Riešenie SETPOINT® zabezpečilo požadovanú funkčnosť za jeden mesiac, čo odráža schopnosť tohto systému rýchlo sa prispôsobiť potrebám zákazníka prostredníctvom zmien firmvéru namiesto hardvéru. V nasledujúcej časti sú uvedené dve aplikácie, ktoré ukazujú, ako bol systém prispôsobený na zisťovanie konkrétnych režimov porúch a ako sa osvedčil v prevádzke.

Hi-tech rafinéria

Americká rafinéria z tejto prípadovej štúdie spracúva takmer 250 000 barelov ropy za deň na výrobu paliva pre dopravné prostriedky a ropné mazivá.

Pretože palivo pre dopravné prostriedky je v rafinérii hlavným produktom a iba 40 % ropy možno „pretaviť“ do tohto produktu, používa sa v rafinérii na maximalizáciu výroby fluidné katalytické krakovanie (fluid catalytic cracking – FCC) a hydrokrakovanie. Výroba pokračuje cez jednotku odasfaltovania pomocou rozpúšťadiel (solvent deasphalting unit – SDA), kde sa ťažké zvyšky z vákuovej destilačnej kolóny môžu znova spracovať a použiť na výrobu odasfaltovaného oleja, ktorý sa neskôr hydrogenuje a použije ako surovina v FCC. Použitím technológie čistého paliva a jedinečného procesu katalytického zbavenia parafínov majú ropné produkty vyrábané v závode najvyššie štandardy kvality.

Čerpadlá náchylné na zlyhanie

V tejto aplikácii sú predmetom skúmania podporné čerpadlá, ktoré prečerpávajú extrakčné rozpúšťadlo pod vysokým tlakom do zmiešavača/asfalténového separátora v jednotke SDA. K dispozícii sú tri čerpadlá API 610 BB2, z ktorých dve musia byť v prevádzke vždy. Čerpadlá mali za posledné roky poruchy ložísk a tesnení.

Ak sa naruší tesnenie, začnú unikať prchavé uhľovodíky, ktoré sa môžu pri vystrekovaní cez horúci tesniaci povrch ložiska vznietiť, čo vedie k požiaru. V minulosti k tomu došlo niekoľkokrát. Predchádzajúce pokusy o monitorovanie čerpadiel zlyhali, takže nakoniec sa na ich monitorovanie vybralo riešenie SETPOINT® – ochranná jednotka stroja.

Jedinečná stratégia monitorovania

Všetky kontroly čerpadiel sa doteraz uskutočňovali každý týždeň iba pomocou ručného prístroja na meranie vibrácií. To sa považovalo za postačujúce, pretože za normálnych okolností prešlo od zistenia poruchy ložiska po zlyhanie približne šesť mesiacov. Keďže niektoré poruchy sa objavili skôr ako v rozpätí šesť mesiacov, bolo nevyhnutné nainštalovať bezdrôtový systém s 30-minútovým monitorovacím intervalom a naďalej používať prenosný počítač na diagnostiku. Bezdrôtový systém, ktorý slúžil len na monitorovanie stavu, fungoval dobre na zisťovanie typických porúch ložísk, ale nebol účinný na detekciu rýchlo sa rozvíjajúcich porúch, ktoré sa v tom čase vyskytli. Ložiská v čerpadlách zlyhávali bez varovania, čo často viedlo k požiaru. Prenosné zariadenie na meranie vibrácií využívalo špeciálnu meraciu techniku, ktorá dokázala odhaliť poruchy, ktoré sa stanú o šesť hodín, čo je v prípade tohto prístroja nepraktické.

Aby bolo možné rozlíšiť medzi normálnou poruchou ložiska (šesťmesačná doba rozvoja poruchy) a poruchou so zrýchleným vývojom (šesť hodín), rozhodli sa implementovať snímač teploty, ale pri tejto monitorovacej konfigurácii stále neexistovala ochrana stroja. Preto bolo potrebné ochranné monitorovacie riešenie, ktoré dokáže spoľahlivo zistiť a rozlíšiť rýchle a pomaly sa vyvíjajúce poruchy ložiska a včas vypnúť čerpadlo, ako sa opisuje v aplikácii 1.

Monitorovací systém SETPOINT® pre tlakové čerpadlá rozpúšťadiel v súčasnosti využíva schopnosť prenosného zariadenia na včasnú detekciu poruchy ložísk, ako aj stratégiu vypínania postavenú na princípe logiky hlasovania pre vibrácie a teplotu ložísk. Snímač pozostáva z dvoch snímačov zrýchlenia, ktoré sú radiálne namontované na poháňaných a nepoháňaných telesách ložiska (obr. 1). Na nepoháňanom konci (axiálne ložisko) je cez ložiskové puzdro namontovaný snímač posunu, ktorý axiálne monitoruje posun hriadeľa. Táto nezvyčajná konfigurácia je založená na predpoklade, že keď je axiálne ložisko v pokročilom štádiu poruchy alebo sa „posúva“ pozdĺž hriadeľa, bude s touto degradáciou súvisieť axiálny pohyb, ktorý môže byť detegovaný snímačom. To je opísané v prípadovej štúdii 2. V takom prípade je potrebné rýchle odstavenie nielen z dôvodu pokročilého rozvoja poruchy ložiska alebo hriadeľa, ale tiež preto, že ten istý axiálny pohyb môže spôsobiť priesaky cez tesnenia, ktoré sa môžu zapáliť a zapríčiniť katastrofický požiar.

