Drift og vedlikeholdsteknikk 8256230460 [PDF]

Zitiervorschau

Tom Viggo Nilsen

Drift og vedlikenoldsteknikk

^NKI Fjernundervisningen

©NKI 1995 1. utgave 1. opplag

240495500 “Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven og fotogra­ filoven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel”. Lay-out: Stein Bredal

Omslagsbilde: Et PC-basert system for tilstandsmåling, National Instruments Norge AS Trykk:

Lobo □ Grafisk

ISBN 82-562-3046-0

Forord Drift og vedlikeholdsteknikk er skrevet for å dekke fagplanen på prosesslinjen i teknisk fagskole. Den kan også brukes på andre linjer og i industrien hvor det er naturlig med tilleggskunnskap om enkeltkomponenter, systemer og vedlikeholdsmetoder. Boka er skrevet på en slik måte at den egner seg for selvstudium. For å øke forståelsen anbefales det å legge opp til prosjektarbeid parallelt med at lærestoffet blir gjennomgått. Kapitlene i boka er lagt opp slik at de kan leses uavhengig av hverandre, men de er satt sammen i en naturlig rekkefølge. Til slutt vil vi rette en takk til alle som har bidratt med faglig vurderinger, bilder og skisser til boka. Spesielt vil vi nevne Briiel & Kjær Norge AS for velvillig utlån av bilder. Stor takk til Stein Bredal for skissetegning og lay-out.

Redaksjonen April 1995

Innholdsfortegnelse Innledning..................................................................................................................

7

1

Generell vediikeholdsteknikk........................................................................ 9 1.1 Definisjon av ord og uttrykk................................................................. 9 1.2 Periodisk vedlikehold......................................................................... 12 1.2.1 Statistiske metoder for levetidsberegninger..................... 13 1.2.2 Levetid beregnet ved hjelp av sannsynlighetsberegning. . 17 1.3 Tilstandstyrt vedlikehold..................................................................... 23 1.4 Kriterier for valg av strategi.............................................................. 29 1.5 Sammendrag........................................................................................ 31

2

Skader og feilforplantning ............................................................................. 2.1 Svikt og sviktårsaker............................................................................ 2.2 Generelt om skader.............................................................................. 2.2.1 Slitasje.................................................................................... 2.2.2 Korrosjon................................................................................ 2.2.3 Kavitasjon .............................................................................. 2.2.4 Beleggdannelse................................................................ 2.2.5 Erosjon.................................................................................... 2.2.6 Brudd...................................................................................... 2.2.7 Deformasjon........................................................................... 2.2.8 Nedbrenning ........................................................................... 2.3 Feilforplantning og systemeffektivitet ............................................. 2.3.1 Feilforplantning ..................................................................... 2.3.2 Systemeffektivitet................................................................. 2.4 Sammendrag.........................................................................................

3

Skader, feil og driftsforsty rrelser i enkeltkomponenter.................... 3.1 Turbiner................................................................................................. 3.2 Kompressor........................................................................................... 3.2.1 Stempelkompressoren.......................................................... 3.2.2 Sentrifugalkompressoren...................................................... 3.2.3 Skruekompressoren.............................................................. 3.3 Pumper................................................................................................... 3.3.1 Sentrifugalpumper................................................................. 3.3.2 Stempelpumper.....................................................................

33

33 34 34 37 42 42 43 43 45 46 47 47 52 54 57

57 67 67 70 75 77 78 84

3.4 Varmeveksler......................................................................................... 3.4.1 Dobbeltrørvarmevekseleren .................................................. 3.4.2 Rørvarmeveksleren............................................................... 3.4.3 Platevarmeveksler................................................................. 3.5 Dieselaggregat...................................................................................... 3.6 Gir........................................................................................................ 3.6.1 Sylindriske tannhjul............................................................. 3.6.2 Koniske tannhjul................................................................. 3.7 Separator/væskeutskiller................................................................... 3.7.1 Separasjonstankeller flotasjonstank.................................. 3.7.2 Syklonseparator................................................................... 3.7.3 Scrubber................................................................................ 3.7.4 Filter...................................................................................... 3.8 Ventiler............................................................................................... 3.8.1 Kuleventil.............................................................................. 3.8.2 Spjeldventil.......................................................................... 3.8.3 Sluseventil............................................................................ 3.8.4 Seteventil.............................................................................. 3.9 Sammendrag....................................................................................... 4 Metoder for styrt vedlikehold............................................................... 4.1 Vedlikehold basertpå periodiske rutiner........................................ 4.2 Vedlikehold basert på teknisk tilstand............................................ 4.2.1 Termodynamisktilstandskontroll...................................... 4.2.2 Vibrasjonsanalyse............................................................... 4.2.3 Oljeanalyse............................................................................ 4.3 Sammendrag.......................................................................................

86 86 86 88 93 101 101 102 106 106 107 107 108 110 110 111 111 112 113 115 116 123 123 124 172 177

Innledning Denne boka dekker pensum i faget "Vedlikehold av driftsutstyr" på prosessteknisk linje ved teknisk fagskole. Prosessteknisk linje gir mulighet for utdannelse i mange forskjellige prosessfag, så som olje- og gassprosess, metallurgi, treforedling, næringsmiddelin­ dustri og forskjellige kjemiske prosesser.

I og med at fagområdene er så mange, inneholder boka den generelle delen av vedlikeholdsfaget. Vedlikehold og drift er i praksis sterkt innvevd i hve­ randre. Boka dekker derfor også driftssiden.

Det er ikke ment at denne boka skal dekke alle timene i faget. En stor del av timene i faget "Vedlikehold av driftsutstyr" bør bestå av et prosjekt som er spesifikt for den prosessretning den enkelte skole har lagt vekt på, eller for den prosessretning den enkelte elev har valgt. Når boka er så generell, bør prosjektet være så konkret som mulig og helst tilknytta industrien. Det krever ingen spesielle forkunnskaper for å gå i gang med boka, men det er en fordel med noen kunnskaper innen statistikk tilsvarende det som er pensum i matematikkfaget i teknisk fagskole.

7

Generell vedlikeholdsteknikk 1.1 Definisjon av ord og uttrykk Normalt styres vedlikeholdet etter ett av tre kriterier:

1 Etter driftstid 2 Etter teknisk tilstand (før svikt) 3 Etter at svikt eller en feiltilstand har inntrådt.

Både vedlikeholdssystemet og vedlikeholdsutstyret varierer etter hvilket kri­ terium som velges. Som vist under inngår alle disse tre formene for vedlike­ hold i det som kalles normalt vedlikehold. Normalt vedlikehold:

• Forebyggende vedlikehold: - periodisk vedlikehold - tilstandstyrt vedlikehold • Korrektivt vedlikehold - vedlikehold etter at en feil eller svikt har inntrådt) • Uforutsett vedlikehold - havarier

På neste side er disse vedlikeholdsformene og forholdet mellom dem satt opp i et blokkdiagram.

9

Generell vedlikeholdsteknikk

Blokkdiagram av vedlikeholdsformene

Både periodisk og tilstandstyrt vedlikehold dekkes av fellesbetegnelsen for­ ebyggende vedlikehold (engelsk: preventive maintenance eller bare PM).

Periodisk vedlikehold (engelsk: scheduled maintenance) kalles også for vedlikehold etter driftstid. Vedlikeholdet blir gjort etter et visst antall driftstimer, omdreininger og lignende. Tilstandstyrt vedlikehold (engelsk: condition based maintenance) blir også kalt vedlikehold etter teknisk tilstand. Dette betyr at tidspunktet for vedlike­ hold blir bestemt av den tekniske tilstanden komponenten er i. Komponen­ tens tekniske tilstand blir målt direkte eller beregnet på grunnlag av målinger foretatt med jevne mellomrom.

Korrektivt vedlikehold (engelsk: corrective maintenance) kalles også vedli­ kehold etter svikt. Dette betyr at en komponent går til den stopper, og vedli­ keholdet styrer seg selv. Denne formen for vedlikehold kan selvfølgelig ikke brukes dersom konsekvensene ved svikt er store, men til tross for dette er den i bruk (tenk på bilen din). Man skiller mellom planlagt og ikke planlagt (uforutsett) korrektivt vedlikehold. Denne formen for vedlikehold blir ikke omtalt i denne boka. Mens det korrektive, planlagte vedlikeholdet er en del av det normale vedli­ keholdet, er ikke dette tilfelle for havari, det vil si ikke planlagt korrektivt vedlikehold (uforutsett). Dette er fullstendig uforutsett og heller ikke en del av et normalt vedlikehold. Svært ofte er det ikke snakk om å velge en vedlikeholdsstrategi for så å kutte ut andre former. En bedrift opererer gjeme med alle tre formene, men det er viktig å finne den rette balansen mellom dem.

Dersom en leser litteratur om emnet drift og vedlikehold, dukker også andre ord og uttrykk opp. Disse er:

• • • •

driftskontroll overvåking inspeksjon tilstandskontroll

Tilstandskontrollen er det av disse uttrykkene som brukes i vedlikeholdssammenheng. Det innebærer innhenting av informasjon om den tekniske tilstan­ den til en komponent, og bruken av denne til å ta beslutninger om vedlike­ hold eller justeringer av et maskineri.

10

Definisjon av ord og uttrykk

Tilstandskontrollen har fire hovedformål:

• redusere stopptider ved ikke planlagte havarier. Det vil si vedlikeholdet kan planlegges til et mer beleilig tidspunkt som gir bedre ressursutnyttelse av vedlikeholdspersonellet og høyere regularitet for produksjonen. Reservedelsbehovet vil også bli redusert. • forebygge primærskade på maskineri. Dette betyr å fjerne eller redusere årsaker til unødig skadeutvikling. Som regel innebærer det justeringer av maskineri for å gjøre driftsforholdene optimale. • unngå energitap, unngå redusert virkningsgrad. • tilstandstyrt vedlikehold. Dette går ut på å følge med i årsakene til skadeutviklingen og virkningen av denne. Driftskontroll, overvåkning og inspeksjon ligger mer innenfor drift enn vedli­ kehold, men etter det som er sagt over, er det klart at det ikke er klare skillelinjer mellom hva som er vedlikehold og hva som er drift. Både overvåkning, inspeksjon og tilstandskontroll inngår i driftskontrollen, som dermed er en slags overbygning for alle de andre. Driftskontrollen skjer gjeme i fire trinn:

1 Observere: Innhente informasjon om maskineriet, manuelt eller automatisk. 2 Analysere: De måleverdiene som er innhentet, må sammenlignes med noe for å kunne si noe meningsfylt om maskineriets tilstand. Det må finnes en referanseverdi å sammenligne med. 3 Beslutte: Konsekvensene av analysen må føre til en avgjørelse om hva som eventuelt må gjøres. 4 Utføre: Tidspunktet for justering og vedlikehold fastsettes, og jobben gjøres.

Med overvåkning menes her innhenting av informasjon om maskineriets til­ stand og funksjon under drift. Overvåkningen omfatter også alarm- og sikringsutstyr. Tilstandskontrollen er en del av overvåkningen av et anlegg. Forskjellen mellom overvåkning og tilstandskontroll er i ferd med å viskes ut. Med inspeksjon menes innhenting av informasjon når maskineriet står. Den­ ne har tre formål:

• kontrollere sikkerhetstiltak • kartlegge behov for vedlikehold • kontrollere utført vedlikeholdsarbeid I teksten foran er det brukt ord som skade, feil og svikt. Figur 1.1 viser hva som menes med disse uttrykkene og forskjellen mellom dem.

Figur 1.1 Definisjon av uttrykkene skade, feil og svikt 11

Generell vedlikeholdsteknikk

• skade: Uønsket resultat av en påvirkning under bruk. Den nedbrytende påvirkningen kan være et resultat av en mekanisk, kjemisk eller termisk påvirkning. En skadeutvikling starter når maskineriet settes i drift. • feil: Avvik fra et spesifisert minimumskrav til tilstanden eller funksjonsev­ nen til en komponent eller et system. • svikt: Svikt inntreffer når en komponent eller et system ikke lenger kan utføre sin funksjon. Svikt er resultatet av en feil som har nådd en kritisk grense. Grenseverdien som feilen blir sammenlignet med, blir satt enten av leveran­ døren til maskineriet eller av driftsorganisasjonen i en bedrift.

1.2 Periodisk vedlikehold Den praktiske metodikken for de forskjellige strategiene innen vedlikehold­ steknikk er omtalt i kapittel 4. Her skal vi bare kort se på det teoretiske grunnlaget for de forskjellige vedlikeholdsstrategiene.

Ved bruk av periodisk vedlikehold, som er en del av det forebyggende vedli­ keholdet, er det helt avgjørende at en driftsorganisasjon greier å bestemme en komponents eller et maskineris levetid. Avhengig av hva slags komponent det er, kan levetiden settes til det tidspunktet når feil eller svikt inntreffer. Det er mest vanlig å si at levetiden varer fra oppstart til svikt inntreffer. Levetiden bestemmes i stor grad av erfaring og testing i laboratorier. Som et hjelpemiddel i denne prosessen brukes også en del matematiske metoder, som vi skal ta med noen av her.

Når en skal bruke matematiske metoder for å bestemme levetiden, må en ta i betraktning at muligheten for svikt på et vilkårlig tidspunkt ikke er konstant over tid. Det vil si at sannsynligheten for at en komponent svikter på et gitt tidspunkt, varierer hele tiden. Dette uttrykkes i variasjon i sviktintensiteten. Denne blir gjeme framstilt grafisk i det som kalles badekarskurven. Navnet har den fått fra sin karakteristiske form, det vil si at den vanlige formen ser ut som et badekar. Figur 1.2 viser dette. a Svikt-

intensitet

Figur 1.2 Variasjon av sviktintensiteten over tid Sviktintensiteten angis i antall svikt per tidsenhet (antall svikt/time eller an­ tall svikt/år).

12

Periodisk vedlikehold

Statistisk er sviktintensiteten høy like etter oppstart av maskineriet. Dette kan forklares med uoppdagede feil, feilmontering og lignende. Etter innkjøringsperioden følger en lang bruksperiode med lav sviktintensitet, for så til sist å ende i det som kalles utslitningsperioden. For de fleste mekaniske kompo­ nenter vil sviktintensiteten også vokse noe i bruksperioden. En sier ofte at når en komponent svikter, så er den i feiltilstand, det vil si at den ikke er funksjonsdyktig lenger. Svikt er med andre ord en hendelse som kan tidfestes. De fleste komponenter kan svikte på mange forskjellige måter. De ulike måtene kalles komponentens svikttyper eller feiltyper.

En ventil kan for eksempel ha følgende feiltyper: • • • •

ventilen kan ikke lukkes ventilen kan ikke åpnes ventilen åpner utilsiktet ventilen lukker utilsiktet

En analyse av komponentens feiltyper er viktig, men i det etterfølgende skilles det ikke mellom forskjellige feiltyper.

For å kunne bestemme levetiden matematisk, kan man gå fram på to måter: 1 Bruke statistikk for å finne gjennomsnittlig levetid 2 Bruke sannsynlighetsberegning for å finne den mest sannsynlige levetiden. Begge metodene er i stor grad basert på erfaring fra like komponenter, likt maskineri eller laboratorietester.

1.2.1 Statistiske metoder for levetidsberegninger En fornuftig styring av vedlikeholdet må innrette seg etter det egentlige behovet så godt det lar seg gjøre. Dersom levetiden til en komponent define­ res som den tiden det tar til den må skiftes ut eller repareres, så er det klart at vedlikeholdet må bestemmes etter hvordan levetiden for komponenten forde­ ler seg statistisk. Vi må her bruke noen begreper fra statistikken for å illustre­ re noen viktige sammenhenger som grunnlag for valg av vedlikeholdsstrategier.

Skadeutviklingen, og dermed levetiden for maskinkomponenter, er i prinsip­ pet bestemt av forholdet mellom belastning og styrke. Belastningen eller påkjenningen kan være av mekanisk, termisk eller kjemisk art. Skaden kan komme i form av slitasje, korrosjon, deformasjon, brudd og så videre.

I første omgang sier vi at belastningen er konstant over tid. Styrken eller levetiden til like komponenter vil variere noe fra komponent til komponent, selv om de er utsatt for de samme påkjenningene. Grunnen til dette ligger i variasjon i materialkvaliteten, framstillingsteknologien, montasje og menne­ skelige feil. I statistikken sier en at komponentene har en midlere levetid. På grunn av de forholdene som er nevnt over, vil ikke alle ha lik levetid, men den vil ha en viss spredning rundt middelverdien. I statistisk sammenheng er det forutsatt at det er et stort antall like komponenter som er utsatt for lik belastning, for eksempel rullelager. Figur 1.3 viser hvordan dette kan presen­ teres grafisk. For begge kurvene er midlere levetid den samme, men spred­ ningen er forskjellig. I kurve 1 er spredningen stor, mens den er atskillig mindre i kurve 2. Arealet under kurvene representerer antall komponenter, og er like stort for begge kurvene. Det er selvfølgelig ønskelig med en kurve som kurve 2 på grunn av minst spredning i levetiden.

13

Generell vedlikeholdsteknikk

Figur 1.3 Spredning av levetiden

For å kunne regne på arealet, må denne kurven være matematisk definert. Den kurven som brukes i praksis, er normalfordelingen. Denne er symmet­ risk om middelverdien, noe som betyr at halvparten av komponentene har en levetid lengre enn den midlere levetiden, og halvparten kortere. Foruten å regne ut midlere levetid er det nødvendig å regne ut spredningen av denne rundt middelverdien. Spredningen uttrykkes ved hjelp av standardavviket (5). Dette er matematisk fastlagt slik at innenfor ±5 på begge sider av middel­ verdien vil vi finne 67% av alle komponentene. Innenfor ±2s vil vi finne 93%, og innenfor ±3s 99% av alle komponentene. Se figur 1.4.

Figur 1.4 Normalfordelingen

Dersom normalfordelingskurven kan brukes, finnes det greie formler for å regne ut middelverdien og standardavviket slik at det er mulig å beregne et vedlikeholdstidspunkt. Mer om det litt seinere. Dersom vi går tilbake til forholdet mellom levetid og belastning, så vil vi se at belastningen heller ikke er konstant, selv om det er ønskelig. Det er så mange faktorer som bidrar til belastningen, at vi i praksis er nødt til å få en spredning på denne også. For eksempel vil kulelagre som er montert i like turboladere, bli utsatt for forskjellige belastninger selv om driftsforholdene i utgangspunktet er like.

Den midlere styrken til komponentene må være større enn den midlere be­ lastningen. Helst skal situasjonen være slik som på figur 1.5. Der styrken til alle komponentene er større enn alle belastningene. 14

Periodisk vedlikehold

Figur 1.5 Ønsket sammenheng mellom belastning og styrke Etter som tiden går og en skade, for eksempel slitasje, utvikler seg, vil styr­ ken avta og kurven flyttes mot venstre, det vil si at spredningen på skaden blir større og at kurven blir lavere. Dette er vist i figur 1.6. Når kurven for styrken har forskjøvet seg så mye til venstre at den skjærer kurven for belast­ ningen, vil belastningen på noen komponenter bli større enn styrken, og komponenten vil ryke.

Figur 1.6 Situasjonen etter en tid når styrken har avtatt

Belastningen kan selvfølgelig også endres. Dersom belastningen øker, vil denne kurven forskyve seg mot høyre, og resultatet vil bli det samme som beskrevet over. Generelt sett er det slik at jo større belastningen er i forhold til styrken eller motstandsevnen, jo raskere skjer skadeutviklingen. Levetiden blir kortere, og vedlikeholdsbehovet blir større. I det som er sagt foran, er det nevnt uttrykk som midlere levetid og spred­ ning. Dette er statistiske begreper som kan beregnes dersom kurvene for styrken er matematisk definert. Dersom antall like komponenter er stort, vil spredningen av styrken rundt middelverdien være normalfordelt. Normalfor­ delingen er matematisk definert slik at middelverdien og spredningen kan bestemmes. Spredningen er definert av standardavviket. Vi skal ikke her utlede formlene for middelverdi og standardavvik, men bare se på anvendel­ sen av dem. Andre ord som brukes for spredningen, er variasjonsom rådet og usikkerhetsområdet.

15

Generell vedlikeholdsteknikk

Standardavviket kan beregnes ved hjelp av formlene som er gitt under.

(Xj-xf n- 1 Her er: sn - standardavviket for målingene x, - enkeltverdien av hver måling n - antall målinger

x = —— Her er: x - målingenes middelverdi De to formlene for standardavvikt gir litt forskjellige verdier. Den første er den matematisk riktige, men det har vist seg at den ikke avspeiler virkelighe­ ten godt nok. Derfor brukes den andre formelen i praksis.

De fleste kalkulatorer har beregning av middelverdi og standardavvik som faste funksjoner i sitt statistikkprogram. I eksempelet under er det imidlertid vist hvordan det gjøres uten bruk av ferdige programmer.

Figur 1.7 viser normalfordelingen og hvordan antall komponenter er fordelt rundt middelverdien. Innenfor middelverdien ±1 standardavvik ligger 67% av alle komponentene, og innenfor 2standardavvik ligger 93%.

Figur 1.7 Normalfordelingen

I vedlikeholdssammenheng brukes dette til å fastsette vedlikeholdstidspunktet. Dersom vedlikeholdet på en komponent utføres på midlere levetid (mid­ delverdien), vil halvparten av komponentene ha havarert fordi halvparten av komponentene har en levetid som er kortere enn middelverdien. Hvis vi derimot flytter vedlikeholdstidspunktet til midlere levetid minus to ganger standardavviket, vil 3,5% av alle komponentene ha havarert. Om dette er akseptabelt eller ikke, er et økonomisk spørsmål, fordi det koster å vedlike­ holde, og det kan ha store konsekvenser å la komponenter gå til de ryker.

16

Periodisk vedlikehold

Eksempel Tabellen under viser målt levetid på 10 like komponenter som har gått under de samme driftsbetingelsene. For disse skal middelverdien og stand­ ardavviket finnes.

x)2

xi

Xj-X

(Xj ~

15000 timer 15500 14850 15200 14800 14700 15100 14900 15050 14600

30 530 -120 230 -170 -270 130 -70 80 -370

900 280900 14400 52900 28900 72900 16900 4900 6400 136900

Sum =

616000

_ xi Middelverdien: x = — = 14970 timer -/616000 Standardavviket: sn _ j

V

9

261,6 timer

Den totale spredningen på levetiden er 3 • sn _ 1 = 784,8 timer.

Spredningen i tallmaterialet over er 900 timer. Grunnen til at den matemati­ ske spredningen ikke er lik den virkelige, er at tallmaterialet er altfor lite. Dersom en bestemmer seg for å gjøre vedlikehold på tidspunktet middelver­ dien minus 2 ganger standardavviket (x - 2 • sn _ 1), vil dette bli:

14970 - 2 • 261,6 = 14446,8 timer.

Beregningen av middelverdi og standardavvik er pensum i matematikk II, og det henvises til dette faget for flere eksempler og regneoppgaver.

1.2.2 Levetid beregnet ved hjelp av sannsynlighetsberegning En komponents levetid er et mål for komponentens pålitelighet. Ordet pålite­ lighet blir i dagligtale ofte brukt upresist. I teknologisk sammenheng brukes ordet ofte som en generell karakteristikk av evnen som en komponent eller et teknisk system har til å utføre en tiltenkt funksjon under gitte driftsforhold. Hvor stor påliteligheten er, kan oppgis på flere forskjellige måter:

• levetiden • antall svikt per tidsenhet • sannsynligheten for at komponenten fungerer ved et gitt tidspunkt.

Vi skal nå innføre noen mål for påliteligheten av en gitt komponent som ikke blir reparert. Levetid Med levetiden til en komponent menes her den tiden det tar fra enheten settes i drift til den svikter første gang. Levetiden er til en viss grad avhengig av

Generell vedlikeholdsteknikk

"tilfeldighetenes spill". Det er derfor naturlig å oppfatte levetiden som en tilfeldig variabel, T. Levetiden måles ikke alltid i ren klokketid. Den kan også angis med et mer indirekte tidsbegrep som for eksempel:

• • • •

antall antall antall antall

av-/på-koplinger kjørte kilometer omdreininger arbeidssykler for en periodisk arbeidende enhet

Vi vil her anta at levetiden, T, kan måles i en kontinuerlig skala, og at usikkerheten i beregningen av levetiden kan angis ved en sannsylighetstetthet f(r). Et eksempel på en sannsynlighetstetthet er gitt i figur 1.8. Når vi regner ut levetiden for en komponent, er det viktig at vi har det klart for oss at matematiske metoder er basert på en ideell modell av virkeligheten. Når modellen er etablert, vil resultatene vi kommer fram til, være helt avhen­ gig av modellen.

Figur 1.8 Sannsynlighetstetthet Sannsynlighetstettheten har denne fortolkningen: Sannsynligheten for at den gitte komponenten svikter første gang mellom tidspunktene t\ og t2, er lik arealet under kurven mellom disse tidspunktene. (Se figur 1.8.)

Enhver komponent som brukes, vil før eller siden svikte. Det totale arealet under sannsynlighetstettheten er derfor alltid lik 1. (Når sannsynligheten for en hendelse er lik 1, vil hendelsen helt sikkert inntreffe). Funksjonssannsynlighet Funksjonssannsynligheten til en komponent ved et tidspunkt t betegnes som R(t) og er lik sannsynligheten for at komponenten ikke svikter i tidsinterval­ let (0,r), eller med andre ord, sannsynligheten for at komponenten er funk­ sjonsdyktig ved tidspunkt t.

