Centro de Estudios Ingeniería de · PDF file1998, Universidad Técnica de Oruro, Universidad Mayor de San Andrés y Universidad Mayor de ... Severidad de las vibraciones registradas

Centro de Estudios Ingeniería de Mantenimiento

MONITORADO Y PREDICCIÓNActualidad Industrial

Dr. Ing. Evelio Palomino Marín

ISBN 978-959-261-319-5

Copyright © 2003 Centro de Estudios Ingeniería de Mantenimiento. Ave. 114 No. 11901, entre 119 y 127. Campus CUJAE. Marianao. Ciudad de la Habana. Cuba.

Palomino M., Evelio. Monitorado y predicción. Actualidad Industrial.

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Editado en el Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría.

MONITORADO Y PREDICCIÓN ACTUALIDAD INDUSTRIAL

Evelio Palomino Marín, Doctor en Ciencias Técnicas, Ingeniero Mecánico

PROFESOR INGENIERÍA DE VIBRACIONES Y DIAGNÓSTICO

CEIM – Centro de Estudios Ingeniería de Mantenimiento Ave. 114 No. 11901, entre 114 y 127. Campus CUJAE. Marianao. Ciudad de la Habana. CUBA Tel: +(537) 266.36.41, +(537) 266.36.42 E-mail: [email protected]

EVELIO PALOMINO MARÍN, La Habana, Cuba 1957. Ingeniero Mecánico 1981, Universidad Politécnica de la Habana José A. Echeverría (CUJAE), Centro Rector de la enseñanza de la Ingeniería y la Arquitectura en Cuba. Grado Científico de Doctor en Ciencias Técnicas, CUJAE, Cuba. Profesor de Ingeniería de Vibraciones y Diagnóstico, CUJAE, Cuba. Adiestrado en el Instituto de Vibroacústica Aplicada, Politécnica de Póznan, Polonia 1988-89 y en el Instituto de Investigaciones de la Construcción de Maquinarias, Academia de Ciencias, Moscú 1990-91. Más de veinte años de experiencia profesional ejerciendo cátedra universitaria y participando en la solución de problemas de investigación y desarrollo en las ramas del Azúcar, el

Petróleo, la Generación Eléctrica, la Pesca, el Cemento, la Salud, el Turismo, la Sideromecánica, las Fuerzas Armadas y el Níquel entre otras, incluyendo la formación de personal técnico especializado y la docencia en la Educación Superior. Profesor Invitado, Universidad Nacional Experimental Politécnica Antonio José de Sucre, Puerto Ordaz, Venezuela 1993-94, Universidad de los Andes (UNIANDES), Santa Fe de Bogotá, Colombia 1998, Universidad Técnica de Oruro, Universidad Mayor de San Andrés y Universidad Mayor de San Simón, Bolivia 2000-2005. Premio Anual de la Comisión Nacional de Grados Científicos por Mejor Tesis de Doctorado en Ciencias Técnicas. Tres veces Distinción Especial del Ministro de Educación Superior de la República de Cuba por Trabajo Distinguido en la Enseñanza de Postgrado y las Investigaciones Científicas. Premio Anual de la Academia de Ciencias de Cuba por sus aportes científicos en el campo de las Vibraciones y el Diagnóstico Mecánico. Premio Relevante en el XIV Forum Cubano de Ciencia y Técnica por sus aportes durante más de 25 años a la Industria Cubana. Jefe de la División de Ingeniería de las Vibraciones, Ruido y Diagnóstico del Centro de Estudios Innovación y Mantenimiento, CEIM. Miembro del Tribunal Nacional y de la Comisión Nacional de Grado Científico. Presidente del Comité Técnico Cubano de Normalización en Vibraciones y Acústica de la República de Cuba. Consultor Técnico Especializado de COMSET-BOLIVIA S.R.L. Consultor asociado Condition Monitoring para la Compañía Canadiense HYATT INDUSTRIES LTD.. Miembro Corporativo del Canadian Machinery Vibration Association.

Primera edición: Enero, 2003.

Tabla de contenido

1 GENERALIDADES SOBRE MONITORADO Y PREDICCIÓN 1 1.1.

1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6.

1.7. 1.8. 1.9.

Definiciones y terminología. 1 Formas de mantenimiento. 2 La estrategia de mantenimiento. 5 Monitorado y predicción. Beneficios. 6 Objetivos técnico económicos de las tecnologías predictivas. 8 El monitorado de estado y las hipótesis que lo sustentan. 8 1.6.1. ¿Por qué el monitorado de estado?. 11 1.6.2. ¿Qué es el monitorado de estado?. 11 1.6.3. El monitorado continuo. 12 1.6.4. El monitorado periódico. 18 1.6.5. Protección. 19 1.6.6. Predicción. 20 1.6.7. Complemento protección – predicción. 21 Las mediciones. 26 Tecnologías para el monitorado de estado en motores eléctricos. 37 Definición de los estándares de comparación. 39

2 EVALUACIÓN DEL ESTADO DE LA MAQUINARIA INDUSTRIAL 41 2.1.

2.2. 2.3. 2.4. 2.5.

2.6. 2.7. 2.8.

2.9.

Análisis de estado. Características generales. 41 2.1.1. Las vibraciones. 44 2.1.2. Parámetros de proceso. 45 2.1.3. Posición. 46 Análisis de tendencias. 46 La integración en la confirmación de cambios de estado. 51 Comparación entre mediciones. 52 Desarrollo y empleo de los límites de aceptabilidad. 52 2.5.1. Severidad de las vibraciones registradas en pedestales. 54 2.5.2. Severidad de las vibraciones registradas en ejes. 57 Detección de cambios de estado en la máquina. 59 Evaluación a nivel de máquina. 60 Evaluación a nivel de defecto. 62 2.8.1. Monitorado por bandas espectrales. 64 2.8.2. Monitorado de la envolvente espectral de banda estrecha. 72 Umbrales mínimos para las tendencias. 76

3 IMPLANTACIÓN DEL PROGRAMA DE MONITORADO Y PREDICCIÓN 79 3.1.

3.2. 3.3.

Objetivos del programa. 80 Panorama funcional. 81 Aspectos básicos en la implementación. 84

BIBLIOGRAFÍA 81

i bien es cierto que de una u otra forma, el análisis de vibraciones ya está llegando a la inmensa mayoría de la industria mecánica, también es cierto que aún prevalece la práctica de emplear esta técnica, sólo cuando sensorialmente se recibe algún indicio de

que la máquina está vibrando “demasiado”. También es cierto, que no pocas industrias están inmersas en el empleo del análisis de vibraciones para el chequeo “sistemático” de sus máquinas. Pero encierro entre comillas la palabra sistemático, porque en muchos casos la sistematicidad en las mediciones la dicta el monto de una cotización, por ejemplo y no la historia de las máquinas de interés.

Dicho en otras palabras, bajo ningún concepto se pueden planificar las inspecciones para obtener registros de los parámetros síntoma de las máquinas, desde una óptica meramente económica basada en el razonamiento de ¿cuánto me cuesta medir mensualmente y cuánto me cuesta medir bimestralmente?. Por supuesto, no voy a continuar escribiendo sobre el tema en esta nota preliminar. Dejemos esto a los capítulos que conforman el presente material.

Ahora bien, en el supuesto caso que las mediciones hayan sido programadas correcta y consecuentemente, entonces el problema será otro. ¿Cuándo avisar o alertar sobre un cambio en la condición de la máquina?. ¿Será suficiente con el análisis de la tendencia en el comportamiento del nivel total de vibraciones o será preciso emplear otras técnicas de análisis para descubrir el desarrollo de defectos potenciales?

A las interrogantes anteriores súmele estas otras: ¿cuál es el nivel de vibraciones que caracteriza una condición normal?. ¿Qué hacer cuando la máquina abandone este nivel? ¿Para qué nos sirven entonces las Normas?. En fin, no son pocas las interrogantes relativas al monitorado y la predicción del comportamiento mecánico de la maquinaria industrial, amén del fantasma que siempre está presente, cuando los cambios en los niveles de vibraciones no tienen su origen en cambios de estado y es entonces que los parámetros de proceso nos proporcionan la información necesaria para confirmar o para descartar.

El presente material ha sido escrito con el objetivo expreso de poner a disposición del lector, las respuestas a las preguntas referidas en esta nota y a muchas otras que a diario nos asedian, cuando intentamos emitir criterios seguros y confiables sobre el estado técnico de la máquina.

No olvide que con nosotros deberán contar todos aquellos – que en el buen sentido de la palabra – tienen sus manos puestas sobre los interruptores que detienen la máquina y tanto ellos como las propias máquinas deberán confiar en nuestros criterios.

E. Palomino Enero de 2003

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Capítulo I GENERALIDADES SOBRE

MONITORADO Y PREDICCIÓN

ndudablemente, la disminución real de los costos de producción condiciona el éxito de una Industria. Y esto no es sólo una afirmación del autor, sino que constituye un estándar mundial. Claro está, si todo está en orden, se supone que

tal disminución resulte acompañada de una reducción en los costos de mantenimiento e incluso, que esté avalada por un aumento de la disponibilidad.

El Monitorado de Estado y el Mantenimiento Predictivo, este último – aunque no en todos los casos – como una consecuencia del primero, han demostrado a través de múltiples ejemplos, muy concretos y suficientemente avalados, los beneficios y ahorros que ambos acarrean, lo cual no quiere decir en modo alguno que todas las industrias que tengan implantado Programas de Monitorado y Predicción, no tengan que demostrar los beneficios económicos sostenibles que estos programas presuponen, con lo cual se justif ican los costos de inversión y de operación que entrañan estas tecnologías.

La inmensa mayor ía de las personas responsabilizadas con los recursos f inancieros, siempre preguntan por qué ante la necesidad de invertir para la introducción de las tecnologías predictivas, amén de cuestionar los beneficios y la recuperación de la inversión. La respuesta más sencilla a estas interrogantes la encierra una sola palabra: eficiencia. Y eficiencia se traduce directamente en beneficio. Los gastos por concepto de mantenimiento innecesario, por pérdidas de producción, por reparaciones frecuentes (debido en gran medida a la incidencia de problemas crónicos) y por fallos que pudieron haber sido evitados, no resultan sostenibles para lo que hoy día debe ser una industria competitiva. Luego entonces, los programas de monitorado y predicción, como métodos de probada efectividad en la reducción de los costos y en el incremento de la efectividad y de la eficiencia, resultan urgidos en su aplicación, si se pretende obtener beneficios sobre bases sostenibles.

1.1. DEFINICIONES Y TERMINOLOGÍA Los términos estado, monitorado, diagnóstico, predicción y mantenimiento predictivo están íntimamente vinculados y con frecuencia resultan intercambiados y hasta tergiversados. A los efectos de esta obra, el monitorado de estado se define como la adquisición, cotejo-confrontación y almacenamiento de aquellas mediciones que caracterizan el estado de la maquinaria industrial. El monitorado de estado también incluye la inferencia del estado mecánico a través de las características vibroacústicas y de la evaluación del desempeño o eficiencia, sobre la base de la medición y el análisis de variables tecnológicas y de proceso, que permitan

I

Evelio Palomino Marín

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determinar características relativas a holguras en sellos, a la separación entre impelente y carcaza así como, al estado de álabes entre otros ejemplos. El monitorado de estado resulta un proceso en virtud del cual las mediciones y otros datos complementarios se comparan con estándares, normas o guías, con el objetivo de detectar comportamientos anormales o lo que es lo mismo, emitir criterios sobre el estado de la máquina. Por ello resulta imprescindible tener definido lo que es un estado o condición normal. El diagnóstico a través del cual se identif ica la causa de los problemas, sólo se debe poner en práctica cuando se detecta un cambio o un comportamiento anormal durante el proceso de monitorado. Como resultado del diagnóstico tiene que haber sido posible determinar cuál o cuáles son las componentes afectadas e incluso, proporcionar un estimado preciso de la severidad del problema, de manera tal que se disponga de información de rigor para poder estimar el margen de tiempo que queda para programar y efectuar las correcciones necesarias, con el menor impacto a la producción.

La predicción resulta una forma superior y más detallada en la que características tan complejas como los espectros FFT y BCS1 entre otras, se comparan con envolventes espectrales de banda estrecha (máscaras espectrales) para identif icar cambios y predecir fallos de manera anticipada. El mantenimiento predictivo como estrategia de mantenimiento, tiene necesariamente que nutrirse del monitorado de estado, del diagnóstico y de la predicción, pero vas más allá, pues incluye la programación de las intervenciones en el sentido más amplio de la palabra.

1.2. FORMAS DE MANTENIMIENTO Mucho se ha dicho y escrito en los últimos tiempos acerca de las estrategias de mantenimiento y por supuesto, no pocos han puesto su granito de arena aportando nombres a estrategias aparentemente nuevas, detrás de las cuales siempre encontraremos alguna o varias de las formas primarias de mantenimiento – por supuesto – combinadas de manera efectiva.

MANTENIMIENTO PREDICTIVO Constituye la forma de planif icar acciones correctivas tales como la sustitución de componentes, el balanceo de masa y la alineación de ejes entre otras tantas, en virtud del estado técnico real de la maquinaria industrial, determinado a través de las técnicas de monitorado y predicción. Luego entonces, no hay dudas de que el monitorado de estado y la predicción de fallos, constituyen las fuentes de información principales para el mantenimiento predictivo. A continuación, un resumen de los beneficios que presupone la introducción efectiva de los programas de mantenimiento predictivo:

1. Se minimiza el tiempo de parada, lo cual incrementa la rentabilidad.

1 Bearing Condition Signature

Capítulo I - Generalidades sobre Monitorado y Predicción

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2. Se minimizan o eliminan los fallos catastróficos. Por regla general, los daños producidos por fallos catastróficos resultan sumamente costosos, pues se afectan componentes que pudieron haber sido salvadas, si el defecto primario se hubiese detectado, identif icado y eliminado a t iempo.

3. Se reducen los costos de mantenimiento.

4. Se reducen los trabajos de mantenimiento no programados. Las acciones correctivas se planif ican para ser ejecutadas con la menor afectación a la producción.

5. Se reduce el inventario en almacenes. Los repuestos se pueden adquirir cuando resulten estrictamente necesarios. Claro está, para ello tiene que funcionar un sistema de compras profesional, en el sentido más amplio de la palabra.

6. Se optimiza el desempeño de la máquina, pues ésta siempre operará dentro de sus parámetros correctos. Se logra un proceso de mejora continua.

7. Se reduce el consumo excesivo de energía eléctrica, cuyo origen radica en la baja eficiencia en el desempeño de la máquina.

8. Se reduce la necesidad de las llamadas máquinas de reserva – siempre que estas tengan por objetivo sustituir las máquinas que han salido de operación de manera imprevista – y del consecuente espacio necesario en Planta para albergar este tipo de máquina. Todo ello se traduce en la reducción del capital invertido.

9. Se incrementa la capacidad de la Planta.

10. Se reduce la depreciación del capital invertido, cuyo origen radica en una actividad de mantenimiento ineficaz e ineficiente. No hay dudas: máquinas bajo una actividad de mantenimiento eficaz y eficiente extienden su período de vida útil y operan en mejores condiciones.

11. Se reducen las reparaciones innecesarias. Las máquinas se reparan sólo cuando sus condiciones de operación no satisfacen los indicadores de un desempeño óptimo.

12. Se minimiza o elimina la posibilidad de reparaciones de baja calidad.

13. Se reduce la necesidad de operación en tiempo extra para cumplir los compromisos de producción, afectados por las salidas de operación imprevistas o por la operación ineficiente de la máquina.

14. Se reducen las penalizaciones como consecuencia de los incumplimientos en la entrega de producción.

15. Se reduce el riesgo de aceptación de máquinas defectuosas, como resultado de la inversión para la compra de máquinas nuevas o de uso.

16. Se incrementa la seguridad industrial. 17. Se garantiza el poder contar con los beneficios de las Compañías

Aseguradoras.

18. Se reduce el tiempo requerido para ejecutar las acciones correctivas, pues el conocimiento del estado de la máquina y por consiguiente de sus


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defectos y las causas de estos, permite organizar las reparaciones de la manera más eficiente.

19. Se reducen las agresiones al medio ambiente.

20. Se incrementa la calidad del producto. En toda estrategia predictiva la adquisición de datos y el f lujo de información resultan elementos prioritarios dentro del proceso de detección e identif icación de defectos a través del monitorado de estado en la maquinaria industrial. Observe en la Figura 1.1 cómo la adquisición de datos con fuentes de diversa índole, deviene en información que luego es empleada para la programación y ejecución de las acciones correctivas, de manera que se prevengan los fallos y se extienda el t iempo de la máquina en operación.

Figura 1.1. Flujo de información en el mantenimiento predictivo

Cada actividad de monitorado se debe traducir en un impacto positivo. Pero si el impacto positivo de la actividad de monitorado no resulta en acciones correctivas ejecutadas de manera oportuna, debido por ejemplo a los requerimientos del proceso productivo o a evidencias de estrechez mental, entonces los esfuerzos para monitorar el estado de la máquina, diagnosticar sus defectos y evaluar la severidad de estos, se habrán realizado en vano.

En muchos casos las acciones correctivas no se logran ejecutar de manera oportuna, porque el proceso productivo no ha sido modif icado para asimilar las tecnologías predictivas, o lo que es lo mismo, no contempla la aceptación y el aprovechamiento de la información derivada del sistema de monitorado y predicción.

El autor cuenta con múlt iples experiencias en industrias, donde la ejecución de acciones correctivas cuando el monitorado indica que existen problemas, resulta


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una batalla campal, especialmente cuando estas acciones correctivas interf ieren la producción. Por eso, se insiste en el f lujo de información, pues las decisiones más costo – efectivas son aquellas que tienen como bases las buenas prácticas de la comunicación.

MANTENIMIENTO PREVENTIVO Basado en tiempo calendario, tiene lugar a intervalos f ijos con independencia del estado de la máquina, aunque tales intervalos pudiesen ser reajustados en función del comportamiento estadístico de los fallos que por supuesto, ya hicieron historia. En no pocos casos también se puede reajustar el intervalo de intervención a través del monitorado de estado, siendo ejemplos de tales reajustes, o bien el desplazamiento en tiempo de una reparación o bien la limitación en el alcance de los trabajos de mantenimiento, sobre la base de los resultados del monitorado de estado.

MANTENIMIENTO CONTRA AVERÍA De naturaleza reactiva, constituye una estrategia que puede resultar por defecto, en el caso en que los problemas no se detecten a tiempo y devengan en fallos o roturas imprevistas. Típicamente resulta la alternativa más cara, aunque se puede justif icar en máquinas pequeñas que no sean vitales para la producción y en aquellas en las que el impacto de un fallo o una avería imprevista, no justif iquen económicamente un mantenimiento predictivo o una estrategia preventiva.

De especial interés resulta el Mantenimiento Centrado en la Confiabilidad (RCM2 por sus siglas en inglés) el cual combina el predictivo, el preventivo e incluso el mantenimiento contra avería, en una estrategia optimizada y altamente costo-efectiva para cada componente. El Mantenimiento Centrado en la Confiabilidad también enfoca su atención en el análisis de riesgo, donde se incluye el tipo y función de los sistemas, la probabilidad de fallo y sus consecuencias desde el punto de vista de costo, seguridad y medio ambiente.

1.3. LA ESTRATEGIA DE MANTENIMIENTO Monitorado y predicción deben formar parte de una estrategia global de mantenimiento centrado en la confiabilidad, cuidadosamente formulada y extremadamente organizada, debiendo quedar definidos suficientemente y en detalle, los objetivos y el alcance del programa. Y desde luego, tendrá que ser previsto cualquier conflicto potencial con la práctica o con la f ilosofía vigente en Planta, de conjunto con los cambios que resulten necesarios y suficientes para lograr los objetivos trazados. Una de las contradicciones típicas que se presentan en estos casos resulta del hábito de mantenimiento y/u operación, de explotar la máquina hasta que se presente una avería. Tal hábito tendrá que ser sustituido por

2 Reliability Centered Maintenance


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la interrupción oportuna de la producción para ejecutar las acciones correctivas, cuando el monitorado y la predicción as í lo sugieran. El programa de mantenimiento más costo – efectivo bajo cualquier circunstancia, será aquel que contemple un balance óptimo de predictivo con preventivo y la reducción a la mínima expresión del mantenimiento contra avería (la experiencia ha demostrado que este último debe ser menos del 20%).

La presencia del mantenimiento predictivo, basado en el estado de la máquina y su integración con la información relativa al desempeño y eficiencia de ésta as í como en las condiciones del lubricante, deberá ser la máxima posible, siempre y cuando se justif ique desde el punto de vista costo – efectivo, pues no hay recetas al respecto.

Así mismo, el mantenimiento preventivo basado en tiempo calendario deberá ser empleado cuando:

− El acopio y análisis de las mediciones necesarias para definir con la mayor precisión posible el estado de la máquina, resulte difícil técnicamente o muy cara.

− Las mediciones pudiesen no ser totalmente representativas del estado de la máquina.

− La experiencia acumulada resulte suficiente para definir los trabajos de mantenimiento, incluyendo las acciones correctivas y la periodicidad de estos.

1.4. MONITORADO Y PREDICCIÓN. BENEFICIOS El programa de monitorado y predicción se basa en la medición y análisis de parámetros síntomas del estado mecánico de la maquinaria industrial, de su desempeño hidráulico o térmico (eficiencia) y del estado del lubricante. Con la minimización de los fallos y con una actividad de mantenimiento enfocada a la erradicación de los problemas crónicos, monitorado y predicción resultan en eficiencia y disminución de costos, en comparación con otras estrategias preventivas – programadas o reactivas.

El tiempo neto en operación varía sensiblemente en dependencia del tipo de instalación, la calidad del lubricante, el medio ambiente y de las fuerzas aplicadas en los elementos de máquina. Todo ello se traduce en que con estrategias preventivas por tiempo calendario, siempre tendrán lugar reemplazos innecesarios o al menos interferencias en la operación de las máquinas, que indudablemente conducen a la interrupción de la producción, quedando como consecuencia una apreciable reserva de tiempo para el fallo.

Muchos especialistas y personal de mantenimiento en general, cuentan con experiencias muy importantes y hasta anecdóticas, en las cuales la maquinaria que operaba en condiciones normales, fue sacada de operación, desarmada, sustituidas componentes en buen estado (si ya se abrió, hay que “aprovechar”) y luego puesta en marcha nuevamente, pero entonces exhibiendo una condición inadmisible es decir, peor que cuando fue sacada de operación y todo ello, como consecuencia de la interferencia humana. Tal situación como es natural, se evita con una estrategia predictiva adecuada.


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Por otro lado, el mantenimiento reactivo (contra averías) resulta una estrategia de “apaga fuegos” como parte de la cual, nunca se llegan a eliminar las causas de los fallos. Lamentablemente, en muchas industrias resulta más fácil justif icar los costos de reparación, que las inversiones necesarias para acometer programas predictivos más eficientes, amén de las pérdidas por salidas de operación imprevistas.

