El monitoreo de condición (coloquialmente, CM ) es el proceso de monitorear un parámetro de condición en la maquinaria (vibración, temperatura, etc.), con el fin de identificar un cambio significativo que sea indicativo de una falla en desarrollo. Es un componente importante del mantenimiento predictivo . El uso del monitoreo de condición permite programar el mantenimiento o tomar otras acciones para prevenir daños consecuentes y evitar sus consecuencias. El monitoreo de condición tiene un beneficio único en el sentido de que las condiciones que acortarían la vida útil normal se pueden abordar antes de que se conviertan en una falla importante. Las técnicas de monitoreo de condición se utilizan normalmente en equipos rotativos, sistemas auxiliares y otra maquinaria como equipos accionados por correa (compresores, bombas , motores eléctricos , motores de combustión interna, prensas), mientras que la inspección periódica mediante técnicas de pruebas no destructivas (NDT) y la evaluación de aptitud para el servicio (FFS) [1] se utilizan para equipos de planta estática como calderas de vapor , tuberías e intercambiadores de calor .
La siguiente lista incluye las principales técnicas de monitoreo de condición aplicadas en los sectores industrial y de transporte:
La mayoría de las tecnologías CM están siendo estandarizadas por ISO y ASTM . [8]
El término equipo rotatorio abarca toda la industria y abarca cajas de engranajes, maquinaria alternativa y centrífuga.
El método más comúnmente utilizado para máquinas rotatorias es el análisis de vibraciones . [9] [10] [11] [12]
Se pueden realizar mediciones en las carcasas de los cojinetes de las máquinas con acelerómetros (transductores sísmicos o piezoeléctricos) para medir las vibraciones de la carcasa, y en la gran mayoría de las máquinas críticas, con transductores de corrientes de Foucault que observan directamente los ejes giratorios para medir el desplazamiento radial (y axial) del eje. El nivel de vibración se puede comparar con valores de referencia históricos, como arranques y paradas anteriores, y en algunos casos con estándares establecidos, como cambios de carga, para evaluar la gravedad. Los fabricantes de equipos originales (OEM) de maquinaria y piezas también definen límites de vibración en función del diseño de la máquina o de las piezas internas, por ejemplo, frecuencias de fallo de los cojinetes.
La interpretación de la señal de vibración obtenida es un procedimiento elaborado que requiere una formación y experiencia especializadas. [13] Se simplifica mediante el uso de tecnologías de última generación que proporcionan la gran mayoría de los análisis de datos de forma automática y proporcionan información en lugar de datos brutos. Una técnica empleada habitualmente es examinar las frecuencias individuales presentes en la señal. Estas frecuencias corresponden a determinados componentes mecánicos (por ejemplo, las distintas piezas que forman un cojinete de elementos rodantes ) o a determinadas averías (como el desequilibrio o la desalineación del eje). Al examinar estas frecuencias y sus armónicos, el especialista en CM puede a menudo identificar la ubicación y el tipo de problema, y a veces también la causa raíz. Por ejemplo, una vibración alta a la frecuencia correspondiente a la velocidad de rotación se debe con mayor frecuencia a un desequilibrio residual y se corrige equilibrando la máquina. Por otro lado, un cojinete de elementos rodantes degradado normalmente exhibirá señales de vibración a frecuencias específicas que aumentan de intensidad a medida que se desgasta. Los instrumentos de análisis especiales pueden detectar este desgaste semanas o incluso meses antes de la avería, lo que da una amplia advertencia para programar el reemplazo antes de una avería que podría causar un tiempo de inactividad mucho más prolongado. Además de todos los sensores y análisis de datos, es importante tener en cuenta que más del 80% de todos los equipos mecánicos complejos fallan accidentalmente y sin ninguna relación con su período de ciclo de vida. [14]
La mayoría de los instrumentos de análisis de vibraciones actuales utilizan una transformada rápida de Fourier (FFT) [15] , que es un caso especial de la transformada de Fourier discreta generalizada y convierte la señal de vibración de su representación en el dominio del tiempo a su representación equivalente en el dominio de la frecuencia . Sin embargo, el análisis de frecuencia (a veces llamado análisis espectral o análisis de la firma de vibración) es solo un aspecto de la interpretación de la información contenida en una señal de vibración. El análisis de frecuencia tiende a ser más útil en máquinas que emplean cojinetes de elementos rodantes y cuyos principales modos de falla tienden a ser la degradación de esos cojinetes, que típicamente exhiben un aumento en las frecuencias características asociadas con las geometrías y construcciones de los cojinetes. Dependiendo del tipo de máquina, sus fallas típicas, los tipos de cojinetes empleados, las velocidades de rotación y otros factores, el especialista en CM puede usar herramientas de diagnóstico adicionales, como el examen de la señal del dominio del tiempo, la relación de fase entre los componentes de vibración y una marca de sincronización en el eje de la máquina (a menudo conocido como un fasor clave ), tendencias históricas de los niveles de vibración, la forma de la vibración y muchos otros aspectos de la señal junto con otra información del proceso, como la carga, las temperaturas de los cojinetes, los caudales, las posiciones de las válvulas y las presiones para proporcionar un diagnóstico preciso. Esto es particularmente cierto en el caso de las máquinas que utilizan cojinetes de fluido en lugar de cojinetes de elementos rodantes . Para permitirles ver estos datos de una forma más simplificada, los analistas de vibraciones o los ingenieros de diagnóstico de maquinaria han adoptado una serie de gráficos matemáticos para mostrar los problemas de la máquina y las características de funcionamiento; estos gráficos incluyen el diagrama de Bode , el diagrama de cascada , el diagrama polar y el gráfico de base de tiempo de órbita, entre otros.