Funksjonssannsynligheten kan bestemmes når vi kjenner sannsynlighetstett­ heten til levetiden til komponenten.

Funksjonssannsynligheten, R(f), blir ofte framstilt som i figur 1.9. Ved tiden t = 0 er funksjonssannsynligheten 1,0. Siden avtar den.

18

Periodisk vedlikehold

f (Tid)

Figur 1.9 Fordeling av funksjonssannsynligheten over tid

Sviktintensitet Sannsynligheten for at en komponent skal svikte i et bestemt tidsintervall, kan bestemmes ut i fra sannsynlighetstettheten. Anta at vi vet at en kompo­ nent har funksjonert tilfredsstillende fram til et tidspunkt t, og at vi er interes­ sert i å finne sannsynligheten for at den skal svikte i et kort tidsintervall etter tidspunktet t. Denne sannsynligheten kan bestemmes ut i fra den såkalte sviktintensiteten , z(r), til komponenten. Sviktsannsynligheten i et kort inter­ vall vil være tilnærmet lik sviktintensiteten z(r) multiplisert med lengden av intervallet.

Eksempel La oss tenke oss at de enhetene som vi betrakter, er norske menn, og la svikt betegne at en mann dør. Sviktintensiteten kan da betegnes som dødsintensiteten. Sannsynligheten for at en tilfeldig valgt nordmann som akkurat er fylt 60 år, skal dø før han er fylt 61 år, blir da tilnærmet lik sviktintensiteten z(60) multiplisert med ett år, det vil si sannsynligheten blir z(60). Dødsintensiteten z(r) vil opplagt variere med mannens alder. Figur 1.10 viser hvordan dødsin­ tensiteten varierer for engelske menn.

Figur 1.10 Variasjon av dødsintensitet En tilsvarende kurve for sviktintensiteten vil en også få for tekniske kompo­ nenter. Se figur 1.2.

Forventet levetid Det vil vanligvis være nyttig å kunne si noe om hvor lang den gjennomsnittli­ ge levetiden til en komponent er. Den gjennomsnittlige levetiden angis ofte 19

Generell vedlikeholdsteknikk

ved forventningsverdien E(T), som kan bestemmes ut fra funksjonssannsyn­ ligheten R(z) ved formelen E(7) = R(Odt

I pålitelighetsteknikken blir E(T) ofte kalt "mean time to failure", MTTF, eller midlere tid til svikt for en komponent. Ofte brukes andre betegnelser for det samme eller tilnærmet det samme:

MTBF - Mean time between failure - gjennomsnittstid mellom hver svikt.

MTBM - Mean time between maintenance - gjennomsnittstid mellom hvert vedlikehold. MTTR - Mean time to repair - gjennomsnittlig reparasjonstid. Levetiden for tekniske komponenter kan beskrives ved ulike sannsynlighetsfordelinger. Her skal eksponentialfordelingen og Weibullfordelingen omta­ les.

Eksponentialfordelingen Dette er den sannsynlighetsfordelingen som er mest brukt i pålitelighetsana­ lyser.

Her er:

Sansynlighetstetthet: /r) = X • e~K'' for t > 0 Funksjonssannsynlighet: R(f) = e~x 1 for t > 0

Sviktintensitet: z(z) = X

Sviktintensiteten er med andre ord konstant og uavhengig av tiden,og angis som antall svikt per tidsenhet. Forventet levetid: MTTF = 4

Figur 7.77 Eksponentialfordeling

Sviktintensiteten for en enhet med eksponensiell levetid er, som vi har sett, konstant og uavhengig av tiden. Dette medfører at: 20

Periodisk vedlikehold

En brukt komponent er tilfeldig sett like god som en ny. Det har altså ingen hensikt å skifte ut en komponent som fremdeles er funksjonsdyktig. Ved beregning av funksjonssannsynlighet, forventet levetid og så videre er det bare nødvendig å samle data om antall timer observert levetid og antall feil. Komponentens alder er uten betydning.

Eksempel Levetiden til en gitt type lyspærer kan antas eksponentialfordelt med sviktin­ tensiteten

X = 2 • 10 4 svlk/time Sannsynligheten for at lyspæren vil lyse i minst 2000 timer, er da:

7?(2OOO) = e~2'10-4'2000 «0,67

Hvis det ved et gitt tidspunkt blir tent et stort antall slike lyspærer, vil grovt sett 67% av lyspærene fortsatt lyse etter 2000 timer. Forventet levetid for en lyspære er da: Ml'lb = ^ ~ 5000 timer

Weibullfordelingen Erfaring tyder på at sviktintensiteten z(t) ofte vil være avtagende i innkjøringsperioden og voksende i utslitningsperioden. For de fleste mekaniske komponenter vil z(7) også være svakt voksende i bruksperioden. I disse situ­ asjonene vil eksponentialfordelingen ikke være realistisk som levetidsfordeling. En fordeling som ofte blir brukt når sviktintensiteten er voksende eller avta­ gende, er Weibullfordelingen.

Denne fordelingen brukes i statistikken, og er i så måte en fordeling på lik linje med eksponentialfordelingen. Fordelen med Wiebullfordelingen er at den kan varieres slik at den i større grad enn eksponentialfordelingen kan tilpasses virkeligheten. For Weibullfordelingen er:

Sannsynlighetstetthet: ft) = (X • Xa • ta ~ 1 for t > 0

cx er en koeffisient som velges for å gjøre fordelingen voksende eller avtagen­ de. Se figur 1.12. Ut i fra denne sannsynlighetstettheten utledes formlene for funksjonssann­ synlighet, sviktintensitet og forventet levetid.

Det ligger en del matematikk i denne utledningen som ikke er pensum i matematikk. Vi skal heller ikke her foreta disse utledningene, men bare pre­ sentere formlene. Funksjonssannsynlighet: R(t) =

for >=~0 21

Generell vedlikeholdsteknikk

Sviktintensitet:

z(r) = ot • Xa • / 1 for r >=~0 Forventet levetid: MTTF = l-r

-Ul

I CX

A,

r betegner gammafunksjonen og finnes i matamatiske tabellverk.

I utledningen av formelen for forventet levetid dukker det opp et matematisk uttrykk der koeffisienten a inngår. Dette uttrykket er samlet i en funksjon, gammafunksjonen. Dersom en velger a = 1, ser vi at sviktintensiteten blir konstant lik X, det vil silikeksponentialfordelingen.Når ot > 1, er sviktintensiteten voksende med tiden, og når 0 < a < 1, er sviktintensiteten avtagende. Weibullfordelingen er altså fleksibel og kan beskrive både avtagende, konstant og voksende sviktin­ tensitet.

Figur 1.12 Sviktintensiteten i Weibullfordelingen ved forskjellige verdier fora Eksempel

Levetiden til ei pumpe kan anslås Weibullfordelt med parametrene

X = 2 • 10

sv‘^t/time

ot = 2 Sannsynligheten for at pumpa skalfunger eim inst 200timer ,er da:

7?(2OO) = e42‘10’3 ’200)2 = 0,85 Forventet levetid for pumpa blir:

MTTF = | • T | + 1 U 443 timer

22

Tilstandstyrt vedlikehold

Tabeller over gammafunksjonen kan presenteres på litt forskjellige måter. Dersom en ser på tabellen under ser en at gammafunksjonen er presentert som T(x + 1). I formelen over for forventet levetid står det T(0,5 + 1). X-verdien i tabellen er da 0,50. Verdien av gammafunksjonen tas fra tabellen under for x-verdien 0,5. Verdi­ en er 0,886226 fra tabellen. Tabellen er bare et utdrag, men den finnes i sin helhet i de fleste matematiske oppslagsverk. X

T(x + 1)

0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90

0,951350 0,918158 0,897470 0,887263 0,886226 0,893515 0,908638 0,931383 0,961765

1.3 Tilstandstyrt vedlikehold Som nevnt tidligere er dette den andre formen for vedlikehold. Tilstandstyrt vedlikehold eller vedlikehold etter teknisk tilstand skiller seg fra periodisk vedlikehold ved at det ikke gjøres vedlikehold dersom maskineriet fungerer etter hensikten. Dette medfører at den tekniske tilstanden til en komponent må bestemmes ut fra målinger på maskineriet.

Fordelen med denne typen vedlikehold er at kostnadene til vedlikehold og lagerhold kan bli mindre. Ulempen er de store kostnadene som er forbundet med målinger og montering av måle og analyseutstyr. I praksis drives vedli­ keholdet enten reint periodisk eller som en kombinasjon mellom periodisk og tilstandstyrt. Hvor stor del av vedlikeholdet som er av den ene eller andre typen, avgjøres av økonomiske vurderinger, type anlegg, størrelse på anleg­ get eller selskapets vedlikeholdspolitikk. Figur 1.13 viser skjematisk framgangsmåten i en tilstandskontroll. Grovt sett er den delt inn i fire deler:

• • • •

observasjon av maskineriet analyse av resultatene beslutning om hva som skal gjøres nødvendig justering eller vedlikehold

Første skritt i tilstandskontrollen er å foreta målinger for å finne ut hva som foregår. Dette kan være målingene selv eller verdier som er beregnet på grunnlag av målinger. En måling er aldri helt nøyaktig, men inneholder for­ skjellige feilkilder. Dersom en måleverdi er ustabil ved avlesningen på grunn av variasjoner i prosessen, må vi ta flere målinger og deretter regne ut gjen­ nomsnittet. I tillegg til denne ustabiliteten finnes det flere forskjellige feilkil­ der som vi skal se litt nærmere på. Måleusikkerhet Feil i måleresultatene kan skyldes en rekke faktorer, men de grupperer seg i to adskilte grupper: 1 systematiske feil 2 tilfeldige feil 23

Generell vedlikehoidsteknikk

1 Observere

2 Analysere

3 Beslutte

4 Utføre

Figur 1.13 Framgangsmåte ved tilstandstyrt vedlikehold

Første skritt i tilstandskontrollen er å foreta målinger for å finne ut hva som foregår. Dette kan være målingene selv eller verdier som er beregnet på grunnlag av målinger. En måling er aldri helt nøyaktig, men inneholder for­ skjellige feilkilder. Dersom en måleverdi er ustabil ved avlesningen på grunn av variasjoner i prosessen, må vi ta flere målinger og deretter regne ut gjen­ nomsnittet. I tillegg til denne ustabiliteten finnes det flere forskjellige feilkil­ der som vi skal se litt nærmere på.

24

Tilstandstyrt vedlikehold

Måleu sikkerhet Feil i måleresultatene kan skyldes en rekke faktorer, men de grupperer seg i to adskilte grupper:

1 systematiske feil 2 tilfeldige feil

Systematiske feil Karakteristisk for disse feilene er at de alltid drar måleresultatet i en bestemt retning. Se figur 1.14. Systematiske feil deles inn i flere grupper:

Figur 1.14 Forskjellen på målt og virkelig feil ved systematiske feilmålinger Nullpunktsfeil: Instrumentets nullpunkt er ikke riktig innstilt. En slik feil er konstant over hele skalaen, og kan enkelt korrigeres for når den er kjent.

Delingsfeil: Delingen (avstanden) på skalaen er gal. Det vil si at skalamerkene ikke står riktig.

Temperaturforskjell mellom instrument og det som det blir målt på. Tilfeldige feil Karakteristisk for disse feilene er at de forekommer med varierende størrelse og retning. Derfor er det svært vanskelig å korrigere for disse.

Figur 1.15 Forskjellen på målt og virkelig feil ved tilfeldige feilmålinger Blant hovedårsakene til disse feilene er: • menneskelige feil • varierende fysiske forhold i måleinstrumentet, for eksempel friksjon. • variasjon i trykk, temperatur eller fuktighet i måleinstrumentet. 25

Generell vedlikeholdsteknikk

• unøyaktig eller ufullstendig matematisk regnemodell dersom måleverdien beregnes ut i fra flere målinger. (Regnemodeller er alltid forenklede og dermed unøyaktige.)

Det er mulig å beregne tilfeldige feil ved å finne spredningen (3. stand­ ardavviket) av flere måleresultater. Det skal vi imidlertid la ligge her. Målingene gir direkte eller indirekte via beregninger det som kalles en driftsparameter (se figur 1.13). Denne driftsparameteren skal sammenlignes med en referanseparameter eller ny-verdi.

Referanseparameter For å avgjøre om et maskineri er i en god eller dårlig tilstand, må målingene sammenlignes med noe. Dette er referanseparameteren. Denne finnes ved å ta målinger når maskineriet er nytt. Det er viktig at denne målingen tas under de samme driftsbetingelser som seinere målinger. Hvis ikke, kan de ikke sam­ menlignes. Dette er imidlertid ikke helt absolutt da det er mulig i noen tilfeller å korrigere for forskjellige driftsbetingelser.

I noen tilfeller er det mulig å unngå å bruke referanseparameteren. Det er tilfeller der målingene kan sammenlignes med standarder som gir maksimalt tillatte verdier. Dette gjelder for eksempel antall metallpartikler i smøreolje og vibrasjonsnivået på noen typer maskiner. Mer om dette i kapittel 4. Tilstandsparameter Når vi sammenligner driftsparameteren (målingen) og referanseparameteren, får vi et uttrykk for hvordan tilstanden til maskineriet er i forhold til nytt. Dette kalles for maskineriets tilstandsparameter. Tilstandsparameteren ut­ trykkes som en differanse eller et avvik mellom ny verdi og nåverdi.

Beregning av tilstandsparameteren kan enten skje manuelt eller automatisk. I automatiske systemer er måleinstrumentene direkte tilkoblet datamaskinen. Dette kalles "on-line" systemer.

Det er ønskelig at forandringer i tilstandsparameteren bare skal skje ved en naturlig skade utvikling som for eksempel slitasje, korrosjon eller begroing, som vi er interessert i å få opplysninger cm. Parameteren vil da variere med tiden etter hvert som den fysiske tilstanden til maskineriet forandrer seg. Imidlertid vil det som er sagt tidligere om målefeil, også ha innvirkning på tilstandsparameteren. Målefeil (systematiske eller tilfeldige) gir oss ingen informasjon om maskineriet og er selvfølgelig uønsket. Tilstandsparameteren er også påvirket av vedlikehold og svikt i maskineri eller måleutstyr. Se figur 1.16. Ved vedlikehold av komponenten skal para­ meteren idelt sett tilbake til null. Dette er som oftest ikke mulig, slik at vi over tid får en økning i tilstandsparameteren selv om vedlikeholdet blir ut­ ført.

Figur 1.16 Forandring av tilstandsparameteren ved vedlikehold. 26

Tilstandstyrt vedlikehold

Tilstandsparameteren som beregnes, lagres enten manuelt eller i en database. Trendanalyse. Grenseverdi Tilstandsparameteren er et direkte eller indirekte mål for en skade utvikling. En skade kan ikke utvikle seg som den vil, det må settes en grense for den. Dersom skaden blir større enn grenseverdien, har vi fått en feil som kan innebære svikt eller skade på andre komponenter i systemet. Grenseverdien settes enten av komponentleverandøren eller av driftsorganisasjonen i bedrif­ ten.

En sammenligning mellom tilstandsparameteren i øyeblikket og grenseverdi­ en gir grunnlag for å vurdere risikoen for at grenseverdien vil overstiges i nær framtid. Det vil si før neste tilstandsparameter beregnes. En sikrere framgangsmåte er å sammenligne den siste tilstandsparameteren med de som er regnet ut tidligere, for å vurdere hvor raskt skadeutviklingen går. Ved å plotte tilstandsparametrene som vist på figur 1.17, kan en få et bilde av hvordan utviklingen har vært fram til den siste parameteren. Manu­ elt, eller som oftest ved hjelp av en datamaskin, kan en forsøke å forlenge denne kurven inn i framtiden. Dette kalles en trendanalyse.

Figur 1.17 Trendanalyse Ved å sammenligne trendanalysen med grenseverdien kan vi finne ut hvor lang tid det tar før denne skjærer grenseverdien, det vil si hvor lang tid det er til nødvendig vedlikehold.

Ofte kan det være vanskelig å lage en trendanalyse, fordi spredningen i tilstandsparameteren er for stor. Figur 1.18 viser to trendanalyser med for­ skjellig spredning. f Tilstands­ parameter

—► Tid

Figur 1.18 Trendanalyser med forskjellig spredning 27

Generell vedlikeholdsteknikk

En stor spredning gir et stort usikkert område og en usikker tidfestelse for vedlikeholdet. I slike tilfeller kan det bli nødvendig med hyppigere målinger for å få et sikrere anslag på vedlikeholdstidspunktet. Trendanalyse er kjernen i tilstandskontrollen. Den gjør det mulig å planlegge vedlikeholdsoppdrag (leie inn folk og bestille deler), og dermed senke kost­ nadene til lagerhold og antall fast ansatte i vedlikeholdsavdelingen.

Grenseverdien er ikke et entydig begrep. Når det er angitt en grenseverdi, er dette grenseverdien til feiltilstanden som omtalt tidligere. Vedlikehold skal være utført før denne grensen er nådd.

Sviktgrensen som er tegnet inn på figur 1.1, er grensen for funksjonssvikt. Feilgrensen må plasseres slik i forhold til sviktgrensen at det ikke oppstår svikt mens vi tror vi ennå ligger bedre enn feilgrensen. Når dette vurderes, kommer usikkerhetsområdet i trendanalysen sterkt med i vurderingen. I tillegg til disse to grenseverdiene opererer man ofte med en tredje, varslingsgrensen. Denne skal gi god tid til å forberede vedlikeholdsoppdrag. Det kan være vanskelig å fastsette en riktig grenseverdi. Den må baseres på erfaring både fra leverandør og driftsorganisasjon. I tillegg brukes forsøk i laboratorierer. For å kunne dra nytte av de erfaringene man far, må rapporte­ ring og katalogisering tas alvorlig.

Når trendanalysen viser at grenseverdien vil brytes innen kort tid, må vedli­ keholdet planlegges. Dette kan ikke gjøres uten en riktig diagnose. Med diagnose menes å finne ut hvor i systemet feilen ligger, og hva slags feil det er. Ofte er dette enkelt, og spesielt dersom tilstandsparameteren er direkte knyttet til en bestemt skadetype. Dersom trykkfallet over et filter blir stort, er filteret sikkert tett og må vaskes eller skiftes. Dersom temperaturen i en varme veksler (for oppvarming) synker, kan det ha flere årsaker, som for eksempel begroing eller dårlig regulering av mengden på oppvarmingsmediet. Generelt er det slik at en tilstandsparameter som påvirkes av tilstandsendringer i flere komponenter, er rimelig, men feilen kan være vanskelig å finne. En tilstandskontroll som følger opp skader på hver enkelt komponent, er dyr i installasjon, men diagnosen blir enklere. Kostnadene i vedlikeholdssammenheng kan deles i feilfmnings- og reparasjonskostnader. Avhengig av hva slags type komponent det er, vil kostnadene variere mellom disse to. Tabellen under viser resultatet av en undersøkelse på dette: Type utstyr

Prosent av tid for feilfinning

Prosent av tid for reparasjon

Elektronisk

90

10

Elektrisk

60

40

Hydraulisk

20

80

Mekanisk

10

90

Tallene er tatt fra den britiske marine, og må bare tas som et eksempel. Avhengig av hvor vanskelig diagnosen er (elektronisk el. elektrisk utstyr), vil instrumenteringen i tilstandskontrolen bli mer eller mindre omfattende.

I avanserte datasystemer er det mulig å angi mest sannsynlig skadeårsak.

28

Kriterier for valg av strategi

1.4 Kriterier for valg av strategi I hovedsak er det tre typer kriterier: Økonomiske kriterier. Valget står mellom korrektivt, tilstandstyrt eller pe­ riodisk vedlikehold. I praksis står ikke valget mellom ett av de tre, men av en kombinasjon. Om en skadeutviklig skal måles eller ikke er et prisspørsmål. Kompliserte måleoppgaver krever utstyr som er dyrt i innkjøp og installa­ sjon.

Det er svært vanskelig å avgjøre den økonomiske nytten av valg av vedlikeholdsform. En av grunnene er at det også vil innebære sikkerhetsmessige vurderinger som det er vanskelig å tallfeste.

tilstandsstyrt vedlikehold

Figur 1.19 Kostnader ved kombinasjon av tilstandstyrt og periodisk vedlike­ hold Figur 1.19 viser et forsøk på å framstille grafisk forholdet mellom periodisk og tilstandstyrt vedlikehold. Det vil alltid være en kombinasjon mellom disse to vedlikeholdsformene, og målet er å gjøre de totale vedlikeholdskostnadene så små som mulig. Figuren over må nærmest sees på som en tankemodell, fordi det er nesten umulig i praksis å lage en slik sammenligning. Økonomiske kriterier kan ikke sees helt adskilt fra tekniske. Valg av vedlikeholdsform kan også avgjøres av om bedriften satser på å tilegne seg kunn­ skap om ny teknologi for dermed å stå bedre rustet til andre arbeidsoppdrag i framtiden.

Ett eksempel her er enkelte oljeselskaper som satser på bruk av fjernstyrte undervannsbåter til vedlikehold av undervannsinstallasjoner i stedet for dyk­ kere, selv om det er grunt nok for dykking. I framtiden derimot kan dykkere være uaktuelt fordi oljeutvinningen skjer på større dyp. Tekniske kriterier. Teknisk utstyr kan deles inn i flere kategorier når det gjelder hvordan skader utvikler seg, og hvordan svikt fordeler seg over tid. Vi kan dele disse inn i tre grupper:

1 Svikt opptrer helt tilfeldig. Det vil si at muligheten for svikt er den samme når komponenten er ny som etter lang driftstid. Figur 1.20 viser en slik sviktfordeling.

29

Generell vedlikeholdsteknikk 4 Svikt-

intensitet

—► Tid

Figur 1.20 Tilfeldig svikt

Denne typen svikt skyldes vanligvis flere forskjellige årsaker og er vanskelig å måle. Dette er typiske for elektronisk utstyr. Denne typen svikt kan ikke forebygges ved vedlikehold. 2 Denne gruppen omfatter svikt som opptrer etter en gradvis skadeutvikling, men hvor tiden til svikt kan variere mye fra komponent til komponent, selv om de er like og utsatt for lik belastning. Figur 1.21 viser en slik sviktfordeling.

Figur 1.21 Svikt etter gradvis utvikling

Tidspunktet for svikt har stor spredning, og er fordelt rundt en middelverdi. Dette er den vanligste sviktfordelingen for mekaniske komponenter.

3 Denne gruppen inneholder komponenter der skadeutviklingen er entydig bestemt av tiden. Det vil si at tiden til svikt er omtrent den samme hver gang. Dette forekommer av og til, men det forutsetter at alle komponentene har samme kvalitet og er utsatt for den samme belastningen. Figur 1.22 viser denne fordelingen.

30

Sammendrag

A Sviktintensitet

Tid

Figur 1.22 Svikt ved omtrent samme tidspunkt hver gang

Personalpolitiske kriterier. Når en bedrift satser på periodisk vedlikehold, baserer en seg på bedriftens egne ansatte i stor grad. Dersom bedriften vil satse på tilstandstyrt vedlikehold, er et av argumentene at vedlikeholdskost­ nadene skal ned, og antall ansatte i denne avdelingen reduseres. I dette tilfel­ let har en i større grad muligheten til å satse på innleid arbeidskraft. For de som er igjen i bedriften, har det den konsekvens at ansatte må skoleres og kompetansenivået heves. Se også første punkt under Tilstandskontrollen har fire hovedformål på side 11. Figur 1.23 viser en sammenfatning av det som er sagt over. Fordeling av tidspunkt for feil

Tilstandsmålinger

Unormale driftsbet Mulig Tilfeldig

Konsekvens av feil

Kostbar reparasjon

Vedlikeholdstype Tilstandstyrt

Små konsekvenser

Korrektivt

Ikke mulig Store konsekvenser Funksjonstest Store konsekvenser Tilstandstyrt

Stor spredning om middeltid

Mulig

Liten spredning om middeltid

Uinteressant

Små konsekvenser

Korrektivt

Store og små konsekvenser

Periodisk

Figur 1.23

1.5 Sammendrag Denne delen gir en oversikt over og en forklaring på grunnleggende ord og uttrykk som brukes innen drift og vedlikehold.

I tillegg er det gjennomgått matematiske metoder for å anslå levetiden til komponenter. Her er det brukt sannsyn!ighetsregning og statistiske metoder.

31

Skader og feilforplantning 2.1 Svikt og sviktårsaker I kapittel 1 ble begrepene skade, svikt og feil definert (se figur 1.1). Når vi snakker om forplantning av feil, og hvilke mekanismer som styrer dette, gjelder dette også for forplantning av skader og svikt. En skade er, etter vår definisjon, årsaken til framtidige feil og svikt, det vil si at en komponent svikter når en skade får utvikle seg for langt. Dermed er en undersøkelse av forskjellige typer skader det primære. Før vi ser helt konkret på skader og skadetyper, skal vi se litt generelt på svikt og sviktårsaker.

Grovt sett kan vi dele svikt inn i tre årsakskategorier: 1 Opprinnelige svakheter som skyldes feil i konstruksjonen, ved montering eller i produksjonen. 2 Svikt som skyldes gal betjening av utstyr. Dette vil gi ekstraordinære belastninger som gir umiddelbar skade og svikt på sikt. 3 Svikt som skyldes at en skade opptrer under drift, enten at den utvikler seg gradvis eller opptrer mer tilfeldig.