Una prueba de ello lo constituye el fallo de un cojinete de rodamiento, que haya provocado una reacción en cadena con la consecuente afectación severa del alojamiento del cojinete y de la superficie de montaje de este en el eje, lo cual implica que haya que rectif icar el eje con la consecuente pérdida del ajuste necesario. Esto a su vez implica holguras excesivas en el montaje del cojinete tanto en el propio eje como en su alojamiento, situación ésta que quizás pudiera resolverse sustituyendo el cojinete, en cuyo caso habría que seleccionar otro que garantice la requerida capacidad de carga. Pero por otro lado, también pudiera rellenarse el eje, pero entonces ... En f in, el cuento de nunca acabar y por supuesto, la ineficiencia haciendo de las suyas y la máquina detenida.

Muchas industrias en el mundo, que han pasado a la introducción de tecnologías predictivas, reportan una reducción de los costos de entre un 50% y un 60% respecto a las estrategias reactivas y de un 30% respecto al mantenimiento preventivo basado en tiempo calendario. Por otro lado, estas mismas industrias han reportado incrementos de la disponibilidad de producción a más del 98% y reducción de las acciones de mantenimiento no programadas hasta menos del 20% del total de acciones previstas, en virtud de la introducción de tecnologías predictivas.

Así mismo, se han reportado reducciones por concepto de mano de obra de un 20%, de hasta un 30% por concepto de t iempo extra para labores de mantenimiento y de hasta un 20% por consumo de piezas de repuesto.

Los ahorros totales según reportes de estas propias empresas, ascienden a entre 6 y 10 veces los costos de operación del programa de mantenimiento predictivo.

Otro tema de suma importancia lo constituye el ahorro de energía. Por ejemplo, se dispone de datos de una empresa norteamer icana que reporta ahorros de 470 USD por kW por año debido a pérdidas energéticas sólo por concepto de vibraciones. Los consumos energéticos debido a vibraciones y desalineamiento resultan sumamente sensibles en industrias con grandes máquinas o en aquellas donde sea considerable la cantidad de máquinas pequeñas. Desde luego, no sólo debido a vibraciones se consume energía, sino que motores de mayor potencia que la requerida para una operación correcta y que por consiguiente operan a niveles de eficiencia muy por debajo de los criterios de diseño, constituyen agujeros energéticos de importancia estratégica.

Sin embargo, resulta absolutamente imprescindible advertir sobre la posibilidad real de que al comienzo de la introducción de los programas de mantenimiento predictivo, los costos de mantenimiento puedan incrementarse en períodos que pueden variar desde los primeros seis meses hasta el primer año. Este incremento inicial resulta de la identif icación y la corrección de aquellos problemas que no habían podido ser identif icados – aparentemente – antes de la introducción de las tecnologías predictivas y de diagnóstico. Pero es necesario señalar también que el costo de corrección de estos problemas ahora será menor, pues se sabrá qué es lo que hay que resolver y cómo hacerlo del modo más eficiente y eficaz posible.


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1.5. OBJETIVOS TÉCNICO ECONÓMICOS DE LAS TECNOLOGÍAS PREDICTIVAS

Para lograr sacar el mayor provecho a la introducción de las tecnologías predictivas, resulta imperativo dir igirlas hacia los siguientes objetivos:

1. Maximizar la disponibilidad de producción, reduciendo los fallos imprevistos y las paradas no planif icadas.

2. Minimizar los riesgos del personal y la emisión al medio ambiente de mater iales tóxicos y/o inflamables.

3. Minimizar los costos de mantenimiento: a) Minimizando las posibilidades de fallos imprevistos y los efectos

secundarios (reacción en cadena).

b) Extendiendo de manera segura los intervalos entre reparaciones. c) Minimizando la cantidad y duración de aquellas tareas que

presupongan desarmes, inspecciones y reparaciones para reemplazar componentes en buen estado.

d) Concentrando las acciones correctivas en las deficiencias específ icas.

e) Optimizando el inventario de piezas de repuesto y los planes de reparación a través de la definición precisa de los requerimientos de mano de obra y piezas de repuesto.

f) Implementando procedimientos que garanticen que tareas tales como el balanceo y la alineación, tengan lugar de manera apropiada y dentro de los estándares definidos a tales efectos.

g) Verif icando la efectividad de las reparaciones.

h) Calif icando las máquinas nuevas y las reparadas a través de estándares de calidad y desempeño como resultado del monitorado de estado.

i) Asegurando la identif icación y la corrección de las causas raíces de los problemas crónicos.

1.6. EL MONITORADO DE ESTADO Y LAS HIPOTESIS QUE LO SUSTENTAN Los programas de monitorado y predicción están concebidos para proporcionar información que pueda ser asimilada por el personal de operaciones y por supuesto, que sirva de herramienta de trabajo para el personal de mantenimiento.

Estimar la severidad, que no es más que predecir cuánto tiempo podrá operar la máquina de manera segura, constituye una prioridad en el monitorado y predicción. Factores tales como la categor ía, la capacidad, la importancia para la producción y la seguridad, resultan claves en la determinación del t ipo y del alcance de la estrategia de monitorado de estado que mejor se ajuste a la máquina en cuestión.


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En el caso por ejemplo de grandes máquinas insustituibles, tales como turbo compresores y turbo generadores, estas tendrán que ser equipadas con transductores instalados permanentemente y atendidos de manera continua por los llamados sistemas de monitorado on–line. Otro ejemplo muy importante lo constituye aquellas máquinas que trasiegan materiales tóxicos o inflamables (ácidos, hidrocarburos, etc.) en cuyo caso el sistema de monitorado tendrá que avisar sobre peligros potenciales para el personal y para el medio ambiente. A menudo, el monitorado continuo también se justif ica en máquinas críticas tales como bombas de alimentar calderas, bombas de proceso, ventiladores de tiro inducido y de tiro forzado respectivamente. Por otro lado, el monitorado periódico, que puede servirse de una combinación de transductores permanentes con transductores de instalación temporal, resulta de mayor efectividad en máquinas papeleras, máquinas herramienta y otra gama amplia de máquinas de propósito general.

No obstante, siempre que el monitorado continuo esté concebido e instalado correctamente, proporcionará alertas oportunas sobre el desarrollo repentino de defectos en el tiempo, evitando las salidas de operación imprevistas y las consecuentes pérdidas de producción, a la vez que se minimiza el riesgo para el personal. El monitorado de estado constituye una herramienta y a la vez un método primario, basado en mediciones y procedimientos de análisis, concebidos para avisar de manera oportuna, acerca de cambios signif icativos en el comportamiento de la maquinaria industrial.

Este podrá estar soportado por mediciones continuas a través de instalaciones permanentes o por mediciones periódicas que tienen lugar con el empleo de instrumentos portátiles.

Por otro lado, el diagnóstico – habitualmente asociado al monitorado de estado – centra su atención en cambios más específ icos y en los síntomas que permiten determinar las causas de estos, su severidad y desde luego, las acciones correctivas. El pronóstico, de conjunto con el monitorado de estado y nutriéndose del diagnóstico, debe ofrecer resultados que apunten a la reserva de tiempo en operación para la máquina, todo lo cual permita la planif icación oportuna de las acciones correctivas. De igual forma, esta actividad podrá sustentarse en sistemas continuos o periódicos con instrumentación permanente o con instrumentación portátil respectivamente. A continuación, las hipótesis que sustentan al monitorado de estado:

1. La inmensa mayoría de las máquinas son susceptibles de operar en buenas condiciones.

2. La estrategia para el monitorado debe estar concebida de manera que garantice máxima eficiencia y efectividad para la mayor cantidad de máquinas. Aquellas deficiencias relativas al diseño de las máquinas y a sus problemas crónicos, se deberán tomar en cuenta como excepción y no como regla.


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3. La principal tarea de la estrategia de monitorado de estado tendrá que sustentarse en la identif icación confiable de la presencia de cambios y la alerta adecuada ante estos.

4. En muchos casos, para el monitorado de estado resulta suficiente efectuar mediciones sencillas (nivel total de velocidad de vibraciones, por ejemplo). Sólo en casos estrictamente necesarios se deberán realizar mediciones complejas (espectros de aceleración de vibraciones, por ejemplo).

5. Efectuar diagnósticos detallados de manera rutinaria y que superen los requerimientos, constituye una práctica de poco valor agregado para máquinas en buen estado.

6. Salvo raras excepciones, como lo es el caso de fallos por fatiga, los métodos habituales para el monitorado de estado resultan adecuados.

7. La facilidad y habilidad para efectuar mediciones siempre excede la habilidad para interpretarlas. En otras palabras, es más fácil medir correctamente que analizar correctamente.

8. Los programas para el monitorado de estado, los sistemas y los instrumentos afines, deberán estar basados en f ilosofías comprensibles, a la vez que deberán ser de fácil operación para aquellos que tengan que utilizarlos.

9. Con frecuencia, los sistemas para el monitorado de estado resultan claros y evidentes para sus diseñadores, pero ignoran las necesidades del personal que t iene que operarlos, en cuyo caso el resultado es nefasto, lo cual se traduce entonces en aquellos sistemas que a veces nos encontramos en nuestro bregar industrial, durmiendo el sueño eterno o explotados a un 20% de sus capacidades, amén de que en ocasiones esto se debe a la ausencia de capacitación en el personal.

Estos sistemas deberán suministrar al personal que los opera, la información justa que necesitan para tomar decisiones y en un formato inteligible para ellos, de manera tal que puedan asociar claramente el signif icado de los cambios en las mediciones con los cambios de estado.

Cuando se pretende monitorar equipos mecánicos, se deben atender seis objetivos primarios. Estos son:

1. Avisar oportunamente ante los cambios o deterioro del estado de la máquina, de manera tal que se puedan prevenir los fallos y eliminar los tan costosos efectos secundarios.

2. El monitorado de estado no puede evitar un problema, pero s í alertar sobre la presencia de éste, aún cuando el mismo no haya sido identif icado. No hay dudas de que la diferencia entre los costos para la reparación oportuna y programada de un defecto y los costos en los que se incurre al resolver un fallo imprevisto, resulta sencillamente dramática.

3. Iniciar acciones tan pronto como se confirme la presencia de un problema, con el ánimo de evitar los daños secundarios, los riesgos al personal, los daños a los equipos vecinos y las agresiones al medio ambiente.


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4. Reducir los costos de mantenimiento y producción con el incremento de la disponibilidad.

5. Proporcionar un conocimiento preciso de la máquina, permitiendo la programación de las actividades de mantenimiento imprescindibles, con el menor impacto en la producción, centrando el mantenimiento en la solución de los problemas conocidos y extendiendo de manera segura los plazos entre reparaciones. Adicionalmente, todo aquello que exhiba un estado normal no será agredido por los desarmes innecesarios y la consecuente interferencia humana, que persiguen como único objetivo la inspección visual.

6. Proporcionar información relativa a la operación (monitorado continuo) que asegure parámetros acordes con los requisitos de diseño.

Por ejemplo, la temperatura se monitora con el objetivo de evitar pérdidas de rigidez o daños por sobre calentamiento. El monitorado de la posición de rotores previene el contacto entre partes móviles y partes estáticas. Las vibraciones se monitoran para asegurar que no se excedan los límites para las fuerzas dinámicas.

1.6.1. ¿POR QUÉ EL MONITORADO DE ESTADO? Contrario a creencias populares, el objetivo del monitorado de estado no es establecer históricos a partir de grupos de mediciones, ni demostrar las potencialidades del análisis durante el diagnóstico de problemas complejos. Nada de eso, el objetivo del monitorado de estado radica en proporcionar información que permita mantener la máquina en operación y cumpliendo con rigor sus funciones tecnológicas durante el mayor tiempo posible y al menor costo general posible.

Tanto el monitorado de estado como el mantenimiento predictivo han estado produciendo cambios sobre la óptica del mantenimiento, que a la vez ha estado evolucionando desde acciones costosas al estilo emergente de un cuartel de bomberos, hacia procesos eficientes y organizados, sustentados por acciones más precisas y menos costosas.

El monitorado de estado no es una respuesta a todos los problemas ni mucho menos. El monitorado de estado deberá estar integrado dentro de una estrategia global de mantenimiento. Éxito es lo que demanda el mercado global, por demás altamente competitivo. El monitorado de estado existe desde que existen las primeras máquinas. Desde épocas históricas y con las incipientes máquinas a vapor, los operadores aprendieron a asociar el ruido no habitual de estas, con síntomas anticipados de fallos. Posteriormente y de manera acelerada se han ido desarrollando máquinas con mayores dimensiones, operando a velocidades cada vez mayores y muy cerca de sus límites de diseño, conteniendo elementos muy importantes ubicados en zonas de difícil acceso en operación. En estos tipos de máquinas, la espiral de los costos de reparación y la pérdidas de producción constituyen incentivos decisivos para la introducción de programas de monitorado y predicción.

1.6.2. ¿QUÉ ES EL MONITORADO DE ESTADO? Luego de dejar claro que el monitorado de estado constituye un método para alcanzar un objetivo de suma importancia para todo y para todos, entonces, qué es el monitorado de estado?


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El término – aunque quizás inconscientemente – resulta familiar para todos. El sonido de un refrigerador doméstico y las vibraciones de un automóvil por ejemplo, constituyen información trascendente a nuestros sentidos, que de manera consciente o inconsciente, relacionamos con el estado de estos sistemas. No es necesario que el lector sea un especialista en refrigeración o en mecánica automotriz, pues bastará con que el sonido o las vibraciones de alguno de estos aparatos cambie de intensidad o de “tono”, para que advirtamos algún desperfecto y presumamos la cercanía de algún problema muy serio.

La analogía anterior funciona perfectamente cuando de análisis de máquinas industriales rotatorias se trata. Casi todos somos capaces de percatarnos de la existencia de un problema o bien muy temprano o bien muy tarde. Sin embargo, la clave está en reconocer la presencia del problema lo más pronto posible antes de que ocurra un daño en la máquina, de manera tal que la reserva de tiempo permita planif icar la acción correctiva para la anomalía detectada, con el mínimo de obstrucción de las operaciones y del plan de producción y por supuesto, con el máximo aprovechamiento del per íodo de operación de la máquina. Luego entonces, se deberá evaluar la naturaleza y la causa del problema así como su severidad, de manera tal que se pueda asegurar una ponderación precisa de las consecuencias del fallo y del impacto económico que presupone una salida de operación no planif icada y la pérdida de producción asociada. En este caso, resulta de suma importancia contar con la información necesaria y suficiente como para convencer al Jefe de Planta, que debe sacar de operación la máquina en cuestión. Más vale prevenir que tener que lamentar.

Desde el punto de vista técnico, el éxito del monitorado de estado está determinado por las condiciones reales para acometer dos tareas muy importantes. Estas son:

− Acopiar un grupo de características que definan completamente el estado mecánico de la máquina.

− Identif icar y reconocer cambios relativos al comportamiento normal de la máquina.

1.6.3. EL MONITORADO CONTINUO Realmente, justif icar económicamente que el monitorado continuo evita las pérdidas de producción y que para ello se debe hacer una inversión que por cierto, no es nada despreciable, resulta una tarea extremadamente ingrata.

Desde luego, casi nadie cuestiona la necesidad de emplear sistemas de monitorado continuo en máquinas insustituibles, cuya salida imprevista de operación genera un revuelo horrible, dada las pérdidas de producción que esto presupone. En este tipo de máquinas, la inversión para la instalación de un sistema de monitorado continuo representa una fracción mínima del costo total de la máquina y una cifra realmente baja en comparación con lo que cuesta un día sin producir.

El cálculo necesario para justif icar la adquisición, instalación y puesta en marcha de un sistema de monitorado continuo resulta realmente complejo y sobre ello no todo está escrito. Sin embargo, a manera de referencia se puede sugerir que estos sistemas se justif ican económicamente, cuando la inversión está en el orden de entre un 35% y un 50% de la producción diaria de la máquina en cuestión.

Desde luego, tanto la categoría como la experiencia de operación y la mantenibilidad de la máquina, serán los factores que dicten las pautas para el


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sistema de monitorado. Por ejemplo, una solución muy empleada consiste en la instalación de transductores permanentes en el grupo de máquinas de interés, de los cuales se adquirirán las señales empleando para ello el llamado mult iplexado y éstas a su vez serán introducidas en sistemas automatizados para el monitorado y la predicción. Esta alternativa resulta altamente costo – efectiva.

Una vez definido el alcance del monitorado, será necesario ejecutar un análisis detallado de la máquina, teniendo en cuenta el diseño, su construcción, la estructura soporte, su operación y su respuesta ante los problemas. Así mismo, será necesario preparar un listado contentivo de los problemas potenciales, organizados de forma jerárquica y atendiendo a la probabilidad de ocurrencia y sus consecuencias. Posteriormente será necesario identif icar aquellos parámetros síntomas que estén asociados con la detección de los problemas potenciales, siendo igualmente ordenados jerárquicamente de acuerdo a su sensibilidad, confiabilidad y facilidad de medición.

Los sistemas para el monitorado continuo ejecutan las siguientes funciones:

a) Almacenar información. b) Alertar e incluso desconectar (disparo) si fuese necesario.

c) Comparar con valores límites.

d) Registrar magnitudes características. e) Procesar magnitudes características.

Indudablemente que dentro de los sistemas de monitorado continuo existen matices y niveles, tales es el caso por ejemplo, de los más económicos que son muy utilizados en ventiladores, molinos y otras máquinas similares, para monitorar las vibraciones absolutas. Observe la Figura 1.2.

Figura 1.2. Unidad para el monitorado continuo de vibraciones absolutas.

Cortesía de Brüel & Kjær Vibro.


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Así mismo, existen otros sistemas que permiten monitorar las vibraciones absolutas en pedestales y las vibraciones relativas del eje tanto en el plano radial como en la dirección axial. En la Figura 1.3 se observan tres instalaciones que se pueden lograr con la misma unidad de control. Tal y como se observa en la Figura 1.3, en este caso el módulo de adquisición sólo recibe información a través de un canal por lo que este sistema se emplea en el monitorado de máquinas con pocos puntos de medición. Otra característica de interés resulta el hecho de que la electrónica de acondicionamiento de la señal proveniente del transductor radica en un módulo independiente del módulo que se ocupa del monitorado como tal.

Figura 1.3. Instalación de sistemas para el monitorado continuo de vibraciones absolutas y relativas. Cortesía de Brüel & Kjær Vibro.

Con un mayor nivel de desempeño, se pueden encontrar otros sistemas que además de estar en condiciones de atender dos canales de información, pueden admitir señales provenientes de transductores de aceleración o de velocidad, además de que incluyen un microprocesador para ejecutar tareas de mayor complejidad. Disponen de un canal de comunicación para computadora vía RS-232 y poseen un software interno para auto diagnóstico. Tales sistemas tienen aplicación en Motores, Bombas, Ventiladores, Centr ífugas y Transmisiones por engranajes. Observe la Figura 1.4.


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Figura 1.4. Unidad de control para el monitorado continuo de vibraciones

a dos canales. Cortesía de Brüel & Kjær Vibro..

En resumen, los sistemas de las Figuras 1.2, 1.3 y 1.4 poseen cuatro atributos característicos. Estos son:

1. Bajo costo.

2. Alta precisión.

3. Alta sensibilidad. 4. Alta confiabilidad.

Ahora bien, existen muchas máquinas en las que el número de puntos a controlar y/o la cantidad de parámetros a incorporar en el monitorado es tal, que hay que acudir al empleo de otros sistemas más potentes, que ofrecen soluciones incluso más económicas, que si simplemente incorporáramos tantos módulos similares al mostrado en la Figura 1.4, como variables necesitásemos monitorar.


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Estos sistemas, permiten monitorar las siguientes magnitudes:

a) Vibraciones relativas. b) Vibraciones absolutas.

c) Posición axial. d) Expansión relativa del eje y expansión absoluta del cuerpo de la

máquina.

e) Volicidad de rotación, sus variaciones, dirección de rotación y velocidad cero.

f) Variables de proceso y parámetros de operación.

De igual forma, estos sistemas cuyo diseño se basa en el uso de los microprocesadores reportan las siguientes ventajas:

1. Alta capacidad de trabajo, f lexibilidad y adaptación simple a múltiples tareas de monitorado.

2. Configuración v ía softw are para computadora, lo cual elimina el uso de interruptores, botones y potenciómetros.

3. Reducción del hardw are en comparación con los instrumentos analógicos, lo cual incrementa el tiempo medio entre fallos de estos sistemas así como su confiabilidad.

4. Comunicación directa con sistemas supervisores y de control de procesos a través de interfaces estándares.

5. Régimen de medición continuo, display digital y monitorado del valor límite de todos los parámetros que caracterizan el estado de la máquina.

6. En concordancia con los requerimientos de los estándares API 670 y DIN 45670.

En la Figura 1.5 se observa el empleo de estos sistemas para el monitorado por ejemplo, de las vibraciones absolutas en dos pedestales y de la posición axial del rotor. De igual forma, la Figura 1.6 ilustra el empleo del mismo sistema modular atendiendo las mismas variables de la Figura 1.5, pero en este caso en tres máquinas.

Claro está, existen situaciones en las que la máquina a monitorar resulta de complejidad extrema, como lo es el caso de un Turbo Generador de 500 MW como el mostrado en la Figura 1.7. La máquina del ejemplo cuenta con nada más y nada menos que once chumaceras, en las cuales es menester monitorar las vibraciones absolutas y las vibraciones relativas en el plano radial, además de la velocidad de rotación, la posición axial de los ejes y la expansión relativa de estos y del cuerpo de la máquina, por sólo citar algunas variables. El lector debe prestar especial atención a que sólo para vibraciones se requieren no menos de 36 transductores. En este caso, más de un sistema como los mostrados en las Figuras 1.5 y 1.6 deberán atender el monitorado de la máquina, tal y como se observa en la Figura 1.7.


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Figura 1.5. Empleo de los sistemas modulares para el monitorado continuo de las vibraciones absolutas y la posición axial de eje. Cortesía de Brüel & Kjær Vibro.

Figura 1.6. Empleo de los sistemas modulares para el monitorado continuo de las vibraciones absolutas y la posición axial del eje en más de una máquina. Cortesía

de Brüel & Kjær Vibro.


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Figura 1.7. Sistema para el monitorado de estado de

un Turbo generador de 500 MW. Cortesía de Brüel & Kjær Vibro.

1.6.4. EL MONITORADO PERIÓDICO Puede ejecutarse sobre la base de mediciones realizadas con instrumentos portátiles, a partir de la adquisición de las señales provenientes de transductores permanentes o de los propios transductores que acompañan a estos instrumentos y que se instalan con un carácter temporal. En cualquiera de los dos casos, este tipo de monitorado persigue como objetivo el diagnóstico detallado y el pronóstico de fallo.

El monitorado periódico resulta muy útil en el caso de componentes o máquinas cuyo comportamiento exhiba características muy complejas y donde el monitorado del nivel total de vibraciones no sea suficientemente sensible a los cambios de estado de estas componentes o de la propia máquina. En otras palabras, el monitorado periódico tiene su mayor aplicación a nivel de defecto. Este t ipo de monitorado constituye la estrategia de mayor aplicación en máquinas de propósito general es decir, máquinas auxiliares.

