martes, 24 de febrero de 2009

ANALISIS VIBRACIONAL



1. Introducción

La prevención de posibles fallas en maquinarias es necesaria para una operación confiable y segura de una Instalación. El riesgo de fallas y el tiempo en que una maquinaria queda fuera de servicio pueden disminuirse sólo si los problemas potenciales son anticipados y evitados.
En general, las vibraciones en una máquina no son buenas: pueden causar desgaste, fisuras por fatiga, pérdida de efectividad de sellos, rotura de aislantes, ruido, etc. Pero al mismo tiempo las vibraciones son la mejor indicación de la condición mecánica de una maquinaria y pueden ser una herramienta de predicción muy sensible de la evolución de un defecto. Las fallas catastróficas en una maquinaria muchas veces son precedidas, a veces con meses de anticipación, por un cambio en las condiciones de vibración de la misma.
Las vibraciones en una maquinaria están directamente relacionadas con su vida útil de dos maneras: por un lado un bajo nivel de vibraciones es una indicación de que la máquina funcionará correctamente durante un largo período de tiempo, mientras que un aumento en el nivel de vibraciones es una indicación de que la máquina se encamina hacia algún tipo de falla.
Una de las herramientas fundamentales con que se cuenta en la actualidad para el mantenimiento predictivo de una Planta o Instalación es la medición y análisis de vibraciones, ya que cerca del 90% de las fallas en maquinarias están precedidas por un cambio en las vibraciones de las mismas.
No todos los tipos de vibraciones son evitables, ya que algunas son inherentes a la operación de la maquinaria en sí misma, por lo que una de las tareas del analista es identificar aquellas que deben ser corregidas y determinar un nivel de vibraciones tolerable.


2. Nivel de vibración total en rodamientos



2.1. ¿Cuáles son los niveles de vibración aceptables?

Una de las preguntas más frecuentes sobre medición de vibraciones es: ¿Qué nivel de vibración es aceptable?
Desafortunadamente, a esta pregunta sencilla no hay respuesta sencilla. Esto se debe a que existen muchas variables por ejemplo: el tamaño de la máquina, el tipo de montaje, la aplicación, etc. Pueden existir muchas respuestas correctas, incluso para la misma máquina.
El diagrama de niveles de vibración mostrada, debe ser considerada como una guía general. Puede ser tan solo como un punto de partida en la evaluación de la condición de la máquina.
Muchos factores pueden afectar esas lecturas; las siguientes son algunas de ellas:

· Rigidez de la estructura de soporte. Los números mostrados en el diagrama se refieren principalmente a equipos de tamaño estándar montados rígidamente sobre base rígida. Si el equipo está montado sobre una base flexible, las lecturas podrán ser mayores para condiciones relativamente similares.
· Lectura horizontal vs lectura vertical. En algunos casos, una lectura de vibración horizontal puede ser hasta el doble del nivel de vibración en el plano vertical para un punto dado en una máquina. Los niveles mostrados en el diagrama son para lecturas tomadas en el plano vertical.
· Frecuencia de vibración. Los valores mostrados en el diagrama son para vibraciones medidas en el rango de 1000 a 100,000RPM (16 a 1666 Hz). Para máquinas operando a valores menores que 1000 rpm, los niveles de vibración disponibles deben ser reducidos. Una regla sencilla es un 10% de reducción por cada 100 rpm.

· Máquinas reciprocantes. Debido a su diseño básico, las máquinas reciprocantes, tales como bombas y compresores, normalmente tienen valores de vibración superiores a las máquinas rotativas.

· Fuerzas externas. Normalmente, las máquinas no son montadas solas, en el medio del piso de una planta; usualmente hay otros equipos cerca. Los otros equipos pueden afectar la máquina que analiza. Tuberías conectadas, ductos y estructura montadas transmiten vibraciones de máquina en máquina en máquina.

· Puntos de medición. Los valores mostrados en el diagrama son para lecturas en o cerca de la chumacera, en la dirección radial. En el caso de máquinas verticales, las lecturas deberán ser tomadas en el cojinete que dé las lecturas máximas.

· Condiciones de operación. Las mediciones deberán realizarse cuando la máquina alcance su temperatura normal de operación. La máquina debe operar en su flujo y presión normal. En máquinas con cargas o velocidades variables, las mediciones se deben tomar en todas las condiciones de carga y velocidad. La lectura mayor será la más representativa.

· Instrumentación. Siempre emplee el mismo tipo y modelo de instrumento para poder compara las lecturas, ya que 2 instrumentos no son exactamente iguales. Cada instrumento tiene su propio rango de operación y sensibilidad a varias frecuencias de operación.

· Lecturas relativas. La razón de cambio en los niveles de vibración pueden ser tan importantes como los valores absolutos de vibración de 0.08 pulg/s. El diagrama indica que se encentra en un buen nivel de vibración.

· Si el nivel de vibración fue 0,04 pulg/s ayer, el nivel de vibración se ha duplicado durante la noche. Esto puede significar que se ha desarrollado un problema muy serio.

· Sentido común. Emplee experiencias pasadas y la sensación de un sonido mecánico nuevo cuando evalúe un equipo. Si la experiencia indica que la máquina no está operando adecuadamente, es probable que así sea, aunque las lecturas de velocidad parezcan ok.
Diagrama de niveles de vibración
Factores de corrección

Las lecturas de vibración pueden ser mayores para máquinas montadas sobre base flexible.

Lecturas de vibración en el plano horizontal pueden ser el doble que las lecturas en el plano vertical en una misma máquina.

Para máquinas debajo de 1000 rpm. Reducir los niveles de vibración disponible en 10% por cada 100 rpm.

Las máquinas reciprocantes pueden tener lecturas mayores en un 20 a 30% que los valores indicados.


Este diagrama debe ser empleado solo como una guía general. Añadir imagen


3. Análisis espectral FFT (Fast Fourier Transformation)

Es el método que se recomienda para analizar y resolver problemas de vibración.
Permite descomponer la vibración total en sus frecuencias componentes para poder analizarlas individualmente.
Esto se logra con filtros de frecuencias, ya que cada vibración tiene en general una frecuencia distinta. Dichas frecuencias se descomponen normalmente en armónicos de la frecuencia de giro de la máquina (múltiplos de la frecuencia de giro).
Las señales se descomponen en componentes secuenciales con su respectiva amplitud vibracional.

El espectro FFT, Se muestra gráficos que nos dan la amplitud de vibración en función de los múltiplos de la frecuencia de giro de la máquina (1x, 2x, 3x,…..) y que tienen algunas formas ya casi definidas tal como podemos ver en los siguientes gráficos:


a)


El gráfico muestra un espectro FFT simple de baja frecuencia con picos a la velocidad de giro de la máquina y múltiplos (armónicos) en condiciones normales de funcionamiento como se puede apreciar en las frecuencias añadidas a 2x, 3x,……, la amplitud va disminuyendo aproximadamente en 1/3 de la amplitud a la frecuencia de giro, lo cual es un comportamiento normal.

b)


La vibración a dos veces la velocidad de giro implica desalineamiento. Si la amplitud a dos veces la velocidad de giro es más de 75% de la velocidad de giro, está a punto de ocurrir una falla. La condición debe ser monitoreada de cerca y corregida a la primera oportunidad.


c)


El desbalance casi siempre se observa como una alta amplitud a la velocidad de giro y medida en dirección radial. Muchas máquinas de marcha suave muestran esta condición debido al desbalance inherente. Es necesario compara espectros actuales con los espectros base medidos cuando la máquina estaba en buenas condiciones de balance.


d)


La soltura mecánica generalmente se caracteriza por una larga cadena de armónicos de la frecuencia de giro con altas amplitudes anormales.


A continuación se da una lista de algunos espectros de frecuencia con sus causas más probables.


































































martes, 17 de febrero de 2009

TECNOLOGIAS DEL MANTENIMIENTO PREDICTIVO

TECNOLOGIAS DEL MANTENIMIENTO PREDICTIVO

En la industria se encuentran una gran cantidad de equipos trabajando en forma continua los cuales deben tener un mantenimiento adecuado el mantenimiento predictivo emplea una gran variedad de parámetros y herramientas que están en función al equipo o parte del que se va ha analizar. Es por esto, que se dividen los elementos a analizar en mecánicos y eléctricos y si aun el campo de aplicación es muy amplio; los elementos mecánicos se clasifican en componentes giratorios y fijos , y los elementos eléctricos en equipos eléctricos en general y equipos de control.

Cada empresa debe definir que parámetros analizar en cada maquina y con ello definir el equipo necesario para la ejecución del mantenimiento. Por lo menos cada equipo debe considerar 2 parámetros, con los cuales se puede determinar con precisión el problema. Por ejemplo, si analizamos solo vibraciones en el motor, cuando encontremos una vibración elevada es difícil predecir si las causas es un deslizamiento, un desbalance o una soltura mecánica. Pero si hubiéramos medido otro parámetro como la temperatura o impulso de choque, tendríamos una información adicional para tomar una decisión.


1.- ELEMENTOS MECANICOS

a).- EQUIPOS O COMPONENTES GIRATORIOS

dentro de estos elementos encontramos a los motores, bombas, ventiladores, turbinas, generadores, engranajes y cojinetes.
Este tipo de elementos tienen un gran calentamiento y desgaste en los apoyos, y están sometidos a fuerzas considerables debido a la velocidad de giro, razón por la cual es recomendable que estos equipos tengan una lubricación adecuada. Es por esta razón que la tecnología del MPd están orientadas hacia la lubricación y la medida y/o análisis de fuerzas.

