Мониторинг состояния

Мониторинг состояния (в просторечии CM ) — это процесс мониторинга параметра состояния оборудования (вибрация, температура и т. д.) с целью выявления значительных изменений, указывающих на развивающуюся неисправность. Это основной компонент профилактического обслуживания . Использование мониторинга состояния позволяет планировать техническое обслуживание или предпринимать другие действия для предотвращения косвенных убытков и предотвращения их последствий. Мониторинг состояния имеет уникальное преимущество: условия, которые могут сократить нормальную продолжительность жизни, можно устранить до того, как они перерастут в серьезный сбой. Методы мониторинга состояния обычно используются на вращающемся оборудовании, вспомогательных системах и других машинах, таких как оборудование с ременным приводом (компрессоры, насосы , электродвигатели , двигатели внутреннего сгорания, прессы), в то время как периодические проверки с использованием методов неразрушающего контроля (NDT) и пригодности. для обслуживания (ФФС) оценки используются для статического оборудования электростанций, такого как паровые котлы , трубопроводы и теплообменники .

Технология мониторинга состояния

В следующий список включены основные методы мониторинга состояния, применяемые в промышленном и транспортном секторах:

• Обзор мониторинга состояния
• Анализ и диагностика вибрации
• Анализ смазочных материалов
• Акустическая эмиссия
• Инфракрасная термография
• УЗИ
• Датчики состояния масла
• Мониторинг состояния двигателя и анализ характеристик тока двигателя (MCSA)
• Системы напряжения и тока на основе моделей (системы MBVI)

Большинство технологий КМ стандартизируются ISO и ASTM .

Вращающееся оборудование

Вращающееся оборудование — это общий отраслевой термин , включающий в себя редукторы, поршневые и центробежные машины.

Наиболее часто используемый метод для вращающихся машин — это анализ вибрации .

Измерения можно проводить на корпусах подшипников машин с помощью акселерометров (сейсмических или пьезоэлектрических датчиков) для измерения вибраций корпуса, а на подавляющем большинстве ответственных машин - с помощью вихретоковых датчиков, которые непосредственно наблюдают за вращающимися валами для измерения радиальных (и осевое) смещение вала. Уровень вибрации можно сравнить с историческими базовыми значениями, такими как предыдущие запуски и остановки, а в некоторых случаях с установленными стандартами, такими как изменения нагрузки, чтобы оценить серьезность. OEM-производители машин и деталей также определяют пределы вибрации на основе конструкции машины или ее внутренних частей, например, частоты отказов подшипников.

Интерпретация полученного вибрационного сигнала — сложная процедура, требующая специальной подготовки и опыта. Это упрощается за счет использования самых современных технологий, которые автоматически обеспечивают большую часть анализа данных и предоставляют информацию вместо необработанных данных. Одним из широко используемых методов является исследование отдельных частот, присутствующих в сигнале. Эти частоты соответствуют определенным механическим компонентам (например, различным деталям, из которых состоит подшипник качения ) или определенным неисправностям (таким как дисбаланс или несоосность вала). Изучая эти частоты и их гармоники, специалист по КМ часто может определить местоположение и тип проблемы, а иногда и ее первопричину. Например, высокая вибрация на частоте, соответствующей скорости вращения, чаще всего возникает из-за остаточной дисбаланса и исправляется балансировкой машины. С другой стороны, разрушающийся подшипник качения обычно проявляет сигналы вибрации на определенных частотах, интенсивность которых увеличивается по мере его износа. Специальные инструменты анализа могут обнаружить этот износ за несколько недель или даже месяцев до отказа, давая достаточное предупреждение о необходимости плановой замены до того, как произойдет отказ, который может привести к гораздо более длительному простою. Помимо всех датчиков и анализа данных, важно иметь в виду, что более 80% всего сложного механического оборудования выходят из строя случайно и независимо от срока их жизненного цикла.

