Do monitorowania stanu maszyn tłokowych, znanych również jako sprężarki tłokowe, przez długi czas stosowano tradycyjne metody pomiaru drgań. Stało się jednak jasne, że pomiary te nie są wiarygodne do monitorowania stanu takich maszyn. Dlatego opracowano techniki, które są specjalnie odpowiednie do monitorowania maszyn tłokowych. Jedną z tych technik jest monitorowanie opadania tłoczyska, w którym monitorowane jest opadanie tłoczyska w wyniku zużycia opasek. Tłoczysko jest elementem, który powoduje, że tłok przesuwa się przez komorę cylindra bez uszkadzania ścianki cylindra. Z biegiem czasu opaski te ulegają zużyciu. Monitorując opadanie tłoczyska, można określić, kiedy należy wymienić opaskę, zanim dojdzie do uszkodzenia. Monitorowanie spadku tłoczyska przyczynia się do strategii konserwacji opartej na stanie (CBM) lub konserwacji predykcyjnej.
Pomiary spadku pręta
Monitorowanie opadania tłoczyska stosuje się w maszynach tłokowych, które wykorzystują pierścienie prowadzące do podtrzymywania tłoka wewnątrz cylindra. Celem monitorowania opadania tłoczyska jest określenie stopnia zużycia pierścieni prowadzących. Zużycie tych pierścieni może prowadzić do kontaktu (tarcia) między tłokiem a ścianką cylindra, co z kolei powoduje uszkodzenia. Monitorowanie zużycia opasek prowadzących pozwala operatorom efektywnie zaplanować wymianę tych opasek podczas już zaplanowanego przeglądu lub przestoju. Ponadto wczesne wykrycie zużycia opasek prowadzących daje operatorowi czas na wyłączenie maszyny, zanim dojdzie do nadmiernych uszkodzeń i (niebezpiecznych) awarii maszyny.
W celu wykrycia zużycia opasek należy monitorować położenie tłoka (względem punktu odniesienia). Jednak pomiar rzeczywistego spadku tłoka jest bardzo trudny ze względu na wysokie ciśnienie w komorze ciśnieniowej. Zamiast pomiaru rzeczywistego spadku tłoka, mierzony jest spadek tłoczyska, który jest znacznie bardziej dostępny. Monitorowanie spadku tłoczyska dostarcza informacji o stanie pasów napędowych poprzez monitorowanie zmian położenia tłoczyska.
Metody
Ogólnie rzecz biorąc, wyróżnia się dwie podstawowe metody monitorowania spadku prętów:
Pomiary sondą zbliżeniową
W przypadku pomiarów sondą zbliżeniową sonda jest montowana pionowo nad lub pod tłoczyskiem. Sonda zbliżeniowa działa w oparciu o technologię eddy current, która mierzy odległość między czujnikiem a metalowym obiektem. W przypadku pomiaru opadania tłoczyska sonda mierzy odległość między czujnikiem a tłoczyskiem. Gdy tłoczysko porusza się względem czujnika, wykrywana jest zmiana odległości (położenia tłoczyska). Pomiary te umożliwiają określenie położenia tłoczyska, po czym pomiary są wykorzystywane do wyznaczania trendów. Trend ten jest następnie wykorzystywany do przewidywania, kiedy opaski są bliskie zużycia i wymagają wymiany.
Pomiary mechaniczne
Zasadniczo wyróżnia się dwie mechaniczne metody monitorowania spadku pręta. Pierwsza metoda wykorzystuje blok materiału ściernego z przestrzenią wewnątrz zawierającą azot. Blok ten jest umieszczany bezpośrednio pod tłoczyskiem. Gdy tłoczysko opada w wyniku zużycia opaski, blok zużywa się do punktu, w którym azot wydostaje się na zewnątrz. Ten wyciek azotu spowoduje spadek ciśnienia zasilania, prowadząc do alarmu lub wyłączenia maszyny.
Druga mechaniczna metoda monitorowania opadania tłoczyska obejmuje rodzaj rolki montowanej pod tłoczyskiem. Po zużyciu opaski, tłoczysko stopniowo opada do punktu, w którym dotyka rolki. Po zetknięciu się tłoczyska z rolką, rolka zacznie się obracać, co oznacza, podobnie jak w przypadku drugiej metody mechanicznej, ucieczkę azotu. Podobnie, ten wyciek azotu spowoduje spadek ciśnienia, prowadząc do alarmu lub wyłączenia maszyny.
Największą wadą mechanicznych systemów opuszczania drążka jest brak możliwości dokonywania pomiarów i wykorzystywania tych pomiarów do wyznaczania trendów. Jedyną rzeczą, jaką zapewniają te mechaniczne systemy, jest alarm, który jest uruchamiany, gdy opaski są zużyte. Nie ma wskazania, w jakim stopniu opaska jest zużyta. Czujnik zbliżeniowy mierzy rzeczywisty spadek tłoczyska, a tym samym stopień zużycia opaski. Korzystając z pomiarów czujnika zbliżeniowego, można zbudować trend, co pozwala na lepsze planowanie konserwacji (CBM).
Założenia
Istnieją pewne założenia, które muszą być spełnione w celu uzyskania wiarygodnego pomiaru spadku tłoczyska. Podstawowym założeniem monitorowania spadku tłoczyska jest to, że tłok opiera się na dnie cylindra z powodu siły grawitacji. Można zatem założyć, że zmiana położenia tłoczyska jest proporcjonalna do zmiany położenia tłoka, ze względu na zużycie opaski. Należy również założyć, że jedyną rzeczą, która zmienia położenie tłoczyska, jest efekt zużytej opaski.
Założenie, że zmiana położenia tłoczyska jest proporcjonalna do zmiany położenia tłoka, wynika z zasady trójkątów podobnych. Zasada ta została schematycznie przedstawiona na poniższym rysunku.
Gdy sonda zbliżeniowa jest używana do monitorowania spadku tłoczyska, pomiar można skorygować za pomocą określonego współczynnika korekcji. Ten współczynnik korekcji opiera się na stosunku wynikającym z różnicy między zmierzonym spadkiem tłoczyska (B1) a rzeczywistym spadkiem tłoka (B2). Zastosowanie tego współczynnika korekcji do pomiaru spadku tłoczyska pokaże rzeczywiste zużycie opaski. Zastosowanie takiego współczynnika korekcji może jednak powodować problemy. W przypadku wystąpienia błędu pomiarowego, nieprawidłowa wartość pomiarowa zostanie skorygowana za pomocą współczynnika korekcyjnego, co spowoduje błędny obraz rzeczywistego zużycia opaski. Dlatego bardzo ważne jest, aby dokonywać wiarygodnych pomiarów. Omówiono kolejno szereg czynników wpływających na wiarygodność pomiarów spadku pręta.
Instalacja i zastosowanie; punkty uwagi
Instalacja czujnika ma kluczowe znaczenie dla wiarygodnego pomiaru. Wymieniliśmy 5 najważniejszych punktów:
Bardzo ważne jest, aby czujnik był zamontowany jak najbliżej siłownika. Dotyczy to zarówno czujników zbliżeniowych, jak i mechanicznych. Minimalizuje to efekt występujący podczas stosowania wspomnianego współczynnika korekcji do błędu pomiaru. Im bliżej tłoka zamontowany jest czujnik, tym mniejszy wpływ będą miały błędy pomiarowe.
W przypadku większych tłoków rozszerzalność cieplna w okresie między zimnym wyłączeniem a aktywnym procesem może się znacznie różnić. Dlatego zaleca się ustawienie cylindra nisko na trawersie, aby zapewnić miejsce na rozszerzalność cieplną. Gdy tylko tłok rozszerzy się promieniowo z powodu ciepła, tłoczysko zostanie podniesione względem czujnika opadania tłoczyska. Należy to wziąć pod uwagę podczas instalacji i określania położenia systemu opuszczania tłoczyska.
Założenie, że tłok opiera się na dnie cylindra z powodu grawitacji nie jest realistycznym założeniem dla tłoków o małej średnicy. W przypadku tłoków o małej średnicy (mniejszej niż 150 mm) duża część tłoczyska znajduje się w obudowie cylindra. Nieprawidłowe ustawienie lub wpływ na obudowę cylindra może prowadzić do pływającego tłoka. Siły promieniowe nie obniżają tłoka, ale kombinacja sił popycha tłok w górę lub w bok. W takim przypadku można umieścić dwie sondy zbliżeniowe, z których jedna mierzy poziomo, a druga pionowo (sondy X-Y).
Długość tłoczyska może również wpływać na pomiar. Im dłuższe tłoczysko, tym większe prawdopodobieństwo, że będzie ono w pewnym stopniu elastyczne. Dotyczy to zwłaszcza tłoków o dużej średnicy. Elastyczność tłoczyska może mieć wpływ na pomiar spadku tłoczyska. Aby zmniejszyć wpływ elastyczności tłoczyska na pomiar spadku tłoczyska, sygnał sondy zbliżeniowej może być mierzony w stałym punkcie podczas obrotu wału korbowego. Jest to znane jako wyzwalanie fazowe; ustawiana jest referencja fazowa, na podstawie której wyzwalany jest pomiar.
Ważne jest, aby sonda była zamontowana w taki sposób, aby nie była narażona na rozszerzalność cieplną lub wibracje. Jeśli sonda porusza się względem tłoczyska, pomiar staje się niewiarygodny. Ponadto w przypadku tłoków o dużej średnicy ważne jest umieszczenie sondy o większym zakresie. W przypadku rozszerzalności cieplnej tłoczysko nie przesunie się poza zakres sondy zbliżeniowej.
Moduł wyzwalanego upuszczania pręta - RecipSys 200
Dwukanałowy moduł wyzwalanej opadania tłoczyska (RecipSys 200) został opracowany przez firmę Istec International i nadaje się do monitorowania stanu pierścieni tłokowych w maszynach tłokowych. Termin „wyzwalany” oznacza, że pomiar opadania tłoczyska odbywa się w stałym punkcie podczas obrotu wału korbowego. W rezultacie z czasem można wyodrębnić wiarygodną tendencję. Wiele istniejących systemów pomiaru opadania tłoczyska stanowi część większego systemu, który jest przeznaczony do dużych zastosowań, a zatem wymaga kosztownych inwestycji. Z kolei RecipSys 200 jest bardzo ekonomiczny i dzięki temu nadaje się do zastosowań małych, średnich i dużych.