Siendo la lubricación, un factor esencial en el funcionamiento de estos equipos, su análisis puede entregar datos interesantes sobre el comportamientos de los mismos.
Los parámetros de medición y herramientas empleadas son las siguientes.

Por otro lado, cuando un elemento gira, genera fuerzas considerables en función al estado que se encuentren que traducen en vibración, choques, tensión, deformación en los elementos y generación de los ruidos. Por lo tanto, estos son los parámetros que se deben medir adecuadamente, las cuales son:

b).- EQUIPOS O COMPONENTES FIJOS

Dentro de estos elementos tenemos, los equipos de producción (prensas, inyectores, etc.), las maquinas herramientas (cortadoras, plegadoras, etc.), calderos, intercambiadores de calo, trampas de vapor, etc.

Estos equipos tienden a calentarse, perder espesor o presentar defectos y están sometidos a esfuerzos y fuerzas considerables; es por esta razón que se deben centrar la inspección de parámetros de calor, espesor y fuerzas.

La magnitud de calor, puede dar un dato interesante sobre el funcionamiento de un equipo. Por ejemplo, el calentamiento de un intercambiador o una caldera,, puede indicar presencia de suciedad o incrustaciones que evitan la refrigeración normal y puede ocasionar la rotura por sobrecalentamiento (disminuye la resistencia del material) o puede generar otro tipo de fallas como deformaciones agrietamientos, fatiga, fluencia lenta, etc.

Asimismo, el análisis de espesores y defectos en los materiales nos ayudan a realizar una evaluación de la estructura.

La disminución de espesor en un tanque, tubo de caldero, intercambiador, etc,. Pueden tener origen como problemas de corrosión. La aparición de fisuras, ampollamientos, etc. También nos indicara algún tipo de problema. En este caso, es importante determinar el espesor de material, la profundidad de la grieta, etc., para poder evaluar la estructura y si se puede trabajar sin problemas, e inclusive prever cuanto tiempo puede operar.

Por otro lado, como estos elementos están sometidos a fuerzas, calor, y en muchos casos medios corrosivos, la micro estructura de los materiales ira cambiando, con lo cual “cambiaran sus propiedades mecánicas”, esto significa que se deformara, endurecerá, fragilizara, etc.
Por esta razón, se debe analizar si el material se ha deformado, si sus propiedades se mantienen, si el nivel de vibración es adecuado, etc.

Actualmente existen medios no destructivos, que permiten tomar muestras de la micro-estructura del material para poder analizar el estado en que se encuentra.
Los parámetros y herramientas para la medición son las siguientes:



2.- ELEMENTOS ELECTRICOS

En esta parte, hay que diferenciar lo que es el equipo eléctrico propiamente dicho, y el sistema de control de dicho equipo.

a).- EQUIPOS ELECTRICOS

Dentro de estos equipos tenemos los generadores, motores, capacitares, disyuntores, alimentadores de energía, etc.

Estos elementos tienden a calentarse con el funcionamiento, lo cual afecta a los equipos tanto en la resistencia del alambre y en el recubrimiento del mismo. Al sobrepasar ciertos limites pueden traer graves consecuencias. Así mismo, pueden generar una fuerte vibración como en los generadores y motores, que están en función de los parámetros revisados en los elementos giratorios mecánicos. Por otro lado, los componentes eléctricos generan una potencia reactiva que debe ser controlada en forma adecuada.

Un análisis de la temperatura de los equipos, nos puede dar una idea del tipo de falla; esto puede ser por una sobrecarga lo cual no quiere decir que se este sobrecargando de trabajo efectivo, sino talvez podría estar mal alineado; que los cojinetes no tengan lubricante adecuado, los cables estén perdiendo aislamiento, mala ventilación, etc.

El único parámetro a medir es la temperatura con las siguientes herramientas:

Otro problema que se presenta es de la resistencia eléctrica de los conductores. Muchas veces se pierde aislamiento, con lo cual la energía se puede descargar a tierra, lo cual es peligroso para las personas y genera perdida de dinero por energía.

Asimismo, la perdida de aislamiento puede generar un corto circuito.

Los generadores y motores eléctricos, son elementos giratorios, por lo cual están expuestos a vibraciones excesivas debido a desalineamiento, malos ajustes, etc. (equipos mecánicos giratorios), por lo tanto, es importante analizar el nivel de vibración.

Por otro lado, además de las vibraciones mecánicas se puede generar vibraciones en los equipos eléctricos debido a la velocidad, la frecuencia y el balanceo de los rotores.