Hoy día, los instrumentos portátiles se pueden encontrar a precios que oscilan entre los 20 000 y los 30 000 dólares, aunque el costo de introducción de estos no sólo tiene en cuenta la inversión inicial, sino la mano de obra que sistemática y necesariamente resulta imprescindible para el acopio de información, pues no olvidemos que estos instrumentos deben ser operados por un ser humano, amén de ser también un ser humano, quien luego tendrá que analizar los registros y no sólo emitir criterios sobre el estado de la máquina, sino también recomendaciones sobre acciones inmediatas o futuras.

Las rutas de medición pueden ejecutarse lo mismo semanalmente, que mensualmente, que cada tres meses, todo ello dependiendo de la historia de la máquina en cuando a fallos se refiere y desde luego, tomando en cuenta sus funciones y su papel dentro del proceso tecnológico. En los últ imos tiempos se ha


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desarrollado mucho la tecnología de Inspección Basada en Riesgo (RBI3 por sus siglas en inglés), que toma como base para la planif icación de las rutas de medición el riesgo de fallo y el impacto de éste en el entorno industrial.

El riesgo asociado a una Planta Industrial se define a través de la combinación entre la frecuencia de fallo y la consecuencia asociada. Dentro de las consecuencias más comunes se t ienen los daños a personas, los daños materiales al equipamiento y la instalación en general, los efectos f inancieros por concepto de pérdida de producción, los daños al medio ambiente y las sanciones legales e indemnizaciones entre otros.

La inspección basada en riesgo constituye una herramienta que permite priorizar las máquinas desde un punto de vista cualitativo o desde un punto de vista cuantitativo. La programación de las inspecciones tiene que tomar en cuenta:

a) ¿Dónde inspeccionar? b) ¿Qué inspeccionar?

c) ¿Cómo inspeccionar?

d) ¿Cuándo inspeccionar?

1.6.5. PROTECCIÓN Una de las funciones del monitorado de estado es la protección, la cual debe reconocer de manera instantánea cualquier cambio repentino en el estado de la máquina e indicar o emitir alarmas al respecto. Sin embargo, en caso de advertir problemas serios sobre todo en máquinas crít icas, el sistema deberá actuar a través del conocido disparo, protegiéndola del daño inminente. Los sistemas ilustrados en las Figuras 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6 y 1.7, están concebidos para la protección.

En otras palabras, la protección persigue como objetivo fundamental el disparo de la máquina o el retorno de ésta a condiciones de operación que eviten averías y todo ello, sin la intervención humana.

Los sistemas de protección se han estado empleando desde los años 60 y en el ámbito mecánico han ido incorporando transductores de vibraciones, de posición, de temperatura, de f lujo, de presión y de velocidad de rotación entre otros. Tales transductores se mantienen conectados y atendidos de manera permanente por instrumentos de monitorado, capaces de emitir alarmas y/o comandos para la “desconexión” de la máquina, enviándolos a los sistemas de control de ésta. En esencia, los sistemas de protección se alimentan de mediciones para poder “desconectar” las máquinas de manera automática, una vez que las condiciones de éstas se hayan degradado más allá de los límites de alarma. Por diseño, los niveles límites para el disparo o salida de producción de la máquina resultan notablemente altos por lo cual, el disparo tiene lugar únicamente cuando la seguridad de la máquina resulta severamente afectada o cuando el fallo es inminente.

3 Risk Based Inspection


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Los sistemas de protección pueden – y de hecho lo hacen – prevenir catástrofes pero de manera reactiva. Visto de otra forma, los sistemas de protección no permiten estrategias proactivas. O sea, estos sistemas no protegen la capacidad de la máquina para continuar en operación, sino que minimizan los daños colaterales una vez que los defectos hayan alcanzado categorías severas.

1.6.6. PREDICCIÓN La predicción resulta otra de las funciones del monitorado y está encaminada a la detección anticipada de problemas potenciales, de manera tal que se puedan programar las acciones correctivas necesarias con el menor impacto económico posible. Tanto la protección como la predicción son complementarias y con frecuencia se emplean simultáneamente. Luego de identif icar un problema, el énfasis debe tener lugar en virtud del análisis y de las acciones correctivas. Todo ello a través de las siguientes acciones:

− Localizar e identif icar el comportamiento anormal específ ico.

− Evaluar la severidad, la probabilidad, las consecuencias y el tiempo que resta para el fallo.

− Recomendar e implementar las rutinas de corrección más costo – efectivas a largo plazo.

Claro está, en todo esto no se puede olvidar a las personas, pues constituyen el factor más importante para lograr el cometido del monitorado de estado. Entusiasmo, curiosidad, determinación, avidez por aceptar el reto y coraje para emitir conclusiones y recomendaciones así como para incrementar el conocimiento sobre la máquina, resultan cualidades muy importantes que deben caracterizar al personal involucrado directamente en el programa de monitorado y predicción.

En la Figura 1.8 se observa un sistema similar al de la Figura 1.6, pero con una computadora acoplada, en la cual se está ejecutando un softw are para el diagnóstico y evaluación del estado de la máquina.

Los sistemas de monitorado y predicción se sustentan en el registro de los parámetros apropiados y en la transformación de estos a formatos inteligibles. El proceso de transformación de los registros puede ser ejecutado de forma manual o automatizada, aunque normalmente se ejecuta de manera automatizada en sistemas computarizados. Sin embargo, con frecuencia el acopio de la información se realiza manualmente, pues abundan las máquinas clasif icadas como fundamentales y las clasif icadas como no fundamentales, para las cuales se emplean los sistemas portátiles. Por el contrario, en aquellas máquinas clasif icadas como críticas la información se registra de manera continua y en los mejores sistemas esto se hace a alta velocidad y simultáneamente a través de todos los canales del sistema.


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Figura 1.8. Sistema on-line para monitorado y predicción.


1.6.7. COMPLEMENTO PROTECCIÓN - PREDICCIÓN En la Figura 1.9 se observa la relación complementaria protección – predicción. En el Nivel 1 se observan los transductores que estando instalados en la máquina, proporcionan la entrada al sistema de control de ésta. Así mismo se observan también los transductores del sistema de protección de la máquina.


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Figura 1.9. Complemento protección – predicción.

Paralelamente y de acuerdo a la Figura 1.10, en la medida en que la condición de la máquina se vaya deteriorando, se activará el nivel de Alerta en el sistema de protección a un tiempo T1. Normalmente el resultado se traduce en una señal luminosa intermitente visualizada en el panel de control de la máquina. El operador de la máquina no cuenta en este caso con ninguna información adicional, pudiendo solicitar la presencia de un analista con su instrumentación portátil para desentrañar la causas de tal situación. En la Figura 1.11 se observa una alternativa muy interesante desde el punto de vista económico y desde el punto de vista técnico. El sistema de monitorado y protección instalado en la máquina resulta sencillo y nada costoso. Sin embargo, la interconexión con un analizador portátil de vibraciones le atribuye al sistema un carácter prácticamente ilimitado, ahora convertido en un sistema periódico de monitorado y predicción. Volviendo a la situación anterior, el lector no debe perder de vista que el proceso descrito hasta el momento resulta de naturaleza reactiva. En este caso no se dispone de información histórica alguna, en la que sea posible encontrar una explicación coherente a las causas por las cuales el estado de la máquina se ha degradado y mucho menos, cómo ha tenido lugar tal degradación por lo cual, emitir un criterio sobre la situación de la máquina puede demorar desde horas hasta días. En la propia Figura 1.10 se observa que el proceso de degradación de la condición de la máquina continúa hasta llegar al nivel de Alarma a un tiempo T2 en virtud del


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cual se activará el sistema de protección automática teniendo lugar el disparo de máquina. A estas alturas, podrá o no ser posible determinar cuáles han sido las causas del disparo y todos coincidirán en que la máquina ha sido salvada. Pero no se debe perder de vista que esto ha sido posible a costa de interrumpir la producción, sin que se haya podido ejecutar acción proactiva alguna. Esto sin dudas representa una pérdida de oportunidad y constituye una de las fuentes de costo más signif icativas asociada a la no predicción.

Figura 1.10. Evolución de la condición de la máquina.

Indudablemente que el Nivel 2 en la Figura 1.9 resulta en una mejor estrategia, pues incorpora instrumentos de adquisición de datos a alta velocidad y una computadora digital, todo ello al estilo de lo mostrado en la Figura 1.8 por ejemplo. Los datos acopiados por el sistema pueden ser compartidos con el propio sistema de control de la máquina e incluso, se puede acceder a la información por vía remota. El sistema puede incorporar también el acceso a las variables de proceso.

Desde luego, si el sistema sólo se remite a adquirir los datos, almacenarlos y plotearlos, todav ía exige de la revisión y análisis sistemático del especialista, estando latente la naturaleza reactiva del proceso, aunque desde luego, en dependencia del nivel de preparación del analista y del diseño del propio sistema, será posible anticiparse al fallo e incluso programar de manera oportuna la intervención y las acciones correctivas asociadas.


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Figura 1.11. Interconexión entre un sistema de monitorado y protección y un analizador portátil, lo cual resulta en un sistema periódico de monitorado y

predicción. Cortesía de COMSET BOLIVIA S.R.L.

En la Figura 1.9 se observa un tercer nivel en el que con cierta dosis de automatización y desde luego, con el concurso y dedicación de los especialistas, se puede cambiar el curso de los acontecimientos, lógicamente, mucho antes de que la máquina alcance el nivel de alarma. Esto puede tener lugar en virtud de tres alternativas según se observa en la Figura 1.12, sustentadas en la toma de acciones que permitan:

A. Mejorar la condición de la máquina sin detener la. B. Mantener la condición actual de la máquina evitando el deterioro

progresivo.

C. Que el deterioro continúe, pero con una menor tasa de degradación, la cual permita disponer de mayor tiempo para planif icar las acciones correctivas definitivas.


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Figura 1.12. Posibles comportamientos luego de las acciones correctivas basadas

en la predicción.

Este complemento protección – predicción reporta los beneficios siguientes: Incremento de la seguridad

La seguridad se incrementa tanto para el personal de Mantenimiento como para el de Operaciones. Además de ello, la operación segura de las máquinas se traduce en la eliminación del t iempo perdido, debido a los accidentes provocados por fallos, amén de que se eliminan las agresiones al medio ambiente por este mismo concepto.

Incremento de la confiabilidad

Cuando la condición de la máquina cambia se dispone de información precisa para detectar el cambio con suficiente antelación, permitiendo emitir criterios confiables sobre la situación real de la máquina. Sobre esta base, se programan las acciones con el menor impacto posible a la producción. Desde luego, para ello es preciso conocer no sólo el estado de la máquina on – line, sino que resulta imprescindible conocer la eficiencia del proceso tecnológico y por cuánto tiempo se podrá garantizar esta condición de manera confiable. Por otro lado, es menester evaluar la posibilidad de reajustar el proceso productivo, de manera tal que la máquina pueda continuar en operación sin necesidad de detenerla.


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Incremento en el aprovechamiento del personal La tendencia moderna apunta a la disminución del personal en planta, por lo que resulta estrictamente necesario hacer más con menos personas. El personal vinculado al monitorado y predicción deberá dedicar tiempo, sólo a aquellas máquinas cuya condición haya dejado de ser normal. Por ello, se deberá automatizar cada vez más el proceso de reconocimiento de cambios en la condición de la máquina.

Extensión del tiempo entre intervenciones de mantenimiento Tal y como se ha mencionado anteriormente, se debe intervenir la máquina cuando esta lo “solicite” y no cuando haya transcurrido cierto t iempo definido por alguien. La ventaja que representa el poder predecir un fallo resulta de inestimable valor técnico – económico.

1.7. LAS MEDICIONES ¿Cómo monitorar estado y pronosticar comportamientos futuros sin medir? No es posible, a pesar de los criterios defendidos por muchos, detrás de los cuales muchas veces se esconde la ignorancia y la incapacidad para aceptar nuevos retos, amén de la demostrada resistencia al cambio y al desarrollo.

Vibraciones, posición, temperatura en cojinetes, presión y estado del lubricante constituyen algunos de los parámetros que se pueden y se deben medir, como parte del programa de monitorado y predicción.

Tales parámetros se procesan para aislar características específ icas, que luego deberán ser comparadas con estándares físicos o empíricos, con el objetivo de arribar a una evaluación precisa del estado de la maquinaria industrial. De todos estos parámetros, las vibraciones resultan el mejor indicador para juzgar las condiciones dinámicas de la máquina, a saber: desbalance de masa, estabilidad en cojinetes y desperfectos en cojinetes de rodamientos entre otros y para poder reconocer esfuerzos dinámicos excesivos en elementos de máquinas, tal es el caso por ejemplo, de álabes, paletas, dientes, etc. Además, las vibraciones son portadoras de información relativa a desalineamientos en acoplamientos y holguras inapropiadas. A través de la medición de la posición del eje relativa a las componentes estacionarias, es posible monitorar las holguras y proteger a la máquina contra contactos que pueden resultar catastróficos. La medición de temperatura por su parte, se utiliza con dos f ines. Por un lado para evaluar la condición mecánica de la máquina, a partir de las cargas aplicadas sobre algunas componentes como lo son por ejemplo, los cojinetes de empuje axial. Pero por otro lado, la temperatura también resulta una variable de proceso sintomática del funcionamiento de sistemas auxiliares – enfriamiento por ejemplo – así como, para determinar el desempeño termodinámico y la eficiencia. La presión casi siempre se mide también como una variable de proceso aunque sin embargo, también resulta un buen parámetro de diagnóstico, ya que los cambios de presión con frecuencia resultan sintomáticos de otros problemas tales como la presencia de impurezas y/u obstrucciones en f iltros y conductos en general y los cambios en las holguras en cojinetes e incluso, la inestabilidad en estos.


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El autor cuenta con una experiencia muy interesante en la que las f luctuaciones en la presión de lubricante en cojinetes de deslizamiento, unido a un patrón específ ico de vibraciones, contribuyó a identif icar una instalación errónea de los cojinetes, lo cual condicionaba el rompimiento periódico de la cuña de altas presiones. Por su parte, el monitorado del estado del lubricante también resulta un indicador de la presencia de partículas o sustancias extrañas, como lo es el caso por ejemplo del agua, que puede degradar las propiedades del lubricante y provocar fallos en cojinetes. Así mismo, es posible detectar la presencia de partículas metálicas sintomáticas del desgaste en partes con movimiento relativo y entre las cuales medie el lubricante. Para seleccionar aquellos parámetros que con mayor f idelidad representen la condición de la máquina, será necesario tener en cuenta varios factores. Además del tipo, naturaleza y severidad de los problemas a los cuales resulta necesario anticiparse, es necesario tener en cuenta la respuesta de la máquina, el comportamiento de la variable a medir, la función de transferencia entre la excitación (el defecto) y el receptor (posición del transductor), las características del transductor y los rangos de frecuencia de interés.

Durante el proceso de selección resulta sumamente importante la respuesta del parámetro s íntoma ante los cambios de estado, la cual deberá ser la mejor posible para lograr máxima efectividad. Suponga que se registrará la posición axial del rotor, la temperatura de salida (drenaje) del lubricante del cojinete de empuje y la temperatura de los metales del propio cojinete. Sin duda, estos tres parámetros están relacionados con el estado y la carga sobre el cojinete de empuje, siendo la temperatura en los metales la más sensible a la carga. Observe la Tabla 1.1.

Tabla 1.1. Sensibilidad del parámetro síntoma

PARÁM ETRO MEDICIÓN

sin carga – con carga

Posición Axial 25 µm

Temperatura drenaje 3 oC

Temperatura metales 55 oC

Desde luego, si el único problema de interés fuese la sobrecarga, entonces sólo sería necesario registrar la temperatura en los metales.

MEDICIÓN DE VIBRACIONES EN EJES En términos de medición de vibraciones, tanto el diseño y construcción de la máquina, como su respuesta, el propósito de la medición y el rango de frecuencia de interés, determinarán cuál es el transductor más apropiado para la medición. El diseño de la máquina y sus características dinámicas condicionan la ubicación del transductor. Por otro lado, las dimensiones de la máquina, su criticidad y su historia así como, la naturaleza de los problemas y el grado de anticipación a estos, condicionarán la cantidad y disposición de los transductores a instalar.


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La decisión en cuanto a qué medir depende en gran medida de la propia máquina. Cuando la máquina se caracteriza por un rotor ligero montado en pedestales pesados y rígidos, casi toda la fuerza generada en el rotor se disipará en forma de movimiento relativo entre el rotor y los pedestales. En este t ipo de máquina, como lo es el caso de los compresores centrífugos por ejemplo, en los cuales la razón de peso pedestales/rotor es alrededor de 30:1, resulta apropiado el uso de transductores de proximidad similares al mostrado en la Figura 1.13, con el ánimo de cuantif icar el movimiento relativo rotor-cojinetes.

Figura 1.13. Ejemplo de un transductor de corrientes de eddy.


De especial importancia resulta la ubicación de los transductores en la longitud del rotor. Si se observa detenidamente la Figura 1.14, se podrá apreciar claramente que si la ubicación de los transductores corresponde a la combinación A – A las mediciones serán correctas. Sin embargo, si los transductores se ubican según la combinación B – B prácticamente no se registrará nada, pues ambos transductores estarán ubicados en los nodos de vibración. Pero muy importante resulta también señalar, que de ser ubicados los transductores en correspondencia con la combinación A (izquierda) – C, entonces las mediciones revelarán una falsa oposición de fase.

Típicamente, la medición de vibraciones en ejes se realiza instalando dos transductores de proximidad a 90º uno del otro. Observe la Figura 1.15. A mbos sensores se deben montar en el mismo plano y con la misma or ientación angular en cada uno de los cojinetes de cada una de las componentes del tren de máquinas.


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Figura 1.14. Ubicación de los transductores de proximidad y su dependencia del

modo de deflexión del eje.

Figura 1.15. Ejemplos de instalación permanente de transductores de proximidad. Foto tomada por el autor.

MEDICIÓN DE VIBRACIONES EN PEDESTALES Por el contrario a la medición de vibraciones en ejes, cuando se está en presencia de máquinas con rotores pesados montados en cojinetes rígidos sobre pedestales f lexibles, éstas poseen un comportamiento dinámico tal, que casi toda la fuerza generada por el rotor se disipa en forma de movimiento estructural. Para este tipo de máquina, tal es el caso de ventiladores y máquinas cuyos rotores operen sobre


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cojinetes de rodamiento, el empleo del acelerómetro piezoeléctrico resulta una solución acertada. Observe la Figura 1.16. La mayor precaución a observar durante la medición de vibraciones en los pedestales de la máquina y sobre los alojamientos de los cojinetes, resulta en el montaje del transductor en la superficie de medición, en cuyo caso será imprescindible garantizar que la frecuencia de resonancia del montaje, no esté contenida dentro del rango de medición de interés. Un montaje erróneo del transductor se traducirá en mediciones que denotarán comportamientos que nada tienen que ver con el estado de la máquina y sí mucho que ver con el montaje del transductor.

Figura 1.16. Montaje de un acelerómetro piezoeléctrico

en la brida de una bomba vertical.

MEDICIÓN DE LA REFERENCIA DE FASE El transductor empleado para la referencia de fase resulta un típico transductor de proximidad, ubicado de tal manera que sea sensible a un evento que esté teniendo lugar una vez por vuelta. Tal es el caso por ejemplo, del chavetero o de la chaveta ilustrados en las partes superior e inferior de la Figura 1.17 respectivamente, en la cual se observa también la apariencia de la señal eléctrica utilizada como referencia.


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Figura 1.17. Comportamiento de la señal eléctrica de acuerdo con el tipo de

referencia empleada.

Además de proporcionar una referencia para la adquisición de la onda temporal, la referencia de fase posee muchos otros usos, como lo es por ejemplo la determinación de la orientación de la órbita. Esta referencia de fase puede conectarse además a un tacómetro para el registro de la velocidad de rotación y en no pocos casos se puede encontrar al sensor de proximidad “apuntando” hacia una rueda dentada. Tal solución se implementa con el objetivo de incrementar la sensibilidad del sistema de medición a los cambios en la velocidad de rotación. A continuación otras aplicaciones de la referencia de fase:

− Referencia para las pruebas de run–up / coast–down.

− Normalización del eje horizontal de un espectro, para transformarlo a frecuencias ordinales.

− Medición de fase durante el balanceo.

− Análisis de los modos de deflexión del rotor en operación.

− Cálculo de la corrección para el runout.

MEDICIÓN DE LA POSICIÓN DEL ROTOR La forma más común que existe para medir la posición del rotor consiste en la instalación de dos transductores de proximidad para cuantif icar la componente de directa de la señal. Desde luego, estos transductores se deberán montar sobre partes suficientemente r ígidas que además no estén sometidas a estados técnicos transitorios.


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En el caso de la posición axial del rotor, ésta se puede registrar empleando por ejemplo, las soluciones ilustradas en la Figura 1.18.

Figura 1.18. Soluciones prácticas para la medición de la posición de ejes.

Las componentes de turbinas por ejemplo, son muy susceptibles a los cambios de temperatura los cuales se traducen en contracciones y expansiones, que a su vez pueden resultar en roces entre las partes estacionarias y las partes rotatorias. La expansión térmica tiene lugar debido a las altas temperaturas del vapor de entrada a la turbina. Este efecto normalmente resulta más severo durante el arranque y la parada de la máquina. Esto obviamente es un problema, pues las componentes de la máquina se expanden y se contraen en magnitudes diferentes, todo lo cual se traduce en expansiones diferenciales. La expansión diferencial de mayor importancia es la que tiene lugar entre el rotor y el cuerpo de la máquina, pues ésta puede entrañar daños en paletas y sellos entre otras componentes. Durante el arranque, a medida que la turbina se va calentando, el rotor se expande más rápidamente que el cuerpo de la máquina, lo cual se traduce en el estado denominado rotor extendido. Durante la detención de la máquina el rotor se enfría y se contrae más rápidamente que el cuerpo de la turbina, entrando en el estado conocido como rotor contraído.

Este fenómeno resulta crít ico para la operación de la máquina y es por ello que el monitorado de la expansión diferencial constituye una prioridad en los sistemas de supervisión de turbinas4.

4 Turbine Supervisory System


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Luego entonces, cuando se monitora de manera continua tanto la expansión diferencial como la expansión del cuerpo de la máquina, se dispone de información vital para evaluar las holguras entre los elementos estacionarios y los rotatorios.

Por otro lado, la posición radial del eje constituye un indicador de suma importancia relacionado con la pérdida gradual de material en el cojinete. También se emplea para cuantif icar la estabilidad del eje y las cargas relacionadas con el desalineamiento. Esta posición se cuantif ica a través de la componente de directa de la tensión eléctrica registrada con transductores de proximidad ubicados según la Figura 1.15. En la Figura 1.19 se puede apreciar el resultado del ploteo de la Posición Promedio de la Línea de Centros de Eje.

Figura 1.19. Posición Promedio de la Línea de Centros de Eje.

Asuma que el rotor está ubicado en la posición más baja del cojinete cuando la máquina está detenida. Entonces, si todas las mediciones subsecuentes durante la puesta en marcha se refieren a esta posición inicial, se tendrá información relacionada con la formación de la cuña de lubricante y los efectos térmicos y de carga sobre el rotor. Durante la operación estacionaria, este parámetro reflejará los cambios en las condiciones de carga as í como, los cambios en la condición de alineación.


