Per monitorare le condizioni dei macchinari alternativi, noti anche come compressori a pistone, sono stati applicati a lungo i metodi tradizionali di misurazione delle vibrazioni. Tuttavia, è diventato chiaro che tali misurazioni non sono affidabili per monitorare le condizioni di tali macchinari. Pertanto, sono state sviluppate tecniche specificamente adatte al monitoraggio dei macchinari alternativi. Una di queste tecniche è il monitoraggio della caduta dello stelo del pistone, in cui viene monitorata la caduta dello stelo del pistone causata dall’usura delle fasce di scorrimento. Una fascia di scorrimento è il componente che consente al pistone di scorrere all’interno della camera del cilindro senza danneggiarne la parete. Con il passare del tempo queste fasce di scorrimento si usurano. Monitorando l’abbassamento dello stelo del pistone, è possibile determinare quando la fascia di scorrimento deve essere sostituita prima che si verifichino danni. Il monitoraggio dell’abbassamento dello stelo contribuisce a una strategia di manutenzione basata sulle condizioni (CBM), o manutenzione predittiva.
Misurazioni con asta a caduta
Il monitoraggio della caduta delle bielle viene applicato alle macchine alternative che utilizzano fasce di supporto per sostenere il pistone all’interno del cilindro. Lo scopo del monitoraggio della caduta delle bielle è determinare l’usura delle fasce di supporto. L’usura di queste fasce di scorrimento può causare un contatto (attrito) tra il pistone e la parete del cilindro, con conseguenti danni. Il monitoraggio dell’usura delle fasce di scorrimento consente agli operatori di programmare in modo efficiente la loro sostituzione durante un periodo di fermo o di manutenzione già pianificato. Inoltre, l’individuazione tempestiva dell’usura delle fasce di scorrimento offre all’operatore il tempo necessario per arrestare la macchina prima che si verifichino danni eccessivi e guasti (pericolosi) alla macchina stessa.
Per rilevare l’usura delle fasce di tenuta è necessario monitorare la posizione (rispetto al punto di riferimento) del pistone. Tuttavia, misurare l’effettivo abbassamento del pistone è molto difficile a causa dell’elevata pressione nella camera di pressione. Anziché misurare l’effettivo abbassamento del pistone, viene misurato l’abbassamento dello stelo del pistone, il che risulta molto più accessibile. Il monitoraggio della caduta dello stelo fornisce informazioni sulle condizioni delle fasce di scorrimento monitorando le variazioni nella posizione dello stelo del pistone.
Metodi
In generale, si distinguono due metodi principali per il monitoraggio della caduta dell’asta:
Misure con sonda di prossimità
Nelle misurazioni con sonda di prossimità, la sonda è montata verticalmente sopra o sotto lo stelo del pistone. Una sonda di prossimità funziona utilizzando la tecnologia a corr eddy current , che misura la distanza tra il sensore e un oggetto metallico. Nel caso di una misurazione della caduta dello stelo, viene misurata la distanza tra il sensore e lo stelo del pistone. Quando lo stelo del pistone si sposta rispetto al sensore, viene rilevata la variazione di distanza (posizione dello stelo del pistone). Queste misurazioni consentono di determinare la posizione dello stelo del pistone; successivamente, i dati vengono utilizzati per l’analisi delle tendenze. Tale andamento viene poi impiegato per prevedere quando le fasce di tenuta sono prossime all’usura e devono essere sostituite.
Misure meccaniche
In generale, si distinguono due metodi meccanici per il monitoraggio della caduta dello stelo. Il primo metodo utilizza un blocco di materiale abrasivo con uno spazio interno che contiene azoto. Questo blocco viene posizionato direttamente sotto lo stelo del pistone. Quando lo stelo del pistone scende a causa dell’usura della fascia di scorrimento, il blocco si consuma fino al punto in cui l’azoto fuoriesce. Questa perdita di azoto causerà una diminuzione della pressione di alimentazione, provocando un allarme o l’arresto della macchina.
Il secondo metodo meccanico per il monitoraggio dell’abbassamento dello stelo prevede un tipo di rullo montato sotto lo stelo del pistone. Quando la fascia di tenuta si usura, lo stelo del pistone si abbassa gradualmente fino a toccare il rullo. Al contatto tra lo stelo del pistone e il rullo, quest’ultimo inizia a ruotare, il che significa che, come nell’altro metodo meccanico, l’azoto fuoriesce. Analogamente, questa perdita di azoto causerà una diminuzione della pressione di alimentazione, provocando un allarme o l’arresto della macchina.
Il principale svantaggio dei sistemi meccanici di rilevamento della caduta dello stelo è l’impossibilità di effettuare misurazioni e di utilizzare tali misurazioni per l’analisi delle tendenze. L’unica funzione offerta da questi sistemi meccanici è un allarme che si attiva quando le fasce di sicurezza sono usurate. Non vi è alcuna indicazione del grado di usura della fascia di scorrimento. Un sensore di prossimità misura l’effettiva caduta dello stelo del pistone e, di conseguenza, il grado di usura della fascia di scorrimento. Utilizzando le misurazioni del sensore di prossimità è possibile tracciare un andamento, consentendo una migliore pianificazione della manutenzione (CBM).