Se puede medir los siguientes:


b).- EQUIPOS DE CONTROL

Están relacionados con los elementos de mando de un cuerpo eléctrico, tales como dispositivos de arranque de motor, conmutadores, reles, etc.

En estos sistemas, también se mide el calor generado, la capacitancia de los elementos, la resistencia para verificar si hay pérdidas de aislamientos o cortes de cable, y la condición en que se encuentran los elementos.
Los parámetros que se miden y las herramientas empleadas son:






MAQUINAS ROTATIVAS

MAQUINAS ROTATIVAS

Si se desea alargar la vida de las maquinas rotativas, se debe monitorear el estado de los cojinetes, ya sean de rodadura (rodamientos) o de deslizamientos (bocinas), puesto q cualquier falla de la maquina se transmitirá hasta los puntos de apoyo q son los cojinetes.

Técnicamente un rodamiento debería tener vida infinita, pero esto solo funciona si la carga del rodamiento es pequeña y existe una película lubricante libre de contaminantes. Por lo tanto se debe monitorear constantemente la efectividad del lubricante; debe conservarse el lubricante limpio, frió y seco, y que se encuentre en la proporción adecuada.

Así mismo se debe disminuir la carga dinámica del rodamiento, para lo cual, “no hay que disminuir su carga de trabajo”, si no hay que eliminar todas las fuentes que causen una carga adicional, lo que se traducirá en mayor vibración. Si se puede disminuir la vibración, se puede lograr aumentar la vida de la maquina hasta 8 veces mas.

FALLAS EN LOS RODAMIENTOS

La gran mayoría de los rodamientos fallan antes de alcanzar su vida esperada y se debe básicamente alas siguientes razones:

Lubricación insuficiente.- cerca del 38% de las fallas prematuras son causadas por especificaciones y aplicaciones incorrectas de los lubricantes. Cualquier rodamiento privado de una correcta lubricación fallara inevitablemente antes de su vida nominal. Es decir, la lubricación debe ser la correcta (ni poco ni mucho), y con el lubricante adecuado.
Rodamientos maltratados.- cerca del 16% de los rodamientos fallan debido a que han sido maltratados, debido básicamente a un montaje deficiente, o por un manejo inadecuado de los mismos, tanto en su almacenamiento como en su transporte.
Contaminación.- cerca del 14% de los rodamientos se contaminan con elementos del medio ambiente o del proceso mismo, debido a que no están protegidos adecuadamente.


CAUSAS DE FALLAS EN RODAMIENTOS

Los rodamientos fallan básicamente debido a dos problemas:
problemas mecánicos.
problemas de lubricación.


1.- PROBLEMAS MECANINOS

Los problemas mecánicos en los rodamientos se generan por las cargas adicionales que actúan sobre los mismos, los cuales son:

Ø Cargas estática.
Ø Cargas dinámicas.


Las cargas estáticas son generadas debido a un almacenamiento, transporte y montaje inadecuado, las cuales hacen que el rodaje se encuentre con carga adicional antes de trabaja, por haber sido mal manipulados.

Por otro lado, las cargas dinámicas aparecen cuando el equipo esta trabajando y se deben a problemas de equipo, tales como desbalance, desalineamiento, resonancia, etc., las cuales generan un exceso de vibración que va ha ser absorbida por el rodamiento, con la cual su vida nominal se puede reducir hasta 8 veces.
debido a un exceso de carga se genera calor a gran velocidad, se desgastan los sellos y se promueve la ruptura de la película de lubricante, lo cual, si llega a suceder, causara el contacto metálico, se crea mas calor adicional y conlleva a una falla catastrófica.

2.- PROBLEMA DE LUBRICACION

Los problemas de lubricación son generados por:

Fuentes externos.
Fuentes internos.


Los contaminantes externos básicamente son la suciedad que ingresa al sistema, la cual funciona como un material abrasivo que desgasta los componentes vibratorios..

Asimismo, el agua, es otro elemento contaminante que es muy perjudicial en el lubricante, puesto que causa corrosión, disminuye las características del lubricante, principalmente su capacidad de carga, tiende a concentrar ácidos y emulsiona el aceite impidiendo el flujo. También, promueve la contaminación externa, el mal empleo de filtros, mal almacenamiento de lubricantes, mal mantenimiento de los tanques y la mezcla de lubricantes, que en algunos casos pueden tener aditivos que no sean compatibles así como el proceso de fabricación mismo que pueda tener elementos (sólidos, líquidos o gaseosos) que puedan ingresar y contaminar el medio ambiente.

Dentro de los contaminantes internos, básicamente se tienen las partículas de desgaste, que serán las partículas abrasivas y los problemas de condensación de agua en el lubricante.

Todas estas fuentes, tantos externas como internas, promoverán la ruptura de la película lubricante, el contacto metal-metal y la falla catastrófica.