Aplikácia 1: Porucha mazania čerpadla

Po niekoľkých poruchách ložísk čerpadiel vrátane tých, ktoré viedli k požiaru, sa zistilo, že tento stav bol spôsobený zlyhaním mazania. Pretože od odhalenia poruchy do jej prejavenia prejde v prípade typického ložiska šesť mesiacov, nedostatočné, resp. úplne chýbajúce mazanie túto degradáciu urýchlilo iba na šesť hodín. Hlavná príčina však nebola známa. Následné vyšetrovanie odhalilo, že strata mazania bola spôsobená zlyhaním systému mazania olejovej hmly. Ako je znázornené na obr. 2, ložiská sú mazané olejovým krúžkom. Olejová hmla sa vstrekuje do ložiskového puzdra pod tlakom o niečo väčším, ako je okolitý tlak, aby pôsobila ako preplachovanie, takže sa zabráni vnikaniu nečistôt do krytu.

Olejová hmla v tomto prípade nestačí na mazanie samotných ložísk. V dôsledku chyby pri inštalácii sa počas predchádzajúceho servisného zásahu namontovalo na ložiskové puzdro nesprávne zariadenie na odlučovanie aerosólov z oleja, čím sa abnormálne zvýšil tlak olejovej hmly. Tá tlačila hladinu oleja v telese pod olejový mazací krúžok, takže sa získavali nesprávne údaje o konštantnej hladine mazadla viditeľného cez kontrolný priezor. Pretože medzi olejovým krúžkom a olejom nebol žiadny kontakt, malo to za následok stratu mazania ložiska. Po určení základnej príčiny problému bol nainštalovaný správny odlučovač aerosólov a strata mazania bola odstránená. V nadväznosti na to sa vybral ochranný systém SETPOINT®, ktorý nahradil pôvodný systém na monitorovanie stavu. Aby bolo toto nové riešenie efektívne, zapracovala sa do neho technika včasnej detekcie poruchy ložiska, ktorú používa ručné zariadenie, čo umožnilo spojité monitorovanie stavu ložiska. Táto technika monitorovania, ktorá predtým v online systéme nebola k dispozícii, bola spojená s monitorovaním teploty ložiska prostredníctvom hlasovacej logiky. To umožňuje systému SETPOINT® rýchlo vypnúť čerpadlo, kým príde k poškodeniu alebo vypuknutiu požiaru.

Aplikácia 2: Axiálny posun ložiska čerpadla

Počas predchádzajúcej väčšej renovácie jedného z pomocných čerpadiel rozpúšťadla bol poškodený hriadeľ nahradený novým, ktorý bol namiesto opravy nanovo obrobený. Nanešťastie však nebol úplne dokonalý; vonkajší priemer oporného čela hriadeľa pre ložisko bol poddimenzovaný. Po niekoľkých mesiacoch prevádzky novo nainštalovaný ochranný systém vygeneroval alarm axiálnych vibrácií čerpadla. Najprv sa predpokladalo, že to bol falošný poplach, ale po demontáži a kontrole čerpadla sa rýchlo zistilo, že osadenie hriadeľa, na ktoré dosadá radiálne/axiálne ložisko, bolo poškodené (obr. 3).

Neskôr sa zistilo, že je to spôsobené tlakovým zaťažením v čerpadle, ktoré tlačí ložisko na menšie oporné čelo a deformuje ho, čo na druhej strane umožnilo ložisku axiálne sa pohybovať pozdĺž hriadeľa. V tomto prípade alarm nebol výsledkom straty mazania alebo chybného ložiska, ale deformovaného oporného čela ložiska na hriadeli. Ak sa hriadeľ čerpadla pohybuje v axiálnom smere, môže to už pri minimálnom posune zbytočne namáhať mechanické tesnenia a viesť k netesnosti. Priesaky tohto čerpadla sa môžu potenciálne vznietiť a spôsobiť požiar. Počas odstávky bol nainštalovaný hriadeľ so správnymi rozmermi a problém axiálneho pohybu alebo „plazenia“ ložiska zmizol.

Výhody včasnej detekcie

Tlakovacie podporné čerpadlá rozpúšťadiel predstavovali dve osobitné výzvy v oblasti monitorovania, ktoré staršie systémy na monitorovanie stavu nedokázali vyriešiť. Pre tieto a mnohé ďalšie rafinérske čerpadlá je veľmi dôležitá včasná detekcia poruchy ložiska, pretože radiálne alebo axiálne posuny chybného ložiska môžu spôsobiť predčasné netesnosti, ktoré nemožno tolerovať z dôvodu rizika požiaru. V aplikácii 1 bol systém SETPOINT® vybraný ako ochranné riešenie čiastočne pre jeho schopnosť rýchlo sa prispôsobiť špeciálnym požiadavkám aplikácie iba pomocou zmien firmvéru. V aplikácii 2 sa tento systém ukázal ako úspešný pri predchádzaní netesnostiam spôsobeným neočakávaným axiálnym pohybom hriadeľa. Riešením je snímač posunu, ktorý nebol súčasťou v predchádzajúcom systéme.

Návratnosť investície do nového systém bola už po prvom roku inštalácie. Nakoľko rafinéria boka s výsledkami a prínosom nového systému spokojná, v súčasnosti plánuje monitorovanie ďalších čerpadiel pomocou uvedeného riešenia. Cieľ je jasný – zvýšiť spoľahlivosť technických prostriedkov, znížiť náklady na údržbu, predĺžiť životnosť čerpadla a čas jeho bezporuchovej prevádzky a zmierniť riziko nákladných požiarov.

Zdroj: Early fault detection of unique pump bearing faults at a major US refinery. Application Note, 2020. Brüel & Kjar Vibro GmbH. [online]. Dostupné online.