Ipotesi
Esistono alcuni presupposti che devono essere soddisfatti per ottenere una misurazione affidabile della caduta dello stelo. Il presupposto di base per il monitoraggio della caduta dello stelo è che il pistone poggi sul fondo del cilindro per effetto della forza di gravità. Si può quindi supporre che una variazione della posizione dello stelo del pistone sia proporzionale alla variazione della posizione del pistone, dovuta all’usura della fascia di scorrimento. Si deve inoltre supporre che l’unico fattore che modifichi la posizione dello stelo del pistone sia l’effetto della fascia di scorrimento usurata.
L’ipotesi che la variazione della posizione dello stelo del pistone sia proporzionale alla variazione della posizione del pistone deriva dal principio dei triangoli simili. Questo principio è illustrato schematicamente nella figura sottostante.
Quando si utilizza una sonda di prossimità per il monitoraggio della corsa dello stelo, la misurazione può essere corretta applicando un determinato fattore di correzione. Questo fattore di correzione si basa sul rapporto derivante dalla differenza tra la corsa misurata dello stelo del pistone (B1) e la corsa effettiva del pistone (B2). Applicando questo fattore di correzione alla misurazione della corsa dello stelo, risulterà l’effettiva usura della fascia di guida. Tuttavia, l’applicazione di tale fattore di correzione può causare problemi. Quando si verifica un errore di misurazione, questo valore errato verrà corretto con il fattore di correzione, determinando una visione errata dell’effettiva usura della fascia di scorrimento. È quindi molto importante che vengano effettuate misurazioni affidabili. Di seguito vengono discussi una serie di fattori che influenzano l’affidabilità delle misurazioni della corsa dello stelo.
Installazione e applicazione; punti di attenzione
L’installazione del sensore è fondamentale per una misurazione affidabile. Abbiamo elencato i 5 punti più importanti da tenere in considerazione:
È fondamentale che il sensore sia montato il più vicino possibile al cilindro. Ciò vale sia per i sensori di prossimità che per quelli meccanici. In questo modo si riduce al minimo l’effetto che si verifica quando si applica il suddetto fattore di correzione a un errore di misurazione. Più il sensore è montato vicino al pistone, minore sarà l’impatto degli errori di misurazione.
Per i pistoni di grandi dimensioni, la dilatazione termica nel periodo compreso tra l’arresto a freddo e un processo attivo può variare in modo significativo. Si raccomanda pertanto di posizionare il cilindro in basso sulla traversa, in modo da lasciare spazio alla dilatazione termica. Non appena il pistone si dilata radialmente a causa del calore, l’asta del pistone si solleverà rispetto al sensore di abbassamento dell’asta. Di ciò si deve tenere conto durante l’installazione e la determinazione della posizione del sistema di abbassamento dell’asta.
L’ipotesi che il pistone poggi sul fondo del cilindro per effetto della gravità non è realistica per i pistoni di piccolo diametro. Per i pistoni di piccolo diametro (inferiore a 150 mm) gran parte dello stelo del pistone si trova all’interno del corpo del cilindro. Un allineamento improprio o effetti sul corpo del cilindro possono causare il galleggiamento del pistone. Le forze radiali non fanno scendere il pistone, ma una combinazione di forze lo spinge verso l’alto o lateralmente. In tal caso, è possibile scegliere di posizionare due sensori di prossimità, uno che misuri in orizzontale e l’altro in verticale (sensori X-Y).
Anche la lunghezza dello stelo del pistone può influire sulla misurazione. Più lo stelo del pistone è lungo, maggiore è la probabilità che presenti una certa flessibilità. Ciò vale in particolare per i pistoni di grande diametro. La flessibilità dello stelo del pistone può influire sulla misurazione della caduta dello stelo. Per ridurre l’effetto della flessione dello stelo del pistone sulla misurazione della caduta dello stelo, il segnale del sensore di prossimità può essere rilevato in un punto fisso durante la rotazione dell’albero motore. Questo metodo è noto come “trigger di fase”; viene impostato un riferimento di fase in base al quale viene attivata la misurazione.
È importante che la sonda sia montata in modo tale da non essere soggetta a dilatazione termica o vibrazioni. Se la sonda si sposta rispetto allo stelo del pistone, la misurazione risulta inaffidabile. Inoltre, per i pistoni di grande diametro è importante posizionare una sonda con un campo di misura più ampio. In caso di dilatazione termica, lo stelo del pistone non uscirà dal campo di misura della sonda di prossimità.
Modulo di caduta dell’asta azionato – RecipSys 200
Il modulo a due canali Triggered Rod Drop (RecipSys 200) è stato sviluppato da Istec International ed è adatto al monitoraggio delle condizioni delle fasce di tenuta del pistone di una macchina alternativa. Il termine “triggered” indica che la misurazione della caduta della biella avviene in un punto fisso durante la rotazione dell’albero motore. Di conseguenza, è possibile tracciare un andamento affidabile nel tempo. Molti sistemi di misurazione della caduta della biella esistenti fanno parte di un sistema più ampio, adatto ad applicazioni su larga scala, e richiedono quindi un investimento oneroso. Il RecipSys 200, invece, è molto conveniente e quindi applicabile ad applicazioni di piccole, medie e grandi dimensioni.
