Pięć krytycznych punktów awarii maszyn przemysłowych i sposoby zapobiegania przestojom w zakładach przemysłowych

Przestój zaczyna się na długo przed zatrzymaniem maszyny

We współczesnej produkcji najdroższą awarią urządzenia rzadko jest samo uszkodzenie komponentu. Rzeczywisty koszt wynika z zatrzymania produkcji, opóźnionych dostaw, zagrożeń dla bezpieczeństwa oraz efektu domina rozprzestrzeniającego się na całą działalność.

W miarę jak fabryki stają się coraz bardziej zautomatyzowane, a cele produkcyjne coraz ambitniejsze, maszyny przemysłowe są eksploatowane intensywniej niż kiedykolwiek. Od przenośników górniczych i układów turbin po zrobotyzowane linie montażowe i zakłady procesowe — nawet niewielkie awarie mechaniczne mogą przerodzić się w całkowite wstrzymanie działalności.

Większość awarii ma jednak źródło w kilku powtarzających się słabych punktach, z którymi zespoły utrzymania ruchu zmagają się od dziesięcioleci.

Rysunek 1. Systemy przemysłowe wymagają ciągłej stabilności mechanicznej, aby uniknąć kosztownych przerw w produkcji.

Łożyska często ulegają awarii po cichu, zanim pojawią się katastrofalne uszkodzenia

Łożyska występują niemal w każdej maszynie wirującej, a mimo to pozostają jednym z najczęściej pomijanych źródeł degradacji urządzeń. Ich podstawowa rola jest prosta: zmniejszać tarcie i zapewniać kontrolowany ruch obrotowy. W praktyce pracują jednak pod ogromnym obciążeniem cieplnym i mechanicznym.

Nieprawidłowe smarowanie, niewspółosiowość wału, zanieczyszczenia i przeciążenia stopniowo osłabiają powierzchnie łożysk, aż drgania, hałas i ciepło stają się niemożliwe do zignorowania.

Dlaczego monitorowanie drgań ma znaczenie

Nowoczesne zakłady coraz częściej wdrażają systemy ciągłego monitorowania stanu technicznego, aby wykrywać uszkodzenia łożysk, zanim dojdzie do awarii. Analiza drgań o wysokiej częstotliwości może ujawnić mikroskopijne uszkodzenia na wiele tygodni przed tym, jak operatorzy usłyszą nietypowy hałas lub zauważą niestabilność wału.

Z tego powodu zakłady eksploatujące krytyczne urządzenia wirujące często wdrażają dedykowane systemy monitorowania maszyn, aby ograniczyć nieplanowane przestoje.

Bez monitorowania predykcyjnego awaria łożyska może szybko uszkodzić sprzęgła, wały i połączone zespoły napędowe.

Silniki elektryczne nadal stanowią podstawę napędów przemysłowych

Silniki przekształcają energię elektryczną w pracę mechaniczną niemal w każdym sektorze przemysłu. Niezależnie od tego, czy napędzają pompy, sprężarki, przenośniki czy wentylatory, stanowią podstawę nowoczesnej infrastruktury automatyki.

Mimo to awarie silników nadal zdarzają się zaskakująco często, ponieważ w wielu zakładach nie docenia się wpływu warunków środowiskowych i cieplnych na ich pracę.

Rysunek 2. Silniki przemysłowe muszą równoważyć parametry cieplne, wymagania dotyczące momentu obrotowego i ochronę przed wpływem środowiska.

Ciepło wciąż jest największym zagrożeniem

Przegrzewanie pozostaje jedną z głównych przyczyn degradacji silników. Nadmierne nagromadzenie ciepła osłabia układy izolacji, uszkadza integralność uzwojeń i znacznie skraca okres eksploatacji.

Nagromadzenie pyłu, zablokowana wentylacja, przeciążenia i nieprawidłowa instalacja dodatkowo przyspieszają degradację. W zastosowaniach wymagających dużej wytrzymałości inżynierowie coraz częściej łączą silniki z inteligentnymi napędami VFD AC, aby zoptymalizować obsługę obciążenia i zmniejszyć naprężenia cieplne podczas pracy.

Zespoły utrzymania ruchu koncentrują się również na harmonogramach smarowania, weryfikacji osiowania i ochronie obudów, aby zminimalizować ryzyko przedwczesnych awarii.

Układy hydrauliczne zapewniają moc — i wiążą się ze znacznym ryzykiem

Układy hydrauliczne pozostają niezbędne w branżach wymagających ekstremalnej gęstości siły, w tym w górnictwie, przetwórstwie metali, przemyśle ciężkim i energetyce. Siłowniki hydrauliczne, podnośniki i prasy mogą generować ogromną siłę mechaniczną przy niewielkich gabarytach układu.

Jednak awarie hydrauliczne są szczególnie niebezpieczne, ponieważ łączą wysokie ciśnienie, przemieszczające się obciążenia i zgromadzoną energię.

Zanieczyszczenia to cichy zabójca układu

Wiele awarii hydraulicznych zaczyna się od zanieczyszczeń wewnątrz obwodu płynu. Brud, cząstki metalu, wilgoć lub pogarszająca się jakość płynu stopniowo uszkadzają pompy, uszczelnienia i zespoły zaworów.

Wycieki i niestabilność ciśnienia mogą następnie wywołać przegrzanie, skoki ciśnienia lub katastrofalne rozerwanie podzespołów. W poważnych przypadkach awarie przewodów hydraulicznych mogą spowodować wyrzucenie odłamków, niekontrolowany ruch lub nagłe zawalenie się urządzenia.

Z tego powodu operatorzy przemysłowi traktują obecnie analizę płynów i monitorowanie ciśnienia jako standardowe procedury konserwacji zapobiegawczej, a nie opcjonalne kontrole.

Przekładnie i pasy pochłaniają ciągłe obciążenia mechaniczne

Zespoły przekładni i pasów przenoszą moment obrotowy w całych maszynach przemysłowych, ale jednocześnie pochłaniają nieustanne drgania, obciążenia udarowe i naprężenia wynikające z niewspółosiowości.

W przeciwieństwie do awarii elektronicznych problemy z przekładnią mechaniczną zwykle nasilają się stopniowo. Operatorzy mogą najpierw zauważyć poślizg, nietypowe drgania lub niestabilną prędkość, zanim wystąpią poważniejsze awarie.

Niewielkie błędy osiowania przeradzają się w kosztowne problemy

Nieprawidłowa instalacja pozostaje jedną z najczęstszych przyczyn awarii przekładni i pasów. Nawet niewielkie niewspółosiowości wałów zwiększają tarcie, przyspieszają zużycie i powodują nierównomierne rozłożenie obciążenia na obracających się elementach.

Rozszerzalność cieplna dodatkowo komplikuje sytuację w środowiskach o dużym obciążeniu. Z czasem zmęczenie materiału osłabia zęby przekładni i konstrukcje pasów, aż awaria mechaniczna staje się nieunikniona.

Nowoczesne zakłady coraz częściej polegają na diagnostyce drgań, narzędziach do osiowania laserowego oraz systemach monitorowania momentu obrotowego, aby zapobiegać tym awariom, zanim dojdzie do przerwania produkcji.

Uszczelnienia i uszczelki rzadko przyciągają uwagę, dopóki nie pojawi się wyciek

Uszczelnienia i uszczelki służą do zatrzymywania ciśnienia, płynów, gazów i zanieczyszczeń wewnątrz systemów przemysłowych. Choć są niedrogie w porównaniu z silnikami lub pompami, bezpośrednio wpływają na niezawodność urządzeń.

Gdy elementy uszczelniające ulegają zużyciu, wycieki mogą uszkadzać sąsiednie układy, obniżać efektywność oraz stwarzać zagrożenia dla środowiska lub bezpieczeństwa.

Rysunek 3. Degradacja uszczelnienia często rozwija się stopniowo, zanim pojawi się widoczny wyciek.

Wiele wycieków pozostaje niewykrytych przez tygodnie

Jednym z wyzwań związanych z awariami uszczelnień jest to, że uszkodzenia często rozwijają się wewnątrz, zanim operatorzy zauważą widoczny wyciek płynu. Cykle cieplne, drgania, narażenie na działanie substancji chemicznych i wahania ciśnienia stopniowo osłabiają materiały uszczelniające.

Doświadczone zespoły utrzymania ruchu regularnie kontrolują połączenia wysokociśnieniowe, zespoły zaworów i obudowy pomp, ponieważ niewielkie wycieki często sygnalizują znacznie poważniejsze problemy z niezawodnością rozwijające się wewnątrz maszyny.

Konserwacja predykcyjna zastępuje reaktywne strategie napraw

Operatorzy przemysłowi odchodzą od konserwacji reaktywnej, ponieważ oczekiwanie na awarię maszyn nie jest już ekonomicznie opłacalne. Zamiast tego producenci intensywnie inwestują w technologie konserwacji predykcyjnej, które wcześnie identyfikują nieprawidłowe zachowanie podczas pracy.

Platformy monitorowania stanu łączą obecnie pomiary drgań, analizę termiczną, diagnostykę oleju, monitorowanie prądu silnika i dane z automatyki w czasie rzeczywistym, aby przewidywać awarie przed wystąpieniem przestojów.

Systemy takie jak platformy ochrony maszyn Bently Nevada 3500 stały się szczególnie ważne w zastosowaniach związanych z turbinami, sprężarkami i urządzeniami wirującymi, gdzie nawet pojedyncza awaria może spowodować straty sięgające milionów dolarów.

Niezawodność stała się przewagą konkurencyjną

Niezawodność przemysłowa nie jest już postrzegana wyłącznie jako kwestia utrzymania ruchu. Obecnie stanowi strategiczny wskaźnik biznesowy bezpośrednio powiązany z produktywnością, efektywnością energetyczną, bezpieczeństwem pracowników i stabilnością łańcucha dostaw.

Fabryki, które rozumieją sygnały ostrzegawcze degradacji mechanicznej, zyskują znaczącą przewagę operacyjną nad zakładami wciąż polegającymi na strategiach napraw awaryjnych.

Przyszłość utrzymania ruchu w przemyśle będzie w mniejszym stopniu zależeć od naprawiania uszkodzonych urządzeń, a w większym od identyfikowania wzorców awarii, zanim uszkodzenia staną się widoczne.

Autorka: Natalie Cross | Analityczka systemów przemysłowych

Natalie Cross ma ponad 12 lat doświadczenia w zakresie niezawodności urządzeń wirujących, platform konserwacji predykcyjnej i infrastruktury przemysłowych systemów sterowania. Jej dorobek obejmuje analizy terenowe systemów napędowych Siemens, wdrożeń monitorowania drgań Bently Nevada oraz projektów modernizacji automatyki procesowej Honeywell w sektorach energetycznym i produkcyjnym.