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La posición de la línea de centros del rotor está asociada y es proporcional, a la componente de directa de la tensión eléctrica que se obtiene a la salida de los transductores, dispuestos ortogonalmente en el rotor. Entonces, con el rotor detenido será preciso registrar la tensión eléctrica proporcional a la holgura entre la superficie del rotor y el extremo del transductor de corrientes de eddy. Este registro será empleado posteriormente como una referencia para estimar la posición del rotor con respecto a su cojinete. Desde luego, habrá que admitir que con la máquina detenida, el rotor se ubica en el punto muerto inferior de sus cojinetes. Cuando la máquina se pone en movimiento, la tensión eléctrica a la salida de los transductores de corrientes de eddy cambiará en la medida en que el rotor varíe su posición, de acuerdo con su contacto con la película de lubricante. De manera que, teniendo como referencia la posición inicial del rotor en reposo, se podrá plotear la variación promedio de la posición radial del rotor cuando la máquina esté operando. Volviendo a la f igura 1.19, en ella se muestra el ploteo de la posición promedio de la línea de centros del rotor. Observe la escala máxima de 5 mils que es precisamente la holgura diametral del cojinete de la máquina objeto de pruebas. Este t ipo de representación, debe verse como el resultado del ploteo de la componente de directa de la tensión eléctrica de salida del transductor de corrientes de eddy. Normalmente se plotea la posición radial promedio del rotor a diferentes velocidades de operación, relativa al registro de la posición inicial del rotor detenido. Este formato de datos es muy útil para evaluar la alineación en acoplamiento y el centrado de cojinetes, para obtener información relativa a la carga sobre el rotor, al espesor de la película de lubricante y al desgaste del cojinete así como, al ángulo de posición del rotor. A continuación algunas aplicaciones de este tipo de medición:

− Evaluación de holguras excesivas o desgaste excesivo, tal es el caso por ejemplo, de la erosión del babbitt debido a descargas electrostáticas.

− Ángulo de posición del rotor (Figura 1.20), como un indicador de cargas anormales o de cambios en las condiciones de carga (cargas unidireccionales y estacionarias).

− Razón de excentricidad (Figura 1.21), como un indicador de cuán cerca está el centro del rotor del centro del cojinete. Decrecimientos en los valores de la excentricidad pueden desembocar en problemas de inestabilidad.

La información sobre la posición promedio de la línea de centros del rotor debe ser evaluada periódicamente (tendencia) como parte del sistema de monitorado de estado en este tipo de máquina rotator ia. Los cambios signif icativos en el comportamiento de la posición promedio de la línea de centros del rotor, deberán ser investigados de inmediato. La correlación de la información relacionada con la posición del rotor, en función de las condiciones de operación (carga, temperatura, parámetros de proceso, etc.) definirá, dentro de este formato de visualización de datos, las zonas de operación aceptable.


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Figura 1.20. Ángulo de posición del rotor.

Figura 1.21. Comportamiento de la excentricidad del rotor.


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MEDICIÓN DE LA TEMPERATURA EN COJINETE La temperatura constituye el parámetro síntoma de más fácil medición y resulta un síntoma muy sensible ante la carga y el desempeño de los cojinetes. Durante muchos años la temperatura de drenaje del lubricante ha sido empleada como un indicador del estado de los cojinetes. Sin embargo, un sin número de trabajos experimentales ha demostrado que la temperatura de salida del lubr icante, no es un indicador preciso de lo que está sucediendo en el cojinete. Por tal motivo, la tendencia actual es a medir la temperatura en los metales del cojinete, empleando para ello un transductor de temperatura insertado en el propio cojinete, con lo cual se obtiene información de manera rápida y muy sensible a los cambios en el estado de este. Para ello, se emplean los transductores térmicos de resistencia eléctrica cuyo funcionamiento se basa en la propiedad de muchos mater iales de cambiar su resistencia eléctrica con la temperatura, de acuerdo a una ley específ ica al tipo de transductor. Los materiales que actualmente se utilizan para medir resistencia eléctrica pueden agruparse en dos categor ías principales a saber, los conductores (metales) y los semiconductores. Los primeros fueron desarrollados con anterioridad y se denominan termómetros de resistencia5. Los segundos se desarrollaron posteriormente y se denominan termistores, siendo compatible con ambos tipos de transductores cualesquiera de las técnicas existentes para medir resistencia eléctrica, tal es el caso por ejemplo del puente de Wheastone.

Desde luego, sea con uno u otro transductor, los mejores resultados se obtendrán acopiando los históricos de temperatura, sobre todo cuando los cambios son muy propensos a tener lugar durante el arranque y la parada de la máquina.

LAS VIBRACIONES TORSIONALES De los tratados hasta el momento, las vibraciones torsionales resultan el síntoma menos familiar. Son el resultado del movimiento alternativo que tiene lugar en el rotor de la máquina, con respecto a su propio eje, lo cual produce tensiones alternativas. En casos extremos, estas tensiones conducen a fallos por fatiga en acoplamientos y dientes de engranaje. Teniendo en cuenta que las vibraciones torsionales constituyen un movimiento torsional alternativo o visto de otra forma, variaciones instantáneas de la velocidad de rotación, estas no resultan evidentes en el ámbito externo de la máquina, con excepción de las transmisiones por engranajes en las que la presencia de las vibraciones torsionales producen un incremento sensible del nivel de ruido. Luego entonces, un problema serio de vibración torsional por lo general pasará inadvertido hasta que se presente la rotura catastrófica del eje.

La vibración torsional ocurre cuando la frecuencia de alguna excitación coincide con la frecuencia de resonancia torsional. Tal excitación puede tener su origen en cualquier torque pulsante debido a imprecisiones en la elaboración de los dientes de un engranaje, por ejemplo.

5 RTD – resistance temperature detector


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La presencia de las vibraciones torsionales puede identif icarse de dos formas:

1. Empleando strain gauges pegados al eje, en cuyo caso se necesitarán escobillas o sistemas de transmisión remota para registrar la señal.

2. Cuantif icando la f luctuación de la velocidad de rotación a través de un transductor de proximidad de corrientes de eddy por ejemplo, en cuyo caso se deberá instalar un anillo dentado para ganar en precisión.

1.8. TECNOLOGÍAS PARA EL MONITORADO DE ESTADO EN MOTORES ELÉCTRICOS

Durante décadas y gracias al empleo de ciertos métodos de análisis cualitat ivos y cuantitativos, ha sido posible emplear las tecnologías de monitorado y predicción en motores eléctricos. Sin embargo, hay que señalar que hasta hace algunos años, arribar a conclusiones confiables sobre el estado del motor y el pronóstico de su comportamiento futuro ha resultado una faena considerable. A continuación se mencionan las técnicas empleadas de manera tradicional en el diagnóstico y evaluación de estado de los motores eléctricos:

− Prueba de resistencia a tierra.

− Prueba eléctrica impulsiva.

− Prueba de sobre tensión.

− Análisis del balance de corriente.

Por otro lado y de más reciente desarrollo se han introducido las siguientes técnicas:

− Monitorado de la descarga parcial.

− Análisis del circuito del motor.

− Análisis dinámico de intensidad de corriente.

− Análisis dinámico de potencia y/o tensión eléctrica.

− Análisis de f lujo.

− Análisis de la temperatura normalizada.

Sin pretender violentar el alcance y los objetivos del presente material, es menester hacer referencia a la técnica de Análisis Dinámico de Intensidad de Corriente Eléctrica. Este método se conoce a través de diferentes nombres comerciales, pero en cualquier caso se sustenta en el registro espectral de la intensidad de corriente en el motor eléctrico.

Los modernos analizadores de vibraciones, por lo general permiten la entrada de señales eléctricas en modo compatible con las entradas de un osciloscopio convencional. De esta forma y empleando como transductor un transformador de corriente, conocido comúnmente como hook–on o pinza amperimétr ica, éste se deberá conectar a la entrada del analizador y tratar la señal como si estuviese siendo proporcionada por un transductor de vibraciones, pudiéndose obtener el correspondiente espectro de intensidad de corriente eléctrica vía FFT6. En la Figura 6 Fast Fourier Transform


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1.22 se observa esquemáticamente la instalación afín para este tipo de registro. Así mismo, la Figura 1.23 muestra un Espectro de Intensidad de Corriente. Observe las bandas laterales a la frecuencia de línea (50 Hz, pues la prueba tuvo lugar fuera de Cuba) y a la tercera armónica de la frecuencia de línea, en este caso 150 Hz.

Figura 1.22. Instalación típica para la medición y análisis dinámico de corriente.

Figura 1.23. Espectro de intensidad de corriente eléctrica.


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Las mencionadas bandas laterales indican la presencia y su influencia sobre la amplitud de la corriente, de ciertos defectos en el motor así como, las características mecánicas dominantes tanto en el propio motor como en la máquina conducida. A continuación se enumeran los defectos que con regularidad resultan identif icados empleando la técnica de análisis dinámico de intensidad de corriente.

− Grietas o fracturas en las barras del rotor.

− Uniones de alta resistencia en las barras del rotor o en los conductores de éste en el caso de rotores bobinados.

− Anillos agrietados o fracturados en rotores de jaula de ardilla.

− Irregularidades en el f lujo de corriente debido a porosidades en el mater ial del rotor.

− Excentricidad estática y dinámica rotor – estator.

− Defectos mecánicos asociados a elementos rotatorios.

1.9. DEFINICIÓN DE LOS ESTÁNDARES DE COMPARACIÓN Sin estándares de comparación o valores de referencia resultará poco o nada efectiva la función de monitorado y predicción. Por tal motivo, es preciso definir y establecer estándares que sirvan de referencia para evaluar el estado de la maquinaria industrial.

Existen dos categorías de estándares de comparación para el monitorado y predicción. Estos son:

Valores absolutos mas allá de los cuales el fallo resulta de una inminencia virtual.

Criterios cualitativos que resultan muy utilizados en el monitorado de vibraciones, sobre todo cuando la base comparativa la conforman datos registrados en las partes estacionarias y externas de la máquina.

Como ejemplos de valores absolutos se tienen los límites previstos por el fabricante a partir de criterios de diseño. Tal es el caso de la presión, la temperatura, la velocidad y las holguras. Por ejemplo, en la mayor ía de la documentación que proporciona el fabricante – que debe acompañar a la máquina – se presentan los valores normales y máximos de las temperaturas en los cojinetes, de las presiones de entrada, de salida, por etapas y diferenciales así como, de la velocidad o velocidades a las cuales por ejemplo, una turbo máquina puede operar de manera estable y segura. Así mismo, las holguras en cojinetes previstas por diseño y montaje se correlacionan con los límites en las posiciones axiales y radiales.

Los límites y los criterios de comparación para las vibraciones, específ icamente aquellas que se registran en la estructura o pedestales de la máquina, resultan más empír icas y se sustentan al menos en la experiencia práctica. Para evaluar las vibraciones existen muchas fuentes que proporcionan estándares de referencia como lo son por ejemplo, el propio fabricante, las guías publicadas por fabricantes de instrumentos, las normas nacionales e internacionales (VDI, ISO, BS) y por supuesto, la experiencia sobre el comportamiento de máquinas similares. Sin embargo, es justo y oportuno señalar que los límites de vibraciones existen generalmente para ser ignorados, pues tales límites o valores tolerables resultan


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ligeramente superiores y en muchos casos inferiores al nivel habitual que exhiben las máquinas, al menos de acuerdo con el criterio de aquellos que están responsabilizados con la operación de éstas.

Cuando de definir límites se trata, es menester cerciorarse que los límites predefinidos por el fabricante de la máquina, sean suficientemente altos en relación con los definidos por el analista, si se pretende lograr una operación confiable y sin interrupciones por per íodos largos (de 2 a 3 años). De forma contraria, los límites proporcionados por los fabricantes de instrumentos pueden resultar muy bajos para ciertos tipos de máquinas que pueden exhibir niveles de vibraciones intolerables, según los criterios de algunos instrumentos (fabricantes). Asuma que usted conoce qué medición debe hacer, dónde y cómo efectuarla y qué límites definir. Luego entonces, ¿cómo utilizar esta información en auxilio del estado de la máquina? Para responder la pregunta anterior será necesario conocer:

1. ¿Qué medición está fuera de los límites o cuál de ellas ha sufrido cambios?

2. ¿En cuánto ha excedido el límite o ha cambiado el nivel anterior?

3. ¿Cómo han tenido lugar estos cambios? ¿Repentina o paulatinamente?

4. ¿Existen otros cambios que confirman o contradicen la observación inicial?

Por ejemplo, un cambio en la posición axial del rotor debe venir acompañada de un cambio en la temperatura del cojinete de empuje. Para determinar el tiempo disponible para efectuar acciones correctivas, es imprescindible conocer cuán rápido han tenido lugar los cambios de estado. Luego entonces, para determinar la causa del cambio habrá que verif icar el balance axial de la máquina a todo lo largo del rotor así como el estado del acoplamiento, con el ánimo de definir si la causa del cambio es interna o externa, por ejemplo. Pudiera resultar presuntuoso asegurar que este u otro texto pudiese convertir al lector en un experimentado analista de vibraciones y en un experto en pronósticos. No se llame a engaños, los textos pueden – y de hecho ese es su objetivo – poner a su disposición los fundamentos del monitorado de estado y del pronóstico del comportamiento mecánico de la máquina. Sin embargo, sólo la práctica seria, sistemática y racional unida al sentido común, proporcionará el conocimiento necesario para tales objetivos.

Capítulo II EVALUACIÓN DEL ESTADO

DE LA MAQUINARIA INDUSTRIAL

unque de manera reiterada, resulta muy importante insistir en la necesidad de registrar todas aquellas variables que resulten en parámetros síntomas sensibles a los cambios en el estado de la maquinaria industrial, en

contraposición con lo que en muchas ocasiones sucede, cuando sólo se atiende a la evolución de las vibraciones. No olvide que las vibraciones son sensibles, no sólo a los cambios de estado, sino también a los cambios de carga por ejemplo.

2.1. ANÁLISIS DE ESTADO. CARACTERÍSTICAS GENERALES La temperatura y la presión del lubricante resultan dos mediciones comunes, cuyo análisis oportuno garantiza que componentes vitales para la máquina, como lo es el caso de los cojinetes, operen bajo condiciones normales. Por otro lado, el monitorado de las condiciones espec íf icas de cada parte de la máquina, como lo es el caso por ejemplo de las incrustaciones en paletas (observe la Figura 2.1), de las holguras internas o la pérdida de material por erosión de álabes, requiere de la medición de la temperatura y de la presión.

Figura 2.1. Muestra del 1% aproximadamente de las incrustaciones extraídas

del rodete de un ventilador de extracción de gases calientes en una Cementera Cubana.

A


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La Figura 2.1 ilustra una muestra de las incrustaciones extraídas del rodete de un Ventilador de Extracción de Gases Calientes en una Fábrica de Cemento. Aunque de manera muy conservadora, hay que señalar que la muestra de la Figura 2.1 representa alrededor del 1% de las incrustaciones, que periódicamente tienen necesariamente que ser retiradas del rodete del mencionado ventilador. Observe en la Figura 2.2 el comportamiento c íclico de los niveles de vibraciones como consecuencia de la progresión en las incrustaciones en esta máquina.

Figura 2.2. Comportamiento cíclico de las vibraciones debido a incrustaciones.

Claro está, es imprescindible señalar que si bien es cierto que la deposición o la pérdida de material en rodetes, impelentes o rotores en general, resulta un proceso natural que puede tener sus matices en el proceso tecnológico, también es cierto que no se puede aspirar a introducir tecnologías para evaluar estado o pronosticar comportamientos futuros, cuando la mentalidad y la mediocridad que prima en planta, permiten que existan máquinas con un nivel de degradación tan severo como el que se observa en la Figura 2.3, o que por el contrario, máquinas de reciente adquisición tengan que operar bajo condiciones de instalación tan precarias y por qué no, tan insultantes como las mostradas en la Figura 2.4.

Adicionalmente, el monitorado de las características del lubricante, tal es el caso de su composición química por ejemplo, proporciona información altamente sensible para la detección de erosión y desgaste.

Por su parte, el comportamiento de las vibraciones define las propiedades dinámicas de la máquina, incluyendo la estabilidad en cojinetes y el estado de estos, el desbalance y los roces entre otras. Las características vibroacústicas también constituyen fuente de información para identif icar defectos en componentes tales como los cojinetes de rodamiento y las transmisiones por engranaje.

Capítulo II – Evaluación del estado de la maquinaria industrial

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Figura 2.3. Degradación negligente del estado de la máquina.

Figura 2.4. Un insulto industrial.


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Desde luego, la utilización plena de las vibraciones como fuente de información para el monitorado de estado exige de la medición de la Amplitud, la Frecuencia y la Fase. Salvo algunas excepciones, la Amplitud es el indicador primario de calidad de estado (por cuánto tiempo más, la máquina podrá operar sin que se presente el fallo). Por su parte, Frecuencia y Fase constituyen parámetros síntomas para la identif icación de defectos específ icos, de elementos afectados y en algunos casos también puede indicar calidad de estado. Muchas de las características de las máquinas resultan interdependientes, lo cual quiere decir que el cambio en una de ellas vendrá acompañado de cambios en otra o en otras. El éxito en el análisis y evaluación de la condición de la maquinaria industrial, depende en gran medida de la comprensión y del conocimiento que se tenga de la máquina en si misma, de la relación que exista entre los cambios en su comportamiento y en sus signos vitales y por supuesto, de la habilidad para decidir qué, dónde y cómo medir, en función de la identif icación de defectos específ icos o de elementos defectuosos.

2.1.1. LAS VIBRACIONES Constituyen una consecuencia del comportamiento dinámico del sistema rotor – cojinetes. Aquellas condiciones cuyo origen radica en inestabilidad, desbalance, desalineamiento, soltura, desgaste y en algunos casos tensiones en componentes, exhiben características propias de las vibraciones. A frecuencia sincrónica tiene lugar la característica vibroacústica más frecuente en máquinas rotatorias. Las vibraciones que se manif iestan a frecuencia sincrónica, por lo general exhiben las amplitudes dominantes, ya sean medidas en términos de velocidad de las vibraciones o desplazamiento de las vibraciones, sin importar si se está en presencia de un motor, una bomba, una máquina papelera o una máquina herramienta. La amplitud a frecuencia sincrónica constituye el síntoma primario del desbalance. En algunos casos la condición de balanceo del rotor y por ende las vibraciones producidas por ésta, pueden resultar inferiores a las amplitudes producidas a otras frecuencias dominantes. Tal condición se observa ocasionalmente en máquinas papeleras y otros tipos de máquinas de baja velocidad, en las cuales las condiciones particulares del balanceo pueden excitar otras frecuencias estructurales provocando mayores amplitudes a estas frecuencias. En otros casos por ejemplo, las frecuencias ubicadas muy por encima de la frecuencia sincrónica pueden exhibir amplitudes dominantes, como lo es el caso de la frecuencia de paso de álabes.

Otras componentes de frecuencia conocidas como armónicas, que por lo general están presentes en mayor o menor medida, t ienen su origen en al menos dos causas fundamentales. La primera de ellas resulta en un evento que t iene lugar varias veces por vuelta del rotor, como lo es el caso por ejemplo de la acción alternativa del desalineamiento en acoplamiento. En segundo lugar, las armónicas pueden tener lugar debido a distorsiones en las vibraciones de naturaleza senoidal que tienen lugar a frecuencia sincrónica. Tal y como se observa en la Figura 2.5, la onda senoidal puede resultar truncada debido por ejemplo a fuerzas restrictivas en las cercanías de los cojinetes. Este efecto produce una serie de armónicas que constituyen una manifestación interna de respuestas no lineales.


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Figura 2.5. Efecto del truncado de la onda sobre el patrón espectral

Así mismo, las solturas mecánicas resultan en una condición similar que produce una serie de armónicas de la frecuencia sincrónica.

En el caso de otras componentes particulares, estas generan armónicas de orden superior. Por ejemplo, la frecuencia de engranaje y la frecuencia de paso de álabes así como las frecuencias generadas por cojinetes de rodamiento, se ubican en la zona espectral de armónicos superiores.

2.1.2. PARÁMETROS DE PROCESO − Temperatura: Constituye probablemente el mejor y más responsable

indicador de la carga aplicada sobre la componente de interés, siempre y cuando se mida lo más cerca posible del punto de acción. Pero cuidado, la experiencia práctica ha demostrado que la medición de la temperatura en la descarga de lubricante no es más efectiva que la medición de la temperatura directamente sobre el alojamiento del cojinete, con un transductor de temperatura del tipo RTD1 por ejemplo, que puede incluso estar insertado en el metal del propio cojinete. Esta medición deberá ser ejecutada con más de un transductor si se desea obtener los mejores resultados.

− Presión: Resulta otro parámetro que puede ser empleado para evaluar el estado de una amplia gama de máquinas. Por ejemplo, presiones superiores a lo límites establecidos por el fabricante de la máquina, por lo general indican pérdidas en el balance de las holguras en sellos. Por otro lado, valores de presión diferencial inferiores a los límites prefijados por el fabricante de la máquina para cierto f lujo y en presencia de otras

1 Resistance Temperature Detector


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condiciones normales, constituye un síntoma pr imario de holguras internas excesivas. Así mismo, si se registran presiones superiores a las normales en alguna de las etapas de las turbo máquinas por ejemplo, estas pueden ser síntomas primarios de obstrucciones en el f lujo del vapor, que pudieran tener su origen en incrustaciones en paletas. Esto obviamente traería consigo un incremento en la temperatura del cojinete de empuje, producida por una fuerza adicional sobre el rotor, todo lo cual sería un parámetro complementario para la confirmación del diagnóstico.

2.1.3. POSICIÓN Las posiciones axial y radial del rotor se registran empleando para ello transductores de corrientes parásitas. La posición axial constituye una medición de suma importancia durante la operación de grandes turbo máquinas que por lo general son críticas. Esta medición asegura que el cojinete de empuje opere de manera adecuada, previniendo el contacto físico entre las partes estacionarias y las rotatorias. Por otro lado, la posición radial del eje en cojinetes resulta el único indicador de exceso de holgura por desgaste y/o por circulación eléctrica por descarga.

Así mismo, la expansión diferencial del rotor y la expansión del cuerpo de la máquina resultan mediciones muy importantes durante la etapa de arranque de grandes turbinas de vapor.

2.2. ANÁLISIS DE TENDENCIAS El ploteo de las mediciones en función del tiempo calendario, denominado comúnmente tendencia, constituye un método muy efectivo para detectar cambios de estado relativa y aparentemente inofensivos. En la Figura 2.6 se ilustra un ejemplo de este tipo de gráfico.

Indudablemente que ojos y cerebro constituyen un sistema muy poderoso para detectar tendencias y comportamientos, aún cuando tales tendencias y comportamientos estén caracterizados por cambios muy pequeños, cosa que no resulta nada sencillo cuando se está en presencia de un sin número de mediciones tabuladas, de ahí la importancia de este t ipo de gráfico. La experiencia demuestra que las variaciones en los niveles de vibraciones resultan más sensibles a los cambios de estado, cuando las amplitudes registradas son bajas con relación a cuando estas son mayores. Esto desde luego contribuye a la detección anticipada de comportamientos anormales, todo lo cual se conoce como Análisis de Tendencia para la Detección. Observe la Figura 2.7.

Aparentemente resulta suficiente contar con tres o cuatro mediciones para efectuar un análisis de tendencia basado en un ajuste de curva que revele cambios en la condición mecánica de la máquina. Sin embargo, a pesar de disponer de más de 30 mediciones en el comportamiento de la Figura 2.6 por ejemplo, seguramente el lector coincidirá con el autor en lo divertido que resultará evaluar el comportamiento de una máquina que exhiba tal característica.


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Figura 2.6. Gráfico de tendencia

Figura 2.7. Comportamiento de los cambios en las vibraciones en dependencia de

los niveles absolutos.


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Figura 2.8. Diálogo para la configuración del pronóstico.

Los sistemas modernos para monitorado y predicción incluyen métodos para el análisis de tendencia basados en la información histórica. Así y de acuerdo a un diálogo como el mostrado en la Figura 2.8, permiten efectuar pronósticos atendiendo a tres objetivos fundamentales:

a) Pronóstico hasta la alarma. En este caso, se estima el tiempo que media entre la última medición efectuada y el nivel de alarma. Es decir, lo que se pronostica no es la llegada del fallo propiamente dicho, sino que se pronostica la llegada de los niveles de vibraciones al umbral de alarma definido previamente por el analista. De acuerdo con la Figura 2.9, se espera que se alcance el nivel de alarma de 8 mm/s rms el 25 de Febrero de 2003.

Figura 2.9. Pronóstico hasta la alarma.


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b) Pronóstico para un cambio porcentual relativo. Con esta alternativa se pronostica el tiempo que resta para que se produzca cierto cambio porcentual relativo a la últ ima medición. Según se puede observar en la Figura 2.10, un cambio de un 20% relativo a la últ ima medición equivale a un nivel de 6.943 mm/s rms, el cual se deberá alcanzar, de acuerdo con la tendencia en el comportamiento de las vibraciones, en fecha 10 de Febrero de 2003. Desde luego, como resulta lógico, este pronóstico se anticipa al del ejemplo de la Figura 2.9, pues no se está pronosticando la llegada a la alarma.

Figura 2.10. Pronóstico de tiempo para un 20% de cambio.

c) Pronóstico de vibraciones para un lapso de tiempo dado. Muy

interesante resulta este tipo de pronóstico, pues aún cuando el monitorado y la predicción tengan por objetivo la detección temprana del problema, la identif icación del defecto y su causa, así como la evaluación de la severidad que no es más que el estimado del tiempo disponible para planif icar y efectuar la acción correctiva, no resulta tan sencillo sugerir una parada y que de inmediato ésta se produzca. En muchas ocasiones, o bien porque existe alguna parada planif icada para realizar otras operaciones, o bien porque se prevén períodos de baja producción debido a una baja en la demanda o en el suministro de materia prima, resulta muy importante pronosticar la situación de la máquina para una fecha determinada. Lo anterior constituye el objetivo de este t ipo de pronóstico. Observe la Figura 2.11 y suponga que el 18 de Febrero de 2003 se prevé efectuar una parada de planta. Bueno, pues de acuerdo al


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pronóstico, ese día se estima que atendiendo al comportamiento que han tenido las vibraciones hasta el momento de efectuar este pronóstico, se deberá tener un nivel de 7.529 mm/s rms.

Figura 2.11. Pronóstico de vibraciones para un lapso de tiempo dado.

De relativa asimilación y comprensión resulta el análisis de tendencias de variables estáticas como lo son por ejemplo, la temperatura o el nivel total de vibraciones, en cuyo caso la mayor contribución t iene lugar a una frecuencia individual.

Cuando la información resulta más compleja y está compuesta por la contribución de muchos parámetros, entonces el análisis de tendencias basado en valores o en niveles globales tendrá menor eficacia y validez. Y todo ello, porque un cambio signif icativo en una componente puede no ser detectado tomando como base la información global o total. Cuando esto sucede, entonces es necesario descomponer la tendencia total en tendencias particulares para diferentes parámetros, como lo es el caso por ejemplo de los niveles de vibraciones que tienen lugar a frecuencia sincrónica.

Desde luego, hoy día existe un sin número de sistemas de monitorado que están habilitados para seccionar el espectro en múltiples bandas, cada una de ellas con su tributo propio al diagnóstico. Este tipo de sistema y el consecuente análisis de tendencia – de ser configurado correctamente – aportará información suficientemente completa y permitirá detectar cambios en componentes específ icas, mucho antes de que estos pudiesen ser identif icados en la tendencia global, cuando ya el tiempo para actuar de manera proactiva se haya extinguido.


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2.3. LA INTEGRACIÓN EN LA CONFIRMACIÓN DE CAMBIOS DE ESTADO La habilidad para integrar los parámetros de proceso en el sistema de monitorado y predicción de manera que se puedan efectuar análisis de tendencias múltiples que por supuesto, permitan confirmar cambios de estado, sin dudas posibilita la emisión de alertas anticipadas, amén de atribuirle confidencia al diagnóstico de las causas de tales cambios. En un compresor centrífugo por ejemplo, un cambio en la posición axial del rotor acompañado de un incremento en la temperatura del cojinete de empuje y de un decremento en la presión diferencial del tambor de balance, confirma los cambios a través de la integración de tres mediciones independientes.

Por ejemplo, incrementos en las vibraciones en una bomba, acompañados de un incremento en el consumo de corriente del motor y de un decremento en la presión de descarga, también confirman cambios a través del análisis conjunto de dos variables a saber, las vibraciones y el consumo de corriente eléctrica. Los sistemas más modernos para el monitorado y la predicción disponen de herramientas y funciones para reconocer y confirmar cambios, todo lo cual se traduce en mejoras en la confidencia del diagnóstico, dependiendo del número de cambios y de la magnitud de cada uno de ellos.

En general, la Industria ha aceptado el monitorado de vibraciones en máquinas críticas, como la mejor vía para prevenir el desarrollo de defectos que puedan devenir en fallos que como ya se sabe, con frecuencia resultan catastróficos. Otro tanto – aunque quizás con menor convencimiento – sucede con las máquinas fundamentales. Sin embargo, todav ía no se ha logrado inter iorizar, entender y extender la idea de que con las vibraciones, sólo se dispone de información parcial relativa al comportamiento de la máquina, amén de que las vibraciones no cambian solamente cuando hay problemas.

Es por ello que en el sistema de monitorado y predicción es menester integrar los parámetros de proceso de conjunto con las vibraciones, de manera que se pueda correlacionar los eventos propios de la máquina y su desempeño, todo lo cual se traduce en un análisis más efectivo de la causa raíz de los problemas. De la necesidad de integrar en el sistema de análisis los parámetros de proceso no hay dudas y sobran los ejemplos que avalan esta necesidad.

En todo esto hay dos razones incuestionables: 1. El comportamiento vibroacústico de la máquina resulta afectado por las

condiciones del proceso tecnológico de ésta.

2. El proceso tecnológico de la máquina resulta afectado por el comportamiento vibroacústico de ésta.

Una cosa queda clara: la máquina y el proceso tecnológico son inseparables, razón por la cual el sistema de monitorado y predicción debe reflejar tal relación, desde luego, si se pretende que el sistema sea cada vez más efectivo en la identif icación, predicción y solución de los problemas, garantizando la continuidad y la sostenibilidad en las funciones de la máquina.


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2.4. COMPARACIÓN ENTRE M EDICIONES Con frecuencia, un cambio en un parámetro producirá variación en otro parámetro dependiente, pero que a su vez no resulta un indicador de cambio de estado. Veamos cómo se entiende esto.

Un incremento en la carga produce el correspondiente incremento en la temperatura del cojinete de empuje por ejemplo. Sin embargo, esto no necesariamente está asociado a un cambio de estado. En forma similar, cuando se produce un cambio en la carga o en la velocidad las vibraciones reaccionan, pero tal reacción no se puede asociar a un cambio de estado. Para interpretar estas dependencias de la manera más simple, será preciso asegurar que el registro de todos los parámetros síntoma tenga lugar bajo las mismas condiciones de operación, léase velocidad y carga por ejemplo. Desafortunadamente esto no siempre es posible, sobre todo con el uso casi indiscriminado que hoy día se hace de los variadores de frecuencia, toda vez que la introducción de estos no viene precedida de un análisis dinámico estructural de la máquina.

Por otro lado, de insistir en la toma de registros cuando la máquina opere por ejemplo a la misma velocidad, pudiera conducir a la pérdida de información y a que la máquina no pueda ser monitorada durante ciertos intervalos de tiempo.

Para toda esta problemática se cuenta con otros métodos de mayor complejidad – por supuesto – a través de los cuales se establecen criterios límites para la mayor ía de las condiciones de operación bajo las cuales la máquina será explotada. Estos criterios están basados justamente en parámetros claves, como lo pueden ser por ejemplo el régimen de carga y/o la velocidad.

A manera de ejemplo, baste decir que algunos reportes de la industria de generación eléctrica indican que las amplitudes de vibraciones varían de manera pronosticable en función de la potencia del turbo generador. En este, al establecer la relación normal entre dos variables, una de ellas (la potencia por ejemplo) se puede emplear para definir criterios comparativos para otras variables, cuya interdependencia quizás no estuviese incorporada en la estrategia de monitorado.

Obviamente, resulta imperativo encontrar vías para que las tolerancias de comparación sean las menos, sin que estas introduzcan indicaciones falsas acerca de los cambios en el estado mecánico de la máquina, en aquellos casos en los cuales no haya ocurrido nada signif icativo en ella. Esto constituye un elemento crítico para el éxito del monitorado de estado, amén de asegurar que pequeños cambios que pudiesen no ser identif icados durante períodos de tiempo relativamente extensos, resulten detectados en etapas tempranas.

2.5. DESARROLLO Y EMPLEO DE LOS LÍMITES DE ACEPTABILIDAD Los límites – aplicados a los parámetros de medición – proporcionan la base para evaluar el estado mecánico de la maquinaria industrial y llamar la atención sobre la presencia de cambios en el estado de ésta. Los límites constituyen compromisos y se deben establecer suficientemente cerca de los valores normales en operación, de manera tal que sea posible identif icar cuanto antes, aquellos cambios que revelen variaciones en el estado de la maquinaria industrial, todo lo cual permitirá planif icar y ejecutar acciones correctivas de manera oportuna. Al mismo tiempo, los límites


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deben estar concebidos de tal manera que refiriéndose a estos, se puedan advertir las variaciones normales que tengan lugar como consecuencia de la operación normal de la máquina, sin que tales variaciones impliquen la emisión de falsas alarmas, que inevitablemente supondrán el descrédito del sistema de monitorado y predicción.

Los límites se clasif ican en dos categorías. Estas son:

1. Límites absolutos los cuales se f ijan de manera tal que avisen oportunamente sobre condiciones anormales que puedan devenir en fallos.

2. Límites relativos de los cuales existen múltiples tipos y cuya misión radica en alertar sobre la ocurrencia de cambios anormales, mucho antes de que se excedan los límites absolutos.

El monitorado de estado requiere de ambos tipos de límites, pero estos a su vez se presentan en dos grandes grupos a saber, los llamados límites físicos y los llamados límites cualitativos.

LÍMITES FÍSICOS Son aquellos que representan una restricción física como lo es el caso por ejemplo, del máximo cambio tolerable en la posición axial de un rotor de turbina, antes de que exista un contacto catastrófico. Este tipo de límite por lo general se deriva de la información técnica suministrada por el fabricante de la máquina.

LÍMITES CUALITATIVOS Tal y como lo es para el caso de las vibraciones, estos no constituyen una restricción física, pero resultan de la información cosechada en virtud de la experiencia misma. En el caso de las vibraciones los límites dependen del t ipo de máquina, de dónde y cómo se realizan las mediciones y de muchos otros factores relacionados incluso con la potencia y el tipo de base que sustenta a la propia máquina. Estos estándares se publican por grupos industriales y por organizaciones internacionales, tal es el caso del American Petroleum Institute, de la National Electric Manufacturer Association, de la American Gear Manufacturer Association, de la Verein Deutscher Ingenieure y de la International Organization for Standardization por ejemplo, API, NEMA, AGMA, VDI e ISO respectivamente.

Sin embargo, para la decisión f inal resulta de especial importancia la experiencia acumulada por el analista para un tipo de máquina en espec íf ico. Claro está, esto requiere de mucho tiempo, razón por la cual un programa de monitorado y predicción siempre se inicia con el uso de límites recomendados y luego continuará progresando y reajustando estos límites, conforme se vaya construyendo la historia de la propia máquina. El lector podrá encontrar más detalles sobre el programa de monitorado y predicción en el Capítulo III. Para comenzar entonces, se puede atender a los límites que establecen los fabricantes de máquinas y de instrumentos así como, a las organizaciones locales e internacionales. Pero una vez que tales límites resulten excedidos, entonces habrá que proceder al análisis riguroso y casuístico del estado de la máquina. En algunos casos, del análisis resultará un estado normal de la máquina, por lo cual se deberán


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reajustar los límites de manera tal, que se garantice que ante los nuevos cambios el sistema emita las alertas correspondientes. Pero por otro lado, del análisis resultará la recomendación para acometer acciones correctivas y restablecer los atributos funcionales de la máquina. En cualquier caso, resulta imprescindible que los límites estén ajustados de forma tal, que sean suficientemente sensibles ante los cambios en el estado de la máquina. De aquí se infiere que el monitorado de estado es un proceso dinámico a través del cual se analiza el estado de la máquina y en caso de ser necesario se refinan los límites, de manera que se garanticen las alarmas anticipadas relativas a las desviaciones que sufra la máquina con respecto a lo que se haya establecido como condición normal.

2.5.1. SEVERIDAD DE LAS VIBRACIONES REGISTRADAS EN PEDESTALES No cabe dudas que resultar ía de gran ayuda que los límites de vibraciones fuesen exactos, pero ya sabemos que esto no es así. Tan pronto como a alguien se le ocurra decir que un grupo de máquinas operará en condiciones normales si sus niveles de vibraciones resultan inferiores a tal valor límite, o que cierto grupo de máquinas operará en condiciones anormales si sus niveles de vibraciones exceden mas cual valor límite, inmediatamente aparecerá la excepción. Luego entonces, la evaluación de la severidad de la vibraciones es un problema extremadamente serio que exige de mucha experiencia y por supuesto, del auxilio de guías, normas y recomendaciones. En 1939 T.C. RATHBONE publicó sus primeras recomendaciones basadas en su experiencia como inspector de seguros. Los límites de RATHBONE fueron concebidos a partir de mediciones en máquinas pesadas y de baja velocidad, en las cuales las vibraciones en el eje respecto a las vibraciones en pedestales se comportan de acuerdo a una relación 1:2 y hasta 1:3. La idea de RATHBONE de plotear los límites de las vibraciones en función de la frecuencia sirvieron de referencia para otros trabajos que han devenido en nomogramas más refinados, tal es el caso del mostrado en la Figura 2.12.

A golpe de vista se observa por ejemplo en la propia Figura 2.12, que los límites para el desplazamiento de las vibraciones decrecen con el incremento de la frecuencia. Recuerde que la contribución que hacen los incrementos en la velocidad y la aceleración de las vibraciones con la frecuencia, requieren de la disminución del desplazamiento para mantener constante la fuerza. Por tal motivo, se acepta y se utiliza mucho el criterio de velocidad de vibraciones constante en una banda ancha de frecuencia. Observe en la propia Figura 2.12 que las fronteras entre las categorías de estado son líneas a velocidad de vibración constante.

El nomograma de la Figura 2.12 puede ser empleado para evaluar las vibraciones absolutas registradas en los pedestales de máquinas cuyas velocidades de rotación estén contenidas en el rango aproximado de entre 600 y 5000 r.p.m. y con relaciones peso rotor:peso pedestal del orden de 5:1. Por supuesto, a este nomograma habrá que entrar con valores de vibraciones (desplazamiento o velocidad) registrados con transductores para la medición de vibraciones absolutas (acelerómetros piezoeléctricos por ejemplo) y f iltrados a la frecuencia sincrónica. De especial interés resulta el estándar ISO 10816-3 “Máquinas industriales con potencias superiores a 15 kW y velocidades nominales entre 120 r.p.m. y 15000


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r.p.m.”. La Figura 2.13 constituye una apretada síntesis de lo recomendado por esta norma en cuanto a la evaluación del estado de la máquina.

Desplazamiento Pico-Pico [µm]

0.1

0.2

0.30.4

1

2

34

10

20

3040

100

200

300400

1000

100 1000 10000 100000Velocidad de rotación [RPM]

16

8

4

2

1

0.5

0.250.125

MUY MALMALLÍMITEACEPTABLEBIENMUY BIENSUAVEMUY SUAVE

Velocidad RMS [mm/s]

Figura 2.12. Nomograma para evaluar la severidad de las vibraciones a frecuencia

sincrónica.


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Figura 2.13. Criterio de severidad de las vibraciones acorde con la norma ISO 10816.


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Los estándares ISO distinguen las condiciones de soporte f lexible y soportes rígidos e incluso, introducen la observación distintiva sobre el hecho de que la máquina puede ser de soporte f lexible en una dirección y de soporte rígido en otra.

Al igual que en el tema de la dinámica de rotores, se define soporte f lexible a aquel soporte cuya primera frecuencia de resonancia es inferior a la frecuencia más baja de la excitación, que por lo general es la frecuencia sincrónica. Así mismo, se considera soporte rígido a aquel cuya primera frecuencia de resonancia es superior a la frecuencia más alta de la excitación.

Por otro lado, los estándares ISO también señalan el hecho de que durante la medición en los pedestales pueden resultar registradas vibraciones que no estén siendo generadas por la máquina objeto de monitorado, sino que provengan del entorno – ya sea de otras máquinas o de otros procesos en general – en cuyo caso, la ISO establece que las excitaciones transmitidas a la máquina desde el entorno no pueden superar la tercera parte del nivel registrado en operación.

2.5.2. SEVERIDAD DE LAS VIBRACIONES REGISTRADAS EN EJES Cuando el contacto entre las partes rotatorias y las partes estacionarias resulta una amenaza en potencia, sobre todo por las consecuencias catastróficas que esto entraña, entonces también resulta de suma importancia evaluar la severidad de las vibraciones en los ejes. El ejemplo clásico de ello lo constituye el caso de las turbo máquinas, donde las velocidades de operación son sumamente altas y donde las vibraciones en el eje no logran transmitir suficiente energía a los pedestales, como para poder inferir el estado de éste a partir de la medición de vibraciones en los propios pedestales, amén de que las vibraciones del eje constituyen la amenaza número uno para el contacto de éste con las partes estacionarias.

Figura 2.14. Disposición de los transductores de corrientes de eddy.


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Como consecuencia de la holgura entre el eje y el cojinete y debido a que la película de lubricante que media entre ambos no es infinitamente r ígida, el eje – excitado por las fuerzas que sobre él se ejercen durante la rotación – exhibe vibraciones en el plano transversal a su eje axial, las cuales constituyen la llamada órbita. Para registrar estas vibraciones se requiere de dos transductores de corrientes de eddy dispuestos por lo general según se observa en la Figura 2.14.

Estándares tales como la ISO 7919 “Vibraciones mecánicas en máquinas no reciprocantes – Mediciones en ejes rotatorios y criterios de evaluación” y la guía VDI 2059 “Vibraciones en ejes de turbo grupos”, para establecer los límites parten de la llamada órbita cinética. Por ejemplo, la VDI 2059 establece dos criterios evaluativos:

Criterio I: Las vibraciones relativas no deben exceder ciertos valores máximos.

Criterio II: Los cambios en el comportamiento vibratorio de los ejes, relativos a un valor inicial, no deben exceder ciertos límites.

Es decir, ambos criterios concuerdan con lo abordado en la sección 2.5 en cuanto a límites absolutos (Criter io I) y límites relativos (Criter io II) se refiere. Todo ello desde luego, debido a que la operación segura de este tipo de máquina requiere por una parte, que la vibración relativa eje – cojinete no supere cierto valor máximo preestablecido. Pero por otra parte, aún cuando los niveles de vibraciones estén por debajo del límite máximo preestablecido, pueden tener lugar cambios que denoten la presencia de algún defecto. Por todo ello, ambos criterios deberán ser considerados igualmente importantes.

Figura 2.15. Nomograma para la evaluación del desplazamiento máximo relativo en

ejes de turbo máquinas industriales.


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En la Figura 2.15 se muestra un ejemplo de la evaluación del desplazamiento máximo Smax de acuerdo con la VDI 2056 para las vibraciones relativas en ejes de turbo máquinas industriales.

Así mismo por ejemplo, las diagonales A, B y C responden a las siguientes condiciones:

A. Límite para la operación continua de máquinas nuevas n

Smax2400

= [µm]

B. Límite para la operación continua n

Smax4500

= [µm]

C. Límite máximo para la detención de la máquinan

Smax6600

= [µm]

En las expresiones anteriores n representa la velocidad de operación expresada en r.p.m.

2.6. DETECCIÓN DE CAMBIOS DE ESTADO EN LA MÁQUINA Existe otro factor de suma importancia involucrado en la evaluación del estado de la máquina y es justamente la respuesta a las siguientes preguntas: ¿son estables las mediciones o han estado cambiando con el decursar del tiempo?. ¿Si es así, cuán rápido han estado teniendo lugar los cambios?.

Demás está señalar que valores estables en las mediciones representan condiciones mecánicas estables y que valores en incremento sostenido representan cambios de estado en la máquina, que de continuar a ese “ritmo” y sin la incidencia de ninguna acción proactiva – correctiva, conducirá irremediable y lamentablemente al fallo de la máquina. No está demás recordar e insistir en que la clave para evitar problemas y desastres radica en la detección e identif icación de los defectos de manera anticipada. En general, mediciones de niveles altos pero estables constituyen menos preocupación que mediciones con niveles bajos pero con tendencia al incremento sostenido.

Muchos analistas experimentados afirman que las vibraciones no tienden a exhibir un comportamiento futuro pronosticable, sino que cambian repentinamente. Pero cuidado, esta aseveración es cierta en algunos casos, pero en muchos otros el análisis de tendencias revela comportamientos que se traducen en alertas con suficiente anticipación. Se recomienda muy seriamente, la evaluación sistemática del comportamiento de las vibraciones en compañía de otros parámetros síntomas y en función del tiempo calendario, como un método para detectar de manera anticipada la presencia de problemas en desarrollo.

De manera intuit iva, los incrementos en los niveles de vibraciones en forma lenta y espaciada en el tiempo se pueden asociar con el desgaste y el deterioro progresivo. Sin embargo, los incrementos repentinos en los niveles de vibraciones indican cambios de estado que pueden devenir en fallos prematuros, por lo cual merecen toda la atención posible.


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Por ejemplo, cuando los defectos en cojinetes de rodamientos evolucionan normalmente, se caracterizan por síntomas que revelan tanto la severidad como la progresión del defecto.