Denne boka konsentrerer seg i all hovedsak om sviktårsaker som ligger i gruppe 3. Litt avhengig av hva slags type industri det er snakk om, vil hovedårsakene til svikt variere mellom de tre gruppene, men svært ofte er operatørsvikt (gruppe 2) dominerende. Foruten den inndelingen som er gitt over, kan svikt også deles inn på andre måter. Her er noen: Permanent svikt. Komponenten kan bare bringes tilbake til operasjonell tilstand ved å foreta vedlikehold eller utskiftning. Intermitent svikt. Komponenten kan svikte i et tidsrom, men tar opp igjen sin funksjon. Plutselig svikt. Denne typen er det umulig å forutsi eller oppdage ved inspeksjon eller overvåkning. Gradvis svikt. Denne er det mulig å forutse ved hjelp av tilstandskontroll. Degradering. Dette er en form for svikt som inntrer gradvis og delvis. 33

Skader og feilforplantning

Innkjøringssvikt Tilfeldig svikt Utskiftningssvikt De tre siste er relatert til den såkalte badekarskurven. (Se figur 1.2)

2.2 Generelt om skader I dette kapitlet skal vi se på den enkelte skadetype og hvorfor skadene opp­ trer. Når en driver med drift og vedlikehold, er det viktig å huske at en skade som oftest er et resultat av ordinær drift. Men det er selvfølgelig viktig å vite noe om årsakene til skader og skade utvikling for siden å kunne minimalisere dem, og gjøre driftsperiodene så lange som mulig.

I dette kapitlet er det ikke tatt med eksempler på de forskjellige skadetypene. Praktiske eksempler er tatt med og behandlet i kapittel 3 for de forskjellig komponentene i prosessanlegg. De vanligste og viktigste skadetypene kan deles inn i noen hovedgrupper: • slitasje • korrosjon • kavitasjon • beleggdannelse • erosjon • brudd • deformasjon • nedbrenning/høy varmebelastning

I det følgende blir hver av disse behandlet nærmere.

2.2.1 Slitasje Slitasje defineres gjeme som tap av materiale fra overflaten av et legeme. Tap som skyldes mekaniske krefter, kalles mekanisk slitasje. Hovedårsaken til slitasje er en relativ hastighet mellom to flater, og en kraft som skaper kontakt mellom flatene. Som regel er det en nær sammenheng mellom slita­ sje og friksjon, men det er ingen enkel sammenheng mellom disse. Vanligvis er slitasje et uønsket fenomen, men slitasje kan også være nyttig som for eksempel ved innkjøring av noen typer maskiner.

For å minske slitasjen bruker en smøring av glideflatene. Smøring hindrer den direkte kontakten mellom flatene. Det er to forutsetninger som må være til stede for at smøringen skal bli effektiv. For det første må smørefilmen være tykk nok, og for det andre må en ikke ha fremmedpartikler i smøreolja. I praksis er det umulig å opprettholde en tykk nok smørefilm hele tiden. Under start og stopp vil smørefilmen bli for tynn (på grunn av statiske kref­ ter) til helt å kunne adskille flatene. I andre tilfeller er temperaturen så høy at smøre midler ikke kan brukes.

Noen av de viktigste faktorene som innvirker på mekanisk slitasje, er: • materialets hardhet • materialkombinasjonen • materialets struktur • temperatur • belastning • relativ hastighet • slitasjelengde • overflatesjikt, som oksidsjikt 34

Generelt om skader

• • • •

smøremidlets egenskaper romtemperatur overflatens finhet løse partikler som sand og så videre

Denne listen kan gjøres lengre, men de ovennevnte faktorene er de viktigste. En av disse faktorene opptrer sjelden alene, og en forandring i én vil ha innvirkning på andre faktorer. Økt belastning fører for eksempel med seg økt temperatur. For å forstå fenomenet slitasje, er det svært viktig å innse at den reelle fysiske kontakten mellom to materialer utgjøres av en liten del av den tilsy­ nelatende kontaktflaten. "Den sanne kontaktflaten" er ikke mer enn summen av de mikroskopiske kontaktflatene som utgjøres av kontakt mellom ruhetstoppene. Intim molekylær kontakt i disse flatene forutsetter at det verken finnes væske eller gass-sjikt mellom dem, og at det beskyttende oksidsjikt som normalt dekker metallflatene, er revet bort. En noen annen form for slitasje har vi når harde partikler i en væskestrøm eller gasstrøm treffer en komponentoverflate i stor hastighet, slik at overfla­ ten slites. Dette er en form for erosjon. Den er vanlig i innsprøytningsdyser for dieselmotorer og brennere for turbiner hvor sand eller andre grove partik­ ler kan gi stor slitasje. Også på stempel motorer regner man med at slik erosjon kan ha en viss virkning. Slitasje deles gjeme inn i fire hovedgrupper: • abrasiv slitasje eller slipende slitasje • adhesiv slitasje eller mikrosveising • korrosiv slitasje • avskalling

Abrasiv eller slipende slitasje Denne formen for slitasje karakteriseres ved at hardere materialer pløyer og river opp mykere materialer. Figur 2.1 viser skjematisk denne formen for slitasje. En ruhetstopp eller en partikkel trenger inn i flaten til det mykeste materialet på grunn av belastningen. Løsrevne partikler er som regel hardere enn modermaterialet, siden de ofte er omvandlet ved mekaniske, termiske eller kje­ miske påkjenninger som gir større hardhet. Et typisk eksempel på dette er metalloksider.

Denne formen for slitasje er sjelden forårsaket av ren overbelastning, men som oftest av lokale effekter på grunn av skjevbelastning, dårlig oppretting eller unøyaktig form.

Figur 2.1 Slipende slitasje Det er klart at gode og rene smøremidler kan redusere og hindre mye av denne formen for slitasje. Smøremidlet har jo som sin viktigste funksjon å holde ruhetstoppene fra hverandre. 35

Skader og feilforplantning

I forbindelse med slipende slitasje brukes også uttrykket nyttig slitasje. Dette er en ønsket slitasje som fører til god tilpasning mellom to sliteflater. Ofte brukes såkalte innkjøringsoljer tilsatt lett slipende midler for å få en rask innkjøring og tilpasning. Adhesiv slitasje eller mikrosveising Denne formen for slitasje opptrer mellom to metallflater i relativ bevegelse når smøremidlet ikke fullstendig hindrer metallkontakt. Ruhetstopper i mate­ rialer gnis mot hverandre, sammensveises og blir deretter revet ut. Det er de molekylære adhesjonskreftene mellom materialer som er årsak til sammensveisingen.

Det finnes flere nivåer av adhesiv slitasje: • mikrosveising (engelsk: scuffing) • riving. Grov mikrosveising, grov slipende slitasje (engelsk: scoring). • skjæring. Fastskjæring (engelsk: seizure). Teoretisk vil det rives ut en halvkuleformet partikkel (se figur 2.2). Belastning Utrevet materiale

Materiale 2

Figur 2.2 Mikrosveising

En utrivning av materiale er imidlertid avhengig av at sveisen er sterkere enn grunnmaterialet. Dersom sveisen mellom de to ruhetstoppene er svakere enn grunnmaterialene, vil det ikke oppstå stor slitasje. Det finnes derfor regler for gunstige materialkombinasjoner: Materialene må ha minst mulig løselighet i hverandre, dvs at de må være metallurgisk forskjellige. Minst ett av materialene må tilhøre den del av undergruppe 2 i det periodiske system som ligger til høyre for kolonnen Ni-Pd-Pt (se figur 2.3).

Dette er relativt enkelt dersom det er snakk om rene metaller, men adskillig mer komplisert for legeringer, som ofte er i bruk i praksis. Det fører imidler­ tid for langt å komme inn på dette her. Mikrosveising medfører sterk friksjonsvarme og kan føre til direkte lokal nedsmelting og deformering av overflaten.

36

Generelt om skader ------------------------ Hovedgruppe 3-8------------H7

1 H3

, B

5

Bor 10.81

13

Al

------- Sidegruppene------------------------------------------------------ -

25,AMJ 26 2, Mn Fe >

Mangan

54.94

55.85

27 2j Co

5

!

-2

7

10 Ne

0 Oksygen

16,00

15t).,4 P

16, ,4 4 s

19.00

17,..,,, Cl

Aluminium

Silisium

Fosfor

Svovel

Klor

S2

26.98

28.09

30.97

32,06

35,45

30 2

31 j Ga

32 4 Ge

331JS Ås

Zn

34-2.4.4 Se

35.IS Br

20.11

18

Ar 39.95

36

Kr

Sink

Gallium

Germanium

Arsen

Selen

Brom

Krypton

65,38

69.72

72.59

74,92

78.96

79.90

83.80

46 2,. Pd

50 ,, Sn

51t), Sb

Rhodium

106,4

78

j,

Platina

186,2

190,2

192,2

195.09

53.,.,., 1

54

Xe

Kadmium

indium

Tinn

Antimon

Tellur

Jod

Xenon

107,87

112.41

114,82

118,69

121.75

127,60

126.90

131.30

79 Gull 196.97

Indium

52.2.4 4 Te

Seiv

Au

Osmium

49 , In

Cd

Pt

Rhenium

48 2

Afl

Palladium

102.91

76 u,o 772j.., Os Ir

47 ,

80 2, Hg

81 ,, TI

82 4, Pb

83 ,, Bi

84

Po

85.,.,,, At

4.2

i

Fluor

63,55

Ruthenium

m

j

4.00)

Kopper

Technetium

101.07

14,01

8

Helium

1.008

58.70

len

(98)

12.01

14 . Sl

Nitrogen

Hydrogen

H6

Nikkel

44 2.ww 45 2J, Rh Ru

75, Re

29 2J Cu

±4.2 c Karbon

7.,,,, N

!

He

58.93

43 , Tc

1.2

28 u Ni

6

H5

H8

2

Kobolt

>

3J

Sl

S»

S7

j

H4

, H

86

Rn

Kvikkselv

Thallium

Bly

Vismut

Polonium

Astat

Radon

200,59

204.37

207.2

208,98

(209)

(210)

(222)

Figur 2.3 Utdrag av det periodiske system Korrosiv slitasje Denne formen for slitasje kalles av og til for kjemisk slitasje fordi den meka­ niske slitasjen forekommer samtidig med korrosjon, som er en kjemisk pro­ sess. Slitasjen foregår ved at materialet angripes av korrosive kjemiske for­ bindelser, og overflaten tæres gradvis bort, også det som i mange tilfeller skulle være et beskyttende overflate sjikt. De korrosive stoffene kan enten komme utenfra, eller de kan dannes i smøremidlet ved at dette oksiderer og det dannes organiske syrer. Dette kjemiske angrepet svekker materialet, og fører til at det lettere rives løs. De løsrevne materialbitene kan så gi slipende slitasje. En egen form for korrosiv slitasje kalles pasningsslitasje. Denne forekommer mellom to sammenpressede flater som normalt skal være i ro, men som på grunn av vibrasjoner får små relative bevegelser. Det beskyttende oksidlaget mellom flatene brytes ned, og et nytt oksidlag dannes. Dermed oppstår det en kontinuerlig nydannelse av dette sjiktet, noe som tærer på materialene. De løsrevne oksidene vil i neste omgang bidra til mekanisk slitasje.

Avskalling Dette er den siste formen for slitasje som tas med her. Den er typisk for to metallflater som er i rullende kontakt. Avskalling fører til løsrivelse av større partikler og i noen tilfeller av hele deler. En overflate som er utsatt for avskalling, får store gropdannelser. Grunnen til dette er lokal utmatning av grunnmaterialet i områder med store skjærspenninger. I vår sammenheng er det gir som oftest blir utsatt for avskalling.

2.2.2 Korrosjon Korrosjon er den vanligste formen for skade på prosessutstyr. Som oftest er korrosjon definert som angrep på et metallisk materiale ved en reaksjon med det omgivende medium. Dersom en skal snakke om korrosjon i vid forstand, omfatter det også materialer som plast og betong. Korrosjon av plaststoffer er som oftest forårsaket av sollysets ultrafiolette stråler. Strålene svekker de kjemiske bindingene i plasten og legger grunnlag for en oksidasjon av overflaten.

Betong korroderer ved at den blir angrepet av syrer (sur nedbør), eller ved at betongen forvitrer som følge av frostsprengning. 37

Skader og feilforplantning

I dette kapitlet skal vi konsentrere oss om korrosjon av metalliske materialer. Denne korrosjonen deles inn i to hovedgruper: 1 Elektrokjemisk eller våt korrosjon. Foregår i vannløsninger, og innebærer transport av ioner i vann. 2 Kjemisk korrosjon. Foregår i miljøer med tørre korrosive gasser. Kalles også for tørrkorrosjon.

For å kunne si noe mer detaljert om årsaker til og metoder for å forhindre korrosjon på, trenger vi en mer detaljert inndeling av disse to hovedformene for korrosjon.

Generell korrosjon Denne korrosjonsformen kalles også jamn korrosjon. Som dette uttrykket tilsier, skjer det en nedbrytning på hele overflaten samtidig. Denne formen for korrosjon forekommer på de fleste ubeskyttede overflater som er utsatt for det korrosive mediet.

Et korrosivt medium er for eksempel nedbør. Resultatet av dette er en reduksjon av tykkelsen av metallet. Et edelt metall som for eksempel kopper, har en lav korrosjonshastighet. Det er også tilfelle med metaller som danner et beskyttende belegg av korrosjonsprodukter, som for eksempel sink. Figur 2.4 viser generell korrosjon. Plate i ny-tilstand

Redusert tykkelse

Figur 2.4 Generell korrosjon

Tabellen under viser korrosjonshastigheten til noen metaller i forskjellige sure miljøer. Tallene er gitt som mm/år. Metall

10 % salpeter- syre

10 % svovelsyre

10 % saltsyre

4500,0

1300,0

430,0

Titan

0,3

160,0

5,6

18/8-stål

0,2

400,0

81,0

Fe-35 % Cr

0,2

0,2

1500,0

Karbonstål

Vanlig karbonstål korroderer med 1,5 mm/år i sjøvann.

Denne formen for korrosjon blir ikke betraktet som farlig, fordi korrosjons­ hastigheten for de forskjellige metallene er godt kjent gjennom praktiske forsøk. Det som gjøres for å ta hensyn til dette, er: • Ut i fra nødvendige tykkelsesberegninger som er gjort på utstyr, for eksempel rør, legges det til et visst antall millimeter som tilsvarer det som korroderes vekk i utstyrets levetid. • Vernetiltak for å redusere korrosjonshastigheten. Dette kan være bruk av maling eller offeranoder.

38

Generelt om skader

Galvanisk korrosjon Galvanisk korrosjon skjer når to metaller av forskjellig edelhet står i direkte kontakt med hverandre, og når de er omgitt av ei elektrisk ledende væske (elektrolytt). Vann er ei slik væske. Figur 2.5 viser dette.

Elektronvandring

Figur 2.5 Galvanisk korrosjon Det minst edle metallet vil avgi ioner til væska (elektrolytten), og den vil tæres bort. Hvilke metaller som er mest eller minst edle, framgår av spenningsrekka som er gitt under. Det metallet med høyest spenningspotensiale er mest edelt. Metall Gull ANSI 316 stål (passivt) Sølv ANSI 304 stål (passivt) Titan Rustfritt stål 18/8 (passivt) ANSI 316 stål (aktivt) Kopper ANSI 304 stål (aktivt) Rustfritt stål 18/8 (aktivt) Bly Støpejern Ulegert stål Aluminium Sink Magnesium

Korrosjonspotensiale (volt) + 0,42 + 0,20 + 0,19 + 0,17 + 0,10 + 0,09 + 0,07 + 0,02 -0,28 -0,29 -0,31 -0,36 -0,36 -0,50 -0,86 - 1,36

Tabellen gjelder med sjøvann ved 25 °C som elektrolytt.

Med passiv tilstand menes her at metallflaten har et tynt beskyttende belegg av korrosjonsprodukter. Dette er ikke tilfelle i aktiv tilstand. På figur 2.5 vil stålet tæres bort fordi kopperet er edlere. Det er flere metoder som brukes for å hindre denne formen for korrosjon: • Holde de to metallene adskilt for eksempel ved å legge en pakning av syntetisk materiale mellom dem. • Bruke det som kalles offeranoder. Dette er gjeme sink som settes på, og i kontakt med det edle metallet. Da vil offeranoden tæres vekk istedet for andre metaller. • Benytte andre materialer. • Hindre fuktigheten tilgang til kontaktstedet mellom metallene.

Interkrystallinsk korrosjon Alle metaller er bygd opp av krystaller eller krystallkom. Dersom betingelse­ ne er til stede, kan det forekomme korrosjons angrep på eller ved komgrensene. Korrosjonsangrepet består i at det blir etset ned smale spalter i komgrensene. Dette kalles interkrystallinsk korrosjon. Denne formen for korrosjon er farlig fordi den fører til at sammenhengen mellom krystallene blir dårlig. I 39

Skader og feilforplantning

alvorlige tilfeller kan metallet ikke overføre strekk-krefter, og brudd kan oppstå uten forvarsel. Figur 2.6 viser en skisse av dette.

Figur 2.6 Interkrystalinsk korrosjon

Årsaken til denne typen korrosjon er som ved galvanisk korrosjon: Direkte kontakt mellom to metaller (legeringselementer) av forskjellig edelhet. I de fleste tilfellene har en en sone med mindre edelt metall ved komgrensene som virker som anode, mens resten av overflaten er katode. Interkrystallinsk korrosjon forekommer oftest i rustfrie stål av 18/8-typen med et karboninnhold over 0,05%. Karbonet blir felt ut når temperaturen øker (500-800 °C).

I tillegg er legeringer der nikkel, aluminium, magnesium eller kopper inngår, utsatt for denne typen korrosjon. Interkrystallinsk korrosjon kan unngås ved å bruke lavkarbonstål, det vil si stål med maksimum 0,03 % karboninnhold.

Selektiv korrosjon Denne korrosjonsformen opptrer i legeringer der legeringselementene har ulik edelhet. Det minst edle legeringsmetallet tæres ut av godset i sin helhet, og materialet blir porøst og med liten styrke. Steder der selektiv korrosjon har forekommet, er ofte dekt med et korrosjonsprodukt som i form og farge er likt det opprinnelige metallet. Derfor er det vanskelig å oppdage selektiv korrosjon, og materialskader kan oppstå uten varsel.

Det mest kjente eksempelet på selektiv korrosjon er avsinking av messing, det vil si at sinken går i oppløsning mens kopperet blir igjen. Grått støpejern kan enkelte ganger ha en tendens til selektiv korrosjon. Dette gjelder spesielt i svakt korrosive miljøer. Jernet korroderer og vaskes ut, mens grafitten blir tilbake. Spaltekorrosjon Figur 2.7 viser en slik spalte. Forutsetningen for denne korrosjonsformen er at spalten er så vid at fuktighet kan trenge inn, og samtidig så trang at væska ikke renner ut igjen.

40

Generelt om skader

Figur 2.7 Spaltekorrosjon Til å begynne med korroderer metallet like fort utenfor som inni spalten. Korrosjon medfører forbruk av oksygen, og inni spalten vil det oppstå man­ gel på oksygen på grunn av dårlig tilgang. Dette fører til en forsuring av miljøet i spalten, og korrosjonshastigheten øker med økende forsuring.

Det finnes i hovedsak fire måter å hindre eller redusere spaltekorrosjon på: • En kan velge metaller som er mindre utsatt. Det vil si stål med høyt molybdeninnhold. • Riktig konstruksjon. Et eksempel her er buttsveisskjøter istedet for overlappskjøter. • Katodisk vern. • Hindre tildekkinger.

Spenningskorrosjon Spenningskorrosjon ligner mye på interkrystallinsk korrosjon. Resultatet av denne korrosjonstypen er små sprekkdannelser som skyldes at strekkspennin­ ger og korrosjon opptrer samtidig. Sprekkene ligger som oftest i et plan vinkelrett på strekkspenningene. Sprekkene forplanter seg interkrystallinsk (mellom krystallene), og kan føre til hurtige brudd.

Spenningene kan være et resultat av ytre krefter eller av indre deformasjonskrefter fra for eksempel sveising. Det korrosive miljøet har stor betydning for spenningskorrosjonen, og det har lenge vært kjent at en rekke miljø-/materialkombinasjoner har stor tilbøyelig­ het til spenningskorrosjon. Rustfrie stål er utsatt for spenningskorrosjon i klorholdige miljøer.

Den tredje faktoren som har mye å si for spenningskorrosjonen, er temperatu­ ren. Generelt så øker korrosjonshastigheten med stigende temperatur. For stål i klorholdige miljøer går spenningskorrosjonen svært raskt dersom tempera­ turen kommer over 70 °C.

Det er flere tiltak som kan settes inn for å redusere denne typen korrosjon: • Senke spenningene. Redusere den ytre kraften og forta en spenningsglødning for å redusere de indre spenningene. • Forandre det korrosive miljøet. • Skifte til en annen legering. Rustfrie stål er karbonstål helt overlegne når det gjelder spenningskorrosjon. • Anvende katodisk beskyttelse. • Bruke inhibitor det vil si kjemisk behandling av væske slik at den blir mindre elektrolyttisk.

I tillegg til de korrosjonsformer som er nevnt, er det mange andre korrosjonsformer som man kan spesifisere som egne former for korrosjon. Ofte ligner de eller ligger nær noen av de nevnte formene, sa vi går ikke nærmere inn på disse her.

41

Skader og feilforplantning

2.2.3 Kavitasjon Kavitasjon er en form for tæring på metaller og opptrer i væsker. Årsaken til kavitasjonsangrep er at det i lokale områder i ei væske oppstår trykk som er lavere enn væskas damptrykk og trykket i oppløste gasser. Luft og gass forekommer i alle væsker som små bobler. Når vi får store trykkfall i væska, vil trykket rundt disse små boblene bli mindre enn trykket inne i bobla, og bobla vil vokse. Når væsketrykket stiger igjen, eller bobla har vokst så mye at trykket inni blir mindre enn utenfor, vil bobla kollapse (implodere) med en kraft som kan bli meget stor. Når disse implosjonene skjer på eller nær metalloverflaten, kan det på grunn av kraften oppstå tæringer. Tæringene kommer altså av væske- eller gasslag mot overflaten.

Det skilles ofte mellom strømningskavitasjon og vibrasjonskavitasjon. Når det i dagligtale snakkes om kavitasjon, er det den første typen en tenker på. Forskjellen på disse to typene ligger i årsaken til de trykk variasjonene som forårsaker kavitetene. Strømningskavitasjon Strømningskavitasjon opptrer på steder der væskehastigheten øker. Økende væskehastighet gir lavere trykk. Sammenhengen mellom hastighet og trykk er gitt i Bemoullies ligning. Et typisk eksempel på strømningskavitasjon er når væske passerer over et profil som vist på figur 2.8. Implosjon

Figur 2.8 Strømning rundt et profil Væska som strømmer på oversiden av profilet, må bruke like lang tid fra A til B som det som strømmer på undersiden. Dermed øker hastigheten på oversi­ den, og trykket faller. Avhengig av profilets form kan trykket falle så mye at de små gassboblene begynner å vokse. Mot enden av profilet synker hastig­ heten, trykket øker, og boblene imploderer. Strømningskavitasjon opptrer i sentrifugalpumper og propellere.

Vibrasjonskavitasjon Vibrasjonskavitasjon oppstår ved at en flate i kontakt med væska vibrerer og danner et pulserende væsketrykk.

2.2.4 Beleggdannelse Av og til er belegg nyttige. På mange metaller dannes det et sjikt av korrosjonsprodukter som beskytter mot videre korrosjon. Dette er som regel svært tynne belegg som ikke har noen praktisk betydning for varmegjennomgang og andre funksjonelle egenskaper.

Som regel er beleggdannelse uønsket.

Når belegg har skadelige virkninger, er det snakk om tykke belegg, og skade­ virkningene det dreier seg om, er: • nedsatt varmeledningsevne. Belegget reduserer varmeoverføringsevnen i kjølere for luft, olje og kjøleflater på elektriske motorer. • økt strømningsmotstand. Årsaken er økt friksjon mellom strømningsmediet og berøringsflatene. Dette gjelder luftforvarmere, i luftkjølere, eksosturbiner i dieselmotorer og på sjøvannssiden i kondensatorer. 42

Generelt om skader

• material ødelegge Ise. Beleggdannelse på motsatt side av varmebelastede flater fører til dårlig varmebortledning, overoppheting og varmesprekker. Høytemperaturkorrosjon og siging av materialer kan også oppstå. • redusert virkningsgrad. Alle former for tap i maskineri fører til nedsatt virkningsgrad.

Du finner mer om beleggdannelse under omtalen av driftsforstyrrelser av hver enkelt maskinkomponent.

2.2.5 Erosjon Erosjon er en form for tæring av materiale, men den er ikke kjemisk betinget som korrosjonen. Erosjon forekommer der partikler i stor hastighet treffer metaller. Disse partiklene kan være et resultat av andre skadeprosesser, som slitasje eller korrosjon, eller det er partikler som kommer inn i maskineri utenfra. Gassturbiner er utsatt for erosjon selv om inntaksfilteret for luft skal fjerne alle faste partikler. Ofte snakker en om erosjonskorrosjon som en egen korrosjonsform. Dette er en kombinasjon av erosjon og korrosjon og blir ikke omtalt nærmere her.

