el modo de contacto, pero en algunos casos será necesario llegar cerca de la fuente de la pérdida. En esta situación use una jabalina de metal delgada para clavarla cerca pero sin tocar la tubería. Se debe tocar la punta de prueba a la jabalina y buscar un sonido de pérdida. Debe repetirse aproximadamente cada 1-3 pies hasta que el sonido de la pérdida es escuchado. Para localizar el área, gradualmente posicione la jabalina hasta que el sonido de la pérdida se encuentre en su punto máximo.
39
Una alternativa al método anterior es utilizar un disco de metal o moneda y dejarla caer en el área de inspección. Tocar el disco o moneda y escuchar a 20KHz. Será útil cuando inspeccione concreto o asfalto el eliminar los sonidos tipo “arañazo”
causada por ligeros movimientos del estetoscopio por esas superficies.
3.5.8. Pérdidas por las Paredes. Para realizar inspecciones de pérdidas a través de paredes se deben buscar marcas de agua o vapor, como decoloración, puntos en la pared o techo, etc. Si es vapor, de debe tratar de sentir los puntos tibios en la pared o techo o se puede utilizar un termómetro infrarrojo. Se debe ajustar la frecuencia a 20KHz de su equipo de ultrasonido y usar el estetoscopio. Se deben buscar sonidos de pérdida. A mayor fuerza en la señal, más cerca se está del sitio de la pérdida.
3.5.9. Bloqueo Parcial. Cuando existe un bloqueo parcial en un sistema, se produce una condición similar a una válvula by pass. El bloqueo parcial generará señales ultrasónicas (producidas por la turbulencia aguas abajo). Si se sospecha el bloqueo, una sección de la tubería debe ser inspeccionada de entre varios intervalos. El mayor ultrasonido se dará en el sitio del bloqueo parcial.
3.5.10. Dirección del Flujo. El flujo en las tuberías se incrementa en intensidad cuando pasa por una restricción o curva. Como el flujo viaja aguas arriba, hay un incremento de la turbulencia y por lo tanto de la intensidad del elemento ultrasónico de esa turbulencia en la restricción del flujo. Al inspeccionar la dirección del flujo, los niveles de ultrasonido tendrán mayor intensidad en el lado aguas abajo que en el lado aguas arriba.
40
3.5.11. Prueba con el Generador de Tono. Adicionalmente algunos equipos de ultrasonido traen un equipo de generación de ondas ultrasónicas, que sirve para verificar la calibración el equipo y realizar algunas inspecciones donde no existe una generación de ultrasonidos. Es un método para inspección no destructivo el cual es usado cuando es difícil presurizar o generar vacío en un sistema. Tiene aplicación en inspección de contenedores, tubos, tuberías, cargas, soldaduras, compuertas, sellados, puertas, ventanas, y muchos otros más. La prueba se hace ubicando un transmisor ultrasónico llamado generador de tonos, dentro (o en un extremo) del ítem en inspección. La señal tipo pulso de trino del generador de tonos instantáneamente inundará el ítem bajo prueba y penetrará cualquier orificio de fuga. Dependiendo de la configuración y material, incluso en puntos de ciertos metales la señal puede hacer vibrar. Escaneando por penetración sónica en la superficie exterior (o sitio opuesto) del ítem en inspección con el equipo de ultrasonido, la fuga será detectada.
41
CONCLUSIONES. 1. Como no existe otra estrategia de mantenimiento que brinde más tiempo para la planificación y programación que el mantenimiento predictivo; éste debería ser su primera fuente de mantenimiento programado. 2. Los trabajos planificados siempre son más eficientes y menos costosos que los trabajos no planificados. 3. Se eliminan las paradas no programadas causadas por fallos en los equipos o sistemas. 4. Los reducen los altos costos de mantenimiento causados por la combinación de métodos de gestión ineficientes y la escasez de tiempo. 5. El conocimiento de la condición de los activos representan una oportunidad importante para casi todas las instalaciones de producción en todo el mundo. 6. El uso eficaz de las tecnologías predictivas proporciona una gran ventaja; se puede reducir entre el 35% al 60% de los gastos de mantenimiento. 7. Escuchando los problemas en una etapa temprana, los daños son mínimos y el mantenimiento requerido se completa con un impacto menor sobre las operaciones del proceso. 8. Cambios microscópicos en las fuerzas de fricción son detectables con pruebas de ultrasonido bastante tiempo antes de que la máquina entre al estado crítico de la falla, proveyendo una ventana más amplia para planificar el mantenimiento. 9. Una planta que gasta más de $1 millón de dólares anuales en aire comprimido, entre $75,000 dólares y $100,000 dólares son del aire que se pierde debido a las fugas, sino se cuenta con un programa de gestión de fugas. 10. El Ultrasonido puede ayudarle a ofrecer la cantidad correcta del lubricante correcto para el lugar correcto en el momento adecuado, y aumentar la fiabilidad de la maquinaria, la reducción de residuos y minimizar los costos.
42