Muchos analistas experimentados, en su que hacer diario han logrado aprovechar al máximo la vida útil de los rodamientos, monitorando sistemáticamente su estado. Sin embargo, este tipo de elemento de máquina puede fallar sin siquiera avisar. La ausencia de lubricante o la presencia de lubricante contaminado o incluso el incremento repentino de la carga entre otros factores, constituyen causas que conducen al fallo prematuro de los cojinetes de rodamiento. Como resultado, se pueden tener casos en los que los cojinetes de rodamiento pueden fallar repentinamente aún cuando las mediciones de rutina y el análisis de tendencia revelen una condición normal.

Esto bajo ningún concepto puede verse como deficiencias en el sistema de monitorado. Nada de eso. Lo que sucede es que el monitorado de estado por sí solo no puede alertar sobre el advenimiento de fallos. La efectividad del monitorado de estado radica en la consideración sistémica del diseño, el montaje, la operación y el mantenimiento.

Por otro lado, en ocasiones se presentan cambios en los niveles normales de vibraciones en respuesta a las condiciones de operación, lo cual invalida el histórico en el t iempo, pues las mediciones no han sido tomadas bajo las mismas condiciones de operación y por tal motivo no podrán ser comparadas.

Cuando esto sucede, entonces es necesario efectuar las evaluaciones, las comparaciones y los análisis de tendencias, para grupos de mediciones que hayan sido registradas bajo las mismas condiciones de operación.

2.7. EVALUACIÓN A NIV EL DE MÁQUINA Anteriormente se hizo referencia a los criterios y los estándares disponibles en la actualidad, aplicables por tipos de máquinas. Tal es el caso por ejemplo, de la ISO 10816 o de las recomendaciones de Technical Associates of Charlotte Inc.. Observe la Tabla 2.1.

Para emplear esta tabla como referencia es necesario tener en cuenta lo siguiente: a) Los criterios están concebidos para mediciones de Nivel Total de

Velocidad de las Vibraciones Absolutas expresadas en milímetros por segundo Pico.

b) Se asume que la velocidad de operación de la máquina está contenida en el rango de entre 600 y 60 000 r.p.m.

c) Las mediciones se ejecutan con transductores de velocidad o aceleración ubicados lo más cerca posible de los cojinetes.

d) Se asume que la máquina no está montada sobre calzos antivibratorios. De no ser así, habrá que incrementar los límites entre un 30% y un 50%.

Sin embargo, debido a factores tales como el t ipo de máquina específ ico, su construcción, su instalación y sus condiciones de operación, será necesario definir límites más espec íf icos. Por ejemplo, en muchos casos los límites como los de la Tabla 2.1 podrán resultar bajos y en otros casos podrán resultar altos. El autor


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insiste en que es la experiencia la mejor aliada en estos menesteres. Desde luego, para ello se precisa de una r ica historia en la que se puedan estimar valores medios o lo que es lo mismo, introducir el tratamiento estadístico en el procesamiento. En otras palabras, el análisis estadístico se introduce como un método para cuantif icar la experiencia.

Claro está, no se debe perder de vista que los niveles de vibraciones dif ieren en virtud de la posición y orientación del transductor, razón por la cual los límites estadísticos deberán ser calculados para cada posición y para cada orientación del transductor.

Tabla 2.1. Límites de vibraciones según Technical Associates of Charlotte Inc.

COMPRESORESReciprocantes 8.3 12.7De tornillo 7.6 11.4Centrífugos con o sin caja de engranajes externa 5.1 7.6Centrífugos - Engranaje integrado (Medición Axial) 5.1 7.6Centrífugos - Engranaje integrado (Medición Radial) 3.8 6.4

SOPLADORES (VENTILADORES)De Lóbulo 7.6 11.4Sopladores accionados por Poleas - Correas 7.0 10.8Ventiladores directamente accionados (sin coupling) 6.4 9.5Ventiladores de aire primario 6.4 9.5Grandes ventiladores de tiro forzado 5.1 7.6Grandes ventiladores de tiro inducido 4.4 7.0Ventiladores integrados (eje del motor extendido) 4.4 7.0Ventiladores de tiro axial 3.8 6.4

MOTORES/GENERADORES Accionados por Poleas-Correas 7.0 10.8Acoplados directamente 5.1 7.6

GRANDES TURBO GENERADORESTurbo generadores 3600 RPM 4.4 7.0Turbo generadores 1800 RPM 3.8 5.7

BOMBAS CENTRÍFUGASBombas verticales (12' - 20' de altura) 8.3 12.7Bombas verticales ( 8' - 12' de altura) 7.0 10.8Bombas verticales ( 5' - 8' de altura) 5.7 8.9Bombas verticales ( 0' - 5' de altura) 5.1 7.6Horizontales de propósito general - Direct. acopladas 5.1 7.6Bombas alimentar calderas - Orientación Horizontal 5.1 7.6Bombas Hidráulicas - Orientación Horizontal 3.2 5.1

7.67.67.65.1

5.7

12.710.88.9

6.4

10.87.6

7.0

9.57.67.07.0

3.2

mm/s

12.711.47.67.66.4

11.410.89.5

5.75.15.15.1

4.43.8

8.37.0

4.43.8

7.05.1

6.46.45.14.4

5.13.8

7.67.0

mm/s

8.37.65.1

TIPO DE MÁQUINA ALARMAmm/s

NORMAL ANORMAL

El concepto estadístico para este tipo de análisis es relativamente simple. Cinco o seis mediciones registradas en un mismo punto y en una misma orientación bastarán para obtener una media estadística que represente el valor normal más la desviación estándar que a su vez represente la variación respecto al valor normal. La teoría estadística establece que el 68.3% del total de las mediciones estará contenida en una banda de ±σ, que el 95.5% lo estará en una banda de ±2σ y que el 99.7% estará contenido en una banda de ±3σ.


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La experiencia ha demostrado que se puede establecer como nivel de alerta aproximadamente 2.5σ, lo cual proporciona alta sensibilidad a los cambios en el comportamiento de las mediciones con gran inmunidad a las falsas alarmas. No obstante, si 2.5σ produciese mucha falsas alarmas, entonces la alerta se podrá reajustar a 2.8σ ó 3σ.

Sin dudas, el tratamiento estadístico de esta información posee la gran ventaja de que está basado en las condiciones reales de la máquina en cuestión, que contempla variaciones normales pero que además, es sensible a los cambios y todo ello a diferencia de los límites absolutos que pueden admitir cambios excesivos sin que se emitan señales de alerta. El tratamiento estadístico asegura el anuncio de comportamientos anormales.

Desde luego, todo esto se debe hacer de forma casuística. Suponga que cierta Máquina I – idéntica a cierta Máquina II – exhibe niveles de vibraciones muy cercanos a los límites que garantizan una operación segura y normal. Sin embargo, la Máquina II ha sido sometida a una reparación general y luego de los ajustes necesarios, sus niveles de vibraciones son bajos, entre el 10% y el 20% aproximadamente de los niveles correspondientes a la Máquina I. Luego de cierto per íodo de tiempo de explotación, los niveles en la Máquina I se han incrementado por un factor 1.5 y en la Máquina II se han incrementado por un factor 3. ¿Cuál de los dos cambios deberá ser considerado más severo? La respuesta lógicamente contempla al menor cambio, porque la Máquina I ya estaba exhibiendo niveles de vibraciones suficientemente altos y cercanos al límite.

2.8. EVALUACIÓN A NIV EL DE DEFECTO Todo lo visto hasta el momento contempla la verif icación y el seguimiento del comportamiento de los niveles totales de vibraciones, sin tener en cuenta información alguna que proporcione indicios sobre la causa o las causas del problema que ha alterado – llamémosle así – los niveles totales de vibraciones, amén de que este tipo de análisis no resulta tan detallado como para permitir la identif icación anticipada de pequeños cambios en la condición de la máquina, sobre todo en el caso de equipos complejos.

La experiencia ha demostrado ampliamente que en la máquina se pueden estar desarrollando problemas potenciales y no existir ningún indicio de estos en los niveles totales de vibraciones. Sin embargo, los espectros de vibraciones sí resultan sensibles a estos problemas. Esto quiere decir, que si no se dispone de una técnica que sea sensible a los cambios en el espectro, entonces el analista no podrá enterarse de la presencia de algún problema potencial, si sólo atiende a la evolución de los niveles totales de vibraciones, aún cuando disponga de alarmas muy rigurosas.

Por ejemplo, la amplitud a una de las frecuencias de diagnóstico de un cojinete de rodamiento, puede incrementarse desde 0.762 mm/s hasta 3.048 mm/s, lo cual representa un incremento en cuatro veces. Pero si por ejemplo, en esta misma máquina las amplitudes a 1x y 2x resultan 8.89 mm/s y 5.08 mm/s respectivamente, entonces el nivel total de vibraciones sólo habrá cambiado desde 8.383 mm/s hasta 8.722 mm/s, lo cual representa un incremento de un 4%, que obviamente no es signif icativo. Pero si se hubiera analizado la tendencia en el comportamiento de la


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componente a la frecuencia de diagnóstico del rodamiento, entonces el incremento de ésta en cuatro veces sí constituye motivo de preocupación. Por tal motivo, resulta imprescindible la aplicación de métodos que permitan el análisis discreto de los registros, de manera tal que se puedan separar por componentes. Tal es el caso por ejemplo, del análisis del comportamiento espectral.

Como si esto fuera poco, el análisis de severidad a partir del nivel total, basado por ejemplo en la Figura 2.12, presupone que los niveles de vibraciones son dominantes a la frecuencia sincrónica. Sin embargo, no hay dudas que la amplitud o amplitudes que tengan lugar a cualquier otra frecuencia y resulten cercanas a los límites, constituyen síntomas de comportamientos anormales, aún cuando no hayan superado tales límites.

Luego entonces, ahora el problema radica en cómo evaluar con mayor precisión un registro complejo, contentivo de numerosas componentes individuales por frecuencia.

Para ello se dispone de dos métodos basados en el análisis espectral. Uno de ellos contempla la división del espectro en bandas y la cuantif icación o bien de la energía en cada banda o bien del nivel dominante por banda. Sea uno u otro indicador – energía o valor pico respectivamente – se obtendrá un valor por banda espectral, que luego deberá ser comparado con límites preestablecidos para cada banda, debiendo ser estos valores ploteados sistemáticamente, para poder ejecutar así un análisis de tendencias por cada banda espectral. En la Figura 2.16 se observa un grupo de mediciones espectrales y la división por bandas de análisis. Además de ello, para la primera banda espectral se ha representando la tendencia en el comportamiento del pico de vibraciones contenido en ella, lo cual se aprecia mejor en la Figura 2.17.

Figura 2.16. Análisis de tendencia por banda espectral.


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Figura 2.17. Tendencia en el comportamiento de la primera banda espectral.

El segundo método también se apoya en el espectro, pero lo hace monitorando la llamada envolvente espectral de banda estrecha.

Tanto el método de las Bandas Espectrales como el método de la Envolvente Espectral de Banda Estrecha poseen sus ventajas y resultan altamente sensibles a pequeños cambios de estado, sobre todo si el análisis se sustenta en técnicas estadísticas para la comparación con los límites.

2.8.1. MONITORADO POR BANDAS ESPECTRALES Este t ipo de monitorado justamente se basa en la segmentación – por llamarle de alguna forma – del espectro en bandas de frecuencia, de acuerdo a las características de la máquina es decir, el inicio y f in de cada banda dependerá del tipo de máquina, su configuración, sus componentes y por supuesto, del conocimiento que se tenga de la máquina. Aunque se dice que con diez o doce bandas se logra monitorar las características particulares de las máquinas más complejas, el autor defiende la práctica de utilizar seis bandas espectrales y se atreve a afirmar que con seis bandas espectrales es suficiente. Desde luego, esto no quiere decir que siempre haya que usar seis bandas espectrales. Si la complejidad de la máquina y la capacidad de análisis del especialista exigen el uso de ocho, diez o doce bandas, pues hágase así entonces. La energía total contenida en cada banda y/o la amplitud dominante en cada una de ellas, se compara con los límites y se conforma la tendencia con el consecuente análisis, tal y como se hace para el monitorado de nivel total. Este método facilita enormemente la detección de cambios prematuros en componentes de baja


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amplitud y de baja energía, que no resulten suficientes para provocar cambios sensibles en el nivel total de las vibraciones. Inicialmente se deberán f ijar límites arbitrarios para cada banda, desde una óptica lógica y de acuerdo a lo recomendado en guías y normas emitidas a tales efectos. Estos lógicamente, se deberán ir reajustando conforme se vaya conformando la historia de la propia máquina a la vez que se irán minimizando los riesgos de falsas alarmas. Claro está, el método será más efectivo en la medida en que las bandas logren “aislar” aquellas características espectrales de interés, asociadas a componentes y defectos también de interés, tal es el caso por ejemplo de bandas que contengan las frecuencias de diagnóstico de los cojinetes de rodamiento, lo cual garantiza que pequeños cambios en las características de interés no queden ahogados por las vibraciones generadas por defectos de mayor contenido energético. La Figura 2.18 muestra un espectro y las seis bandas espectrales definidas para éste. Se trata de un caso en el que están presentes cojinetes de rodamientos. Se debe señalar por ejemplo, que en la f igura se muestra un espectro de velocidad, lo cual no quiere decir que la última banda, contentiva de las frecuencias de diagnóstico del rodamiento, no pueda ser monitorada en aceleración, de la cual se conoce su notable sensibilidad ante las vibraciones de alta frecuencia. De igual forma por ejemplo, si la máquina para la cual se ha registrado el espectro de la Figura 2.18 fuese una bomba o un ventilador, resultaría muy conveniente que la frecuencia de paso de álabes o de paletas y las frecuencias de diagnóstico de rodamientos estuviesen contenidas en bandas diferentes, con lo cual se garantiza que los cambios en el estado del rodamiento por ejemplo, no estén sometidos a criterios límites concebidos para la frecuencia de paso de álabes o paletas, que como es lógico, resultarán mayores.

Figura 2.18. Representación de las seis bandas espectrales.


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Tal y como se mencionó anteriormente, esta técnica no implica de ningún modo, la definición de bandas espectrales rígidas en el sentido más estricto de la palabra es decir, las bandas espectrales no tienen necesariamente que permanecer con la configuración inicial a medida que se vaya construyendo la historia de la máquina. Esta técnica proporciona un punto de partida muy sólido para:

1. Poder definir bandas espectrales efectivas antes de efectuar las mediciones iniciales de referencia, en el caso de aquellos analistas que no dispongan de historia relativa a las máquinas contempladas en el programa de monitorado y predicción,.

2. Poder definir bandas espectrales para evaluar el estado de las máquinas, en el caso de aquellos analistas que sí dispongan de historia relativa a las máquinas contempladas en el programa de monitorado y predicción, aún cuando cuenten con grandes volúmenes de registros espectrales obtenidos durante años de trabajo, pero que sin embargo no han podido aplicar esta técnica por no conocerla o no entender la.

3. Poder evaluar comparativamente la efectividad de las bandas espectrales, en el caso de aquellos analistas que ya tengan implementado un programa de monitorado y predicción basado en esta técnica.

Figura 2.19. Diálogo para la configuración de las bandas espectrales de alarma.


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Veamos a continuación la configuración de las seis bandas espectrales de acuerdo con el tipo de máquina en cuestión, todo lo cual en muchos software se ejecuta al estilo del cuadro de diálogo ilustrado en la Figura 2.19.

MÁQUINAS CON COJINETES DE RODAMIENTOS Y SIN ÁLABES ROTATORIOS En este grupo de máquinas se deben incluir tanto máquinas motrices como conducidas, que cumplan con el requisito de tener sus ejes montados en cojinetes de rodamientos y no contar con álabes rotatorios. La configuración de las bandas espectrales de alarma para este grupo de máquinas se observa en la Tabla 2.2.

Tabla 2.2. Bandas espectrales de alarma para máquinas con cojinetes de rodamientos y sin álabes rotatorios.

BANDA No.

FRECUENCIA INFERIOR

FRECUENCIA SUPERIOR

ALARMA ESPECTRAL

1 1% fmax 1.2 x r.p.m. 90% Alarma

2 1.2 x r.p.m. 2.2 x r.p.m. 40% Alarma

3 2.2 x r.p.m. 3.2 x r.p.m. 30% Alarma

4 3.2 x r.p.m. 12.2 x r.p.m. 25% Alarma

5 12.2 x r.p.m. 50% fmax 20% Alarma

6 50% fmax fmax 15% Alarma

MÁQUINAS CON COJINETES DE DESLIZAMIENTO Y SIN ÁLABES ROTATORIOS Este grupo de máquinas es similar al anterior sólo que sus ejes están montados en cojinetes de deslizamiento. La configuración de las bandas espectrales de alarma para este grupo de máquinas se observa en la Tabla 2.3. Tabla 2.3. Bandas espectrales de alarma para máquinas con cojinetes de deslizamiento y sin álabes rotatorios.

BANDA No.

FRECUENCIA INFERIOR

FRECUENCIA SUPERIOR

ALARMA ESPECTRAL


2 0.8 x r.p.m. 1.8 x r.p.m. 90% Alarma

3 1.8 x r.p.m. 2.8 x r.p.m. 40% Alarma

4 2.8 x r.p.m. 3.8 x r.p.m. 30% Alarma

5 3.8 x r.p.m. 10.2 x r.p.m. 25% Alarma

6 10.2 x r.p.m. fmax 20% Alarma


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TRANSMISIONES POR ENGRANAJES NÚMERO DE DIENTES CONOCIDO En el caso de las transmisiones por engranajes es necesario trabajar con dos grupos de registros espectrales. Por un lado, los componentes de la transmisión son susceptibles de tener desbalances, desalineamientos y deformaciones entre otros defectos. Sin embargo, también son susceptibles de tener defectos que se manif iestan a altas frecuencias, como lo es el caso por ejemplo de las grietas en los dientes, el propio desgaste de estos o las desviaciones en el contacto entre dientes debido a la falta de paralelismo entre los ejes por sólo citar un ejemplo. La configuración de las bandas espectrales de alarma para los registros de alta frecuencia en este tipo de máquina se observa en la Tabla 2.4.

Tabla 2.4. Bandas espectrales de alarma para los registros de alta frecuencia en transmisiones por engranajes.

BANDA No.

FRECUENCIA INFERIOR

FRECUENCIA SUPERIOR

ALARMA ESPECTRAL

1 0.25 x G.M.F. 0.75 x G.M.F. 25% Alarma

2 0.75 x G.M.F. 1.25 x G.M.F. 70% Alarma

3 1.25 x G.M.F. 1.75 x G.M.F. 25% Alarma

4 1.75 x G.M.F. 2.25 x G.M.F. 50% Alarma

5 2.25 x G.M.F. 2.75 x G.M.F. 25% Alarma

6 2.75 x G.M.F. fmax 40% Alarma

TRANSMISIONES POR ENGRANAJES CON NÚMERO DE DIENTES DESCONOCIDO Lamentablemente, no siempre se conoce el número de dientes de la transmisión. En innumerables ocasiones, el autor ha solicitado este dato en plantas que han requerido de su asistencia técnica, tanto dentro como fuera de Cuba y éste no le ha sido suministrado por desconocimiento total y absoluto. No obstante, es posible definir una configuración provisional para las seis bandas espectrales de alarma, hasta tanto se conozca con exactitud los números de dientes de la transmisión, en cuyo caso se procederá a reajustar la configuración de acuerdo con la Tabla 2.4. La configuración de las bandas espectrales de alarma para los registros de alta frecuencia en este tipo de máquina se observa en la Tabla 2.5.


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Tabla 2.5. Bandas espectrales de alarma para los registros de alta frecuencia en transmisiones por engranajes con número de dientes desconocido.

BANDA No.

FRECUENCIA INFERIOR

FRECUENCIA SUPERIOR

ALARMA ESPECTRAL

1 20 x r.p.m. 50 x r.p.m. 60% Alarma

2 50 x r.p.m. 80 x r.p.m. 60% Alarma

3 80 x r.p.m. 110 x r.p.m. 50% Alarma

4 110 x r.p.m. 140 x r.p.m. 50% Alarma

5 140 x r.p.m. 170 x r.p.m. 40% Alarma

6 170 x r.p.m. fmax 40% Alarma

MÁQUINAS CENTRÍFUGAS CON NÚMERO DE ÁLABES CONOCIDO De conocer el número de álabes – o paletas – ya sea en una bomba, ventilador o compresor, se podrán definir bandas espectrales independientes para efectuar el seguimiento del comportamiento de la componente a la frecuencia de paso de álabes (BPF) y de las frecuencias de diagnóstico de los cojinetes de rodamientos, si este fuese el tipo de cojinetes. Esto permitirá definir un nivel de alarma superior para la banda que contenga la frecuencia de paso de álabes (BPF) que para aquella que contenga las frecuencias de diagnóstico de los rodamientos (BPFO, BPFI, BSF, FTF). La Tabla 2.6 propone la configuración de las bandas espectrales de alarma para tales condiciones. Tabla 2.6. Bandas espectrales de alarma para máquinas centrífugas con cojinetes de rodamientos y número de álabes conocido.

BANDA No.

FRECUENCIA INFERIOR

FRECUENCIA SUPERIOR

ALARMA ESPECTRAL


2 1.2 x r.p.m. 2.2 x r.p.m. 40% Alarma

3 2.2 x r.p.m. BPF – (1.2 x r.p.m.) 35% Alarma

4 BPF – (1.2 x r.p.m.) BPF + (1.2 x r.p.m.) 60% Alarma

5 BPF + (1.2 x r.p.m.) 50% fmax 35% Alarma

6 50% fmax fmax 20% Alarma

Así mismo, en caso de que el eje de la máquina esté montado sobre cojinetes de deslizamiento las bandas espectrales de alarma podrán ser configuradas atendiendo a la sugerencia de la Tabla 2.7.


70

Tabla 2.7. Bandas espectrales de alarma para máquinas centrífugas con cojinetes de deslizamiento y número de álabes conocido.

BANDA No.

FRECUENCIA INFERIOR

FRECUENCIA SUPERIOR

ALARMA ESPECTRAL


2 0.8 x r.p.m. 1.8 x r.p.m. 90% Alarma

3 1.8 x r.p.m. 3.8 x r.p.m. 40% Alarma

4 3.8 x r.p.m. BPF – 1.2 x r.p.m. 30% Alarma

5 BPF – 1.2 x r.p.m. BPF + 1.2 x r.p.m. 70% Alarma

6 BPF + 1.2 x r.p.m. fmax 35% Alarma

MÁQUINAS CENTRÍFUGAS CON NÚMERO DE ÁLABES DESCONOCIDO En este caso, la sugerencia de la Tabla 2.8 se ofrece asumiendo que la máquina en cuestión cuenta con un número de entre 4 y 6 álabes (paletas). Desde luego, una vez que se conozca con certeza el número de álabes o paletas del rotor, entonces será imprescindible reajustar el ancho de la Banda 4, aunque se recomienda que entonces se proceda a reemplazar la configuración de las bandas por aquellas mostradas en las Tablas 2.6 y 2.7 según el tipo de cojinete instalado.