2.2.6 Brudd Det er tre hovedtyper av brudd.

1 Utmatningsbrudd. 2 Seigt brudd på grunn av statisk last. 3 Sprøbrudd.

Utmatning Utmatning, (engelsk: fatigue) eller materialtretthet, opptrer i komponenter som er utsatt for vekslende belastning. De fleste brudd i maskinkomponenter skyldes utmatning, og typiske eksempler er sylinderdeksler, aksler og tannhjul. Utmatningsbrudd utvikler seg fra en mikroskopisk sprekk i materialet etter en tids belastning. Sprekken vokser, og etter noen tid går man over i en stabil sprekkvekstfase der sprekken blir litt større for hver belastning. Sprekkvekstlengden per lastveksling kalles spekkveksthastigheten. Denne øker sterkt med spenningen i delen. Når sprekken vokser, blir det gjenværende materialtverrsnittet mindre. Dette fører til at spenningene øker fordi belastningen er konstant. Etter en tid blir spenningen så høy at den blir lik materialets bruddgrense. Det oppstår et restbrudd.

Utmatningsbrudd kan ha to hovedårsaker:

• feil ved konstruksjonen eller framstillingen (sår, kjerver) • feil drift og vedlikehold som gir store belastninger.

Jo mindre spenningen er, desto flere lastvekslinger kan materialet tåle før brudd inntreffer. Sammenhengen mellom antall lastvekslinger, N, til brudd, og spenningsamplituden gis ved en utmatningskurve eller en Wøhlerkurve. Se figur 2.9.

43

Skader og feilforplantning

Figur 2.9 Wøhlerkurve

Kurven gir komponentens levetid i form av antall belastningsvekslinger ved forskjellig spenningsutslag. Over kurven vil vi ha brudd, mens under kurven holder komponenten. Som kurven viser, flater denne kurven ut for et lastvekslingstall høyere enn ca. N= 107. Vi ser at materialet har en utmatningsgrense. Mange materialer, for eksempel aluminiumslegeringer, har ingen utmatningsgrense, og korrosive miljøer kan senke og utslette slike grenser helt. Utmatningsgrensen betyr den spenningen som gir en viss levetid, van­ ligvis 106 - 107 vekslinger. Utmatningsgrensen for en komponent er avhengig av mange forhold: • materialet. Materialer med høy statisk bruddstyrke har vanligvis også høy utmatningsfasthet. Men høyfaste stål er mer kjervømfiendtlige enn normalt stål. • komponentens form. Skarpe tverrsnittsoverganger eller spor av alle slag (kilspor, gjenger) gir spenningskonsentrasjoner og et godt utgangspunkt for utmatningssprekker. Vanlige skruer utsatt for utmatning haren kjervfaktor på 10. Dette betyr at skruen bare tåler 10% av den belastningen en glatt prøvestav med samme materialet og dimensjon tåler. Se figur 2.10. • overflatebeskaffenhet. Ru overflate etter sponskjærende bearbeiding redu­ serer utmatningsfastheten. Dette er også tilfellet med valsehud og smihud. • middelspenningen. Ofte vil spenningsvariasjonene variere om null, det vil si like stort spenningsutslag i trykk og strekk. Dersom spenningsvariasjonene svinger rundt en middelverdi som ikke er null, vil dette redusere ut­ matningsgrensen. • kjemisk miljø. I sjøvann og korrosive gasser vil utmatningsfastheten redu­ seres kraftig. I praksis vil en i dette tilfellet ikke ha noe utmatningsgrense. Brudd vil komme før eller siden. Høy temperatur gir også lavere utmatnings­ fasthet.

44

Generelt om skader

Figur 2.10 Wøhlerkurve med kjerv Sprekkdannelser kan finnes ved hjelp av magnaflux, ultralyd eller inntrengningsvæske. Se figur 2.11.

Figur 2.11 Bruk av ultralyd Vanligvis er slik direkte overvåkning av utmatningssprekker vanskelig. Det er enklere å overvåke de forhold som kan føre til utmatning, så som ekstrabelastninger, mangelfull oppretting, ubalanse, uheldige miljøforhold og uheldig reparasjonspraksis.

Seigt brudd Et seigt brudd er et langsomt brudd som er ledsaget av stor deformasjon. Vanlig konstruksjonsstål er utsatt for denne formen for brudd. Som uttrykket sier forgår det helst i seige metaller der bruddgrensen ligger godt over flyte­ grensen. Sprøbrudd Sprøbrudd oppstår uten noen synlig form for deformasjon, og bruddets for­ plantningshastighet er stor. For stål kan denne hastigheten være oppe i 5000 m/s. Bruddet skjer ved kløyving langs krystallplan. Årsaken til sprø­ brudd er kjerver, høy belastningshastighet (slag, eksplosjon) og søl fra flyten­ de gass.

Sprøe materialer er mest utsatt for sprøbrudd.

2.2.7 Deformasjon Alle metalliske materialer ordner atomene i et eller annet regelmessig tredi­ mensjonalt mønster, det vil si at materialet har en krystallinsk struktur. Dersom materialet påføres en spenning under flytegrensen, oppstår det en liten deformasjon av atomgitteret, og materialet vil få sin opprinnelige form tilbake når belastningen opphører. En sier at materialet er elastisk. 45

Skader og feilforplantning

Dersom belastningene overskrider flytegrensen, men ligger under bruddgrensen, vil materialet få en varig deformasjon. Dette kalles plastisk deformasjon. Se figur 2.12.

Figur 2.12 Sammenheng mellom spenning og deformasjon Plastisk deformasjon ved moderate temperaturer skjer ved at det foregår glidning mellom atomplanene i krystallene. Plastisk deformasjon følger av overbelastninger i form av strekk, trykk, bøying og vridning, og den har to virkninger: • spenningsfordelingen i komponenten blir forandret. • komponentens form blir forandret.

En annen form for varig deformasjon er materialsiging. Siging oppstår etter lengre tids belastning ved temperatur over en bestemt grense som er spesiell for hver materialtype. Varmefasthet er et fellesbegrep for alle former for siging. For å få et materiale mer varmefast tilsettes legeringsmetaller som hindrer glidning av atomplanene ved utskillelse av fmfordelte karbider. Lege­ ringsmetaller som brukes, er molybden, vanadium, niob og wolfram.

2.2.8 Nedbrenning Nedbrenning er forårsaket av enten for høy varmebelastning eller høytemperaturkorrosjon. Med høy varmebelastning menes her enten for høy tempera­ tur i seg selv eller for stor temperaturforskjell mellom varm og kald side over et materialtverrsnitt. Høy varmebelastning opptrer dersom en eller flere av disse hendelsene inn­ treffer:

• • • • •

dårlig kjøling maskineriet overbelastes for lite luft eller for høy lufttemperatur i forbrenningsmotorer beleggdannelse som virker isolerende unormal forbrenning i forbrenningsmotorer.

Uansett årsak vil høy varmebelastning svekke materialegenskapene, og føre til sprekkdannelser i overflaten. Dersom det samtidig forekommer høytemperaturkorrosjon (utfelling av korrosivt belegg), kan overflatematerialet for­ svinne, og det dannes store groper.

46

Feilforplantning og systemeffektivitet

2.3 Feilforplantning og systemeffektivitet 2.3.1 Feilforplantning På sidene foran har vi tatt for oss skader og årsakene til at skader oppstår, for så å kunne gjøre problemet med skader og feil så lite som mulig.

I tillegg til dette er det viktig å vite hvilke konsekvenser en feil et sted får for andre komponenter i et prosessanlegg. Som regel er flere komponenter i et prosessanlegg avhengig av hverandre på samme måte som én skade på en komponent kan føre til andre skader på samme komponenten. Vi trenger med andre ord en konsekvensanalyse av feil som oppstår. Slike konsekvensvurde­ ringer gjøres hele tiden av erfarne operatører, men det er viktig å kunne systematisere disse vurderingene og lage en metode slik at flest mulig kan se konsekvensene av feil og skader et sted. Vi skal her begrense oss til å se på en komponent. Metoden kan imidlertid også brukes for hele prosessanlegg, men i en framstilling som denne blir det for komplisert og omfattende.

Metoden går ut på at alle feil, og sammenhengen mellom feil er framstilt grafisk i et diagram. Et slikt diagram kalles et feiltre. Det er bygd opp av logiske symboler og viser sammenhengen mellom en uønsket hendelse og årsakene til denne hendelsen. Feiltreet består av symboler som viser de opprinnelige skadene, inngangshendelsene, og symboler som viser sammenhengen mellom disse inngangshendelsene. De symbolene som viser sammenhengen mellom inngangshendeIse­ ne, kalles logiske porter. Alle logiske porter har en utgang, en hendelse, som er bestemt av portens innganger. Figur 2.14 viser et feiltre for en varmeveksler. Før vi skal se nærmere på det, må de forskjellige logiske symbolene forklares. Figur 2.13 viser en "ELLER"-port og en "OG"-port. ELLER

OG U

A

/2

Figur 2.13 Her er 1 = innganger og U = utganger Ved en "ELLER"-port må enten det som er beskrevet i inngang I], eller det som er beskrevet i inngang I2, skje for at det som er beskrevet i utgangen skal skje. En port kan ha flere enn to innganger.

Ved en "OG"-port må både det som er beskrevet i inngang Ih og det som er beskrevet i inngang I2, skje for at utgangshendelsen skal skje. Det ligger ikke innenfor pensum i dette faget å konstruere et slikt feiltre, men det er viktig å kunne lese et feiltre. Øverst på diagrammet finnes den hendel­ sen som er uønsket for komponenten. Denne kalles topphendelsen. Går vi nedover i diagrammet, finner vi de hendelsene som er direkte årsaker til topphendelsen. Fortsetter vi nedover, ender vi til slutt på alle inngangshendelsene.

47

Skader og feilforplantning

Det er også mulig å lese diagrammet nedenfra, fra inngangshendelsene, og oppover for å undersøke hvilke konsekvenser en feil kan ha.

Vi skal se litt nærmere på feiltreet som er gjengitt på figur 2.14.

Figur 2.14 Feiltre for varmeveksler

Topphendelsen er her definert som: feil i varmeveksler

Dette er utgangen på den øverste porten. Inngangene til denne porten er:

• Material svikt, lekkasje. • Dårlig varmeovergang.

48

Feilforplantning og systemeffektivitet

Både materialsvikt, lekkasje og dårlig varmeovergang er utganger på hver sin port. Vi ser først på materialsvikt og lekkasje:

Dette har to årsaker (innganger i porten) • Ytre krefter (vibrasjoner). Dette er en inngangshendelse i systemet - en basishendelse. Korrosjon. Korrosjon er utgangen på en port, og har to årsaker:

• Elektrokjemisk korrosjon • Turbulenskorrosjon. Denne skyldes for høy strømningshastighet, som er en basishendelse.

Elektrokjemisk korrosjon skyldes korrosivt medium eller mangelfull korrosjonsbe skyttel se.

Dårlig varmeovergang har to årsaker: • Belegg • Luftansamling. Dette er en basishendelse.

Belegg er utgangen på en port, og har tre årsaker: • Korrosjonsprodukter • Utfelling, som skyldes for høy medietemperatur (en basishandelse). • Mikroorganismer, som skyldes for lav strømningshastighet (en basishend­ else).

Dette feiltreet består av bare "ELLER"-porter. Det vil si at alle inngangshendelsene (basishendelsene) alene kan føre til at topphendelsen FEIL I VARMEVEKSLER kan skje. På den måten er dette et enkelt diagram å lese. Dersom det både inngår "ELLER"-porter og "OG"-porter i et feiltre, vil det ikke bli like lett å kunne avgjøre om en inngangshendelse alene fører til at topphendelsen skjer, eller om den må opptre samtidig med en eller flere inngangshendelser. Vi skal se litt nærmere på et slikt feiltre (figur 2.15).

49

Skader og feilforplantning

Figur 2.15 Feiltre Dette feiltreet er bygd opp på generell basis med porter som har utgangene t/], Cf og så videre, og inngangene I2 og så videre. Målet med dette er å kunne avgjøre hvilke inngangshendelser som alene fører til at topphendelsen skjer, og hvilke som må være i kombinasjon for å føre til det samme. I driftsammenheng må det åpenbart være viktig å vite hvilke skader som er særlig farlige for anlegget, og hvilke som er farlige i kombinasjon med andre.

For å kunne gjøre denne analysen brukes en metode som har fått navnet MOCUS (Methodfor obtaining cut setsf I denne boka vil vi ikke gjøre noen utledning, eller presentere den teoretiske bakgrunnen til denne analysemetoden.

Vi skal imidlertid se hvordan den brukes på et enkelt eksempel. Eksempelet er gitt i figur 2.15. Analysen starter med topphendelsen, Go. Metoden går ut på å erstatte topp­ hendelsen og de andre utgangene, Gb G2 og så videre, med sine respektive innganger.

Inngangene som skal stå i stedet for topphendelsene, skal plasseres i et be­ stemt system.

50

Feilforplantning og systemeffektivitet

Utgangen til en "ELLER-port" skal erstattes med sine innganger, og disse skrives under hverandre. Utgangen til en "OG-port" skal erstattes med sine innganger, og disse skrives etter hverandre.

Dette vil bli klarere når eksempelet blir gjennomført. På toppen starter vi med topphendelsen

Go Dette er en "ELLER-port", og inngangene til denne skrives under hverandre: 1 G, Gj er også en "ELLER-port" med fire innganger. Disse skrives under hveran­ dre i stedet for Gp

1 3 g2 g3 2 Hendelse 1 beholdes som den står. Nå kan vi velge om vi skal erstatte G2 eller G3. Resultatet blir det samme. Vi velger å ta G3 først. Dette er en "ELLER-port", og inngangene skrives under hverandre i stedet for G3. Alle de andre hendelsene og portene beholdes:

1 3 g2 7 8 2 G2 er en "OG-port", og dens innganger skal stå etter hverandre:

1 3 g4 g5 7 8 2 Nå kan vi igjen velge hvilken port vi skal erstatte med sine innganger. Vi tar G4. Dette er en "ELLER-port", og inngangene skal stå under hverandre:

1 3 3 G5 4 G5 7 8 2 I dette tilfellet sto det G5 bak porten G4. Når G4 erstattes med sine innganger, skal G5, som sto bak G4, også stå bak alle inngangene som erstatter G4.

51

Skader og feilforplantning

Nå gjenstår G5, som er en "OG-port". Inngangene skrives etter hverandre: 1 3 3 5 6 4 5 6 7 8 2

Nå er analysen gjennomført, og tolkingen av resultatene gjenstår. Radene av inngangshendelser gir det som kalles kuttmengder i feiltreet. Kuttmengder er hendelser, eller kombinasjon av hendelser, som fører til at topphendelsen skjer, for eksempel FEIL I EN VARMEVEKSLER. I eksempelet over er det 7 kuttmengder (7 rader). Inngangshendelse 3 kan både alene og i kombinasjon med 5 og 6 føre til at topphendelsen Gq skjer. Kuttmengden 3 kalles for en minimal kuttmengde, mens kombinasjonen mellom 3, 5, og 6 ikke er minimal. De minimale kuttmengdene fører til at topphendelsen skjer. I vårt eksempel har vi følgende minimale kuttmengder: 1

3

4,5,6

7

8

2

det vil si 6 stykker. I driftsammenheng betyr det at hendelsene 1, 3, 7, 8, 2 må overvåkes, og utviklingen av disse skadene må følges hver for seg. Når det gjelder skadene, eller inngangshendelsene, 4, 5 og 6, må disse ses i sammenheng fordi det er kombinasjonen mellom disse som er avgjørende.

Det vi har gjort nå, er å se på et feiltre for en komponent, og vi har analysert dette. Det er ingenting i veien for at det kan lages et feiltre for et helt prosessanlegg for å finne ut hvilke konsekvenser feil i en komponent har for resten av anlegget. Prinsippet blir det samme, men det vil føre altfor langt å gjennomføre det her.

2.3.2 Systemeffektivitet Et systems effektivitet er et mål for om systemet på et gitt tidspunkt utfører sin funksjon tilfredsstillende når det brukes ved de spesifiserte forhold. En kan også snakke om en komponents effektivitet, men ettersom komponen­ ter står i systemer med andre komponenter, er det mer realistisk å snakke om systemet som helhet.

Ved å skaffe gode opplysninger om enkeltkomponenter under gitte bruksbetingelser kan en systemeffektivitet beregnes. Systemeffektiviteten er sammensatt av følgende tre deler:

1 Kapabilitet 2 Tilgjengelighet 3 Pålitelighet

Kapabilitet Kapabiliteten er et kvalitativt mål, et mål for om systemet kan utføre et arbeidsoppdrag etter spesifiserte kvalitetskrav. Det er vanskelig å tallfeste dette, slik at kapabiliteten blir en vurderingssak.

52

Feilforplantning og systemeffektivitet

Tilgjengelighet Med tilgjengelighet menes sannsynligheten for at et system er klart til bruk på et tilfeldig tidspunkt. Den kan tallfestes som en prosentsats, det vil si forholdet mellom den tiden systemet er klart til bruk og totaltiden. Den tiden systemet ikke fungerer, kan i stor grad tidfestes som planlagt vedlikehold og reparasjoner. Se figur 2.16.

Tt - den tiden komponenten er tilgjengelig til bruk Tit - den tiden komponenten ikke er klar til bruk

Figur 2.16 Fordeling av tid i drift og vedlikehold Ut fra denne figuren kan tilgjengeligheten tallfestes som:

Tilgjengelighet: v

V, v

• 100 %

Andre måter å angi mål for tilgjengeligheten på, er: • MTBM - middeltid mellom vedlikehold (engelsk: Mean Time Between Maintenance). • MTTR - midlere reparasjonstid (engelsk: Mean Time To Repair).

Pålitelighet Et systems pålitelighet er et mål for systemets driftssikkerhet under drift. Fastsettelsen av påliteligheten er basert på produktspesifikasjonene og leve­ randørenes opplysninger. Påliteligheten kan defineres som sannsynligheten for at systemet ikke svikter innenfor et spesifisert tidsrom. Sagt på en annen måte er dette også en funksjonssannsynlighet som kan tallfestes. Naturligvis kan en snu på det å angi sannsynligheten for at systemet svikter i et definert tidsrom.

For en enkeltkomponent angis påliteligheten som antall svikt per tidsen­ het.Dette er et tall som gjeme oppgis av leverandøren. Den inverse funksjo­ nen av svikt per tidsenhet vil gi oss MTBF-verdien (engelsk: Mean Time Between Failure) - midlere tid mellom hvert svikt. o

A finne MTBF-verdien for ett system er mer komplisert. Her skal vi ta for oss et enkelt system med få komponenter for å vise framgangsmåten.

53

Skader og feilforplantning

Figur 2.17 viser et system (forenklet) hvor ei pumpe leverer vann til en varmeveksler.

Figur 2.17 Pumpesystem

Sviktintensiteten for hver enkelt komponent settes opp i en tabell: Komponent

Antall

Svikt per 1000 t

Total svikt per 1000 t

Tank

1

0,07

0,07

Filter

1

0,45

0,45

Ventil

2

0,10

0,20

Pumpe

1

3,00

3,00

Varmeveksler

1

1,30

1,30

SUM

5,02

Dette gir en midlere tid mellom hvert svikt på: MTBF = 1000/5,02 - 200 timer Det vil si at systemet har en gjennomsnittlig levetid på 200 timer mellom hvert svikt. Pumpa som svikter oftest, har en levetid på ca. 333 timer. Det er åpenbart at dersom en vil gjøre noe med systemet for å gjøre det mer drifts­ sikkert, må det gjøres noe med pumpa. På store anlegg settes ofte to pumper i parallell slik at den ene står i reserve for den andre, og at den starter automat­ isk når den ene stanser. En senker ikke sviktintensiteten til null, men svært nær. At den ikke blir null, kommer av at det er en mulighet for at reservepumpa ikke starter når den skal.

2.4 Sammendrag De skadetypene som er behandlet i dette kapitlet er: slitasje, korrosjon, kavitasjon, beleggdannelse, erosjon, brudd, deformasjon og nedbrenning.

Det er viktig å kjenne konsekvensene av skader som oppstår. I den forbindel­ se har vi gjennomgått bruken av et feiltre, og en analyse av feiltre for å finne kritiske skader, eller kombinasjoner av skader som kan være kritiske for en komponent. 54

Sammendrag

I tillegg til skader og feil på komponenter (for eksempel ei pumpe) har vi i denne delen også sett på hele systemers effektivitet. I denne forbindelse er det gjort rede for uttrykkene kapabilitet, tilgjengelighet og pålitelighet, som alle er en del av systemeffektiviteten.

55

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter_________ Dette kapitlet tar for seg skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponen­ ter (som for eksempel turbiner, pumper og varmevekslere) i prosessanlegg. Forskjellige typer og virkemåte til komponentene er ikke pensum i dette faget, men for hver komponent blir dette gjennomgått svært kort. Foruten driftsforstyrrelser blir det lagt vekt på å angi målepunkter og måleverdier (trykk, temperatur og så videre) for å kunne bestemme en eller flere tilstandsparametere til komponenten. I denne sammenhengen vil det være viktig å kunne lese og forstå feiltreet til komponenten.

3.1 Turbiner Turbiner i forbindelse med prosessanlegg forbinder en kanskje først og fremst med olje- og gassprosessering. Turbiner kan man dele inn i tre typer: • Vannkraftturbiner • Dampturbiner • Gassturbiner

I denne boka er gassturbiner prioritert i forhold til de to andre typene . Det som sies om skader og feil, kan også i noen grad øve rføres til vannkraft- og dampturbiner.

Dampturbiner er i dag ikke i bruk offshore, men det kan se ut som om de er på vei inn for helt spesielle arbeidsoppgaver.

Gassturbinene er de som brukes i dag. Gassturbiner drives vanligvis av gass, som finnes på stedet, men det er også mulig å bruke diesel. Gassturbinen brukes enten til produksjon av elektrisk kraft (den driver en generator), eller den brukes direkte til drift av kompressor, pumper og så videre. 57

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

En gassturbin er en strømningsmaskin der gass med høyt trykk og temperatur ekspanderer gjennom et sett av skovler til et lavere trykk. Trykk- og temperaturenergien i gassen blir dermed omgjort til mekanisk energi. Når en snakker om gassturbinen i dagligtale, er det både snakk om den delen som frambrin­ ger gass av høyt trykk og temperatur (gassgeneratoren), og den delen som driver nyttelasten (generatoren, pumpa). Figur 3.1 viser en slik enhet. Eksosulløp Eksoskanal

Gjenvinnlngsanlegg foi spillvaume

Ul løp loa venlilasjonslulil, lurbinhus

Reguteilngsspjeld for eksos Lyddemper i venlilasjonsanlegg, lurbinhus

Filler for ventilasjonsluft, luibtnhus

LydifernpeTT eksosanlegg

Inntak for ventilasjonsluft, turbinhus

Ventilasjonsvifte, tuiblnhus

Fihertius, gasstuabin

LuTlinnlak 111 gassluibin

UUløp lor ventilasjonsluft, gener al oihus

Lyddemper i luilinnlak 111 gassHurbin

Smøreoljepakke loi generator Turbinhus

Ijelpesystemskap

Generaloihus

Ekspangsjonsibelg

Figur 3.1 Gassturbin

Typer av gassturbiner Det er mange måter å dele inn turbiner på. Her blir det bare omtalt to: • Etter utvikling, det vil si hvordan de har oppstått • Etter hvor mange aksler turbinen har

Inndeling av turbiner etter utvikling

Her er det to typer: • Aeroderiverte turbiner. Disse er utviklet fra turbiner som lenge har vært i bruk som gassgeneratorer i fly. • Industriturbiner. Disse er i utgangspunktet tunge og store turbiner.

Krav til vekt/volum samt kort "nede tid" har ført til at man i stedet for de tunge industriturbinene man stort sett brukte tidligere, nå foretrekker aerode­ riverte, eller lette industriturbiner. Dette er indstriutgaver av opprinnelige flyturbiner. De har mindre arealbehov, bedre effekt/vektforhold, høyere til­ gjengelighet (kan byttes ut med reserve i løpet av få timer) og har kortere oppstartingstid enn de gamle maskinene. Virkningsgraden er også noe bedre. Det at de veier relativt lite og lett kan skiftes ut, hele eller i moduler, mulig­ gjør helikoptertransport og landbasert vedlikehold og reparasjon. Det er en del vesentlige forskjeller på konstruksjonen på disse turbintypene , men det skal vi ikke komme nærmere inn på her.

Aeroderiverte gassturbiner krever mer høyverdig brennstoff (mindre for­ urensninger) enn industriturbiner.

General Electric LM 2 500 og Rolls Royce RB 211 er flyderiverte gassturbi­ ner, mens GE Frame 5 er en typisk tung industriturbin.

58

Turbiner

Inndeling av turbiner etter antall aksler Enakslete maskiner har både luftkompressor, turbin og kraftuttak på en og samme aksel. Høyt turbinturtall gjør det nødvendig med gir på den utgående aksel. Slike maskiner er virkningsgradsmessig svært følsomme for endringer i turtall og bør derfor kjøres nær designpunktet. Turbiner er derfor gunstigst til å drive utstyr med konstant turtall, som for eksempel elektriske gener­ atorer. Eksempel på denne type turbin er Kongsberg KG 2. Dette er en konstruksjon som nå er lite brukt og kun ved små ytelser (1-1.5 MW).

Ved to- og treakslete gassturbiner er ikke høytrykksturbinen og luftkompressoren mekanisk forbundet med kraftturbinen som driver den påhengte lasten. Dette gjør at man ved varierende ytelse og turtall på lasten (pumpe, prosesskompressor eller lignende) kan få mye gunstigere tilpasning av gassgeneratorens turtall. Dette gjør at virkningsgraden opprettholdes bedre ved ytelsesvariasjoner enn ved enakslete turbiner. Resultatet er bedre driftsøkonomi og leveforhold for utstyret. To- og treakslete maskiner er mye brukt til drift av sentrifugalkompressorer og pumper. Eksempel på toakslet gassturbin er Ge­ neral Electric LM 2 500, Kongsberg KG 5.