Los analizadores y recopiladores de datos portátiles son ahora comunes en máquinas no críticas o de equilibrio de planta en las que no se justifica económicamente la instrumentación de vibración permanente en línea. El técnico puede recopilar muestras de datos de varias máquinas y luego descargarlos en una computadora donde el analista (y, a veces, la inteligencia artificial) puede examinar los datos en busca de cambios que indiquen fallas y fallas inminentes. Para máquinas más grandes y críticas donde las implicaciones de seguridad, las interrupciones de producción (el llamado "tiempo de inactividad"), las piezas de repuesto y otros costos de falla pueden ser apreciables (determinados por el índice de criticidad), generalmente se emplea un sistema de monitoreo permanente en lugar de depender de la recopilación periódica de datos portátiles. Sin embargo, los métodos y herramientas de diagnóstico disponibles con ambos enfoques son generalmente los mismos.
Recientemente, también se han aplicado sistemas de monitorización de condiciones en línea a industrias de procesos pesados como agua, acero, petróleo y gas, pulpa y papel, minería, petroquímica y generación de energía eólica.
El control del rendimiento es una técnica de control de estado menos conocida. Puede aplicarse a maquinaria rotatoria, como bombas y turbinas, así como a elementos fijos, como calderas e intercambiadores de calor. Se requieren mediciones de magnitudes físicas: temperatura, presión, caudal, velocidad, desplazamiento, según el elemento de la planta. Rara vez se necesita una precisión absoluta, pero sí datos repetibles. Por lo general, se necesitan instrumentos de prueba calibrados, pero se han logrado algunos éxitos en plantas con DCS (sistemas de control distribuido). El análisis del rendimiento suele estar estrechamente relacionado con la eficiencia energética y, por lo tanto, se ha aplicado durante mucho tiempo en plantas de generación de energía a vapor. En algunos casos, es posible calcular el momento óptimo para la revisión para restaurar el rendimiento degradado.
Sistemas de tensión y corriente basados en modelos (sistemas MBVI): Se trata de una técnica que utiliza la información disponible de las señales de corriente y tensión en las tres fases simultáneamente. Los sistemas basados en modelos pueden identificar muchos de los mismos fenómenos que también se observan con técnicas más convencionales, que abarcan áreas eléctricas, mecánicas y operativas. Los sistemas basados en modelos funcionan en las líneas que se muestran en la Figura 6 a continuación y miden tanto la corriente como la tensión mientras el motor está en funcionamiento y luego crean automáticamente un modelo matemático de la relación entre la corriente y la tensión. Al aplicar este modelo a la tensión medida, se calcula una corriente modelada y se compara con la corriente medida real. Las desviaciones entre la corriente medida y la corriente modelada representan imperfecciones en el sistema del motor y del equipo accionado, que se pueden analizar utilizando una combinación del vector de Park para simplificar las corrientes trifásicas en dos fases ortogonales (D&Q), el análisis de Fourier para dar un gráfico de densidad espectral de potencia y la evaluación algorítmica del espectro resultante para identificar fallas específicas o modos de falla. Estos sistemas están diseñados para su instalación permanente como una solución de monitoreo de condiciones en lugar de como un dispositivo de medición de diagnóstico a corto plazo, y sus resultados se pueden integrar en los sistemas normales de la planta. Al estar conectados permanentemente, las tendencias históricas se capturan automáticamente.
El tipo de salida que estos tipos de dispositivos pueden crear incluye una pantalla única, visualizaciones tipo semáforo del funcionamiento general del equipo, junto con el diagnóstico de una variedad de problemas mecánicos, eléctricos y operativos, y gráficos de tendencias que muestran cómo estos parámetros cambian a través del tiempo. El concepto de este tipo de dispositivo es que puede ser utilizado por operadores y mantenedores de planta normales sin la necesidad de una interpretación especializada de los espectros, aunque los gráficos espectrales subyacentes están disponibles si es necesario. El tipo de fallas que se pueden detectar incluyen una variedad de problemas mecánicos como desequilibrio, desalineación y problemas de cojinetes en el motor y el equipo impulsado, así como problemas eléctricos que incluyen fallas de aislamiento, bobinados de estator sueltos, problemas de ranuras de rotor, desequilibrio de corriente o voltaje y distorsión armónica. Debido a que estos sistemas miden tanto la corriente como el voltaje, también monitorean la energía y pueden identificar problemas causados por condiciones de operación inusuales e identificar causas de pérdida de eficiencia. Debido a que los sistemas basados en modelos solo examinan la diferencia entre las corrientes reales y predichas, filtran efectivamente todas las señales eléctricas normales que son tan evidentes en el análisis espectral de corriente del motor (MCSA) convencional, dejando un conjunto mucho más simple de señales para analizar. Debido a que estos sistemas se basan en la relación entre voltaje y corriente, funcionan bien con sistemas accionados por inversores donde el voltaje de entrada puede ser de una frecuencia variable y puede haber una forma de onda ruidosa con muchos componentes armónicos. Los sistemas basados en modelos filtran eficazmente todo este ruido en la señal de voltaje de la señal de corriente resultante, dejando solo las imperfecciones subyacentes. Esta facilidad de uso y el bajo costo de este tipo de equipo lo hacen apropiado para equipos de menor costo y menor criticidad. [16]
El índice de criticidad se utiliza a menudo para determinar el grado de supervisión del estado de una máquina determinada teniendo en cuenta el propósito de la misma, la redundancia (es decir, si la máquina falla, hay una máquina de reserva que pueda hacerse cargo), el coste de la reparación, el impacto del tiempo de inactividad, los problemas de salud, seguridad y medio ambiente y una serie de otros factores clave. El índice de criticidad coloca todas las máquinas en una de tres categorías: