Download Predictivo basado en analisis de vibraciones

MANTENIMIENTO MINERO:
GESTION ESTRATEGICA PARA LA
OPTIMIZACION DE PROCESOS
MODULO II:
Mantenimiento Predictivo en minería
Índice temático
1. Gestión del mantenimiento Predictivo en Minería
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
Evolución histórica del mantenimiento.
Elaboración de la estrategia de Mantenimiento.
Tipos de tácticas de mantenimiento, ventajas y desventajas.
Confiabilidad y Disponibilidad.
Optimización de la economía del Mantenimiento, Life Cicle Cost.
Aplicabilidad del Monitoreo de condición
Clasificación de las técnicas predictivas por el tipo de síntoma monitoreado
2. Mantenimiento Predictivo basado en análisis de vibraciones
(evaluación de efectos dinámicos)
3. Mantenimiento Predictivo basado en análisis de aceites (evaluación
de efectos de partículas y químicos)
4. Mantenimiento Predictivo basado en el análisis de temperatura
(evaluación de efectos térmicos)
5. Mantenimiento Predictivo de máquinas eléctricas
6. Mantenimiento Predictivo basado en la medición de corrosión
7. Mantenimiento Predictivo basado en ensayos no destructivos
(evaluación de efectos físicos)
8. Taller, casos prácticos
Mantenimiento Predictivo
basado en análisis de
vibraciones (evaluación de
efectos dinámicos)
Clasificación
de técnicas
de Monitoreo
de condición
de equipos
Clasificación de técnicas de
Monitoreo de condición
Las técnicas de monitoreo de condición no
son más que versiones altamente sensibles
de los sentidos humanos. Reaccionan a los
síntomas de un fallo potencial (ruido, olor,
calor) de la misma manera que los sentidos
humanos, con lo que las técnicas de
monitoreo de condición son diseñadas para
detectar síntomas específicos (vibración,
temperatura, calor).
Clasificación de técnicas de MDC
Efectos dinámicos
Efectos de partícula
Efectos químicos
Efectos físicos
Efectos de temperatura
Efectos eléctricos
Efectos dinámicos
El monitoreo dinámico detecta los fallos
potenciales (específicamente aquellos que
están asociados con equipos rotativos) que
causan cantidades anormales de energía
emitida en la forma de ondas tales como
vibración, pulsaciones y efectos acústicos.
Efectos de partícula
El monitoreo de partículas detecta
fallos potenciales que causan que se
desprendan al ambiente partículas de
diferentes tamaños y formas.
Efectos químicos
El monitoreo químico detecta fallos
potenciales que causan que se
desprendan cantidades mensurables
de elementos químicos al ambiente.
Efectos físicos
Los efectos de los fallos físicos abarcan
cambios en la apariencia física o
estructura del equipo que se pueden
detectar directamente. Las técnicas de
monitorización asociadas detectan los
fallos potenciales en forma de grietas,
roturas, efectos visibles del desgaste y
cambios de dimensiones.
Efectos de temperatura
Las técnicas de monitoreo de temperatura
buscan fallos potenciales que causan un
aumento de la temperatura del equipo en
si (en lugar de un aumento en la
temperatura del material que se está
procesando con el equipo)
Efectos eléctricos
Las técnicas de monitoreo eléctrico
buscan cambios en la resistencia,
conductividad, tensión y resistencia
dieléctrica.
Forma de descripción de técnicas
Las condiciones de fallo potencial con la
técnica diseñada para detectarlo.
Sus aplicaciones.
Los intervalos P-F generalmente asociados
con la técnica (sólo referencia).
Funcionamiento.
El nivel de destreza necesario para aplicar
la técnica.
Las ventajas de la técnica
Las desventajas de la técnica
Análisis de vibraciones
Evaluación de Vibraciones de las
máquinas
Cada máquina rotativa presenta una
vibración característica que se conoce como
firma de vibración.
Esta señal está condicionada por su
diseño, fabricación, uso y desgaste de cada
uno de sus componentes.
Conocer la naturaleza de la vibración que
cada máquina presenta, puede ser la llave
para lograr un importante ahorro de costes
de operación y mantenimiento.
Qué es una vibración?
Una vibración es un movimiento oscilatorio
de pequeña amplitud.
Todos los cuerpos presentan una señal de
vibración característica.
Las máquinas presentan su propia señal de
vibración y la información de cada uno de sus
componentes.
Una señal de vibración capturada de una
máquina se compone de la suma de la vibración
de cada uno de sus componentes.
Vibración simple
Frecuencia y Amplitud
Fase
Vibración compuesta
Otros tipos de vibraciones
1. La vibración aleatoria
2. Los golpeteos intermitentes
3. La modulación de amplitud (AM)
La Vibración aleatoria
Los golpeteos
intermitentes
AM
Transformada de Fourier
Fourier (1768 - 1830) encontró la forma de
representar una señal compleja en el dominio
del tiempo por medio de series de curvas
sinusoidales con valores de amplitud y
frecuencia específicos.
Un analizador de espectros que trabaja con la
transformada rápida de Fourier (FFT), captura
una señal compleja y calcula todas las series
de señales sinusoidales que contiene y las
muestra de forma individual en una gráfica de
espectro.
Transformada de Fourier
Desplazamiento, velocidad y aceleración
Magnitudes en frecuencia
Comportamiento espectral
Caso, deterioro de un rodamiento
Análisis espectral
El éxito del análisis de vibraciones
depende de la correcta interpretación
que se le dé a los espectros
capturados con respecto a las
condiciones de operación en que se
encuentra la máquina.
Análisis espectral , pasos típicos
Identificación de los picos de vibración en
el espectro.
Diagnóstico de la máquina, determinando la
gravedad de problemas en base a las
amplitudes y la relación entre los picos de
vibración.
Recomendaciones apropiadas para las
reparaciones, basadas en la gravedad de los
problemas de máquinas.
Ejemplo
F. motor = 1.800 rpm = 30 Hz
F. bomba = (100 / 300) dientes
* 1.800 rpm =600 rpm = 10 Hz
F. engrane = 100 dientes * 1.800 rpm = 300 dientes * 600 rpm
= 1,800.000 rpm = 3.000 Hz
F. paso de álabe = 8 álabes * 600 rpm = 4.800 rpm = 80 Hz
Espectro de vibración del ejemplo
Determinación de niveles de vibración
Registro de datos histórico de los puntos
críticos del equipo.
Comparación con otros equipos idénticos
Envío de espectros al fabricante
Adaptar otras experiencias a nuestros
casos
Transductores y su tipología
El transductor es el elemento que
transforma la vibración mecánica en una
señal eléctrica analógica, para ser
procesada, medida y analizada.
Todos los transductores deben ser precisos
a la hora de tomar las lecturas, ofreciendo
repetibilidad (dos señales iguales tendrán
que generar en el transductor la misma
salida de tensión)
Tipos de sensores
Tipo
Transductor de desplazamiento o sonda
de proximidad
Transductor sísmico de velocidad o
sonda de velocidad
Transductor piezoeléctrico o
acelerómetro
Sensibles a
Desplazamiento
Velocidad
Aceleración
Aplicación de sensores
Las medidas de desplazamiento son
especialmente adecuadas en vibración a baja
frecuencia
Las lecturas de velocidad son las de mayor
campo de aplicación, ya que la velocidad es
directamente proporcional al esfuerzo y al
desgaste de sistemas mecánicos.
Las lecturas de aceleración son las mejores para
analizar fenómenos a altas frecuencias, ya que
es el parámetro que mejor mide la fuerza
asociada a una fuente de vibración.
Medición periódica de espectros
Las medidas periódicas se realizan con equipos
portátiles, que en base a su capacidad de análisis
se pueden clasificar como:
Vibrómetros de valor global: Analógicos y
Digitales.
Analizadores de frecuencia: Analógicos de banda
de ajuste y Digitales FFT en tiempo real.
Vibrómetros
Analizadores de frecuencia
Monitoreo continuo, on-line
Reducción drástica de los intervalos de
toma de datos.
Menor coste de explotación.
Mayor calidad en la toma de datos. La
exactitud en el punto de medida de datos
es mayor.
Sistema de monitorización continua
Desequilibrio y medida de la fase
El desequilibrio constituye la principal causa de
avería de tipo mecánico en máquinas rotativas.
Este fenómeno es debido a la distribución no
uniforme de masas sometidas a rotación.
Medida de fase
Es el tiempo de adelanto o retraso que tiene una
onda vibratoria respecto a otra de igual período
Físicamente, la fase es el movimiento relativo
que tiene un punto de la máquina con respecto
a otro
Las lecturas de fase sirven en el diagnóstico de
averías para diferenciar problemas mecánicos
que se manifiestan espectralmente de la misma
forma
Tecnologías para la medida de fase
Pulso tacométrico
Lámpara estroboscópica
Analizador multicanal
Desequilibrio
Una máquina rotativa está
desequilibrada cuando el centro de
gravedad o centro de masas del rotor
no coincide con su centro de rotación
o centro geométrico.
Fuerza centrífuga en desequilibrio
Tipos de desequilibrio
Desequilibrio en un único plano
Desequilibrio en dos planos
Rotor en voladizo
Análisis de problemas en bajas
frecuencias
En bajas frecuencias se analizan los problemas
relacionados con la velocidad de giro y sus
primeros armónicos. Además del desequilibrio,
ya visto, las averías principales en este margen
frecuencial son:
Excentricidad
Ejes doblados
Desalineación
Holguras
Excentricidad
Eje deformado
Tipos de desalineación
Desalineación angular.
Desalineación offset o paralela.
Casos típicos de desalineación:
Desalineación en rodamientos y cojinetes.
Desalineación en poleas.
Tipos de desalineación
Desalineación angular
Desalineación paralela
Desalineación en rodamientos y
cojinetes
Desalineación en poleas
Holguras
Holguras de elementos rotativos
(rodamientos, cojinetes de fricción.
acoplamientos, rotores, etc.)
Holguras estructurales (bancadas,
cajeras, pernos de anclaje, etc.).
Holguras en elementos rotativos
Holguras estructurales
Holguras en bancadas
Holguras en anclaje
Pulsaciones
Cojinetes de fricción
Problemas específicos:
Excesiva holgura
Remolino de aceite
Lubricación deficiente
Excesiva holgura
Remolino de aceite
Lubricación deficiente
Frecuencias para el estudio de
cojinetes
Parámetro espectral
Ancho de banda
Remolino de aceite
0,2x a 0,8x RPM
Desequilibrio, holguras y
desalineación
0,8x a 1,5x RPM
Desalineación y holguras
2,5x a 15x RPM
Defectos de lubricación
1 kHz a 20 kHz
Engranajes
Frecuencias propias de un
engranaje
Frecuencias de engrane (GMF): son propias de cada
engranaje y aparecen en el espectro de frecuencia
independientemente del estado del engranaje
Bandas laterales: son frecuencias equidistantes de
la frecuencia de engrane
Frecuencias naturales del engrane: al desarrollarse
algún tipo de deterioro en el engrane, éstos pueden
excitar las frecuencias naturales de los mismos
Espectro de un engranaje en buen estado
Factores determinantes para
engranajes
Sensor de medida
Unidades de medición
Resolución espectral
Parámetros de análisis
Bandas espectrales de problemas en
engranajes
Parámetro espectral
Ancho de banda
Desequilibrio
0,3x a 1,5x RPM
Desalineación
1,5x a 2,5x RPM
Holguras
2,5x a 10,5x RPM
Picos fantasma y bandas laterales del primer armónico
de la frecuencia de engrane.
10x RPM a GMF - 5x RPM
Primer armónico de la frecuencia de engrane.
GMF - 5x RPM a GMF + 5x RPM
Bandas laterales del primer y segundo armónicos de la
GMF - 5x RPM a 2GMF + 5x
frecuencia de engrane, frecuencias de rodamiento.
RPM
Segundo armónico de la frecuencia de engrane.
Estado general del reductor y rodamientos. Lubricación
del rodamiento y reductor.
2GMF - 5x RPM a 2GMF + 5x
RPM
1 kHz a 20 kHz
Diagnóstico de averías en engranajes
Engranaje excéntrico o
eje doblado
Desgaste del diámetro
primitivo o diente roto
Engranaje sobrecargado
Desalineación de un
engranaje
Frecuencia de repetición
de diente
Rodamientos, factores a evaluar
Identificar los defectos mediante el
diagnóstico espectral y de la onda en el
tiempo
Determinar los factores a tener en cuenta
para predecir el grado de deterioro en el
rodamiento, con el fin de estimar la vida
útil restante del mismo.
Diagnóstico de rodamientos
Técnicas basadas en el análisis de parámetros simplificados
Valor global de vibración RMS o Pico
Factor de cresta: relación entre el valor de pico y el valor RMS.
Kurtosis: es un parámetro estadístico calculado de la onda en el
tiempo
Skewness: también es un parámetros estadístico calculado a partir
de la onda en el tiempo
Banda variable a alta frecuencia, definida entre 1 kHz y 20 kHz.
HFD o banda a alta frecuencia (entre 5 y 30 kHz) en aceleración.
Spike-energy o banda a alta frecuencia (entre 5 y 60 kHz).
SPM o Impulsos de choque que mide la vibración a alta frecuencia
(entre 30 y 40 kHz).
Detección acústica de fisuras/IFD. Banda entre 80 y 120 kHz.
Emisión acústica, banda con un rango superior a los 200 kHz
Diagnóstico de rodamientos
Técnicas basadas en el análisis espectral y
de la onda en el tiempo
El estudio espectral y de la onda en el tiempo es
determinante a la hora de diagnosticar un
deterioro de un rodamiento permitiéndonos, por
comparación de la evolución de las amplitudes
espectrales, llegar a predecir el grado de
deterioro y planificar su cambio con la suficiente
antelación
Frecuencias de deterioro
BPFO o frecuencia de deterioro de la pista exterior.
Físicamente es el número de bolas o rodillos que pasan por
un punto en un giro
BPFI o frecuencia de deterioro de la pista interior.
Físicamente es el número de bolas o rodillos que pasan por
un punto de la en un giro
BSF o frecuencia de deterioro de los elementos rodantes.
Físicamente es el número de giros que realiza una bola del
rodamiento en un giro del eje
FTF o frecuencia fundamental de tren o de deterioro de la
jaula. Físicamente es el número de giros que realiza la jaula
del rodamiento en un giro del eje
Componentes y frecuencias de
deterioro
Predicción de la severidad del deterioro
Conocer fallos más frecuentes de los componentes
Discernir si la falla es en la pista interior o exterior
Amplitudes por falla en pista interior < Pista exterior
La primera indicación de deterioro es a altas frecuencias
Bajas amplitudes iniciales de deterioro a altas frecuencias
Aparición de nuevas frecuencias de fallo indican mayor daño
Bandas laterales acompañan frecuencias de deterioro
Bandas anchas indican alto deterioro y cambio geométrico
Engrasar el rodamiento ante evidencia de falla
Análisis en el tiempo complementa la detección de fallas
Un defecto se acelera cuando la velocidad de giro es mayor
Defectos típicos en rodamientos
Fallo de pista exterior
Fallo de elemento rodante
Fallo de pista interior
Fallo de jaula
Defectos
Deterioro en una jaula
Picadura en el aro exterior
Deterioro avanzado
Fases de deterioro en rodamientos
Fase 1 – Algunos armónicos
Fase 2 – Lecturas a altas
frecuencias
Fase 3 – Frecuencias de falla
apreciables
Fase 4 – Holguras y ruido
Bandas espectrales para la detección de
problemas en rodamientos
Parámetro espectral
Desequilibrio, desalineación, holguras, rozamientos
y desgaste de correas.
Ancho de banda
0,3 a 1,5x RPM
Desalineación y holguras
1,5 a 2,5x RPM
Holguras, desalineación y BSF.
2,5x a 4,5x RPM
Primeros armónicos de las frecuencias de rodamientos,
BPFO, BPFI y BSF.
Armónicos superiores de las frecuencias de rodamientos
y presencias de frecuencias eléctricas.
4,5 kHz a 20,5 kHz
20,5 kHz a 50 kHz
Banda espectral de alta frecuencia, en unidades de
aceleración (G's). Parámetro de alarma sobre estados
incipientes de deterioro en rodamientos, presencia de
cavitación o falta de lubricación.
1 kHz a 20 kHz
Motores de inducción de corriente alterna
Los motores de inducción generan multitud
de frecuencias de vibración que son
inherentes a su diseño y aplicación.
Es conveniente monitorear el espectro de
vibración de las máquinas críticas para
identificar los posibles cambios indicadores
de problemas causados por deterioro
mecánico
Frecuencias de interés
FL: Frecuencia de la red eléctrica
2 x FL: Picos en los polos
P: Número de polos del motor
NS: Velocidad síncrona
FS: Frecuencia de deslizamiento
FP: Frecuencia de paso de polo
WSPF: Frecuencia de paso de bobinado
RBPF: Frecuencia de paso de barra
Diagnóstico de averías
Excentricidad de estator, cortos por
laminaciones y componentes sueltos
Rotor excéntrico
Problemas de rotor
Problemas de fase
(conector suelto)
Rotor excéntrico
Problemas de rotor
Barras o anillos rotos o rajados
Separación o apertura de las
barras del rotor
Problemas de fase
(conector suelto)
Resonancia
La relación entre síntomas y diagnóstico no
es biunívoca ya que existen elementos que
pueden distorsionar los síntomas. El estudio
de las frecuencias naturales o de
resonancia aporta información sobre el
estado de normalidad de las máquinas
Tipos de resonancia
Resonancia estructural: Está asociada a las
partes no rotativas de la máquina
Resonancia de equilibrio: Está asociada a la
frecuencia natural de los rotores de una
máquina
Métodos de detección de resonancia
Test de arranque y parada
Diagrama de espectros en cascada
Test de impacto
Diagrama de espectros en cascada
Test de impacto y diagrama de Bode
Eliminación de resonancia
Reducir o eliminar la fuerza de excitación:
mediante equilibrado de precisión, alineación fina
de ejes y correas, cambio de amortiguadores de
vibración gastados o rotos.
Modificar la masa o rigidez de la estructura.
Cambio de régimen de giro en el equipo.
Añadir amortiguamiento al sistema: Se puede, por
ejemplo, montar la máquina sobre calzos
antivibratorios.
Enumeración de técnicas
de
Monitoreo dinámico
Monitoreo Dinámico
Análisis de vibración de banda ancha: P-F
días.
Análisis de banda octava: P-F días,
semanas.
Análisis de Ancho de Banda constante: P-F
semanas, meses.
Análisis de Ancho de Banda de %
constante: P-F semanas, meses.
Monitoreo Dinámico
Análisis en tiempo real: P-F semanas,
meses.
Análisis de forma temporal de onda: P-F
semanas, meses.
Análisis de promedios de tiempos
sincrónicos: semanas, meses.
Análisis de frecuencia: P-F semanas,
meses
Monitoreo Dinámico
Cepstrum (Armónicos): P-F semanas,
meses.
Demodulación de amplitud: P-F semanas,
meses
Análisis de valor máximo (Peak vue): P-F
semanas, meses.
Energía punzante (Spike energy): P-F
semanas, meses.
Monitoreo Dinámico
Análisis de proximidad: P-F días, semanas.
Monitoreo de impulsos de choque: P-F
semanas, meses.
Kurtosis (choque): P-F semanas, meses.
Emisión acústica: P-F semanas
Análisis por ultrasonido
Este método estudia las ondas de sonido de
baja frecuencia producidas por los equipos
que no son perceptibles por el oído
humano.
Ultrasonido pasivo: Es producido por
mecanismos rotantes, fugas de fluido,
pérdidas de vacío, y arcos eléctricos.
Pudiendo ser detectado mediante la
tecnología apropiada.
El Ultrasonido permite detectar
Fricción en maquinas rotativas.
Fallas y/o fugas en válvulas.
Fugas de fluidos.
Pérdidas de vacío.
Detección de "arco eléctrico".
Detección de ―efecto corona‖
Verificación de la integridad de juntas de
recintos estancos.
Frecuencias de Ultrasonido
El sonido cuya frecuencia está por encima
del rango de captación del oído humano (20
a 20.000 Hertz) se considera ultrasonido.
Casi todas las fricciones mecánicas, arcos
eléctricos y fugas de presión o vacío
producen ultrasonido en un rango
aproximado a los 40 Khz
Aplicación de Ultrasonido
La aplicación del análisis por ultrasonido se
hace indispensable especialmente en la
detección de fallas existentes en equipos
rotantes que giran a velocidades inferiores
a las 300 RPM, donde la técnica de
medición de vibraciones se transforma en
un procedimiento ineficiente.
Análisis Ultrasónico
Condiciones observadas: Cambios en los
patrones de sonidos (sintonía acústica)
causados por fugas, desgaste, fatiga o
deterioro.
Intervalo P — F: Muy variable dependiendo
de la naturaleza del fallo.
Análisis Ultrasónico
Aplicaciones: Fugas en sistemas de presión
y vacio, Desgaste o fatiga de cojinetes,
trampas de vapor, desgaste de válvulas y
de asientos de válvulas, cavitación de
bombas, coronas de engranajes en cajas
reductoras, descargas estáticas, integridad
de sellos y empaquetaduras de tanques,
sistemas de tuberías y grandes cajas de
entrada, fugas en tuberías y tanques bajo
tierra.