Eksempel på treakslet gassturbin er Roll Royce RB 211, Stal-Laval GT 35. Forskjellen på to- og treakslete maskiner er at en toakslet gassturbin har en aksel for kompressor og høytrykksturbin, mens en treakslet har todelt kom­ pressor og turbin. De to delene kan kjøres på ulikt turtall. En toakslet gasstur­ bin har ofte regulerbare ledeskovler i den første delen av kompressoren. Se figur 3.2a og 3.2b. Filter

Figur 3.2a En-akslet turbin

59

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Filter

Figur 3.2b To-akslet turbin I tillegg til disse to inndelingene kan turbiner også deles inn etter gassens strømningsretning, radielt eller aksielt. En radialturbin er kort og har stor diameter mens en aksialturbin er lang og slank.

Virkemåte Som vist på figurene 3.2a og 3.2b, består turbinen av: • • • • •

luftinntak kompressor brennkammer turbin eksoskanal

Som det framgår av figuren, kan turbinen være delt i en lavtrykksturbin og en høytrykks turbin, eventuelt også i en mellomtrykksturbin. I slike anlegg driver lavtrykksturbinen lasten, mens de to andre tilhører det som kalles gassgeneratoren. Turbiner suger inn luft gjennom luftinntaket. Denne lufta blir komprimert i kompressoren før den går til forbrenningskammeret. Her blir den blandet med brennstoffet (gass eller diesel), antent og forbrent. Under forbrenningsprosessen stiger trykket og temperaturen. Forbrenningsgassene ekspanderer så gjennom turbinen og vidre ut i eksoskanalen.

Luftinntaket Figur 3.3 viser en enkel skisse av luftinntaket. Dette er en svært viktig del av gassturbinen. Som vi skal se siden er turbinen følsom overfor forurensninger i lufta. Dette gjelder både støvpartikler, vanndråper og saltpartikler. Alle turbinprodusenter setter strenge krav til innholdet av partikler i lufta.

60

Turbiner Filter

Lufte inn

Undertrykksluke

Lyddemper

Luft inn i * kompressoren

Figur 3.3 Luftinntak De fleste anlegg har et tretrinns inntaksfilter. Første trinns oppgave er å beskytte inntaket fra regn og snø, og å skille ut de største vanndråpene og partiklene. Dette trinnet er et labyrintfilter. Andre trinn er som regel en kombinasjon mellom et grovfilter som tar partikler, og et kullfilter som tar vanndråper. Siste trinn er et fint labyrintfilter.

Dersom turbinen står i et område hvor det er fare for isdannelse i inntaket, er det montert et anti-is-system i filterets første trinn.

Filteret kan bli så tett at turbinen ikke får luft nok. Dersom dette skjer, synker trykket bak filteret, og synker det mye, faller undertrykksluka inn. Turbinen får da nok luft, men ufiltrert luft. I tillegg til filteret finnes det en lyddemper i luftinntaket. På grunn av korrosjonsproblemer er selve filterhuset ofte laget av syrefast stål. Kompressoren Kompressorens oppgave er å øke trykket på lufta før den går inn i brennkammeret. Lufta komprimeres i flere trinn. Mange kompressorer har en aksiell strømningsretning. Grunnen til dette er at det er mer effektivt når store luftmengder skal behandles.

Typiske trykkforhold i en kompressor er 1:18, og turtallet ligger vanligvis på 9 000-10 000 o/min. Kompressoren drives av turbinen. Turbinen må imidlertid ha luft fra kom­ pressoren for å fungere. Dette dilemmaet løses ved at kompressoren settes i drift (ved oppstart) ved hjelp av et starteluftsystem. Brennkammeret I en gassturbin foregår forbrenningen kontinuerlig. Brennstoffet sprøytes inn, blandes med lufta, antennes og forbrenner.

Forbrenningskamrene sitter i en ring rundt gassgeneratoren. Det kan være opptil 30 stykker plassert på omkretsen. Forbrenningstemperaturen ligger i området 1 000 - 1 200°C. Trykket på brennstoffet er ca. 20 bar. Turbinen Som vist på figur 3.2 er turbinen delt i en turbin som driver kompressoren og en som driver nyttelasten (kraftturbinen). Den består av mange turbinhjul som forbrenningsgassene ekspanderer gjennom.

Temperaturen inn på turbinen er ca. 1 100°C. Dette er årsak til mange av driftsproblemene til turbinen. For å bøte på dette har man forsøkt å avkjøle første trinn i turbinen, men ofte oppstår det flere problemer enn de man løser. For å tåle høye tempetaturer er turbinbladene pålagt et varmefast belegg. 61

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Kraftturbinen er i prinsippet bygd opp på samme måte som den som er omtalt over.Når avgassene kommer til denne, er de avkjølt slik at kraftturbinen ikke er utsatt for de samme temperaturbelastningene. Turtallet er også lavere.

Eksoskanalen Når forbrenn ingsgassene forlater kraftturbinen, går den inn i eksossystemet med en temperatur på ca. 500°C. Det er vanlig å utnytte denne varmen til forskjellige oppvarmingsformål. Når gassen på denne måten strømmer gjen­ nom varmevekslere, vil det øke motstanden i eksoskanalen. Denne motstan­ den kan bli så stor at turbinens mottrykk blir for stort og effekten på turbinen synker.

Skader og driftsforstyrrelser I det følgende skal vi se på hvilke feil og skader som kan oppstå i en turbin, og hvilke følger de forskjellige skadene får. Skjematisk er dette satt opp i feiltreet på figur 3.4.

Figur 3.4 Feiltre for en turbin

62

Turbiner

Luftinn taket. En begrensning av driftsproblemene i gassturbiner er svært avhengig av et effektivt luftinntaksfilter. De fleste anlegg i dag har et tretrinns inntaksfilter. Først kommer et labyrintfilter der partikler og vanndråper blir skilt ut på grunn av luftas retningsforandringer. Deretter står det et kullfilter som filtrer ut små vanndråper og slår disse sammen til større dråper. Det siste filteret er et fint labyrintfilter. Inntaksfilteret er i stor grad selvrensende, slik at fuktigheten i lufta vasker labyrintene reine, og fuktigheten renner bort. Likevel vil det etter en tid bli en permanent beleggdannelse, og dermed økt strømningsmotstand over filteret. Dette medfører ugunstige sugeforhold for kompressoren. For at ikke trykket skal bli for lite etter luftfilteret, er det montert ei undertrykksluke i filterhuset. Denne åpner ved et visst trykkfall.

Det er derfor viktig å kunne måle/registrere trykkfallet over filteret. Trykkfal­ let er imidlertid også avhengig av luftmengden som går gjennom filteret. For å kunne sammenligne to trykkfallmålinger må luftmengden gjennom filteret være den samme, det vil si ytelsen på turbinen må være lik for begge målin­ gene. Figur 3.5 viser innflytelsen av økt trykktap på brennstoff-forbruket og effekttapet.

Figur 3.5 Forandring i effekt ved økt trykkfall

Dersom utetemperaturen er under 4°C, og lufta i tillegg har høy luftfuktighet (70%), er det fare for isdannelse foran luftinntaket. For å unngå å få isbiter inn i turbinen er det vanlig med et anti-isingssystem. Dette kan enten bestå av tilførsel av varmluft fra avgasskanalen, eller man kan ha elektrisk forvarming av lufta. Kompressoren Til tross for at det finnes et effektivt filter, vil det alltid passere små salt- og støvpartikler som kommer helt inn i kompressoren. Dette fører i første om­ gang til beleggdannelse på kompressorskovlene. Belegget fører til tilleggsmasser på kompressorrotoren, noe som i neste omgang fører til ubalanse. Dermed vil det oppstå vibrasjoner og mulige skader på aksler, labyrinttetninger og opplagre. Andre skadevirkninger på grunn av beleggdannelse er økt strømningsmotstand og redusert virkningsgrad. Mekaniske skovleskader kan skje (erosjon) dersom partikler slipper gjennom luftfilteret. Dette er ikke så sjeldent. Partiklene vil slipe skovleflatene og skape en eksentrisk massefordeling av rotoren. Resultatet er vibrasjoner. Virkningen av erosjon kan altså overvåkes ved hjelp av vibrasjonskontroll.

63

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Lagerskader i en gassturbin skyldes som oftest urenheter i smøreoljen eller svikt i smøreoljetilførselen. Smøreoljens kvalitet forandres også ved høye temperaturer. Skade på aksiallagre er noe av det verste som kan skje en turbin. Dette kan føre til en forskyvning av rotoren i forhold til turbinhuset, og løpeskovlene kan komme i kontakt med ledeskovlene på turbinhuset.

Brennkammeret Et problem med selve brennkammeret er høytemperaturkorrosjon. Korrosjon på overflater med temperatur på ca. 325°C og oppover er vanlig i brennkam­ meret og på skovlene i turbinen. Høytemperaturkorrosjon skyldes forurens­ ninger i brennoljen/brenngassen og har ofte sammenheng med belegg og saker som dannes under forbrenningen. Korrosjon foregår ved at forskjellige salter smelter, løser opp den beskyttende oksidhinnen på materialoverflaten og dessuten framskynder ny oksidering. De viktigste elementene som inngår i korrosjonsprosessen er: • Svovel(S), • Vanadium(V), • Natrium(Na), • Klor(Cl)

Ved tilstrekkelig høy temperatur vil disse stoffene reagere med det beskytten­ de oksidlaget og dermed føre til tæringer. Kammeret er laget av relativt tynne plater, og dersom det er for mye salter i brennstoffet eller i forbrenningslufta, kan høytemperaturkorrosjon ødelegge brennkammeret. Deler av veggen kan tæres bort, og dette blir gjenstand for følgeskader som ujevnt trykk og strømningsbilde og ujevn forbrenning. Det er ofte installert flere termoelementer for å måle høytrykksturbinens eksostemperatur og fordelingen av denne rundt hele tverrsnittet. Et skjevt strøm­ ningsbilde vil da kunne registreres ved at et eller flere termoelementer gir signal om temperatur som avviker fra de andre. Dette kan så føres tilbake til et bestemt brennkammer. Ujevn forbrenning kan føre til skjev varmebelast­ ning på brennkammerveggen, og det kan oppstå spesielt varme områder (hot spots). Her risikerer man siging i metallet. Når temperaturen seinere synker, oppstår det strekkspenninger i dette området, noe som igjen kan føre til sprekkdannelser. Korrosjons- og sprekkskader i brennkammeret kan repare­ res ved sveising.

Turbinen In nløpstempera turen Skadeutviklingen i høytrykksturbinen skyldes ofte for høye temperaturer. De første turbintrinnene er i utgangspunktet svært høyt varmebelastet, ettersom en høy temperatur i turbininnløpet er gunstig for turbinens virkningsgrad. Dette er imidlertid begrenset av materialkvaliteten på turbinskovlene, og en for høy termisk belastning vil medføre kortere levetid for skovlene. Varmebelastningen er i høy grad bestemt av tilstanden for kompressoren og luftfilteret, samt tilstanden til brennkammersystemet. Begroing av kompressoren i en gassturbin vil føre til redusert luftgjennomgang. For å kunne opprettholde en gitt effekt må dette kompenseres ved økt brennstofftilførsel, slik at temperaturen inn på turbinen øker. For de allerede høyt varmebelastede delene i turbinen er dette uheldig, men innen visse grenser kan det tillates. Denne temperaturstigningen er imidlertid relativt lett å registrere med måleinstrumenter og utgjør dermed en godt egnet tilstandsparameter. På grunn av den høye temperaturen etter brennkammeret, er man nødt til å plassere termoelementene etter høytrykksturbinen. Man regner seg deretter tilbake til riktig temperatur ut i fra andre tilstandsmålinger for den aktuelle driftstilstanden.

64

Turbiner

For å kunne sammenligne målinger ved forskjellige driftstilstander må man kjøre maskinen over et vidt effektområde når den er ny, og registrere data til en ny tilstandskurve, kalt "baseline". Man velger ofte et fast trykkforhold for en gitt del av maskinen, for eksempel gassgeneratoren, og korrigerer så de seinere målingene tilbake til dette trykkforholdet. Tempera turkorreksjonsfak toren En gassturbins ytelse og indre temperatur er avhengig av uteluftas tempera­ tur. For å kunne følge opp temperaturendringer som skyldes indre forhold i maskinen, må en derfor korrigere for slike variasjoner. De målte temperature­ ne divideres med korreksjonsfaktoren. En får da prosesstemperaturer som svarer til utetemperatur 15°C (ISO-tilstand ). Effektreduksjon På grunn av begroing i kompressoren og dermed redusert lufttilgang, vil turbinens maksimaleffekt reduseres, og eksostemperaturen øker. Disse to virkningene har en nær sammenheng. På grunn av reduksjon i levetid for gassturbinen har leverandørene satt grenser for hvor store avvik fra normal tilstand som kan tillates. Noen leverandører tillater en effektreduksjon på 6-7%, mens andre setter krav til et tilsvarende avvik i eksostemperatur. Beleggdannelse Hvis luftfilter og kompressor holdes relativt reine, vil mesteparten av salt- og støvpartiklene stoppe her. Noe vil imidlertid komme videre og passere brennkammeret. Her stiger temperaturen, slik at gassen som går inn i høytrykksturbinen, har mellom 1 100 og 1 200°C. Salter og aske fra inntaksluft og også fra olje som brennes, er ved denne temperaturen klebrig og har lett for å feste seg til skovlene i turbinen. Dette kan medføre tiltetting av kjølelufthullene på skovlene, noe som betyr overoppheting og påfølgende skader, for eksempel slitasje av skovletopper eller til og med brudd på skovlene. Korrosjon Salter i den varme delen av turbinen kan føre til høytemperaturkorrosjon, noe som medfører at skovlene tæres. Tæringen forsterkes hvis temperaturen sti­ ger, for eksempel på grunn av lavt luftoverskudd eller feil ved brennkammersystemet.

I den nordlige delen av Nordsjøen er ikke problemet med salter og høytempe­ raturkorrosjon så stort som man først fryktet. Til tross for mye vind og grov sjø, noe som gir mye saltvannståke i inntakslufta, blir mesteparten av saltet skilt ut i labyrintfiltrene. Dette skyldes at her er det høy luftfuktighet, og dermed opptrer saltet i fuktig form og skilles relativt lett ut i labyrinter. I varmere og tørrere strøk vil derimot salt finnes som små tørre partikler, og det er da det er vanskeligst å filtrere dem bort. Fordi det er ganske vanlig å kjøre turbiner i Nordsjøen på naturgass, som normalt er et reint produkt, er det svært lite forurensninger som føres inn i maskinen via brenselet.

Feil ved brennkammer Turbinen i en gassturbin er veldig følsom for feil ved brennkammeret. Det gjelder spesielt de første og mest varmebelastede turbintrinnene. Hvis, som nevnt i avsnittet om brennkammer, en brennstoffdyse skulle falle av på grunn av feil/dårlig montering eller dårlig ettersyn, vil mye brennstoff renne inn i brennkammeret her. Noe brennstoff vil brenne i kammeret, men en del vil også bli blåst uforbrent fram til de første ledeskovlene foran høytrykksturbinen. Ledeskovlene kan da opptre som flammehoder. og brennstoffet vil bren­ ne her, slik at flammen står rett på rotoren. Dette vil meget fort medføre nedbrenning av skovlene i første trinn på høytrykksturbinen. Heller ikke ledeskovlene har godt av dette. En slik skade vil raskt kunne registreres ved stor ujevnhet i temperaturfordelingen rundt et nedenforliggende tverrsnitt, men ettersom en skovlenedbrenning kan skje veldig fort, kan det være van­ skelig å unngå de skadene som er nevnt over.

65

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Eksoskanalen Beleggdannelse I operasjonsfasen må det som skjer i eksoskanalen, også vies litt omtanke. Mye kjøring på dellast og med dårlig brennstoffkvalitet vil etter hvert medfø­ re at en del sot legger seg på etterheterflater slik at mottrykket i eksoskanalen øker. Dette går utover driftsforholdene til kraftturbinen med påfølgende redu­ sert effekt og økt brennstoffforbruk. Effektreduksjon på grunn av økende mottrykk i eksoskanalen er bare ca. 40% av effektreduksjonen ved tilsvaren­ de trykkfall i luftfilteret. En eksoskanal kan imidlertid av plasserings- og sikkerhetsmessige hensyn bli ganske lang og av den grunn medføre en bety­ delig strømningsmotstand.

For å opprettholde en rimelig god driftsøkonomi, må man følge med utviklin­ gen av trykktapet i eksoskanalen som funksjon av gassmengde gjennom ka­ nalen. Som nevnt tidligere, er trykktapet en funksjon av den mengde luft som passerer røret. En måling av trykktapet må derfor refereres til massestrømmen på målepunktet for å kunne fortelle noe om gjengroing. Korrosjon. Avgasskjel i en eksoskanal blir mer og mer anvendt. Man kan da ta varme­ energi ut av røykgassen og overføre til oppvarmingsformål. På denne måten kan man spare fyring av tilleggskjeler. Blir imidlertid belastningen for høy i forhold til den røykgassmengden som passerer, vil temperaturen på eksosen synke, slik at man får syreutfelling i kanalen. Dette skyldes svovel i brenn­ stoffet og medfører kraftig tæring på materialet i eksoskanalen. Omfanget av dette er avhengig av hvilken type brensel som brukes. For turbiner som kjører på gass, er dette ikke noe problem, men dersom turbinen kjøres på dieselolje med ca. 2% svovelinnhold, må heteflatetemperaturen ikke underskride 150-160 °C. Utløpstemperaturen beregnes ofte til 200°C for at ikke heteflaten og dermed vekten skal bli urimelig stor.

Sprekker En eksoskanal kan være både lang og krokete. Den er utsatt for belastninger fra vindpåkjenning, den må bære sin egen vekt, og den er utsatt for påkjen­ ninger på grunn av vekslende temperatur fra røykgassen. Dette er påkjennin­ ger som etter hvert kan føre til sprekker i sveiser og overganger der det kan bli eksoslekkasje. Dette kan være meget farlig. Det kan medføre fare for eksosforgiftning av folk som arbeider eller oppholder seg i området. Visuell kontroll for om mulig å oppdage sprekker og lekkasjer er derfor å anbefale. I tillegg til de til stand sparametrene som er nevnt, er virkningsgraden en vik­ tig parameter. Under drift vil ytelsen på turbinen bli redusert, og dermed også virkningsgraden. Figur 3.6 viser denne utviklingen.

Figur 3.6 Utvikling av virkningsgraden over tid

66

Kompressor

Reduksjonen i virkningsgraden er en følge av beleggdannelse, slitasje, errosjon, korrosjon og så videre. Dersom en går inn og reparerer (for eksempel vasker turbinskovlene), vil virkningsgraden stige igjen. Den kommer imidler­ tid ikke opp mot det den var i ny tilstand. Den permanente reduksjonen i virkningsgraden skyldes slitasje, errosjon og korrosjon.

Kontrollmetoder for gassturbin Det blir her bare gitt en kort oversikt over hvilke metoder som brukes. En mer detaljert oversikt over utstyr og metodikk blir gitt i kapittel 4. Vibrasjonskontroll brukes som overvåkningsmetode for å holde kontroll med mekaniske skader og beleggdannelser i kompressor og turbin. I tillegg kan lagerskader også overvåkes ved hjelp av vibrasjonsmålinger. o

A kunne måle turbinens aksielle vibrasjoner er svært viktig. I vibrasjonsanalysen brukes en forskyvningsføler som måleinstrument i vibrasjonsanalysen.

Temperaturmålinger brukes både i brennkammeret og i de første turbintrinnene, samt i eksoskanalen. Dette gir en indikasjon på begroing i kompresso­ ren. For å kontrollere lagertilstanden kan temperaturmålinger også brukes. Trykkmålinger brukes for å måle trykkfallet over filteret.

I tilegg kan man, som vi har vært inne på, beregne virkningsgraden. Den brukes som indikasjon på beleggdannelser eller mekaniske skeder.

3.2 Kompressor Kompressorer kan deles inn i to hovedgrupper:

• Fortrengningskompressorer. I denne gruppen ligger blant annet stempelkompressoren og skruekompressoren. • Strømningskompressor. I denne gruppen ligger sentrifugalkompressoren og ejektoren.

Det finnes flere typer kompressorer enn de som er nevnt over, men for at dette ikke skal bli altfor omfattende, skal vi konsentrere oss om de tre vanlig­ ste, stempelkompressoren, sentrifugalkompressoren og skruekompressoren. I det følgende skal vi ikke snakke noe om drivenheten til kompressorene, men om selve kompresjonsenheten. Kompressorer kan drives på mange for­ skjellige vis, både av turbiner, elektriske motorer og dieselmotorer.

3.2.1 Stempelkompressoren Virkemåte Vi har allerede vært inne på et bruksområde for stempelkompressoren, nem­ lig som leverandør av starteluft til turbinen. Dette er bare ett av mange bruksområder for stempelkompressoren. Andre er arbeidsluft, det vil si luft til luftdrevne arbeidsredskaper, og luft til instrumenter. Generelt kan en si at stempelkompressoren gir mindre luft enn sentrifugal­ kompressoren (i m3/h). men med et høyere trykk. Figur 3.7 viser et eksempel på en stempelkompressor.

67

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Figur 3.7 Stempelkompressor Virkemåten til en stempelkompressor ligner mye på en bensin- eller diesel­ motor. Den består av en eller flere sylindere hvor lufta blir komprimert, og ett luftinntak med filter. Som hos turbinen har filteret som oppgave å rense lufta for vann- og støvpar­ tikler. Filteret er bygd opp mye på samme måte som turbinfilteret.

I sylinderen suges lufta inn gjennom sugeventilen, og trykkes ut gjennom trykkventilen. Når stempelet er på vei ned, åpner sugeventilen, og trykkventilen er stengt. Luft suges inn i sylinderen. Når stempelet er i sin nederste stilling, lukker sugeventilen samtidig som trykkventilen også er lukket. Stem­ pelet går opp, og lufta komprimeres. Når lufta har nådd det ønskede trykket, åpner trykkventilen, og lufta presses ut. Når gasser komprimeres, øker temperaturen. Som regel øker den så mye at den kan skade de komponentene som bruker lufta. Derfor er det nødvendig å kjøle ned lufta i en egen varmeveksler (etterkjøler) etter kompressoren. Når lufta skal komprimeres til høye trykk, er det ikke forsvarlig av konstruk­ tive eller temperaturmessige årsaker å komprimere i ett trinn. Dette ville ført til altfor høye temperaturer på lufta og en for stor og tung konstruksjon. I tillegg synker virkningsgraden uforholdsmessig mye dersom trykket oversti­ ger 7-8 bar i en ettrinnskompressor. Derfor foregår kompresjonen ofte i flere trinn (på figuren i to trinn). Ved flertrinns kompresjon blir det plassert en mellomkjøler mellom hvert trinn for å senke temperaturen på lufta før den går inn i neste trinn. En stempelkompressor gir ingen kontinuerlig luftstrøm, men den kommer støtvis. For at forbrukerne av luft skal få en jevn forsyning av luft, leverer kompressoren luft til en tank. Luftstrømmen ut av tanken og til forbrukerne blir kontinuerlig, og lufttrykket vil variere mellom et spesifisert nedre og øvre nivå.

Skader og driftsforstyrrelser Lekkasje De vanligste skader og driftsproblemer for denne typen kompressor er knyttet til lekkasjer. En lekkasje fører til at kompressoren får redusert kapasitet og leveringsmengde. o

Lekkasje over innsugningsventilene og trykk ventil ene er vanligst. Årsakene kan være flere. Ventilsetet og selve ventilen skades av partikler og forurens­ ninger i lufta inn i kompressoren selv om filteret er installert. Lekkasjer over ventilen fører til at den blir varm.

68

Kompressor

I tillegg til denne lekkasjen kan det oppstå lekkasje over stempelet. over og under stempelet er adskilt ved hjelp av stempelringer eller pakninger. Disse tetter mellom stempelet og stempelveggen, og stempelet. Disse er utsatt for slitasje på grunn av bevegelsen langs veggen.

Rommet stempelsitter på stempel­

Begroing I denne sammenheng tenker en først og fremst på begroing av mellomkjøler og etterkjøler. Dette skyldes i hovedsak at filteret ikke fungerer eller ikke er godt nok. Filteret kan også tettes av forurensninger.

Kontrollmetoder Når lekkasjeproblemer er vanligste feiltilstand, er det naturlig at kontroll av kompressorens kapasitet og leveringsmengde er viktig.

I praksis måler en den tiden det tar å pumpe opp en trykktank til et visst trykk. Det trykkområdet en måler på, for eksempel 15-25 bar, må være det samme hver gang. Den tiden det tar å pumpe fra det laveste til det høyeste trykket vil øke, med økende lekkasje.

Endringen i opp-pumpingstiden er tilstandsparameteren.

Dersom en forutsetter at mellomkjøleren fungerer normalt, kan trykket i den­ ne brukes til å avgjøre om lekkasjen er i lavtrykks- eller høytrykkssylinderen. Finnes lekkasjen i lavtrykkssylinderen, vil trykket i mellomkjøleren synke.

Hvis lekkasjen finnes i høytrykkssylinderen, vil trykket her øke. Trykkforandringen vil være tilstandsparameteren Nå vil ikke kompressorens kapasitet bare være avhengig av lekkasjens stør­ relse. Den vil også variere med ytre forhold som temperatur og luftfuktighet på den innsugde lufta, kjølevannstemperatur og temperaturen i trykkbeholderen. Levert luftmengde vil synke med stigende temperatur på den innsugde lufta, og når temperaturen i trykkbeholderen stiger, synker også levert meng­ de. Målinger som tas for å fastsette tilstandsparametrene bør tas under samme ytre betingelser hver gang, men det er mulig å korrigere de to tilstands­ parametrene overfor disse forholdene.

Kvaliteten på mellomkjølingen kan avgjøres av det som kalles det øyeblikk­ elige effektforbruket. Det øyeblikkelige effektforbruket er effektforbruket ved et bestemt flasketrykk. Hvis mellomtrykket øker, vil dette effektforbru­ ket også øke. Det forutsettes at effektforbruket avleses ved samme trykk hver gang. Det øyeblikkelige effektforbruket er en tilstandsparameter for mellom­ kjøleren Virkningsgraden og variasjonene i den sier noe om virkningen av både lekka­ sje og grodd mellomkjøler. Den prosentvise økningen i det elektriske arbei­ det som gjøres ved opppumping er den samme som den prosentvise reduksjo­ nen av virkningsgraden. Det elektriske arbeidet er den midlere effekten som brukes for å pumpe opp fra et trykk til et annet multiplisert med den tiden det tar.

69

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Det midlere energiforbruket i en periode er en tilstandsparameter for hele kompressoren

3.2.2 Sentrifugalkompressoren Oppbygning og virkemåte. I olje- og gassprosesser er denne typen komprerssor som oftest i bruk. Også denne kompressortypen kan deles inn i forskjellige undergrupper etter konstruksjonsform eller etter strømningsretningen på gassen. Konstruksjonsmessig kan de enten være delt horisontalt (horisontal splitt) eller vertikalt (verti­ kale splitt eller engelsk: barrel type). Figur 3.8 viser en som er horisontalt

Figur 3.8 Sentrifugalkompressor Disse kompressorene kan levere gass med trykk opp til 800 bar, og de går med et omdreiningstall på opp til 12 000 o/min. Det er en tendens til at kompressorer, turbiner, pumper og så videre, blir lettere og får økt turtall. Dette fører i neste omgang til problemer med vibrasjoner, noe som vi skal komme tilbake til seinere. Kompressorer øker energiinnholdet i gassen eller lufta, og må dermed drives. Disse store sentrifugalkompressorene drives av turbiner. Som figur 3.8 viser er sentrifugalkompressoren bygd opp av et eller flere løpehjul som er festet på akselen. Gassen kommer inn i kompressoren nær akselen og entrer det første løpehjulet. Hastigheten på løpehjulet sammen med sentrifugalkreftene gjør at gassen blir presset radielt ut, og hastigheten på gassen øker. Når gassen forlater løpehjulet, møter den mottrykket fra systemet, og hastighetsenergien går over i trykkenergi (det vil si hastigheten synker og trykket øker).

For å forstå de problemene som kan dukke opp under drift, er det nødvendig å se litt nærmere på oppbygningen av sentrifugalkompressoren.

70

Kompressor Kompressorhuset

Kompressorhuset inneholder alle delene med unntak av akselens opplagringer. Hvilket materiale dette er lagd av, og dimensjoneringen er gitt i regel­ verk. Som nevnt tidligere er kompressorhuset delt enten horisontalt eller vertikalt. Ved horisontalt delte hus er det vanligvis bare metall mot metall i flensene. Dette er problematisk når det i gassene er små molekyler (helium, hydrogen, metan) ved høye trykk. Da oppstår lett lekkasjer. Dersom slike gasser er til stede, brukes vertikalt delte hus der endelokkene er boltet sam­ men med tetningsringer eller låseringer. Skillevegger

Skilleveggene er festet på kompressorhuset og står dermed stille. Disse har til oppgave å lede gassen inn på løpehjulet og ut av dette. Dersom kompressoren har flere løpehjul (flertrinnskompressor), skal skilleveggene lede gassen ned mot akselen igjen og inn i neste løpehjul. Samtidig er de formet slik at hastighetsenergien blir gjort om til trykkenergi ved at gjennomstrømningsarealet øker gradvis utover i radiell retning. Rotoren

Som det ligger i ordet, inneholder denne delen det som roterer i kompresso­ ren. Den består av akselen, løpehjulene, akselforinger, utbalanseringsskive og flenskoblinger. Løpehjulet overfører rotasjonsenergi fra drivenheten og akselen til gassen. Avhengig av gassmengde, gassammensetning og trykkøkning kan dette ha flere forskjellige utforminger. Figur 3.9 viser noen av disse.

Figur 3.9 Forskjellige typer løpehjul Akselforingene er metallsylindere som ligger på akselen og har som hoved­ oppgave å holde riktig avstand mellom løpehjulene. Se figur 3.10.

Figur 3.10 Tetninger og foringer I tillegg skal de isolere akselen fra gassene slik at akselen ikke korroderer, og beskytte akselen mot slitasje fra labyrinttetningene.

71

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

På grunn av strømningsforholdene inne i kompressoren oppstår det en aksiell kraft. For å ta vare på denne er det plassert et balanseringsstempel på akselen ved utløpssiden av rotorenheten. Tetninger En kompressor som innvendig har høye trykk, er selvfølgelig utsatt for lekka­ sjer til omverdenen. I svært mange tilfeller er det et krav at det ikke skal være lekkasjer fra en kompressor. Det brukes flere typer tetninger:

• labyrinttetninger • oljefilmstetninger • mekaniske tetninger

Som figur 3.10 viser, er det plassert labyrinttetninger på begge sider av løpehjulet for å redusere de interne lekkasjene i kompressoren og å redusere trykket for hovedtettningene.

Oljefilmstetninger finnes i begge ender av kompressoren. Disse tetningene skal hindre gasslekkasje til omgivelsene. Se figur 3.11. 7

1

i 6

8

Figur 3.11 Oljefilmstetninger Denne typen tetning består av en foring med en liten klaring mot akselen. I denne klaringen etableres oljefilmen. I tillegg til at den tetter, smører den og leder bort varme. For at tetningen skal være effektiv, må oljen ha et vist trykk. På figur 3.11 ser vi også at det finnes en buffergass mellom oljen og prosessgassen.

Skader og driftsforstyrrelser Rotorens dynamiske likevekt

Rotorens likevekt kan forstyrres av maskinen selv, fra fundamentet eller fra gassen den komprimerer. Gassen kan være årsak til ustabile stømningsforhold som gir både radielle og aksielle krefter. Det er særlig kombinasjonen mellom høymolekylære gasser og høye trykk som gir denne ustabiliteten.

Påvirkningen fra fundamentet skyldes skjevoppretting eller montasjefeil. Dette vil føre til uønskede vibrasjoner.

72

Kompressor

Den største årsaken til forandring i den dynamiske likevekten er likevel ubalanserte masser i rotoren. Ubalanse gir vibrasjoner. Noe vibrasjoner fin­ nes det alltid i alle roterende maskiner på grunn av unøyaktigheter i framstil­ lingen og så videre. Det er to måter å skape ubalanse på: • ved å fjerne masse • ved tilleggsmasser

Fjerning av masse skjer stort sett enten ved korrosjon eller erosjon. Korrosjon kan unngås ved riktig materialvalg. Erosjon skyldes enten uønskede partikler i gassen eller væskedråper. Filtre og/eller væskeutskillere er derfor nødven­ dig foran en kompressor. I tillegg til ubalanse gir korrosjon og erosjon også endrede strømningsforhold og dermed tilleggskrefter. Skader på lager Vibrasjoner og aksialkrefter fra rotoren forplanter seg ut i lagrene og sliter på disse. Ustabile strømningsforhold og lekkasjer i kompressoren fører også til unormale lagerbelastninger. En tredje faktor som påvirker lagrene, er kvalite­ ten på smøreoljen til lageret og trykket på oljen. Skader på tetninger Som nevnt tidligere, består tetningssystemet i hovedsak av labyrinttetninger og et tetteoljesystem. Radielle vibrasjoner i rotoren sliter på labyrinttetningene og gir lekkasje i disse. Dermed vil den indre lekkasjen øke.

Oljetettesystemet skal hindre lekkasje til atmosfæren og består av en oljefilm som ligger rundt akselen. Denne oljen varmes opp, og den absorberer en del gass. Derfor er det viktig med sirkulering av oljen med påfølgende avkjøling og rensing. Ved hydrokarbongass vil flammepunktet på olje synke uten ren­ sing.

Sentrifugalkompressoren kan få sugeproblemer dersom tetningene er skadd og luft/gass strømmer fra et trinn med høyt trykk til trinnet foran.

Kontrollmetoder Kontroll av lager Skader i rotoren forplanter seg til lagrene. Derfor er overvåkning av disse viktig. Det er flere måter å gjøre dette på: • måling av belastninger • temperaturmåling • vibrasjonsmålinger

Som nevnt overføres både aksielle og radielle krefter til lagrene. Særlig de aksielle kreftene gir problemer. Figur 3.12 viser hvordan disse kreftene kan måles.

73

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Figur 3.12 Plassering av belastningsføler Her er en belastningsføler plassert i lagret. Denne registrerer forandringer i og størrelsen på aksiallasten. Temperaturmåling på lager kan gjøres på to måter. Det er mulig å måle temperaturen i lagermetallet (glidelager) eller temperaturen i smøreoljen til lageret. Figur 3.13 viser plassering av måleinstrumenter for måling av vibrasjoner. For en kompressor er det helt avgjørende at akselen med rotoren ikke beve­ ger seg i aksiell retning. Da kan løpehjulene komme bort i skilleveggene som står stille.

Figur 3.13 Plassering av givere for vibrasjonsmåling Den aksielle giveren på figuren måler den aksielle vandringen til rotoren. De andre giverne måler vibrasjoner i radiell retning, og gjennom en etterfølgende frekvensanalyse av disse målte vibrasjonene kan andre feil oppdages. Disse giverne kan også stå på selve kompressorhuset. I kapittel 4 blir denne teknik­ ken gjennomgått mer i detalj.

Termodynamisk kontroll I praksis vil dette være en kontroll av virkningsgraden til kompressoren. Den kan beregnes ut fra trykkforhold og gasstemperaturer. Det er imidlertid lette­ re å bruke kompressorens karakteristikk, som kan fås fra leverandøren. Se figur 3.14.

74

Kompressor Operasjonspunkt

Figur 3.14 Forandring av virkningsgraden

En slik karakteristikk lages spesielt til hver kompressor, og gjelder for en bestemt innløpstemperatur og tetthet på gassen. Dersom disse to verdiene endrer seg, må diagrammet korrigeres. Ved et gitt trykkforhold og volumstrøm (denne kan måles) finnes virkningsgraden fra diagrammet.

Aktuelle tilstandsparametre for sentrifugalkompressor kan være: - Vibrasjonsnivå i både aksiell og radiell retning - Aksialkraft i lager - Temperatur i lagermetall og smøreolje i lager - Kompressorens virkningsgrad

3.2.3 Skruekompressoren Virkemåte Skruekompressoren er en fortrengningskompressor og er slik sett av samme hovedtype som stempelkompressoren. I motsetning til stempelkompressoren gir denne en kontinuerlig gass-/luftstrøm. Skruekompressoren er mye brukt til arbeidsluft. Figur 3.15 viser et bilde av en slik kompressor.

Figur 3.15 Skruekompressor 75

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Luft suges inn mellom de to roterende skruene som roterer mot hverandre. Turtallet til de to skruene synkroniseres ved hjelp av et gir. Ideelt sett skal det ikke være mekanisk kontakt mellom Hankene på skruene. Lufta føres fram i innelukkede rom mellom skruene og komprimeres på veien fram mot trykk­ enden ved at luftrommene blir mindre og mindre. De såkalte oljefrie skruekompressorene arbeider med svært store periferihastigheter. Denne hastigheten og noe mekanisk kontakt gjør at de har et høyt støynivå.

I dag finnes det skruekompressorer som har oljeinnsprøytning mellom skrue­ ne. Dette løser mange slitasjeproblemer og senker støynivået betraktelig. Dis­ se er i dag meget pålitelige og driftssikre. Oljen sprøytes direkte inn i områ­ det der de to skruene kommer i inngrep. Dermed dannes det en tettende og bærende oljefilm på flatene, og det blir ingen mekanisk kontakt mellom flatene.

Det er et problem med alle kompressorer at lufttemperaturen øker mer enn ønskelig. Ved å sprøyte olje inn i luftstrømmen kan lufta avkjøles, og dermed øker den volummetriske virkningsgraden. I praksis kan lufttemperaturen hol­ des under 100°C. Oljen virker også dempende på støyen fra kompressoren.

En ulempe med oljeinnsprøytning i lufta er selvfølgelig at lufta drar med seg oljepartikler. Derfor kreves det en effektiv oljeutskiller for å fjeme oljen igjen.

Skader og driftsforstyrrelser På grunn av innsugd luft De største driftsproblemene oppstår i forbindelse med kvaliteten på den lufta som suges inn i kompressoren. Forurensningene er i form av partikler og vann. Problemene er sannsynligvis større for de komponentene som mottar luft enn for kompressoren. Det som må gjøres for å unngå nevnte problem, må gjøres i forbindelse med innsugingen av luft.

All luft inneholder partikler som kan by på problemer. Hvor mye av partikle­ ne som skal fjernes, er avhengig av hva lufta skal brukes til. Et minimum er at det installeres et filter i forkant av kompressoren. Dette filteret gir en generell beskyttelse av kompressor, rørsystem og komponenter. Figur 3.16 viser en skjematisk oversikt av en kompressorinstallasjon med luftbehandlingsutstyr.

Elektrisk motor

Kompressor

Filter

Kjøler

Trykklufttank Vannutskiller

Åpen tank

Kjøletørker Sikkerhetsventil

Figur 3.16 Kompressorinstallasjon 76

Stengeventil

Pumper

Her er det også plassert fmmaskede filtre etter trykklufttanken for å filtrere vekk finere partikler enn filteret foran kompressoren, og å beskytte rør og komponenter i systemet. Når filtrene er plassert etter tanken, blir noe av forurensningene tilbake i denne, og belastningen på filtrene blir mindre. Det finnes flere forskjellige typer filtre, som:

• • • • •

sil for partikler partikkelseparator sintermetall (porøst materiale) fiberfilter for partikler submikron fiberfilter for partikler

Vann og fuktighet i den innsugde lufta er årsak til de fleste problemene. Derfor er metoder og utstyr for å fjerne vann og å tørke lufta viktig. Svært ofte settes det krav til vanninnholdet i trykkluft. Det er flere måter å fjerne vannet på: • separering i forbindelse med avkjøling av lufta • filter for utskilling av vann • kjemisk binding av vann eller absorbsjon/adsorbsjon Figur 3.16 viser også plassering av vannutskillere i forbindelse med kjølere og i forhold til kompressoren og forbrukere. På figuren fungerer trykklufttan­ ken også som en vannutskiller, og lufta til forbruker er ikke garantert tørr. I andre tilfeller kan alt behandlingsutstyret plasseres foran tanken, slik at lufta i trykklufttanken forblir tørr. En tredje type forurensning i lufta kan være olje. Metoder for å fjerne olja kan være: • filter for fjerning av olje • absorbsjon

Dersom det skal installeres filtre eller tørkeutstyr i et gammelt system, bør dette plasseres etter trykklufttanken og så nær komponenten som mulig. På denne måten fanger vi opp så mye som mulig av forurensninger i det gamle systemet.

Kotrollmetoder På en skruekompressor er det stort sett snakk om vedlikehold etter driftstid, og ikke etter teknisk tilstand. Det er snakk om ettersyn og utskifting av filtre, og ettersyn av ventiler som styrer avtapping av væskeutskilleme.

Dersom det er snakk om vedlikehold etter teknisk tilstand, kan aktuelle tilstandsparametere være: - trykkfall over filtrene - temperaturer ut og inn av kjølere - nivå i væskeutskillere

3.3 Pumper Det finnes mange forskjellige pumper, og mange måter å dele dem inn på. En måte å gjøre dette på, er å dele dem inn i enten dynamiske eller volumetriske pumper. Innen den dynamiske gruppen finner vi blant annet sentrifugalpumper og ejektorer. I gruppen volumetriske pumper finnes stempelpumper, tannhjulspumper og membranpumper. Som sagt finnes det flere pumper enn disse. I dette kapitlet blir bare stempelpumpa og sentrifugalpumpa omtalt, dels fordi disse er mest i bruk, og dels fordi skader, feil og kontrollmetoder for disse to også i noen grad gjelder for andre.

77

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

3.3.1 Sentrifugalpumper Virkemåte En sentrifugalpumpe virker mye etter samme prinsipp som en sentrifugalkompressor. Pumpas oppgave er å øke trykket i væska. Det kan gjøres i ett eller flere trinn. På figur 3.17 er det vist en enkkel etttrinns sentrifugalpumpe. Løpehjul

Mekanisk tetning

Pumpehus

Figur 3.17 Ett-trinns sentrifugalpumpe

I sin enkleste form består den av et pumpehus, et løpehjul og en aksel med sine opplagringer. I tillegg kommer diverse tetningssystemer for å hindre lekkasje fra pumpa. Pumpa suger fra et reservoar og leverer til systemet. Væska kommer inn i pumpa i senter, den øker hastigheten i løpehjulet på grunn av sentrifugalkref­ tene og far en trykkøkning når den forlater løpehjulet og møter systemet. Ved oppstart av pumpa må pumpehuset være fylt med væske.

Figur 3.17 viser en etttrinnspumpe. Disse har lave leveringstrykk. Ved høyere trykk brukes flertrinnspumper eller flere pumper koblet i serie. På flertrinns pumper blir væska, når den forlater det første løpehjulet, ført videre ved hjelp av ledeskovler inn i neste løpehjul. Sammenlignet med andre pumper har sentrifugalpumpa en rekke fordeler: • Den har en billig og enkel konstruksjon. • Pumpa har ingen ventiler. • Den kan operere med høye turtall. Av denne grunn er den velegnet for direkte tilkobling til elektriske motorer. Det høye turtallet gjør at pumpa blir liten og lite plasskrevende. • Pumpa gir en kontinuerlig væskestrøm. • Den er driftsikker. • Den tåler at trykkledningen blir blokkert. Sentrifugalpumpa har også sine svakheter: • Den er ikke selvsugende. • Pumpa vil gi full tilbakestrømning til sugetanken dersom tilbakeslagsventil ikke er montert eller den er skadd. • Væsker med høy viskositet pumpes dårlig . • Den høye virkningsgraden gjelder bare for et begrenset kapasitetsområde.

For å forstå virkemåten til pumpa er det nødvendig å si litt om betingelsene for at pumpa skal fungere godt. I denne forbindelsen er kavitasjon og betin­ gelsen for ikke å fa kavitasjon viktig. I kapittel 2 ble det sagt litt generelt om kavitasjon, men her skal vi se nærmere på hvordan kavitasjon kan unngås. Kavitasjon

Som nevnt tidligere skyldes kavitasjon for lavt trykk i væska. Tilstrekkelig lavt trykk gir koking og dermed bobledannelse. Lavt trykk i pumpa skyldes i hovedsak tre ting: 78

Pumper

• • • • •

Pumpa står for høyt i forhold til sugetanken. For stort tap i sugeledningen. Trykksenkning i pumpa på grunn av hastighetsøkning. For høy temperatur på mediet. For lavt trykk i reservoaret.

Figur 3.18 viser hvilke trykktap som er til stede.

Figur 3.18 Tap i pumpas sugerør

For å unngå kavitasjon kan en sette opp følgende ligning for å hindre kavita­ sjon:

-Hfs - NPSH -Hv-Hs (m) maksimale sugehøyde 77b:trykket over væskeoverflaten i sugetanken Hfs:summen av friksjonsmotstand og enkeltmotstander i sugeledningen

NPSH:forkortelse fra engelsk (Net Positive Suction Head). Denne verdien angir pumpas manglende evne til å danne vakuum. Den er avhengig av pumpas konstruksjon, og stiger med økende kapasitet. TVPSH-verdien oppgis av pumpeleverandøren.

//V:væskas damptrykk. Denne er avhengig av væsketemperatur og tetthet. For vann med temp. 20°C er damptrykket 0,023 bar. Hs:sikkerhetsfaktor som varierer fra pumpe til pumpe. For å unngå kavitasjon kan følgende forholdsregler tas:

Man tar utgangspunkt i den formelen som ble presentert tidligere: Hm^=H^-Hk-NPSH-Hy-H,

79

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

#max; Pumpa plaseres alltid så lavt som mulig, eller væskenivået heves. Nivåendring kan være den billigste måten å unngå kavitasjon på. Hh:Denne faktoren vil være konstant når pumpas beliggenhet er gitt.

Sugeledningen gjøres så kort som mulig.

- Sugeledningen utstyres med så få tapskomponenter som mulig. - Sugeledningen blir lagd av glatte rør med stor diameter.

NPSH: Ei pumpe med lavere NPSH-verdi kan velges.

Hy,: Denne kan reduseres ved å redusere væsketemperaturen.

//s: Vurderes individuelt.

En enkel måte å unngå kavitasjon på er å redusere væskemengden ved å lukke strupeventilen på pumpas trykkside litt. En må imidlertid være klar over at struping øker pumpas effektbehov. Mange foretrekker å omskrive formelen for Hmax og løse den med hensyn på jVPS/Z-verdien. NPSH = //b - H{s -Hv-Hs- Hmax

På denne måten får en den tilgjengelige MfSH-verdien for pumpesystemet.

Den NPSH-verdien som finnes, ATP^ST/tiigjengeiig, sammenlignes nå med den NPSH-verdien som kreves ifølge den gitte pumpekurven.

Dersom 2VPS£/tiigjengeiig er større enn NPSHnødvendig, unngås kavitasjon. Omvendt vil det oppstå kavitasjon. Kavitasjon gir erosjon, og dermed tæring av materialet på løpehjulet. Av de vanligste materialene vil støpejern tæres raskest (ca. 20 ganger raskere enn rustfritt stål, og 10 ganger raskere enn bronselegeringer).

Foruten vekttap gir kavitasjon en drastisk reduksjon av leveringsmengden. Se figur 3.19. AH

Figur 3.19 Pumpekurve med og uten kavitasjon

80

Pumper

Skader og driftsforstyrrelser Før vi ser på skader og feil under drift, skal vi se litt på hva som kan være grunnen dersom pumpa ikke pumper væske ved oppstart, eller dersom levert væskemengde synker raskt etter oppstart. Grunnene til dette kan være: • pumpa har ikke væske eller ikke nok væske i pumpehuset • luftlekkasje i sugerøret • luftlommer i sugerøret • feil rotasjonsretning • tett innsugningsfilter • for lav rotasjonshastighet • for stor sugehøyde Feiltreet på figur 3.20 gir en oversikt over feil og skader i sentrifugalpumper. Skadene kan deles inn i tre kategorier: • tæringer • lekkasjer • lagerskader

Tæringer Tæringer har man både på løpehjul, pumpehus og foringer, og de kan deles inn i områdene: • • • •

kavitasjon partikkelerosjon turbulentkorrosjon korrosjon

o

Årsakene til kavitasjon er behandlet tidligere, men skyldes altså for lavt trykk i pumpa eller for høy temperatur i væska (damptrykket øker med økende temperatur).

Partikkelerosjon skyldes harde partikler (som sand eller korrosjonsprodukter) i væska. En kan hindre at partikler kommer inn i systemet ved å plassere et filter på pumpas sugeside. Ulempen med dette er selvfølgelig et stort trykk­ fall på sugesiden. Både pumpehus og løpehjul blir utsatt for erosjon.

Turbulenskorrosjon er en følge av for store strømningshastigheter. Korrosjon opptrer vanligvis når væska inneholder stoffer som angriper materialet i pum­ pa (som for eksempel svoveldioksyd). Ved riktig materialvalg kan disse pro­ blemene løses, men tross dette er korrosjon i pumper kanskje det vanligste skadeproblemet. Lekkasje Når pumpa går under normale driftsforhold, er slitasjen på pakkbokser og tetninger liten. Mange forhold vil imidlertid kunne øke slitasjen. Det største problemet er lekkasje fra trykksiden til sugesiden inne i pumpa. For å minske denne er klaringen mellom løpehjulet og pumpehuset svært liten. Dersom det oppstår radielle krefter i pumpa, kan det oppstå metallisk kontakt mellom løphjul og rotor som i neste omgang gir slitasje og større klaringer. Radielle krefter oppstår når pumpa går under andre forhold enn det den er konstruert for, det vil si andre trykkforhold og andre leveringsmengder. Radielle krefter oppstår også når massefordelingen på løpehjulet blir forandret på grunn av kavitasjon, erosjon eller belegg. Lekkasje ut av pumpa skyldes at pakninger tæres eller skades på grunn av vibrasjoner.

81

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Figur 3.20 Feiltre for ei pumpe Lagerskader De årsakene som er nevnt over, og som gir radielle krefter, er opphavet til vibrasjoner i pumpa. Disse forplanter seg til lagrene og forkorter levetiden til disse. På grunn av forskjellige trykk på løpehjulets trykk- og sugeside oppstår det aksielle krefter som forplantes til lagrene. Disse kreftene blir utbalansert, men utbalanseringen kan skades slik at aksialkreftene blir overført til lagrene og gi skade.

82

Pumper

Gal smøring av lageret gir også skader. For mye smørning gir varmgang, og for lite gir slitasje.

En tredje årsak til skade i lageret er feilmontering.

Kontrollmetoder Vibrasjonsanalyse Alle skader og feil som fører til dynamiske krefter og dermed vibrasjoner kan, oppdages ved hjelp av vibrasjonsmålinger. Følgende feil kan oppdages ved hjelp av slike målinger:

• Ubalanse. Dette skyldes gal massefordeling i rotoren, som igjen skyldes kavitasjon, erosjon, belegg eller konstruksjonsfeil. • Feilmontering. Fundamentet til pumpa er skeivt. • Løse bolter. • Kritisk turtall. Oppstår når pumpas turtall faller sammen med egensvingetallet. • Lagerskader. • Kavitasjon. Her er det snakk om å oppdage kavitasjonen i seg selv, og ikke virkningen av den. Svingninger på grunn av kavitasjon har høy frekvens. • Skovleskader. Dette gjelder mekaniske skader som avskalling eller brudd. • Trykkstøt.

Ved vibrasjonsmålinger er tilstandsparameteren størrelsen på svingeutslaget ved de aktuelle frekvensene. Temperaturmålinger Både i rullelager og i glidelager brukes temperaturmålinger. I glidelager må­ les temperaturen i lagermetallet, og i et rulllager måles temperaruren i smøre­ olja.

Ved temperaturmåling er tilstandsparameteren temperaturøkningen Lekkasjemålinger De ytre lekkasjene er de enkleste å kontrollere. Dette gjøres ved visuell inspeksjon. De indre lekkasjene kan kontrolleres ved å måle drivmotorens effekt eller løftehøyden. For å kunne sammenligne målinger må de skje ved samme turtall og levert mengde. Levert mengde kjenner man sjelden. For å unngå dette problemet kjøres en kortvarig test med stengt trykk ventil. Ei sentrifu­ galpumpe skades ikke av dette. Med stengt trykkventil måles effektforbruket. Effektforbruket øker med de indre lekkasjene.

Virkningsgraden til pumpa kan også måles for å tegne et bilde av indre lekkasjer. Driftspunktet for pumpa kan finnes ved å måle trykkøkningen over den, levert mengde og turtallet. Det nye driftspunktet vil falle innenfor pumpekurven når pumpa var ny dersom det er indre lekkasjer. Se figur 3.21.

83

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Figur 3.21 Driftspunkt med indre lekkasjer

Ved lekkasjemåling tilstandsparameteren være: - økningen i effektforbruket - pumpas virkningsgrad - beliggenheten til det nye driftspunktet

3.3.2 Stempelpumper Virkemåte Stempelpumpa er ei fortrengningspumpe som gir en bestemt væskemengde per slag. Dette og det at den gir en pulserende væskestrøm, begrenser bruken av denne pumpetypen. Som figur 3.22 viser, består den av en sylinder, et stempel, to ventiler og nødvendige pakninger for å hindre lekkasjer. *

Stempelbevegelse

Vann ut

Figur 3.22 Stempelpumpe

Pumpa på figuren er enkeltvirkende, det vil si at den bare leverer væske når stempelet går ned. Stempelpumper kan også være dobbeltvirkende.

Bruksområdet til denne pumpa ligger ved små leveringsmengder og høye trykk. Trykket har ingen bestemt maksimumsverdi, men det stiger til pumpa stopper eller den blir ødelagt. Derfor er det ikke mulig, som for sentrifugalpumpa, å stenge trykkrøret for å måle effektforbruket og kontrollere om det er indre lekkasjer. Dersom stempelpumpa blir koblet direkte til en elektrisk motor med tilhøren­ de høyt turtall, kan en få problemer med akselerasjonstrykket i suge- og 84

Pumper

trykkledningene og i ventilene. Turtallet i slike tilfeller må gires ned ved hjelp av et gir eller en reimoverføring. Virkningsgraden til ei stempelpumpe er adskillig høyere enn for ei sentrifu­ galpumpe.

Skader og driftsforstyrrelser Når ei stempelpumpe må gires ned fra et høyere turtall, kan det oppstå problemer i denne overføringen. Den vanligste feilen er at de to akslingene som går inn i giret, ikke er parallelle. Dette fører til vibrasjoner i pumpa. Også for denne pumpetypen oppstår det indre lekkasjer. Dette skjer når sylinderringene eller foringene ikke greier å holde tett, slik at væske strømmer fra den ene siden av stempelet til den andre.

Ytre lekkasjer oppstår når ventilene ikke holder tett eller ikke fungerer som de skal, eller når pakningsboksen rundt stempelstanga (der denne går ut av sylinderen) er ødelagt. En mulighet for lekkasje er også at stempelstanga har fått spor eller andre skader. At ventilene ikke holder tett, kan skyldes:

• beleggdannelse • korrosjon Ei stempelpumpe er også utstyrt med lagre. Disse kan gå varme som et resultat av for mye eller for lite smøring, galt smøremiddel eller oppripet lager/aksel.

Til sist kan drivmotoren overbelastes. Dette skyldes tilstoppet trykkrør fra pumpa eller feil ved pumpe ventilene. Feilen kan selvfølgelig ligge i elektro­ motoren.

Kontrollmetoder Vibrasjonsmålinger De feilene som oppstår i giret, kan oppdages ved å måle vibrasjonene på giret eller på pumpa. Dessuten kan det oppstå støy og vibrasjoner i selve pumpa dersom det er luftansamlinger inne i den. Tilstandsparameteren er som før, forandringen på svingeutslaget eller det generelle støynivået.

Lek kasjem alinger Er det indre lekkasjer, vil det gi seg utslag i mindre levert mengde og et lavere trykk på væska ut av pumpa. Tilstandsparametre vil være forandring i mengde og trykk ut av pumpa.

Ytre lekkasjer kan oppdages ved visuell kontroll. Lage rfei i Lagerfeil for ei stempelpumpe er ikke forskjellig fra lagerfeil på ei sentrifu­ galpumpe. Kontrollen blir den samme.

85

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

3.4 Varmeveksler Typer og virkemåte Varme veksleren er kanskje den hyppigst forekommende komponenten i pro­ sessanlegg. Den brukes til oppvarming eller avkjøling av gasser og væsker. De mediene som brukes til å varme opp eller avkjøle, kalles kjøle- eller oppvarmingsmedier. Disse kan være luft, andre gasser, vann eller spesielle væsker. Dersom det er fare for avleiringer eller belegg på grunn av kjølemediene, behandles disse kjemisk. Ut fra forskjellig konstruksjon deler man gjeme varmevekslere inn i:

• dobbeltrørvarmeveksler • rørvarmeveksler • plate varmeveksler Når en skal vurdere hvilken type som skal velges, må man ta hensyn til blant annet kjøle- eller oppvarmingsbehov (hvor store varmemengder som skal overføres fra det ene mediet til det andre), og trykket på gassen eller væska. Dette skal vi komme mer tilbake til etter hvert.

3.4.1 Dobbeltrørvarmevekseleren Dette er den enkleste av varmeveksleme. Den består i hovedsak av to rør, det ene utenpå det andre. Figur 3.23 viser ei prinsippskisse av den. Kaldt kjølemedium

Varm væske

Avkjølt væske

Oppvarmet kjølemedium

Figur 3.23 Dobbeltrørvarmeveksler Dobbeltrørvarmeveksleren har Uten kjøleflate og egner seg ikke til store oppvarmingsoppgaver. Den tåler imidlertid høye trykk. En annen fordel er at den er lett å lage (billig), og lett å vedlikeholde.

3.4.2 Rørvarmeveksleren Dette er antageligvis den vanligste typen varmeveksler i prosessanlegg. Den har en stor kjøleflate og tåler høye trykk. Til gjengjeld er den mer kompleks. Figur 3.24 viser en prinsippskisse av to forskjellige måter å konstruere den o pa.

86

Varmeveksler Varm væske

Oppvarmet kjølemedium

medium

Varm

Avkjølt væske

Kaldt

Oppvarmet kjølemedium

Figur 3.24 Rørvarmeveksler

Rørvarmeveksleren er delt i tre. Til høyre er det et innløpskammer (den øverste skissen), hvor det mediet som skal varmes opp, kommer inn. I midten ligger en kompakt bunt med rør, hvor det som skal varmes opp, strømmer inni rørene og oppvarmingsmediet strømmer i kappa rundt. Her finnes det også skilleplater, slik at oppvarmingsmediet kommer i god kontakt med røroverflatene. Til venstre har man et utløpskammer. Varme veksleren kan også konstrueres med venstre kammer som et vendekammer. De varmeveksleme som er skissert her, fungerer som motstrøms varmevekslere. Det er også mulig å konstruere de som medstrøms varmevekslere. Figur 3.25 viser en nøyaktigere tegning av denne typen varmeveksler.

87

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Figur 3.25 Rørvarmeveksler 1 - fork ammer 3 - flens for forkammer 4 - forkammerlokk 5 - innløpsstuss i forkammer 6 - fast rørplate 7 - rør 8 - mantellkappe 9 - man tell endebunn 10 - mantellflens (også 11) 12 - mantellstuss

13 - flens på endebunn 15 - forsky vbar rørplate 16-lokk 17 - flens 18 - motflens 28 - tverrstilte ledeplater 29 - prallplate 31 - skilleplate 34 - instrumentstuss 35 - vugge for støtte 36 - løfteøre

Veksleren i skissen foran kan benyttes både til medstrøm og motstrøm.

3.4.3 Platevarmeveksler I mange henseender er platevarmeveksleren blitt et godt alternativ til de to andre typene. Den er lettere, mer kompakt, er billig og har et stort kjøleareal. Ulempen er at den ikke tåler høye trykk. Det at platevarmeveksleren er lettere, mer kompakt, er billig og har et stort kjøleareal har gjort den til et godt alternativ til de to andre typene. Dette har ført til en sterkt økende markedsandel. Ulempen er at den ikke tåler høyt trykk. Figur 3.26 viser en varmeveksler og en prinsippskisse over hvordan den virker.

88

Varmeveksler

Figur 3.26 Platevarmeveksler 1 - innløpsflens 2 - platepakke 3 - forsky vbart endelckk 4 - stativ

5 - strammebolt 6 - utløpsflens 7 - plate

Væskene eller gassene er her adskilt av korrugerte plater. Denne plateformen sikrer høy turbulens og en effektiv varmeovergang.

Feil og driftsforstyrrelser Varmevekslere, uansett type, kan hovedsakelig feile på to måter:

• feil som fører til redusert varmeovergang • feil som fører til materialskade og lekkasje Figur 3.27 viser et feiltre for varmevekslere.

89

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Figur 3.27 Feiltre for varmevekslere Som vi ser av figuren, fører de to nevnte feilene hver for seg til feil i varmeveksleren. Redusert varmeovergang kan i de fleste tilfeller aksepteres i noen grad. For stor reduksjon kan føre til at andre komponenter i prosessystemet blir skadet.

Dersom en ser på hva som er årsaken til de to nevnte feilene, dukker følgende skader opp:

• • • •

90

vibrasjoner korrosjon beleggdannelse luftansamlinger

Varmeveksler

Vibrasjoner Vibrasjoner som oppstår i varmeveksleren, kan oppstå i lange dobbe Itrørvarmevekslere, og i rørsatsvekslere når avstanden mellom spjeldene blir for stor. Vibrasjoner som oppstår i andre komponenter, og som forplanter seg via dekk eller gulv til varmeveksleren, kan gå utover alle tre typene. Vibrasjoner fører til sprekker og lekkasje.

Korrosjon Korrosjon er en av to vanlige feil. Om varmeveksleren korroderer, er avhen­ gig av materialvalg, typer medier, temperatur og væskehastighet. Høy hastighet på mediet kan føre til turbulenskorrosjon. Hastigheten som fører til dette, varierer fra materiale til materiale. Det er spesielt innløpet til rørene i en rørvarmeveksler og endekammeret som er utsatt. I store rørvarmevekslere kan rør, når de er korrodert og røket, plugges uten at det går nevneverdig ut over funksjonsevnen. Selvfølgelig er det en grense for hvor mange som kan plugges. Galvanisk korrosjon kan oppstå, men denne kan en beskytte seg mot ved katodisk beskyttelse og materialvalg.

Som en ser av feiltreet, kan andre korrosjonsformer også opptre, men disse er mer sjeldne. Beleggdannelse Som nevnt over fører ikke belegg til øyeblikkelig funksjonsfeil. Vanligvis er en varmeveksler dimensjonert for å tåle noe belegg uten at det går ut over funksjonsevnen. Gode reingjøringsrutiner kan hindre problemer med belegg.

Korrosjon fører til løsrevne partikler som siden fester seg og gir belegg. Noen korrosjonsformer fører til belegg på den korroderte overflaten som beskytter mot videre korrosjon. På den måten kan det være gunstig, men det nedsetter varmeovergangen. Utfelling av stoffer fra væskene i varmeveksleren er den største årsaken til beleggdannelse. Noen stoffer utfelles ved oppvarming. Dette er tilfellet med sjøvann, hvor salt utfelles når temperaturen overstiger 45°C. Voks felles ut fra enkelte væsker når denne avkjøles.

Sjøvann brukes i mange sammenhenger som kjølemedium. Her finnes det mikroorganismer som fester seg til metalloverflatene. Denne begroingen star­ ter ved en sjøvannshastighet på under 0,5 m/s, men har den først startet, kan den fortsette ved høyere hastigheter. Til sist får en beleggdannelse dersom mediene er forurenset av partikler eller slam. Luftansamlinger Det er ikke stort annet å si om luftlommer enn at de reduserer varmeovergan­ gen kraftig. Grunnen er at de hindrer kontakt mellom væskene og overflaten på rørene.

Dersom det blir brukt klortilsetting i vannet kan luftlommer gi konsentrering av klor med en etterfølgende mulighet for spenningskorrosjon ved materialer i austenittisk rustfritt stål.

Kontrollmetoder For å være i stand til å kontrollere en varmeveksler, er det å beregne størrel­ sen på belegget, noe av det viktigste vi må kunne. Det vil si få oversikt over forandringen i varmeovergangen. Lekkasje kan oppdages ved visuell kon91

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

troll. Før vi ser nærmere på dette, skal vi se nærmere på hvilke formler som brukes ved beregning av varme vekslere.

Økning eller senkning av varmemengden i ei væske: Q = mcp (o - r2) (W)

Her er: Q - overført varmemengde (W)

m - massen av væska (kg/s)

cp - spesifikk varmekapasitet (J/kg°C) t - temperatur se figur 3.28

Figur 3.28 Temperatur ut og inn av varmeveksler

Overført varmemengde fra et medium til et annet:

e = ^A-ATm(W)

Her er: k - varmeoverføringstallet (W7°Cm2)

A - varmevekslerens areal (m2)

ATm - varmevekslerens midlere temperaturdifferanse (°C)

Varmeoverføringstallet, k, som tilstandsparameter Varmeoverføringstallet kan til enhver tid finnes av de to ligningene over dersom temperaturene ut og inn på varmeveksleren er målt. Tilstandsparameteren kan da være gitt som:

Param. =

k —k — • 100 %

der kT er referanseverdien det vil si den målingen som ble gjort når den var ny, og k er nåverdien.

92

Dieselaggregat

Varmeoverføringsmotstanden, r, som tilstandsparameter Varmeoverføringsmotstanden er den inverse verdien av varmeoverføringstallet.

Tilstandsparameteren er gitt som: 1 r~lc

1 Tr

Temperatureffektiviteten, 0, som tilstandsparameter Denne benyttes en del, og forteller noe om den oppnådde temperaturendrin­ gen i det ene mediet i forhold til den maksimalt oppnåelige, det vil si at utløpstemperaturen i det ene mediet er lik innløpstemperaturen til det andre mediet.

Tilstandsparameteren kan skrives som:

h-

Trykkfallet som tilstandsparameter Begroing reduserer varmeovergangen, men den fører også til økt trykkfall over varmeveksleren. Måling av trykk er som regel problematisk, fordi trykk og væskehastighet henger så nøye sammen. Dersom trykket øker, synker hastigheten og omvendt. En trykkmåling burde derfor ses i sammenheng med en hastighetsmåling på mediet. Dette kan i praksis være vanskelig. Derfor er trykkfallet over varmeveksleren ikke noen god tilstandsparameter, men kan brukes som et supplement.

3.5 Dieselaggregat Virkemåte Dieselmotoren er ikke mye i bruk i prosessanlegg, men er likevel viktig i enkelte anlegg. Dette gjelder offshore prosessanlegg, hvor den brukes til kraftproduksjon eller til direkte drift, eller via gir, til drift av pumper. På landanlegg brukes den mest som reservekraftkilde. Dieselmotorer bygges i mange forskjellige utgaver, både når det gjelder kon­ struksjon og størrelse. De minste står i biler, og de største står i skip.

Felles for alle er at de fungerer etter en dieselprosess, der brennstoffet sprøy­ tes inn i sylinderen og selvtenner på grunn av høy temperatur og høyt trykk. Vanligst er det å dele dieselmotorene inn etter det turtallsområdet de arbeider i: • langsomtgående motorer. Turtallet er mindre enn 300 o/min. • mellomhastige motorer. Turtallet er mindre enn 1 000 o/min. • hurtiggående motorer. Turtallet er over 1 000 o/min. 93

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

De store og langsomtgående motorene er som regel totakts krysshodemotorer, mens de mellomhastige motorene som regel er firetakts trunkmotorer. I det som følger om skader og driftsforstyrrelser, skal vi ikke skille mellom disse to typene. Driftsproblemene kan være litt forskjellige, men ikke større enn at vi kan ta dem samlet. En differensiering mellom de to vil kreve for stor plass her. Figur 3.29 viser en MAN/B&W totakts krysshodemotor, og figur 3.30 en firetakts trunkmotor.

Figur 3.29 MAN/B&W totakts krysshodemotor (langsomtgående).

94

Dieselaggregat

Figur 3.30 MANJB&Wfiretakts trunk (hurtiggående)

Dieselmotoren er, som andre forbrenningsmotorer, en komplisert motor. Det vil føre altfor langt her å gå i detalj på oppbygning og virkemåte. Til det må en gå til andre fag og bøker. I store trekk er prosessen slik: • Luft suges inn når stempelet er på vei ned. Denne lufta blir tilført fra turboladeren. Turboladere er installert for å øke trykket på lufta inn i sylinderen. Denne trykkøkningen gir økt effekt og økt virkningsgrad. • Med stengte ventiler (innsugnings- og eksosventil) komprimeres lufta. • Når trykk og temperatur i lufta er høy nok, sprøytes brennstoff inn i sylinderen, og blandingen sel vante nner. • Forbrenningsgassene ekspanderer, stempelet går ned, og motoren avgir effekt. • Når stempelet beveger seg opp igjen, skyves forbrenningsgassene ut.

Når vi etterpå skal si noe om skader og feil, må motoren deles opp i sine mange systemer. I hovedtrekk består motoren av disse systemene: • • • • • •

sylinderenheten brennstoffsystemet luft- og eksossystemet vannkjølesystemer (ferskvann og saltvann) smøreoljesystemer aksel og gir

95

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Det viktigste motivet for tilstandskontroll på dieselmotorer er å holde drivstoffutgiftene lave. Dernest er det viktig å registrere feil og uregelmessigheter for å holde regulariteten og driftssikkerheten oppe.

Skader og driftforstyrrelser Dieselmotorer i prosessanlegg utsettes under drift for en rekke forskjellige påvirkninger av varierende omfang, varighet og intensitet. Disse kan føre til skader og feiltilstander. Typiske og aktuelle påvirkninger vil være: • • • • • •

Lufttilstand (trykk og temperatur) Brennoljetype og -tilstand Smøreoljetype og -tilstand Kjølemediets tilstand Belastningsnivå og belastningsvariasjoner Dårlig eller ufullstendig vedlikehold, feiljusteringer

Videre kan endringer i tilstanden på systemer eller komponenter ved selve dieselmotoren resultere i påvirkninger av andre deler av maskineriet, som kan føre til skader og feil ved disse. Dette kan skje selv om de primære tilstandsendringene isolert sett ikke kan ses på som feil eller skader, men for eksem­ pel ved at de ved å virke sammen kan gi en uønsket påvirkning på et tilknyt­ tet system eller komponent. De viktigste former for skader som opptrer i dieselmotorer, kan deles inn i følgende hovedgrupper:

• • • • • •

Slitasje Korrosjon Kavitasjon Beleggdannelse Utmatning Deformasjon, siging og sprøbrudd

Disse skadeformene skal vi komme noe tilbake til seinere.

Dersom en ser på skadefordelingen i de forskjellige systemene som motoren består av, viser all praksis at sylinderenheten er mest utsatt. Etter denne kommer akselsystemet og luft-/eksossystemet. Av denne grunn skal vi ta utgangspunkt i feiltreet for sylinderenheten. Dette er gitt i figur 3.31.

96

Dieselaggregat

Figur 3.31 Feiltre for sylinderenheten

Topphendelsen, alvorlige sylinderfeil, har tre årsaker: sprekkdannelse, stempelrivning og stor slitasje på foringer og stempelringer. Dersom en går ned­ over i feiltreet, finner en inngangshendelsene: • feil i luft- og avgassystemet • feil ved forbrenningssystemet • feil i smøreolje systemet (sviktende olje) • feil i kjølesystemene (forbrenningsrester, ringfeil) Hver enkelt av disse er hele systemer som kan presenteres ved egne feiltrær. Det skal vi ikke gjøre her, men bare omtale feil i disse systemene.

Luft- og avgassystemet Turboladeren er en kompressor som drives av en turbin. Denne turbinen drives igjen av eksosgassene når disse forlater sylinderen. Feil i dette syste­ met fører til for høy temperatur i sylinderen. Disse feilene kan deles inn i to hovedgrupper: - For høy lufttemperatur. Dette skyldes for høy temperatur i innsugningslufta eller mangelfull luftkjøling. Når lufta komprimeres i turboladeren, øker temperaturen. Derfor må den avkjøles i en varmeveksler før den går inn i sylinderen, og er avhengig av motorens kjølesystem.

- For lav luftgjennomgang. 97

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Dette kan skyldes redusert virkningsgrad på turboladeren, som igjen skyldes beleggdannelse på denne, eller det kan skyldes økt strømningsmotstand gjennom eksoskanalen. En annen årsak til lav luftgjennomgang er beleggdannelse på porter og ventiler. Dette kan igjen spores tilbake til feil ved forbrenningen (mer om det seinere) eller for lav belastning på motoren. Økt innsugningstemperatur senker også mengden av luft. Forbrenningssystemet Virkningen av feil i dette systemet er en unormal forbrenning som i neste omgang fører til høye temperaturer, feil i stempelringer, skade på stempelforinger og ødelagte smørefilmer. Årsakene til en unormal forbrenning kan deles inn i:

- Feil som gir høy varmebelastning i sylinderen. Unormal forbrenning er en av årsakene til denne feilen. Dette kan skyldes dårlig forstøving av brennstoffet, som igjen skyldes slitasje, erosjon eller kavitasjon av innsprøytningsventilene eller brennstoffpumpa. Unormal forbrenning kan også skyldes galt innsprøytningstidspunkt av brennstoff. En tredje årsak til unormal forbrenning kan være mangelfull forbehandling av brennstoffet (filtrering, vannutskilling og forvarming). Høy varmebelastning kan også skyldes skade på stempelringene. Ringfeil som koksing og høy slitasje fører til gassgjennomslag

- Feil som gir stor slitasjehastighet på sylinderkomponenter Noe slitasje i innkjøringsfasen er ønskelig for å få komponenter til å passe sammen. Korrosiv slitasje skyldes at det dannes syrer i sylinderen under forbren­ ningen. Syrer kan finnes i brennstoffet. Dette dukket særlig opp da man gikk over til tyngre brennstoff. Denne syredannelsen kan nøytraliseres ved tilsetting av syrenøytraliserende stoffer. Syrer kan også dannes dersom kondensert vann følger med spylelufta eller forbrenning sl ufta inn i sylinderen. Korrosiv slitasje opptrer som groptæringer eller ved at større flak løsner. Abrasiv slitasje skyldes slipende partikler som kommer inn i sylinderen med brennstoff eller luft. Det kan være partikler i innsugningslufta, askepartikler fra forbrenningen, partikler fra smøreoljen i veivrommet eller partikler fra adhesiv slitasje. Dersom vi har abrasiv slitasje, kan det sees som riper i glideretningen.

Adhesiv slitasje eller mikrosveising kan oppstå når to metalloverflater får direkte kontakt, og smørefilmen er utilstrekkelig. Vanligvis gjelder dette kontakten mellom stempelringene og stempelforingene. Ofte vil beliggenheten av stedene der dette skjer, flytte seg under drift. Dersom denne typen slitasje opptrer kontinuerlig på et sted, vil det føre til en rask nedbrytning av stempelforingen. Det vil si en slitasje på flere millimeter per tusen time. Normal slitasje av stempelforingene ligger på 0,0157 mm/1 000 time. Smøreoljesystemet Smøreoljens funksjon i en dieselmotor er å redusere friksjonen mellom moto­ rens bevegelige deler, sørge for tetning mellom stempelringer og sylinderforing, virke avkjølende på motorens indre deler, og den skal frakte bort even­ tuelle forurensninger fra sylinderregionen. Den er tilsatt kjemikalier for å virke korrosjonshindrende, slitasjereduserende, syrenøytraliserende og bakte­ riedrepende.