Tabla 2.8. Bandas espectrales de alarma para máquinas centrífugas con cojinetes de rodamientos y número de álabes desconocido.

BANDA No.

FRECUENCIA INFERIOR

FRECUENCIA SUPERIOR

ALARMA ESPECTRAL


2 1.2 x r.p.m. 2.2 x r.p.m. 40% Alarma

3 2.2 x r.p.m. 3.2 x r.p.m. 30% Alarma

4 3.2 x r.p.m. 6.8 x r.p.m. 60% Alarma

5 6.8 x r.p.m. 50% fmax 35% Alarma

6 50% fmax fmax 20% Alarma Atendiendo a la sugerencia de la Tabla 2.9, el lector deberá tener en cuenta que ésta es aplicable en el caso de máquinas centrífugas que cumplan con dos requisitos es decir, deberán tener sus ejes montados sobre cojinetes de deslizamiento y además contar con un número de álabes (paletas) desconocido para el analista.


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Tabla 2.9. Bandas espectrales de alarma para máquinas centrífugas con cojinetes de deslizamiento y número de álabes desconocido.

BANDA No.

FRECUENCIA INFERIOR

FRECUENCIA SUPERIOR

ALARMA ESPECTRAL


2 0.8 x r.p.m. 1.8 x r.p.m. 90% Alarma

3 1.8 x r.p.m. 3.8 x r.p.m. 40% Alarma

4 3.8 x r.p.m. 7.8 x r.p.m. 70% Alarma

5 7.8 x r.p.m. 9.8 x r.p.m. 25% Alarma

6 9.8 x r.p.m. fmax 35% Alarma

Es menester no perder de vista que la máquina t iene comportamientos diferentes en sus planos ortogonales, sobre todo si se t iene en cuenta que las vibraciones constituyen una medida indirecta de la fuerza y por ello están condicionadas por la rigidez, la cual a su vez no es la misma en todas direcciones. Luego entonces, este comportamiento justif ica el hecho de que aunque las bandas espectrales sean las mismas para un punto de medición por ejemplo, no lo sean los límites por bandas para las tres direcciones de medición.

Luego de haber configurado las bandas espectrales de alarma según el caso en cuestión y de haber registrado las pr imeras mediciones en las máquinas incluidas en el programa de monitorado y predicción, será necesario revisar la configuración de cada alarma espectral para cada grupo de máquinas. Esto quiere decir que el analista deberá identif icar grupos de máquinas similares en cuanto a sus funciones tecnológicas y parámetros de operación, para los cuales tendrá que evaluar la efectividad de las bandas espectrales de alarma empleando preferiblemente procedimientos estadísticos. Así mismo, tendrá que evaluar la efectividad de las alarmas para nivel total en cada punto de medición. Todo ello, sobre la base de las siguientes interrogantes:

1. ¿Ha sido posible detectar los defectos inherentes al grupo de máquinas bajo control? ¿Se han podido detectar todos o sólo una parte de ellos?

2. Si no se han podido detectar todos los defectos, entonces, ¿cómo reajustar las bandas espectrales de alarma para poder detectar aquellos que inicialmente se han “escabullido”?

3. ¿Han tenido lugar muchas falsas alarmas en base a la configuración actual?

4. Si la configuración actual ha estado generando falsas alarmas, ¿cómo reajustar las bandas espectrales de alarma para evitar esto?

5. ¿Se ajusta la configuración actual a todas las máquinas incluidas en un mismo grupo o será necesario subdividir el grupo, de manera tal que se logre un mejor ajuste de todas las bandas espectrales de alarma, para todas las máquinas incluidas en el grupo?


72

2.8.2. MONITORADO DE LA ENVOLVENTE ESPECTRAL DE BANDA ESTRECHA Existen elementos de máquina, cuyos modos de fallo se manif iestan en los registros espectrales, mucho antes de que se observen cambios signif icativos en los niveles totales de vibraciones de la máquina.

El monitorado de la envolvente espectral de banda estrecha se basa en la detección de niveles que superen la envolvente espectral relativa a cierto espectro denominado espectro base. De esta forma se logra que con la configuración correcta de envolventes de alarmas espectrales de banda estrecha, se logre efectuar un análisis suficientemente riguroso, que a la vez permita detectar problemas, mucho antes de que estos adquieran proporciones catastróficas.

De la manera más estricta posible, se puede definir la envolvente de alarma espectral de banda estrecha, como un sistema que le ofrece al analista un número casi inf inito de bandas de alarma. En otras palabras, si el analista está trabajando con espectros de 400 líneas, éste podría – teóricamente – definir 400 alarmas individuales, es decir, una para cada línea del espectro. Sin embargo, esto desde el punto de vista práctico carece de sentido y es por ello que aquellos softw are para el monitorado y predicción que ofrecen esta función, le permiten al analista configurar la envolvente de alarma espectral de banda estrecha según su criterio, a partir del cual el propio software la genera automáticamente. En la Figura 2.20 se muestra un ejemplo de los parámetros con los que el analista deberá “jugar” para configurar el cálculo automatizado de la envolvente de alarma espectral de banda estrecha.

Figura 2.20. Diálogo para la configuración de la envolvente espectral de alarma de

banda estrecha

Si bien es cierto que la facilidad que ofrecen actualmente muchos software para aplicar la técnica de las seis bandas de alarmas espectrales, asegura la detección


73

anticipada de defectos en alrededor del 70% o el 80% de la maquinaria industrial, también es cierto que existen algunos t ipos de máquinas que generan componentes por frecuencias que no pueden ser contempladas de manera efectiva por las seis bandas de alarmas espectrales. Tal es el caso por ejemplo de las máquinas reciprocantes, los motores diesel, los sopladores y los compresores de tornillo entre otros. En estos casos, estas máquinas requieren más de seis bandas de alarmas espectrales, razón por la cual las compañías que desarrollan software para predictivo, han incluido la técnica de la envolvente de alarma espectral de banda estrecha con el propósito de ofrecer libertad para definir el número de bandas de alarma, en virtud del patrón espectral de la máquina en cuestión.

TIPOS DE ALARMAS PARA LA ENVOLVENTE ESPECTRAL DE BANDA ESTRECHA El cálculo de la envolvente de alarma espectral de banda estrecha se puede efectuar a nivel de Punto de medición y/o a nivel de Grupo de máquinas. La forma de cálculo a nivel de Punto utiliza como fuente de datos para el cálculo la información histórica (espectros) de un punto de medición y sobre ella calcula automáticamente la envolvente de alarma espectral de banda estrecha, atendiendo a los parámetros indicados por el analista.

Por otro lado, cuando el cálculo se realiza a nivel de Grupo de máquinas, se puede definir la lista de datos que se incluirán como fuente de cálculo o sea, se puede definir qué puntos y qué máquinas servirán de base de cálculo.

Alarma porcentual Representa la amplitud porcentual que será empleada para configurar la envolvente de alarma espectral, por supuesto, respecto a la amplitud de las componentes incluidas en cada banda.

Umbral mínimo Constituye la menor amplitud que podrá tener la envolvente de alarma espectral. Esto es, todas aquellas alarmas generadas automáticamente por el softw are, que tengan valores inferiores al umbral mínimo serán anuladas y en su lugar se establecerá este. Esta técnica constituye un antídoto para las falsas alarmas.

Umbral máximo Resulta la mayor amplitud permitida para una alarma en cualquiera de las bandas de la envolvente espectral. Esto quiere decir que todas aquellas alarmas generadas automáticamente por el softw are, que tengan valores superiores al umbral máximo serán anuladas y en su lugar se establecerá este.

Ancho de la envolvente A través de este parámetro se selecciona la cantidad de líneas del espectro FFT que serán contempladas para definir una banda. Desde luego, el ancho de cada banda se podrá expresar en términos de número de líneas o en términos porcentuales.


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Envolvente de ancho de banda constante La envolvente espectral mostrada en la Figura 2.21 es del tipo de ancho de banda constante, lo cual se traduce en que el ancho de cada banda está definido por el mismo número de líneas en el espectro base, ya sea a baja frecuencia o a alta frecuencia. No está demás aclarar que la envolvente espectral de ancho de banda constante sólo es válida para máquinas que operen a velocidad constante, amén de las ligeras variaciones que casi inevitablemente t ienen lugar en la velocidad de operación de este t ipo de máquina.

Figura 2.21. Envolvente espectral de banda estrecha constante.

Envolvente de ancho de banda proporcional De ancho de banda proporcional o de ancho de banda porcentual constante como también se le conoce, este tipo de envolvente debe su nombre a que no es la cantidad de líneas la que dicta el ancho de la banda, sino que es un por ciento constante de la frecuencia a la cual tiene lugar el pico espectral. En la Figura 2.22 se muestra una envolvente espectral de ancho de banda proporcional. Este tipo de envolvente espectral permite acomodar mejor las variaciones en la velocidad de operación. No obstante, es bueno señalar que la envolvente espectral de ancho de banda constante resulta la de mayor utilización en los programas de monitorado y predicción, toda vez que requiere de un solo espectro de referencia.


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Figura 2.22. Envolvente espectral de banda estrecha proporcional.

EL ESPECTRO DE REFERENCIA Veamos a continuación tres métodos para definir el espectro de referencia.

1. Para un grupo de máquinas similares se toma un espectro de una máquina evaluada de acuerdo a una condición normal y entonces, este se asume como espectro de referencia para todas las máquinas del grupo.

2. Para un grupo de máquinas similares se toma un espectro de cada máquina para la misma posición de medición. Cojinete de bomba lado acoplamiento radial horizontal por ejemplo. Todos estos espectros se combinan estadísticamente y el resultado se asume como espectro de referencia para todas las máquinas del grupo, pero sólo para esa posición de medición. Desde luego, esto habrá que hacerlo para todas y cada una de las posiciones establecidas para efectuar las mediciones.

3. En caso de no disponer de un grupo de máquinas con características similares en el sentido más amplio de la palabra, entonces habrá que seleccionar como espectro de referencia, un espectro para cada posición de medición en la máquina de interés, debiéndose comparar contra éste cada uno de los espectros subsecuentes. Por supuesto, el tratamiento estadístico contribuye a mejorar de manera signif icativa, la representatividad del espectro de referencia.

Aunque el empleo de espectros estadísticos como referencia, pudiera no ser del todo adecuado para una máquina en particular, no cabe dudas que este método proporciona un modelo detallado y cuantitativo para comparar máquinas similares. A


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través de su modelo estadístico, este método permite el uso de fronteras específ icas que indudablemente exhiben mayor efectividad que el uso de los límites generales, los cuales no siempre pudieran resultar correctos para una máquina en específ ico. Así mismo, este método parte de valores representativos de la realidad, sin necesidad de tener que instrumentar programas experimentales complejos, para determinar las funciones respuesta de frecuencia en los pedestales de las máquinas. El método estadístico minimiza el efecto de la variación de la transmisibilidad, toda vez que asume que máquinas idénticas – dentro de tolerancias relativamente rigurosas – responderán de manera similar.

Desde luego, este método no es correcto aplicarlo si de antemano se conoce que todas las máquinas, pertenecientes al mismo grupo poseen el mismo defecto oculto, además de que resulta imprescindible que las mediciones se hayan realizado en iguales condiciones de operación para todo el grupo de máquinas. Esto últ imo, con el objetivo expreso de minimizar el efecto que sobre las amplitudes de vibraciones tienen por ejemplo, los cambios en la densidad del f luido, las variaciones de presión, del f lujo y en especial de la velocidad de rotación.

2.9. UMBRALES MÍNIMOS PARA LAS TENDENCIAS A los efectos de realizar comparaciones, la referencia estadística resulta de mayor efectividad, sobre todo si esta permite que a un golpe de vista se pueda reconocer cuándo una máquina exhibe niveles mejores o peores que cierto nivel promedio.

Tal y como se ha mencionado anteriormente, las componentes por frecuencias de vibraciones – particularmente aquellas de alta frecuencia – regularmente sufren cambios sustanciales en sus amplitudes condicionados por cambios en las condiciones de operación. Por ello, en aquellos casos donde las variaciones en las condiciones de operación sean considerables y resulten frecuentes, habrá que disponer de varias referencias es decir, una para cada condición típica de operación.

Hasta el momento, el tratamiento de los límites ha estado condicionado a valores numéricos configurados de tal manera que proporcionen alertas oportunas, siempre que las lecturas excedan las tolerancias máximas que caractericen la condición normal. Así mismo, será necesario entonces definir umbrales mínimos que garanticen la detección de grandes cambios, relativos a pequeños valores numéricos, dando paso a las primeras llamadas de alerta. Veamos cómo se entiende esto de los umbrales mínimos.

La experiencia se ha encargado de demostrar, que el cambio porcentual normal que puede tener lugar en un grupo de mediciones de nivel total de vibraciones registrados en los pedestales de una máquina, resulta considerablemente mayor cuando los niveles registrados son bajos, que cuando estos son relativamente altos.

Visto de otra forma, para poder entender esta problemática bastará con sugerir que entonces, los umbrales basados en cambio porcentuales entre dos mediciones consecutivas deberán ser mayores en la medida en que los niveles registrados resulten menores. Este problema lógicamente también está presente en el caso de los registros espectrales. En términos porcentuales, las componentes espectrales de menor amplitud variarán típicamente más que aquellas de mayor amplitud.


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Luego entonces , antes de considerar anormales los cambios en la amplitud de una componente espectral o de un nivel total, resulta necesario que estos hayan excedido los llamados umbrales mínimos, lo cual garantiza la reducción de las falsas alarmas. En la Figura 2.23 se ilustra la aplicación del umbral mínimo para una tendencia en nivel total. Observe cómo por debajo del umbral mínimo (Lower Alarm) no se toman en cuenta los cambios que pueda sufrir el comportamiento de las mediciones. Sin embargo, luego de haber sido superado el umbral mínimo, ya resulta necesario ejecutar pronósticos de manera sistemática y luego de cada medición de Nivel Total.

Por supuesto, esto se deberá hacer para cada uno de los puntos y orientaciones en los que se realizan las mediciones periódicas. El lector podrá apreciar en la propia Figura 2.23, que en fecha cercana al 9 de diciembre de 2002 hubo un cambio repentino en el nivel total de vibraciones. Sin embargo, este cambio no superó el umbral mínimo y aunque los cambios repentinos deben ser atendidos con rigurosidad, en este caso el análisis de las vibraciones no reportó nada anormal amén de que el personal de producción s í informó acerca de un incremento en la humedad del producto tecnológico, lo cual fue asociado con el cambio repentino en el nivel total de vibraciones. Observe además que posteriormente los niveles totales se mantuvieron estables durante el lapso de un mes aproximadamente, hasta que f inalmente superaron el umbral mínimo previamente definido.

Figura 2.23. Empleo del umbral mínimo en el análisis de tendencias.

Así mismo, la Figura 2.24 ilustra la aplicación de los umbrales mínimos, pero en este caso para la envolvente espectral de banda estrecha.


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Figura 2.24. Umbral mínimo para una envolvente espectral de banda estrecha.

Capítulo III IMPLANTACIÓN DEL PROGRAMA DE

MONITORADO Y PREDICCIÓN

n contraposición con el monitorado con f ines de protección, en el cual la respuesta rápida y reactiva del sistema ante un cambio eventual resulta la prioridad número uno, el monitorado y la predicción no están presionados por

el tiempo de respuesta – si el programa ha sido bien concebido y está a punto – y puede apoyarse en el análisis de un sin número de características incluyendo las más complejas. Tal es el caso por ejemplo, del análisis detallado de las características vibroacústicas, de las propiedades del lubr icante, de los cálculos de eficiencia y desempeño, del análisis dinámico de la intensidad de corriente en motores de inducción y de muchos otros parámetros que contribuyen a una evaluación precisa y responsable del estado de la maquinaria industrial.

Desde luego, las tecnologías predictivas incluyen las recomendaciones para el mantenimiento y las reparaciones, acompañadas de la verif icación y validación in situ de los problemas, con posterioridad al desarme y luego de las correcciones respectivamente. Un programa de monitorado y predicción suficientemente amplio y abarcador, tendrá necesariamente que contemplar combinaciones de técnicas de monitorado on-line (si se justif icase) y de monitorado periódico (off-line). Tendrá que incluir además el monitorado del desempeño y eficiencia de la máquina, el análisis de lubricantes y muchas otras técnicas tales como el análisis dinámico de la intensidad de corriente en motores de inducción, el análisis ultrasónico y la termografía infrarroja así como, incorporar el registro y análisis del comportamiento de los parámetros de proceso y todo ello con el objetivo expedito de contar con una evaluación los más completa y precisa posible del estado de la maquinaria industrial. Por supuesto que la selección de la técnica a emplear o de la combinación de diferentes métodos depende de la aplicación específ ica, del tipo de máquina, de su historia pasada en operación, de aspectos relativos a la seguridad y al medio ambiente as í como, del impacto económico que tenga la irrupción imprevista de un fallo y por supuesto, de los requerimientos impuestos por las personas. Por ejemplo, si se acopian unas pocas lecturas de vibraciones a intervalos de entre uno y dos meses, sin dudas se podrá contar con cierta información para proteger a máquinas de edad técnica avanzada y de relativamente baja velocidad, que hayan exhibido un comportamiento histórico libre de fallos. Pero con esta concepción no se podrá pretender monitorar estado en máquinas críticas, no redundantes, de grandes potencias y/o de alta velocidad, para lo cual habrá que concebir un programa de monitorado y predicción más abarcador, riguroso y mult iparamétrico.

Tal y como se ha abordado en secciones precedentes, las mediciones con vistas a la predicción se pueden realizar a través de sistemas permanentes o con el empleo de instrumentos portátiles.

E


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En el caso de las variables de proceso como lo son la temperatura, la presión y el f lujo entre otras, estas normalmente se obtienen de los propios instrumentos de medición y control que acompañan a la máquina.

El empleo de instrumentación portátil es decir, del monitorado per iódico, se justif ica en el caso de quipos fundamentales, como lo pueden ser por ejemplo las bombas y los ventiladores.

Por otro lado, en el caso de grandes máquinas críticas irreemplazables y costosas, se justif ica el empleo del monitorado continuo basado en la medición y el análisis detallado de las características vibroacústicas, de la temperatura en cojinetes, de la eficiencia, del estado del lubricante y por supuesto, de los parámetros de proceso. Este tipo de monitorado también se justif ica en máquinas cuyas componentes más importantes resulten inaccesibles en operación o en aquellas que operan en sit ios remotos. Ejemplo de este tipo de máquina lo constituye el caso de turbo máquinas, máquinas herramienta modernas y máquinas que trasiegan gas y líquidos a distancia.

Antes de continuar, resulta de suma importancia recordar dos términos claves en el monitorado:

− Monitorado y protección, el cual está concebido para alertar de manera instantánea, sobre la presencia de algún cambio que pudiera producir daños en la máquina o afectaciones al personal de operaciones o al medio ambiente. Como regla general se basa en mediciones globales y accionan sistemas de desconexión automática, tal es el caso de los llamados disparos.

− Monitorado y predicción, está dirigido a la detección anticipada de problemas potenciales en la maquinaria industrial. Se ejecuta a partir del uso de transductores que pueden estar instalados de manera permanente o temporal.

3.1. OBJETIVOS DEL PROGRAMA El programa de monitorado y predicción persigue tres objetivos prioritarios:

1. Identif icar y alertar de manera anticipada sobre defectos potenciales en máquinas críticas que estén equipadas con sistemas de monitorado continuo.

2. Proporcionar métodos primarios para monitorar el estado de máquinas fundamentales.

3. Alertar sobre defectos que aunque presentes, permanecen ocultos y “ahogados” dentro de características de mayor complejidad. Tal es el caso por ejemplo de los cojinetes de rodamientos.

Al comienzo, los primeros programas de monitorado y predicción estuvieron sustentados por la medición periódica de los niveles totales de vibraciones empleando para ello instrumentos portátiles.

Con relativa inmediatez, este método fue sustituido por el monitorado continuo para grandes máquinas críticas, lo cual no quiere decir que el empleo de los instrumentos portátiles haya caducado. Muy por el contrario, el empleo del monitorado periódico ha demostrado ser muy costo-efectivo en máquinas fundamentales.

Capítulo III – Implantación del programa de monitorado y predicción

81

La introducción del análisis espectral proporcionó una vía mas rigurosa y a la vez más efectiva para detectar e identif icar defectos de manera más anticipada aún. Posteriormente, la automatización en el acopio de la información y en la ejecución de los procedimientos para el análisis de tendencias, combinando instrumento portátil y software, permitió la atención eficiente de un número mayor de máquinas.

Unido a todo esto, se introdujo la medición de las variables de proceso, el análisis del lubricante y otras técnicas especiales, como lo es el análisis dinámico de la corriente eléctrica en motores de inducción.

Así, comenzó la toma de conciencia de la necesidad de implementar sistemas de monitorado continuo para la protección de grandes máquinas críticas, cuyo impacto en la pérdida de producción, en la seguridad y en el medio ambiente así lo justif icasen.

La introducción de la predicción en los sistemas permanentes de monitorado y protección se caracteriza por costos iniciales elevados, pero en comparación con los programas de monitorado y predicción que emplean equipos portátiles, resulta en menores costos de operación del sistema. Actualmente en no pocas industrias se emplea la combinación de sistemas permanentes y de sistemas periódicos, como una alternativa muy costo-efectiva a los programas de monitorado y predicción.

3.2. PANORAMA FUNCIONAL El lector deberá tener siempre presente que el programa de monitorado y predicción será más efectivo en la medida en que incluya mayor diversidad de parámetros síntoma, que proporcionen la información necesaria para caracterizar con precisión el estado de la maquinaria industrial y que por supuesto, permita alertar de manera anticipada sobre cambios signif icativos en el comportamiento de ésta. No hay dudas de que el análisis de vibraciones, ejecutado de la manera más rigurosa posible, permite caracterizar el estado mecánico de la máquina. Por otro lado, los parámetros de proceso resultan necesarios para evaluar el estado de componentes específ icas, como lo son los sellos por ejemplo.

Así mismo, el análisis espectral de corriente en motores de inducción, proporciona información muy valiosa acerca del estado de las barras del rotor, lo cual no resulta de fácil identif icación analizando las vibraciones que normalmente se registran en el alojamiento de los cojinetes del motor. El análisis de la calidad del lubricante en máquina, permite completar la evaluación del estado presente y futuro de las partes lubricadas.

En la Figura 3.1se muestra en forma de diagrama de f lujo el proceso que sustenta al programa de monitorado y predicción. Este proceso contiene ocho partes comenzando con mediciones y análisis de alta resolución, las cuales permiten definir en el segundo bloque las referencias y los valores límites. Esto desde luego, para cada una de las máquinas incluidas en el programa. Es muy probable que durante la definición de las referencias iniciales se detecten algunas máquinas en condiciones anormales, para lo cual será necesario incrementar la vigilancia sobre ellas o incluso llegar a efectuar acciones correctivas o reparaciones en general.


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Una situación similar se presentó durante la ejecución de las funciones referidas en los dos primeros bloques de la Figura 3.1, cuando el autor, al frente de un equipo de especialistas de la División de Ingeniería de Vibraciones, Ruido y Diagnóstico del Centro de Estudios Innovación y Mantenimiento – CEIM, ofrecía una Asistencia Técnica para 150 máquinas de una Planta Cementera. En la Figura 3.2 se observan los resultados preliminares de este trabajo a nivel de defecto.

Figura 3.1. Visión general del proceso de monitorado y predicción


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Figura 3.2. Diagnostico preliminar durante la introducción de un programa de

monitorado y predicción en una Planta Cementera

Luego de definidas las referencias, se deberá seleccionar el mejor método para evaluar el estado de la maquinar ia industrial a partir de las propias condiciones de la máquina. Por ejemplo, si las componentes a frecuencia sincrónica dominan en compañía de otras armónicas, cuyas amplitudes no sobrepasan entre el 15% y el 25% de la amplitud dominante, entonces se puede monitorar el nivel total en dos o tres bandas, lo cual aporta rapidez y efectividad. Desde luego, si los espectros resultan muy complejos, entonces será necesario emplear otro método de evaluación como por ejemplo, el de la envolvente espectral de banda estrecha.

Aquellas máquinas en las que se detecten cambios, tendrán que ser sometidas a un análisis más detallado como parte del sexto bloque de la Figura 3.1 y teniendo como base nuevas mediciones de alta resolución de acuerdo con el quinto bloque de la propia Figura 3.1.

De este análisis se podrá concluir que los cambios no se debieron a problemas o defectos potenciales, por lo cual no se tomará ninguna acción correctiva, pero sí habrá que reajustar las referencias como parte del séptimo bloque de la Figura 3.1.

Si efectivamente, los cambios se produjeron debido a la presencia de defectos, entonces como parte del octavo paso de la Figura 3.1, habrá que proceder a ejecutar las acciones correctivas pertinentes.


84

Es preciso reiterar que el diagrama de la Figura 3.1 constituye un resumen drástico de lo que se debe hacer como parte del programa de monitorado y predicción.

3.3. ASPECTOS BÁSICOS EN LA IMPLANTACIÓN Después de tomada la decisión de introducir las tecnologías predictivas – cosa que el autor acepta como algo que no resulta nada fácil – existen un grupo de factores de suma importancia para el éxito del programa.

SELECCIÓN DEL PERSONAL La instrumentación no es precisamente la que determina el éxito, pues ésta y todo el programa de monitorado y predicción tiene que ser operado por personas. Luego entonces, es estrictamente importante seleccionar el personal idóneo para tan importante labor.

Inteligencia, curiosidad, entusiasmo, interés por aprender, actitud positiva y compromiso para aceptar el reto, constituyen algunas de las cualidades que debe poseer el personal. Desde luego, a esto hay que unir las habilidades para la comunicación, la persistencia para vencer obstáculos y el coraje necesario para convencer a otros que o no saben, o bien sí saben y se resisten a creer o saben y creen, pero no aceptan, acerca de situaciones y conclusiones nada populares y sí muy chocantes como lo es por ejemplo, la recomendación de detener una máquina debido a un problema de desalineamiento, que de no ser corregido a tiempo condenará a los cojinetes de rodamientos, por sólo citar una de las consecuencias de la persistencia de este defecto. Claro está, tampoco podemos obviar la motivación por este tipo de trabajo, que a veces resulta algo ingrato y esto el autor no lo expresa desde un punto de vista pesimista, por el contrario, lo hace desde una óptica realista. De especial interés resulta el trabajo de conjunto con operadores y mecánicos, que por lo general se traduce en ayuda mutua. La experiencia ha demostrado que mecánicos, técnicos o ingenieros con interés, entusiasmo, actitudes posit ivas y comprometidos, así como con conocimientos amplios sobre las máquinas, han devenido experimentados analistas.

Sin embargo, haciendo justicia, hay que señalar que no toda la responsabilidad recae en el analista, pues una gerencia profesional en el sentido más amplio de la palabra o una gerencia mediocre deciden el éxito del programa. Aquel que tenga la responsabilidad de gerenciar el programa de monitorado y predicción deberá ser alguien que goce de mucha credibilidad y tenga ascendencia sobre la dirección general de la Planta, de manera que se garantice que los resultados y los beneficios económicos sean comunicados oportunamente a todos los involucrados. En f in, resulta extremadamente importante que todos, absolutamente todos, estén involucrados y comprometidos con el programa de monitorado y predicción. Sin dudas, la máxima dirección de la Planta deberá estar informada de la marcha del programa, sobre todo en términos que demuestren la contribución del programa a la producción y al ahorro.


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SELECCIÓN DE LA INSTRUMENTACIÓN Para ello, habrá que tener en cuenta un sin número de factores como lo son por ejemplo:

− Alcance del programa de monitorado y predicción.

− Rapidez y precisión en las respuestas.

− Automatización del procesamiento de la información.

− Cantidad y complejidad de las máquinas a monitorar.

− Cantidad de inspectores involucrados en el programa.

− Prestaciones técnicas de la instrumentación.

− Capacidad de actualización progresiva y a largo plazo en la instrumentación y el softw are asociado.

− Soporte técnico nacional y del fabricante.

− Programa de capacitación.

− Efectividad económica.

Absolutamente necesario resulta el adiestramiento y la certif icación del personal, para lo cual en el mundo existen varios programas, alguno de los cuales son equivalentes a la Norma ISO 18436-2 “Condition monitoring and diagnostics of machines. Accreditation of organizations and training and certification of personnel”. El adiestramiento inicial tendrá que estar focalizado en aquellos conocimientos que garanticen el uso eficiente y eficaz de la instrumentación. Resulta sumamente importante dosif icar la capacitación del personal con suficiente tiempo para asimilar lo nuevo, pues el entusiasmo inicial y la motivación se pueden traducir en decepción y frustración.

FILOSOFÍA INICIAL Tal y como se ha discutido en otras secciones, la decisión de comenzar poco a poco con objetivos modestos e ir extendiendo los horizontes del programa de monitorado y predicción en la medida en que se vaya ganando experiencia, resulta una f ilosofía de resultados probados. Por ello, resulta conveniente seleccionar un área de la Planta para iniciar la introducción gradual del programa de monitorado y predicción. Después, los propios resultados que se vayan obteniendo en esta área irán requiriendo la extensión a otras áreas de la Planta, amén de lo motivante que resulta para el personal de un área, que en ella se introduzcan programas que ya hayan demostrado su efectividad en otras áreas de la propia Planta.

CATEGORIZACIÓN DE LAS MÁQUINAS A los objetivos del programa de monitorado y predicción, las máquinas pueden ser clasif icadas de acuerdo a cuatro categorías:

I. Máquinas críticas, en las cuales un fallo imprevisto o salida de operación detiene o restringe severamente la producción o compromete seriamente la seguridad del personal.


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II. Máquinas fundamentales, cuya detención prolongada se considera inaceptable desde el punto de vista de operación o de seguridad. Por ejemplo, ventiladores de tiro para calderas, bombas de alimentación o carga, bombas de trasiego, máquinas herramienta y muchas bombas de proceso.

III. Máquinas no fundamentales, que aunque en reserva, resultan necesarias para la producción. Tal es el caso por ejemplo, de torres de enfriamiento, ventiladores de enfriamiento y bombas de agua entre otros. Los ejemplos anteriores pueden clasif icar en las categorías II o III, en dependencia de sus funciones. Por ejemplo, un ventilador de enfriamiento que está en reserva durante el invierno, tiene necesariamente que entrar en operación en verano.

IV. Máquinas auxiliares, para las cuales existen alternativas de operación sin afectar la producción. Son máquinas para las cuales el costo del monitorado es menor que el costo de mantenimiento en el que se incurriría de no contemplarse un programa de monitorado y predicción para ellas. En esta categoría se incluyen máquinas que deben ser monitoradas pero que evidentemente son de menor prior idad que lo previsto en la categoría III.

Además, a la hora de categorizar los equipos con vistas al monitorado y predicción, resulta de suma importancia tener en cuenta el entorno, atendiendo a los aspectos siguientes:

1. Seguridad: Si la máquina trasiega materiales peligrosos desde el punto de vista de toxicidad o por ser inf lamables, no hay dudas que su estado deberá ser monitorado muy de cerca. Aquí habrá que tener en cuenta desde luego los riesgos para el personal.

2. Probabilidad y consecuencias del fallo: Aún siendo baja la probabilidad de fallo, si el impacto de éste resulta muy severo, entonces habrá que llevar el monitorado a niveles superiores.

3. Servicio: Máquinas que operan con parámetros muy cercanos a su límite de diseño y/o trasiegan materiales tóxicos y/o inflamables, deberán ser monitoradas con mayor rigor que aquellas cuyo servicio resulte inofensivo.

4. Nivel de control: Se tendrá en cuenta si la máquina está instalada en un área bajo control continuo o en un área bajo control remoto. Las máquinas que operan sin observación u atención directa del personal – en lugares apartados por ejemplo – requieren monitorado y protección, del cual se podrá tomar información para el pronóstico.

SELECCIÓN DEL TIPO DE MONITORADO La inmensa mayor ía de los equipos contemplados en la categor ía I y algunos pertenecientes a la categoría II exigen un sistema de monitorado continuo (on-line) del cual se puede obtener toda la información necesaria para el pronóstico. No obstante, siempre resulta importante complementar el análisis con otras variables ya discutidas en secciones precedentes.


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El monitorado y la predicción a intervalos es decir, de manera periódica, resulta apropiado para máquinas crít icas de baja velocidad. En cualquier caso, será necesario el análisis detallado de la información vibroacústica para poder asegurar la detección anticipada de problemas potenciales, si se pretende que el programa de monitorado y predicción resulte efectivo.

SELECCIÓN DE LAS MÁQUINAS A MONITORAR Se debe iniciar la introducción del programa en un número restringido de máquinas con características vibroacústicas relativamente sencillas y de fácil análisis y para las cuales se conozcan sus problemas o se disponga de historia. En este grupo no se deberán incluir máquinas complejas, como lo es el caso de turbinas a vapor o a gas y las transmisiones por engranajes por ejemplo, hasta tanto no se cuente con una mayor experiencia. Resulta más efectivo dedicar tiempo al estudio de la instrumentación y su empleo en la identif icación de un número reducido de problemas en pocas máquinas, lo cual se traduce en resultados inmediatos. De lo contrario, habrá que enfrentarse a un número de máquinas – aunque pequeño – cuya historia no contemple la presencia de problemas, todo lo cual no facilita la práctica de ganar credibilidad diagnosticando defectos cuya historia resulte conocida.

SELECCIÓN DE LOS PARÁMETROS SÍNTOMA Ante todo, los parámetros síntoma deben cumplir con el requisito de ser, aquellas variables que mejor caractericen el estado técnico y el comportamiento de la máquina. Por ello, los parámetros síntomas deberán aportar información representativa del estado técnico de la maquinaria industrial además de ser muy sensibles a los cambios en el estado de ésta.

Las vibraciones resultan un parámetro síntoma por excelencia para los llamados equipos dinámicos, además de constituir el punto de partida de la mayoría de los programas de monitorado y predicción.

Si la selección inicial de los parámetros síntoma arroja como resultado demasiada información a atender en comparación con el tiempo disponible para evaluar el estado de la máquina, o si la medición de tales parámetros resulta peligrosa, entonces no quedará más remedio que optimizar las mediciones en el sentido más amplio de la palabra. La optimización de las mediciones y los parámetros síntoma constituye tema de investigación en no pocas instituciones en el mundo.

Habitualmente, el incremento en los niveles de vibraciones o valores altos de estos, se traduce en problemas. Esto se hace mucho más complejo, si aquellos cambios que se estén produciendo en algunas componentes, caracterizados por ser portadores de baja energía, se ahogan en características vibroacústicas más complejas y de mayor contenido energético. Por ello, en estos casos será necesario un análisis detallado que garantice alertas anticipadas y que sea complementado por el registro y el análisis de otras variables.


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DEFINICIÓN DE LOS INTERVALOS DE MEDICIÓN En general, la probabilidad de fallo y cuán rápido éste se desarrolle, constituyen indicadores de suma importancia para decidir los intervalos de medición. Este proceso no resulta nada complicado gracias a las prestaciones de los instrumentos modernos para el acopio de información. Algunas industrias tienen estandarizados sus intervalos de medición a un mes por ejemplo, pero esto no puede ser bajo ningún concepto una receta, pues la decisión depende del tiempo medio entre fallos (MTBF por sus siglas en inglés), de la historia de la máquina, de la cercanía de sus niveles de vibraciones a los valores límites preestablecidos as í como, de la importancia de la máquina en el proceso de producción y la experiencia de los analistas. La propia experiencia demuestra que con las potencialidades actuales que caracterizan a los instrumentos de medición, sobre todo a aquellos denominados correctamente Colectores de Datos (no todos lo son, consulte la Nota Técnica No. 35 en www.cujae.edu.cu/centros/ceim/index.htm) una sola persona puede acopiar información de entre 600 y 800 puntos en un día (8 horas de trabajo). Sin embargo, la experiencia también demuestra que se debe limitar la actividad de medición a aproximadamente 200 puntos por día es decir, aproximadamente dos horas diarias dedicadas a la ejecución de las rutas de medición, sobre todo con el ánimo de proteger la calidad de las mediciones y garantizar tiempo para el análisis, evitando la desmotivación por concepto de ejecución de trabajos rutinarios.

Lo más importante es efectuar las mediciones a intervalos que garanticen la detección e identif icación de los problemas de manera anticipada, para poder así planif icar oportunamente las intervenciones, con lo cual se evitan los fallos imprevistos y salidas de operación no planif icadas.

CONFIGURACIÓN DEL PROCESO DE MONITORADO Y PREDICCIÓN Una vez definido el alcance del programa de monitorado y predicción, habiéndose definido las máquinas a monitorar, los intervalos de medición, la instrumentación, etc., será necesario configurar el proceso como tal. Si por primera vez se procederá al monitorado de las máquinas y por ende se desconocen los niveles y patrones de vibraciones de éstas, entonces será necesario realizar un muestreo preliminar de las máquinas incluidas en el programa, registrando las vibraciones en los puntos más representativos de cada máquina y todo ello, empleando los propios instrumentos previamente seleccionados (y adquir idos) para llevar a cabo el programa de monitorado y predicción.

Como resultado de este procedimiento las máquinas deberán ser agrupadas en dos o tres categorías atendiendo a sus niveles de vibraciones según sea necesario.

Categoría I En esta categor ía se deberán incluir aquellas máquinas cuyos niveles resultan tan altos que merecen atención pr imaria, siendo necesario proceder de inmediato a aplicar técnicas de diagnóstico que permitan identif icar la causa de tan altos niveles de vibraciones y por consiguiente, ejecutar las acciones correctivas pertinentes con la máxima prioridad posible.


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Categoría II En esta categoría se deberán incluir aquellas máquinas que aunque sus niveles de vibraciones no resulten alarmantes, presenten espectros que denoten comportamientos anormales, en cuyo caso se deberán recomendar las acciones correctivas que procedan.

Categoría III Por último, en esta categoría estarán incluidas aquellas máquinas que presenten comportamientos normales.

Desde luego, los niveles de vibraciones registrados durante la etapa preliminar serán empleados para estimar las referencias y los límites. En esta etapa resulta de suma importancia reunir la mayor cantidad de información acerca de las máquinas. Por ejemplo:

a) Velocidades críticas. b) Tipo de cojinetes, geometr ía, modelo, código, características internas,

etc.

c) Relaciones de transmisión, número de dientes. d) Cantidad de impelentes, rodetes, número de álabes, paletas.

INICIO DE LA TOMA DE MEDICIONES El programa de monitorado y predicción debe comenzar en un orden basado en prioridades. Las primeras máquinas deberán ser aquellas cuyos problemas se conozcan. Al principio, las mediciones se deberán analizar con el objetivo de detectar problemas en potencia. Para ello, primero habrá que definir el comportamiento normal para cada máquina en cuestión, lo cual permita detectar desviaciones de esta condición. Las variables de proceso deberán exhibir niveles acordes con los parámetros previstos por diseño.

En el caso particular de las vibraciones, será necesario efectuar múltiples mediciones en la misma máquina, con el ánimo de establecer valores normales razonables y precisos. Tal y como se ha abordado en el Capítulo II, la experiencia ha demostrado que dos veces y media la desviación estándar constituye un buen indicador de alerta, el cual podrá acomodar las f luctuaciones normales que puedan tener lugar en los niveles de vibraciones, sin perder sensibilidad ante cambios anormales. De esta manera se aprovecha la evaluación de los cambios relativos a los límites.

LA OBSERVACIÓN EN LA INSPECCIÓN Un colega y amigo personal, asesor de mantenimiento de una Planta Cementera defiende la f ilosofía VOSOA, con la cual el autor está irremediablemente de acuerdo. Ver, Oír, Sentir, Oler y Actuar indudablemente resultan un complemento indispensable, ya que no siempre las mediciones revelan todo lo que sucede. Por ejemplo, si el mal estado de un sello provoca la pérdida de lubricante y por ende compromete el desempeño del rodamiento, las vibraciones no serán sensibles al


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mal estado del sello, aunque sí al deterioro del rodamiento cuando éste ya no tenga remedio. Sin embargo, la observación aguda de seguro detectará la pérdida de lubricante.

Por ello, durante las inspecciones no basta con portar y usar los instrumentos. Es preciso además documentar todo aquello que resulte anormal y hacerlo formar parte de la información útil para el monitorado y predicción.

ANÁLISIS DE TENDENCIAS Y PRONÓSTICO De este análisis emerge una pregunta obligada en todo programa de monitorado y predicción y que por lo general la hacen todos los jefes: ¿por cuánto tiempo podrá continuar la máquina en operación? Desde luego, esta pregunta también resulta clave para saber si la inversión se traducirá en ahorro o en pérdida. La pregunta anterior, un poco más trabajada presupone preguntarse: ¿Cuán severo es el cambio y cuáles son las razones para continuar en operación o proceder a la parada?

No cabe duda que la detención de la máquina resulta algo muy serio y hasta traumático, sobre todo si esto implica la interrupción de la producción. Pero es preciso tener en cuenta que si la decisión apunta a continuar en operación hasta el fallo, lo más probable es que entonces las pérdidas sean mayores, que si se hubiera parado oportunamente y ejecutado la corrección pertinente. No olvide que por lo general un fallo presupone una reacción en cadena.

Para todo esto resulta de mucha importancia efectuar una valoración sobre la base de cuatro aspectos claves:

a) La magnitud del cambio y los valores absolutos después del cambio.

b) La tasa de cambio (velocidad de evolución) y si el cambio continúa teniendo lugar en una sola medición o en varias mediciones.

c) La confirmación del cambio a través de la verif icación de otras variables.

d) Si el tiempo lo permite, efectuar un diagnóstico para determinar la causa del problema.

Más tarde o más temprano, todo aquel que esté involucrado directamente en el programa de monitorado y predicción se verá envuelto en el dilema de recomendar si se continúa en operación o si se detiene la máquina.

Una solución muy conservadora resulta de recomendar siempre la detención de la máquina y la inspección visual, pero un jefe, gerente o superintendente de planta, experimentado y agudo, siempre dirá: A usted no se le paga para que sugiera parar y ver qué sucede. Y no deja de tener razón, pues para parar e inspeccionar con el objetivo de saber qué es lo que sucede, no hace falta implementar un programa de monitorado y predicción.

En circunstancias como ésta, algunos prefieren esperar para tener más elementos de juicio sobre la base del desarrollo del problema, argumentando que es mejor sufrir un fallo que mandar a parar y que al revisar sencillamente no se encuentre nada anormal. Otros prefieren insistir en detener la máquina y como esto siempre es un problema y si no se tiene razones de peso no se autoriza la parada, pues


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entonces se escudan en el hecho de que nunca le hacen caso y “se lavan las manos”. Sin embargo, la mayoría encuentra una solución intermedia es decir, de acuerdo a su experiencia y a su preparación, analizan e interpretan los síntomas y argumentan los riesgos y las acciones a seguir en caso de que continúen los cambios.

Por ejemplo, si el síntoma domina a frecuencia sincrónica, entonces la fatiga será el efecto más probable, lo cual permitirá contar con un tiempo razonable para tomar decisiones. Pero por otro lado, si se tienen s íntomas de solturas o excitaciones de alta frecuencia, el fallo tendrá lugar con mayor rapidez.

En cualquier caso, lo más importante es la comunicación. Si producción decide continuar en operación ente la recomendación de detener la máquina, no resolvemos nada con “lavarnos las manos”, sino que entonces habrá que efectuar un seguimiento riguroso y mantener informados a todos sobre la evolución de la máquina y del problema identif icado.

Todo aquel que esté involucrado en el programa de monitorado y predicción debe tener muy claro que su misión es ayudar, contribuir, auxiliar en relación con los problemas. El autor insiste en que nada se resuelve con recomendar y luego “lavarse las manos”.

SEGUIMIENTO DEL PROBLEMA Constituye un proceder de suma importancia. Luego de recomendar la detención de la máquina y tener lugar ésta, es preciso que el analista no se desentienda de los pasos sucesivos. Es menester que el personal de monitorado y predicción o de predictivo como muchos prefieren llamarle, no se desvincule de la máquina luego de detenida. El personal de predictivo tiene necesariamente que estar presente durante la apertura y cierre de la máquina y participar directamente en la inspección visual, corroborando o complementando su diagnóstico y predicción. Esto resulta estrictamente necesario e imprescindible. Además, tiene que estar pendiente de todas las acciones correctivas hasta el cierre y la puesta en marcha de la máquina. Y todo esto tendrá que quedar suficientemente documentado, incluyendo las nuevas mediciones que permitan aseverar que el problema ha sido eliminado y erradicadas las causas de éste. Desde luego, todo esto deberá complementarse con un análisis del beneficio acarreado, como parte de la corrección del defecto a tiempo. Ahora bien, si los resultados no se divulgan, bien poco se habrá logrado, pues aunque haya beneficios, nadie lo sabrá y el personal de predictivo continuará en el anonimato. El reporte que se deberá divulgar, deberá recoger con amplitud y claridad los siguientes aspectos:

a) El número de máquinas a monitorar en un período de t iempo dado. b) Los problemas encontrados.

c) Los ahorros estimados.

d) Las acciones correctivas realizadas. Estos reportes tendrán que ser sencillos y de fácil lectura e interpretación por personas que no formen parte del grupo de predictivo. En caso de incluirse


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espectros, se deberá mantener la misma escala de amplitud y frecuencia con el ánimo de hacer evidente la mejor ía.

UN RESUMEN OBLIGADO A continuación, un resumen de aquellos aspectos que deciden la efectividad y por supuesto, el éxito de un programa de monitorado y predicción:

A. Definición clara de los objetivos.

B. Personal calif icado. C. Instrumentación de calidad.

D. Liderazgo.

E. Apoyo de los niveles superiores. F. Pocas máquinas al comienzo y extensión paulatina del programa según

lo dicte la experiencia. G. Integración de todas las variables que aporten información signif icativa

sobre el estado de la máquina.

H. Comunicación efectiva con todos los niveles de la organización. I. Capacitación inicial y continua.

J. Emisión sistemática de reportes que incluyan los beneficios económicos.

K. Implementación práctica de políticas que mantengan la motivación por la actividad.

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