Большинство инструментов анализа вибрации сегодня используют быстрое преобразование Фурье (БПФ). которое является частным случаем обобщенного дискретного преобразования Фурье и преобразует сигнал вибрации из его представления во временной области в эквивалентное представление в частотной области . Однако частотный анализ (иногда называемый спектральным анализом или анализом сигнатуры вибрации) — это лишь один из аспектов интерпретации информации, содержащейся в сигнале вибрации. Частотный анализ, как правило, наиболее полезен в машинах, в которых используются подшипники качения и основные виды отказов которых, как правило, заключаются в деградации этих подшипников, которые обычно демонстрируют увеличение характеристических частот, связанных с геометрией и конструкцией подшипников. В зависимости от типа машины, ее типичных неисправностей, типа используемых подшипников, скорости вращения и других факторов специалист по КМ может использовать дополнительные диагностические инструменты, такие как исследование сигнала во временной области, фазовое соотношение между компонентами вибрации и синхронизация. метка на машинном валу (часто известная как keyphasor ), исторические тенденции уровней вибрации, формы вибрации и множество других аспектов сигнала, а также другую информацию о процессе, такую ​​как нагрузка, температура подшипников, скорость потока, положение клапана и давление, для обеспечения точной диагностики. Это особенно справедливо для машин, в которых используются жидкостные подшипники , а не подшипники качения . Чтобы иметь возможность просмотреть эти данные в более упрощенной форме, аналитики вибрации или инженеры по диагностике оборудования использовали ряд математических графиков, чтобы показать проблемы машины и рабочие характеристики. Эти графики включают график Боде , водопадный график , полярный график и график базы времени орбиты среди прочего.

Портативные сборщики и анализаторы данных в настоящее время являются обычным явлением на некритических или балансовых машинах, на которых постоянное вибрационное оборудование не может быть экономически оправдано. Техник может собрать образцы данных с нескольких машин, а затем загрузить данные в компьютер, где аналитик (а иногда и искусственный интеллект) может проверить данные на предмет изменений, указывающих на неисправности и предстоящие сбои. Для более крупных и критически важных машин, где последствия для безопасности, перебои в производстве (так называемые «прости»), замена деталей и другие затраты, связанные с отказом, могут быть значительными (определяемыми индексом критичности), обычно используется система постоянного мониторинга, а не полагаться на о периодическом сборе данных с помощью портативных устройств. Однако диагностические методы и инструменты, доступные при любом подходе, в целом одинаковы.

В последнее время системы онлайн-мониторинга состояния стали применяться и в тяжелых перерабатывающих отраслях, таких как водная, сталелитейная, нефтегазовая, целлюлозно-бумажная, горнодобывающая, нефтехимическая и ветроэнергетика.

Мониторинг производительности — менее известный метод мониторинга состояния. Его можно применять к вращающимся машинам, таким как насосы и турбины, а также к стационарным объектам, таким как котлы и теплообменники. Требуются измерения физических величин: температуры, давления, расхода, скорости, смещения в зависимости от изделия установки. Абсолютная точность необходима редко, но необходимы повторяемые данные. Обычно необходимы калиброванные испытательные приборы, но некоторый успех был достигнут на предприятиях с РСУ (распределенными системами управления). Анализ производительности часто тесно связан с энергоэффективностью и поэтому уже давно применяется на теплоэлектростанциях. В некоторых случаях можно рассчитать оптимальные сроки проведения капитального ремонта для восстановления ухудшенных характеристик.

Системы напряжения и тока на основе моделей (системы MBVI): это метод, который использует информацию, доступную из сигналов тока и напряжения. одновременно во всех трех фазах. Системы, основанные на моделях, способны идентифицировать многие из одинаковых явления, которые также наблюдаются с помощью более традиционных методов, включая электрические, механические и эксплуатационные. области. Системы на основе моделей работают на линиях, показанных на рисунке 6 ниже, и измеряют как ток, так и напряжение. пока двигатель работает, а затем автоматически создает математическую модель взаимосвязи между током и напряжением. Применяя эту модель к измеренному напряжению, можно получить смоделированный ток. рассчитывается и сравнивается с фактически измеренным током. Отклонения между измеренными ток и смоделированный ток представляют собой недостатки в системе двигателя и приводимого оборудования, который можно проанализировать с помощью комбинации вектора Парка, чтобы упростить трехфазные токи в две ортогональные фазы (D&Q), анализ Фурье для получения графика спектральной плотности мощности и алгоритмический оценка результирующего спектра для выявления конкретных неисправностей или видов отказов. Эти системы предназначены для стационарной установки в качестве решения для мониторинга состояния, а не в качестве устройства кратковременной диагностики, а их выходы могут быть интегрированы в обычную установку. системы. Благодаря постоянной связи исторические тенденции фиксируются автоматически.

Тип вывода, который могут создавать эти типы устройств, включает в себя одноэкранные изображения со светофором. общая эксплуатация оборудования, а также диагностика ряда механических, электрических и эксплуатационных неисправностей. проблемы, а также графики тенденций, показывающие, как эти параметры меняются с течением времени. Концепция этого Тип устройства заключается в том, что его могут использовать обычные операторы и специалисты по техническому обслуживанию без необходимости специализированная интерпретация спектров, хотя при необходимости доступны основные спектральные графики. Виды неисправностей, которые можно обнаружить, включают ряд механических проблем, таких как дисбаланс, несоосность и проблемы с подшипниками в двигателе и приводном оборудовании, а также электрические проблемы. включая пробой изоляции, ослабление обмоток статора, проблемы с пазами ротора, дисбаланс тока или напряжения, и гармонические искажения. Поскольку эти системы измеряют как ток, так и напряжение, они также контролируют мощность и способны выявлять проблемы, вызванные необычными условиями эксплуатации, и выявлять причины потерял эффективность. Поскольку системы, основанные на моделях, исследуют только разницу между фактическими и прогнозируемыми токами, они эффективно отфильтровывают все обычные электрические сигналы, которые так очевидны в обычном токе двигателя. Спектральный анализ (MCSA), оставляющий для анализа гораздо более простой набор сигналов. Поскольку эти системы основаны на взаимосвязи между напряжением и током, они хорошо справляются с системы с инверторным управлением, в которых входное напряжение может иметь переменную частоту и могут возникать шумы. Форма сигнала с высоким содержанием гармонических составляющих. Системы на основе моделей эффективно отфильтровывают весь этот шум в сигнал напряжения из результирующего сигнала тока, оставляя только основные недостатки. Простота использования и низкая стоимость этого типа оборудования делают его подходящим для более низких затрат и снижения затрат. оборудование критичности.

Концепция систем, основанных на моделях

Другие методы

• Часто визуальные проверки считаются основным компонентом мониторинга состояния, однако это верно только в том случае, если результаты проверки можно измерить или подвергнуть критике на основе документированного набора руководящих принципов. Чтобы эти проверки считались мониторингом состояния, необходимо сопоставить результаты и условия на момент наблюдения, чтобы можно было провести сравнительный анализ с предыдущими и будущими измерениями. Простой визуальный осмотр участка трубопровода на наличие трещин или утечек не может считаться контролем состояния, если не существуют поддающиеся количественной оценке параметры, подтверждающие проверку, и не проводится относительное сравнение с предыдущими проверками. Действие, выполняемое отдельно от предыдущих проверок, считается оценкой состояния. Мероприятия по мониторингу состояния требуют, чтобы анализ проводился в сравнении с предыдущими данными и сообщал о тенденциях этого сравнения.
• Небольшие колебания температуры на поверхности можно обнаружить при визуальном осмотре и неразрушающем контроле с помощью термографии . Нагрев указывает на выход из строя компонентов, особенно на ухудшение электрических контактов и выводов. Термография также может быть успешно применена к высокоскоростным подшипникам, гидромуфтам, конвейерным роликам и внутренним отложениям в резервуарах для хранения.
• Сканирующий электронный микроскоп может сделать изображение тщательно взятого образца мусора, взвешенного в смазочном масле (взятого из фильтров или магнитных чип-детекторов). Затем инструменты выявляют содержащиеся в них элементы, их пропорции, размер и морфологию. Используя этот метод, можно определить место, механизм механического повреждения и время до возможного отказа. Это называется WDA – анализ остатков износа.
• Спектрографический анализ масла, проверяющий химический состав масла, можно использовать для прогнозирования режимов отказа. Например, высокое содержание кремния и алюминия указывает на загрязнение или песок (силикаты алюминия) и т. д., а высокое содержание железа указывает на изнашивание компонентов. По отдельности элементы дают четкую индикацию, но при совместном использовании они могут очень точно определить виды неисправности, например, для двигателей внутреннего сгорания наличие железа (втулка), алюминия (поршень) и хрома (кольца) будет указывать на износ верхней части цилиндра.
• Ультразвук можно использовать для высокоскоростных и низкоскоростных механических операций, а также для жидкостей под высоким давлением. Цифровые ультразвуковые измерители измеряют высокочастотные сигналы от подшипников и отображают результат в виде значения дБмкВ (децибел на микровольт). Это значение имеет тенденцию с течением времени и используется для прогнозирования увеличения трения, трения, ударов и других дефектов подшипников. Значение dBuV также используется для прогнозирования правильных интервалов замены смазки. Ультразвуковой мониторинг, если все сделано правильно, может оказаться отличным дополнением к анализу вибрации.

Наушники также позволяют людям слушать ультразвук. Высокий «жужжащий звук» в подшипниках указывает на дефекты контактных поверхностей, а при частичном засорении в жидкостях под высоким давлением отверстие вызывает сильный ультразвуковой шум. Ультразвук используется в методе ударного импульса. мониторинга состояния.

• Анализ производительности, при котором физическая эффективность, производительность или состояние определяются путем сравнения фактических параметров с идеальной моделью. Ухудшение качества обычно является причиной различий в показаниях. После двигателей центробежные насосы, пожалуй, являются наиболее распространенными машинами. Мониторинг состояния с помощью простого теста напора вблизи рабочей точки с использованием повторяемых измерений используется уже давно, но может получить более широкое распространение. Расширение этого метода можно использовать для расчета наилучшего времени для капитального ремонта насоса на основе баланса стоимости капитального ремонта и увеличения потребления энергии, которое происходит по мере износа насоса. Авиационные газовые турбины также обычно контролируются с использованием методов анализа производительности, при этом производители оригинального оборудования, такие как Rolls-Royce plc, регулярно контролируют весь парк авиационных двигателей в соответствии с соглашениями о долгосрочном обслуживании (LTSA) или пакетами Total Care.
• Датчики обнаружения частиц износа способны обнаруживать частицы износа из черных и цветных металлов в смазочном масле, предоставляя значительную информацию о состоянии измеряемого оборудования. Создавая и отслеживая тенденцию образования мусора, можно обнаружить неисправности до катастрофического отказа вращающегося оборудования, такого как коробки передач, турбины и т. д.

Индекс критичности

Индекс критичности часто используется для определения степени мониторинга состояния конкретной машины с учетом назначения машины, резервирования (т. е. в случае выхода машины из строя, есть ли резервная машина, которая может его взять на себя), стоимости ремонта, последствий простоя, вопросы здравоохранения, безопасности и окружающей среды, а также ряд других ключевых факторов. Индекс критичности относит все машины к одной из трех категорий:

1. Критическое оборудование – машины, которые жизненно важны для предприятия или процесса и без которых предприятие или процесс не могут функционировать. К машинам этой категории относятся паровые или газовые турбины на электростанциях, насосы для откачки сырой нефти на нефтяной вышке или установка крекинга на нефтеперерабатывающем заводе. Поскольку в центре процесса находится критически важное оборудование, очевидно, что требуется полный онлайн-мониторинг состояния для постоянной записи как можно большего количества данных с машины, независимо от затрат, и это часто предусмотрено страховкой завода. Там, где это возможно, проводятся такие измерения, как нагрузки, давления, температуры, вибрация и смещение корпуса, осевое и радиальное смещение вала, скорость и дифференциальное расширение. Эти значения часто передаются обратно в пакет программного обеспечения для управления оборудованием, который способен анализировать тенденции исторических данных и предоставлять операторам такую ​​информацию, как данные о производительности, и даже прогнозировать неисправности и обеспечивать диагностику неисправностей до того, как они произойдут.
2. Основное оборудование — агрегаты, которые являются ключевой частью процесса, но в случае сбоя процесс все равно продолжается. В эту область попадают резервные единицы (если они имеются). Тестирование и контроль этих агрегатов также необходимы для реализации альтернативных планов на случай выхода из строя критического оборудования.
3. Общее назначение или баланс машин завода. Это машины, которые составляют остальную часть завода и обычно контролируются с помощью портативного устройства сбора данных, как упоминалось ранее, для периодического создания картины состояния машины.

См. также

• Обработка вибраций
• Метод ударного импульса
• Системы мониторинга работоспособности и использования

Дальнейшее чтение

• BS ISO 13372: «Контроль состояния и диагностика машин. Словарь» (2012 г.)
• ИСО (2018). ISO 17359:2018, Мониторинг состояния и диагностика машин. Общие рекомендации . Международная организация по стандартизации (ISO).
• Саймон Р.В. Миллс (2010). Справочник по мониторингу и анализу вибрации – (INST397) . Британский институт неразрушающего контроля . ISBN  978-0-903132-39-8 .
• Чарльз В. Ривз (1998). Справочник по мониторингу вибрации . издательства Coxmoor Publishing Co. ISBN  978-1-901892-00-0 .
• Тревор М. Хант и Джон С. Эванс (2008). Справочник по анализу нефти . издательства Coxmoor Publishing Co. ISBN  978-1-901892-05-5 .
• BS ISO 13374: «Мониторинг состояния и диагностика машин. Обработка, передача и представление данных (части 1-3)» (2012 г.)
• BS ISO 13381-1: «Контроль состояния и диагностика машин. Прогнозирование. Общие рекомендации» (2004 г.)
• ISO 20958:2013 Мониторинг состояния и диагностика систем машин. Анализ электрических характеристик трехфазных асинхронных двигателей.
• ISO 18095: «Контроль состояния и диагностика силовых трансформаторов» (2018 г.)