98

Dieseiaggregat

Feil i dette systemet kan være:

• Feil i tilførselen. Dette kan skyldes tilførselsystemet for olje eller i fordelingsspor og fordelingsringer som skal fordele oljen. • Gassgjennomslag forbi stempelringene oksiderer oljen, varmer den opp, og det kan blåse den bort. Kjølevannssystemet Mest brukt er ferskvann som kjølemedium. Men saltvann brukes også i noen tilfeller. Det er to typer feil som utgjør hovedtyngden av skader i dette syste­ met: • Korrosjon. Dette kan føre til skader på alle deler av vannsystemet. Grunnen til korrosjon ligger i for surt vann. PH-verdien bør ligge på ca. 10. For å gjøre vannet mindre korrosi vt tilsettes det korrosjonsinhibitorer. Det er tre grupper av disse: nitritt/borater, kromater og løselige oljer. Kromatene er svært giftige og har begrenset bruk i dag. Dersom vanlig ferskvann brukes, må innholdet av CaO være mindre enn 100 ppm, og innholdet av klorider og sulfater under 50 ppm. • Beleggdannelse. Noe belegg er bra for å hindre korrosjon. Skadelig belegg er som regel en kombinasjon av hardt vann og høye temperaturer. Dermed oppstår det kjelstensbelegg som i værste fall kan føre til overoppheting, varmespenninger og sprekkdannelser.

Diesel Dersom dieselen ikke tilsettes parafin i den kalde årstiden, kan det oppstå voksdannelse i den. Dette vil gi driftsproblemer.

Kontrollmetoder Temperaturmålinger Temperaturmålinger gjøres på mange steder og med mange typer måleinstru­ menter på en dieselmotor. Noen temperaturer måles med konvensjonelle ter­ mometre, og andre, som temperaturer på godsoverflater, måles ved hjelp av følere som er boret inn og plassert i godset på samme måten som ringgiveme i figur 3.32.

Høy temperatur i forbrenningen. Dette er en indikasjon på feil med forbren­ ningen eller lufttilførselen.

Tilstandsparameter: Godstemperatur i deksel mot forbrenningsrom. Høy temperatur i stempelringer og foring. Årsaken er gassgjennomslag eller stor varmebelastning fra forbrenningsprosessen på øvre del av foringen.

Tilstandsparameter: Godstemperatur i foring. Høy eller lav temperatur i kjølemedier. Dette gjelder både kjølevann og smøreoljer. Dette indikerer beleggdannelse eller andre varmeovergangsproblemer i kjølesystemene.

Tilstandsparameter: Forandring av temperatur i kjølemediene. I tillegg måles ofte temperaturene i eksoskanalen og på lufta inn i sylinderen. Trykkmålinger Den viktigste trykkmålingen er registrering av trykkforløpet under forbren­ ningen. Da måles trykket og plottes mot stempelets posisjon. Dermed kan for

99

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

tidlig eller for sein tenning oppdages, samt andre størrelser som maksimaltrykk.

Tilstandsparameter: Formen på kurven for trykkforløpet, eller middeltrykket (arealet under kurven).

Forstøvning av brennstoffet har stor innvirkning på forbrenningen. Årsaken til ødelagt innsprøytningsventil eller pumpe. Tistandsparameter: Trykkforløpet i innsprøytningen. Tilsmussing av eksosporter og kanal hindrer luftgjennomstrømningen.

Tilstandsparameter: Endring av trykkfallet over motoren. Slitasjemålinger Som nevnt tidligere er slitasje nært knyttet til stempelets bevegelse og kon­ takt med stempelforingen.

Figur 3.32 viser plassering av en stempelringføler. Denne måler avstanden mellom stempelringens ytterkant og stempelforingen. Dermed kan slitasje av ringene registreres, og også om noen ringer er fastbrent eller brukket.

Tilstandsparameter: Avstanden mellom stempelring og sylinderforing, eller at signal uteblir på grunn av brukket ring.

Figur 3.32 Plassering av stempelringføler

Mikrosveising kan registreres.

Tilstandsparameter: Elektriske pulser fra sveising. Slitasje fører til løsrevne partikler. De fleste av disse havner i smøreoljen. Dette kan registreres ved smøreoljeanalyse.

Tilstandsparameter: Antall partikler i oljen, formen på disse eller den kjemiske sammensetningen.

Mengdemålinger. Både dyser og flowmeter brukes til å måle mengder med.

100

Gir

Mengden av luft inn i sylinderen er den viktigste målingen av dette slaget. Det er avgjørende for forbrenningen. Tilstandsparameter: Luftmengden gjennom motor eller gjennom den enkel­ te turbolader.

Antall målinger og tilstandsparametre kan økes ut over det som er angitt her. Alt avhenger av type anlegg og hvordan vedlikeholdet legges opp. For ytter­ ligere informasjon må en gå til mer spesialisert litteratur om dieselmotorer. Dieselmotorer er en av de best dokumenterte komponentene som er omtalt i denne boka.

3.6 Gir Virkemåte Gir er en samlebetegnelse for alle tuper tannhjulsoverføringer. Hensikten med gir er å øke eller minske omdreiningstallet på en aksel, eller forandre retningen på akselen. Figur 3.33 viser et planetgir eller parallellgir for reduk­ sjon av turtall.

Figur 3.33 Gir

Formen på tannhjulene i giret avgjøres av hvilken funksjon giret har.

3.6.1 Sylindriske tannhjul Disse brukes først og fremst i overføringer der akselene er parallelle. De enkleste tannhjulene er de med rette tenner. Av disse finnes utvendig fortanning, innvendig fortanning og tannstenger. Se figur 3.34.

101

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Figur 3.34 Utvendig og innvendig fortanning Tannhjul med rette tenner gir ingen kraftkomponent i akseretningen, og bru­ kes dersom tannhjulet må kunne forskyves i akseretningen ved omkobling fra et trinn til et annet.

Skråfortanning, som er vist i figur 3.35, gir imidlertid bedre inngrepsforhold og jevnere gange enn rett fortanning.

Figur 3.35 Skråfortanning Skråfortanning kan også utføres som innvendig/utvendig fortanning eller som tannstang.

Sylindriske tannhjul brukes også i overføringer der aksene ikke er parallelle og heller ikke skjærer hverandre.

3.6.2 Koniske tannhjul Denne typen tannhjul brukes først og fremst i overføringer med ikke-parallelle akser som skjærer hverandre. Se figur 3.36.

Figur 3.36 Konisk tannhhjul Tennenes form kan være rette, koniske eller spiralformede. Disse tannhjulene er nesten utelukkende utvendig fortannet. I overføringer med koniske tannhjul opptrer det alltid en aksialkraft som det må tas hensyn til ved bereg­ ning.

102

Gir

1 tillegg til de typene som er nevnt over, finnes mange andre spesielle tannhjul som ikke nevnes her. Figur 3.33 viser et lukket drivverk. Ved turtalIsregulering er dette en vanlig måte å gjore det på. Åpne drivverk finnes også i stort antall, men kanskje oftest når akselretninger skal forandres.

Pålitelig drift og lang levetid på giret er avhengig av god smøring. I lukkede drivverk har man smøreoljen i bunnen av drevkassa. Bare det største tannhju­ let er vanligvis i kontakt med dette oljebadet. Det største hjulet skal kaste så mye olje opp at alle tannhjulene smøres. Dette lykkes ikke alltid, og det kan bli nødvendig å samle noe av smøreolja og la den renne gjennom rør til de punktene som ikke blir smurt ved hjelp av det storste hjulet. Blir oljenivået for høvt, kan det fore til okt varmeutvikling, senket viskositet og dårlig smøreevne.

Dersom smøreolja ikke sirkulerer, men blir stående i drevet, vil slitasjepartikler hope seg opp. og olja bor skiftes relativt ofte. Ved sirkulasjon av olja kan problemet med temperaturøkning og slitasjepartikler reduseres ved at olja passerer et filter og en varmeveksler. En sirkulasjonspumpe er nødvendig i dette tilfellet. For å unngå problemer under driften er det en klar forutsetning at tannhjulene passer sammen. For å kunne si noe om dette er det nødvendig med noen definisjoner.

Figur 3.37 viser en enkel prinsippskisse av et tannhjul. Tannflanker

Figur 3.37 Prinsippskisse av tanhjul

Dersom en tar utgangspunkt i inngrepspunktet mellom to tannhjul, vil disse ligge på en sirkel. Tannhjulene kan da erstattes med to sylindere som tangerer hverandre. Disse to sirklene kalles delesirklene, og diametrene kalles delesirkeldiametrene. På figuren kalles sirkel 1 toppsirkel, og sirkel 2 fotsirkel. Avstanden mellom fotsirkelen og delesirkelen kalles fothøyden, og avstan­ den mellom fotsirkelen og toppsirkelen kalles tannhøyden. Avstanden mellom et sted på ei tann og tilsvarende punkt på tanna ved siden av kalles delingen, t.

Delingen skrives som: t-

7t •

m

m er delingens modul, og er fastsatt i NS 5 000. Modulen kan også uttrykkes som:

d m-— d er delesirkeldiameteren og z er antall tenner.

103

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

For at to tannhjul skal passe sammen, må delingen være den samme for de to tannhjulene. En annen viktig størrelse i gir er oversettingen, i. Den kan beregnes som: . _ n\ _^2 _Z2 ^2

n =

d1

omdreiningstallet.

Skader og driftsforstyrrelser Før vi ser på skader, er det nødvendig å klargjøre hva som er årsaken til at skader i gir oppstår. Stort sett kan de deles inn i tre grupper: • Materialkvaliteten i giret er ikke god nok, eller tennenes form passer ikke til formålet. • Smøringen svikter. Dette skyldes enten gal smøreoljetype eller dårlig be­ handling av olja. • Giret blir utsatt for uforutsette belastninger. Dette kan skyldes dårlig kontakt mellom tennene, at en aksel ikke roterer med jevn hastighet mens den andre gjør det, eller at det oppstår skjevbelastning i lagrene. Girskader deles inn i to hovedgrupper:

• Tannoverflaten geometri endres slik at giret ikke fungerer tilfredsstillende. • Ei eller flere tenner sprekker eller brekker.

Grunnen til at disse skadene opptrer, er flere, og i det etterfølgende skal vi komme nærmere inn på dette.

Gropdannelse Det finnes flere årsaker til gropdannelse på tannflankene. Den vanligste årsa­ ken synes å være utmatting av overflaten. Derfor er det vanlig å se på grop­ dannelse som et utmattingsproblem. Utmatting opptrer normalt etter lang driftstid ved normale spenninger. Men denne skaden kan vise seg allerede etter kort driftstid, noe som kan tyde på høye lokale belastninger og tilsvaren­ de korte utmattingstider. Det minste hjulet i en overføring er som regel av et hardere materiale enn det andre. Derfor vil gropdannelse først og fremst opptre på det største tannhju­ let, og spesielt i seigherdet og fullherdet stål.

Gropdannelse består av flere forskjellige former for slitasje, som: • • • •

begynnende gropdannelse destruktiv gropdannelse avflekking knusing av overflatesjiktet

Gropdannelse skjer når to tannhjul ikke er i korrekt inngrep med hverandre. Dette kan skyldes flere forhold. Et krav for å unngå gropdannelse på vanlige tannhjul er at senteravstanden på de to akslene er konstant. Unntaket her er evolventfortannede tannhjul. Disse har et korrekt inngrep selv om senterav­ standen øker. Den mest brukte tannformen er evolventfortanning. Bruddskader En skade er klassifisert som brudd når hele eller større deler av ei tann brekkes løs. Årsaken til bruddskader er overbelastning, støt eller utmatting.

Når ei tann belastes av en trykkraft fra ei annen tann, skjer dette høyt oppe på tanna. Dette fører til at den bøyer seg, og det oppstår bøyespenninger ved tannrota (trykkspenninger på den ene siden og strekkspenninger på den an104

Gir

dre). Studier av brudd har vist at bruddene ofte starter på trykksiden, går på skrå nedover og opp igjen for å ende et stykke oppe på den belastede flanken. Når sprekken har vokst en stund, blir materialtverrsnittet så lite at det oppstår et grovkornet plastisk brudd.

Tannbrudd kan deles inn i noen undergrupper: • utmattingsbrudd • overbelastningsbrudd • tilfeldige brudd • krans- og hjulbrudd Slitasje Av de slitasjeformene som er nevnt tidligere i boka, er tannhjul utsatt for abrasiv og korrosiv slitasje. Abrasiv slitasje deles gjeme inn i flere under­ grupper:

• Polering. Dette er en mild slitasje som foregår langsomt. Den forekommer i innkjøringsfasen og fører til at flatene tilpasser seg hverandre. Årsaken er at ruhetstoppene er høyere enn smørefilmen er tykk. • Mild slitasje. Denne har mye til felles med polering, men foregår mye raskere. Årsaken er at tykkelsen av smørefilmen er for liten i forhold til belastningen, eller det skyldes forurensninger i olja. • Grov slitasje. Denne slitasjeformen fører til endring i den geometriske formen på tennene i løpet av kort tid.

Korrosiv slitasje er, som nevnt tidligere, en kombinasjon av mekanisk slitasje og korrosjon ved at et overflatesjikt slites bort og blottlegger materialet for korrosj ons angrep. Sammenbrudd i smørefilmen Alle forhold som fører til lokal eller generell overbelastning mens glidehastighetene er høye, kan føre til sammenbrudd i smørefilmen. Overbelastning skyldes mange faktorer, som for store dynamiske krefter, reduksjon av de bærende flater på grunn av gropdannelse, skjevoppretting eller termisk usta­ bilitet.

Virkningen av sammenbrudd i smørefilmen er adhesiv slitasje (mikrosvei­ sing). Når dette først har skjedd et sted, vil sammenbruddet bre seg raskt. En kan hindre mikrosveising ved riktig materialvalg. Høyt nikkelinnhold eller kombinasjon av nikkel og krom reduserer motstandsevnen mot smørefilmsammenbrudd. Herdet stål gir stor motstandsevne. Plastisk flyting Dette er en overflatesvikt som forekommer sammen med andre skader. Plas­ tisk flyting kan deles inn i: • Kaldflyting. Dette skjer ved høye trykkbelastninger, og forekommer oftest på tannhjul med bløtt materiale. • Knusing. Denne formen er forårsaket av skjærkrefter i tannoverflaten. Dette skjer oftest på tannhjul som er høyt belastet, har lave hastigheter og er laget av hardt materiale. Vibrasjoner som oppstår i giret på grunn av noen av de skadene som er nevnt over, forplanter seg ut i lagrene. Dette sammen med skjevoppretting av giret fører til lagerskader.

Kontrollmetoder Metodene som brukes, retter seg først og fremst mot årsakene til skadeutvikling. På den måten kan en forebygge videre utvikling av skader. Det er to metoder som dominerer for kontroll av gir: • vibrasjonsmålinger • smøreoljeanalyse 105

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Vibrasjonsmålinger Disse målingene foretas ved hjelp av fastmonterte elle flyttbare akselerometre. De målte svingningene overføres enten direkte til en datamaskin for analyse, eller de kan tas opp på bånd. Akselerometrene plasseres på girhuset. Mer om metoden i kapittel 4.

Ved oppstart og i innkjøringsfasen vil et gir ha store vibrasjoner som viser seg i analysen. Det ser ut som faretruende vibrasjoner, men er i virkeligheten et resultat av tilpasning mellom tannhjulene. Denne tilpasningen kaller vi polerende slitasje. Tannhjul har ofte så komplisert geometri at det er svært vanskelig å lage to tannhjul som passer perfekt til hverandre. Etter noen tids drift er denne tilpasningen skjedd, og vibrasjonene forsvinner. Det oppstår imidlertid vibrasjoner i gir av andre grunner. Dette kan være: • • • • •

tannbrudd grov slitasje avskalling av tenner at akslene som går inn i giret ikke er parallelle giret er skjevt montert

Alle disse skadene oppstår på helt spesielle frekvenser, og er ikke vanskelige å finne. Smøreoljen nalyse Metoden og utstyret som brukes her, blir også gjennomgått i kapittel 4. Her skal vi bare kort nevne de metodene som kan brukes:

• oljeprøver • magnetplugg • spesielt filter Smøreoljeanalyse er en metode som er godt egnet til å oppdage unormal slitasje. En oljeprøve analyseres for å finne antall, størrelse, form og kjemisk sammensetning av partiklene. Foruten slitasje er det mulig å oppdage korro­ sjon.

3.7 Separator/væskeutskiller Typer og virkemåte Separatorer og væskeutskillere brukes til mange formål i prosessindustrien, og derfor finnes det mange forskjellige utgaver. Grovt sett kan vi dele dem inn etter hvilken separasjonmetode den fungerer etter:

3.7.1 Separasjonstank eller flotasjonstank Dette er en stor tank eller et stort rør. Væska som skal separeres, blir stående i tanken en tid, slik at de forskjellige væskefasene skiller seg på grunn av forskjellig tetthet. Hvor lang tid væska skal stå i tanken, avhenger av forskjel­ len i egenvekt på for eksempel olje, gass og vann på en produksjonsplattform for olje og gass. Figur 3.38 viser en produksjonsseparator for separering av olje, gass og vann.

106

Separator/væskeutskiller

Figur 3.38 Separasjonstank Når væskeblåndingen kommer inn i separatoren, treffer den ei plate slik at innløpsstrålen blir splitta. Gassen tas ut på toppen, vannet som er tyngst tas ut i bunnen, og olja tas som regel ut i et eget kammer som vist på figuren.

3.7.2 Syklonseparator Denne separatoren fungerer etter sentrifugalkraftprinsippet. Den blir drevet av en pumpe/vifte. Væske- eller gasstrømmen har et tangentielt innløp, og gassen/væska blir utsatt for en sterk roterende bevegelse. De tyngste gasseller væskekomponentene blir utsatt for størst sentrifugalkraft og blir liggen­ de ytterst, mens de letteste blir liggende innerst. Figur 3.39 viser en syklonse­ parator.

Støvholdig gass

Figur 3.39 Syklonseparator

Denne typen separator er effektiv, kompakt og svært pålitelig.

3.7.3 Scrubber Scrubberen brukes først og fremst for å rense gass for vannpartikler. Den står foran alle gasskompressorer fordi vannpartikler gjør stor skade i disse. Prin­ sippet som de fungerer etter, kan imidlertid også brukes til andre oppgaver. Gassen strømmer oppover i en tank som innvendig består av mange skilleplater og rørstusser. Vannpartiklene fester seg til platene, samles, renner ned og dreneres ut. Se figur 3.40.

107

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Figur 3.40 Scrubber En scrubber kan også fungere som en kjemisk separator. Dersom vann skal fjernes fra gass, brukes glycol. Glycolen har den egenskapen at den binder fuktighet. Den vannholdige glycolen dreneres ut på samme måte som beskre­ vet over.

3.7.4 Filter Bruk av filter er også en form for separasjon, og metoden brukes primært til å separere faste partikler i en gass- eller væskestrøm. Bruk av filter er en effektiv metode. Under filter tar vi også med det som kalles dukmatte. Denne består av tynne metalltråder. Vanndråper i en gasstrøm som passerer ei dukmatte, vil feste seg på denne og renne av.

108

Separator/væskeutskiller

Av andre separasjonsmetoder kan nevnes vasking, elektrostatisk separasjon (partikler blir elektrisk ladet og felles ut i et elektrisk felt) og bruk av lydbøl­ ger.

Skader og driftsforstyrrelser De aller fleste separatorer er pålitelige enheter med lite vedlikehold. Vi skal allikevel se litt på det som er av driftsproblemer.

Separasjonstank Denne er tung og stor. Derfor krever den store og kostbare bærekonstruksjo­ ner. De blir tunge av to grunner: • En stor væskemengde skal stå i tanken en tid. • Svært ofte (offshore) opererer de under høye trykk, og med tilsvarende store godstykkelser.

På grunn av problemer med tyngden er det offshore satt krav til minimum brudd- og flytegrense.

Korrosjon er et problem, men i de seinere åra har man forsøkt å bøte på dette ved å kle tanken innvendig med et rustfritt materiale. Belegget gir imidlertid problemer når separatoren skal produseres.

Skumming i separatoren er et stort problem. Skum vil hindre gassen i å slippe ut av væska. Skumdannelse motvirkes ved å injisere kjemiske stoffer i væskestrømmen før den entrer separatoren. Sand og andre faste partikler kan bli et stort problem i disse separatorene. Disse samler seg selvfølgelig på bunnen og kan i ekstreme tilfeller fylle et stort volum. Likevekten i separatoren kan da forrykkes. Sy klonsep ar atoren Den store fordelen med syklonseparatoren er at den er liten, kompakt og effektiv. Den er imidlertid vanskelig å dimensjonere. Dette er en stor ulempe fordi separatorens effektivitet faller raskt når den ikke går med dimensjonert belastning, det vil si dersom den ikke går med den hastigheten den er kon­ struert for.

Ved separasjon av olje og vann kan det dannes emulsjoner. Emulsjoner er kjemiske bindinger mellom olje og vann som kan være vanskelige å løse. Partikkelerosjon kan også være et problem for denne typen separator.

De andre separatortypene kan ha de samme problemene som de ovennevnte, bortsett fra at filtre kan tettes, og ved separering av enkelte væsker/gasser kan det oppstå beleggdannelse.

Kontrollmetoder Separasjonstankene og flotasjonstankene fungerer optimalt ved et bestemt nivå i tanken, og ved stabilt trykk. I driftssammenheng er det derfor viktig med god nivå- og trykkkontroll. Alle instrumenter plasseres på utsiden. Figur 3.41 viser et eksempel på slik instrumentering.

109

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Tilførsel

Figur 3.41 Kontroll av separator

Korrosjon og sprekkdannelser forsøker man å oppdage ved jevnlige kontrol­ ler med ultralyd eller lignende. Skumdannelse blir, som nevnt tidligere, for­ søkt unngått ved å tilsette kjemiske stoffer. Andre problemer med separatorer kan stort sett løses ved å reingjøre dem. Sand og partikkelansamlinger fjerner en ofte ved å spyle med høytrykksvann. På produksjonsseparatorer i oljeindustrien er det montert tilkoblingsstusser for høytrykksvann slik at de kan spyles uten demontering. Dersom ikke dette kan gjøres, må de demonteres, eller det er montert mannhull slik at det går å komme inn for å reingjøre.

3.8 Ventiler Ventiltyper Ventiler finnes i mange utgaver, og til mange forskjellige arbeidsoppgaver. Vi må her begrense oss til noen eksempler, og forsøke å si noe generelt om ventiler i driftssammenheng. Ventiler kan ha mange forskjellige funksjoner: • stenging, fordeling og regulering av volumstrøm • sikring av tanker, ledninger og lignende

3.8.1 Kuleventil Kuleventilen er en videreutvikling av kikkranene (propp). Gjennomstrømsåpningen er rund. Tetningen i ventilen skjer ved et trykk mot et sete. Kuleventiler kan ha fullt eller redusert gjennomløp. Kula kan være enten flytende eller opplagret. Ei flytende kule er opplagret i setet, og ligger mot dette på grunn av væsketrykket. Ei opphengt kule skaper tetning gjennom en dreining av spindelen i pakkboksen. Figur 3.42 viser en kuleventil.

110

Ventiler

Figur 3.42 Kuleventil

Ventilsetene som skaper tetningen i ventilen er laget av teflon, gummi eller metall. Teflon er mye brukt, men har den ulempen at det er uelastisk.

3.8.2 Spjeldventil Figur 3.43 viser en type spjeldventil. Det finnes svært mange utgaver av denne ventiltypen.

Figur 3.43 Spjeldventil Felles for dem er at åpning skjer ved en dreining av spjeldet 90°. Spjeldet blir alltid stående midt i gass- eller væske strøm men. Dette kan være opphavet til vibrasjoner i ventilen, turbulent strømning og trykktap i ventilen.

Lukking av ventilen skjer ved at spjeldet presses mot setepakningene.

3.8.3 Sluseventil Denne ventilen stenger en volumstrøm ved at ei plate senkes ned i røret. Denne plata har form som en kile. Tetning av ventilen skjer ved at det oppstår en kileeffekt mot trykksiden av opplagringssetet nederst i ventilen. Det hydrostatiske trykket bidrar også til tetningen. Se figur 3.44.

111

Skader, feil og driftsforstyrrelser i enkeltkomponenter

Figur 3.44 Sluseventil Ventilen kan bare brukes til å lukke og åpne helt.

3.8.4 Seteventil Seteventilene kan brukes til å regulere en volumstrøm. Den består av en ventilplugg som stenger mot et sete ved tetningskraft fra spindelen pluss hydrostatisk trykk. Figur 3.45 viser en slik ventil.

Figur 3.45 Seteventil I tillegg til de ventiltypene som er nevnt, finnes membranventiler, kikventil, tilbakeslagsventil, nåleventil, sikkerhetsventil, magnetventil og strupeventil.

Skader og driftsforstyrrelser Skader på ventiler følger mye av det samme mønsteret som andre komponen­ ter. De vanligste skadene er: • kavitasjon • erosjon • korrosjon

Kavitasjon De aller fleste ventilene har et trykktap over ventilen. Dette kommer av hastighetsøkning på grunn av mindre gjennomstrømningstverrsnitt eller spjeld o.l. som er plassert i ventilen. Dersom trykktapet er stort nok (avhen­ gig av temperaturen) kan kavitasjon oppstå.

112

Sammendrag

For å redusere muligheten for kavitasjon kan flere metoder brukes: • Bruke materialer som er motstandsdyktige mot slitase • Bedre den konstruktive utformingen av ventilene (vinkelløp med strømning ovenfra og ned). • Konstruere ventilene slik at kavitasjonen kommer på ett bestemt sted slik at dette stedet kan forsterkes.

Erosjon Erosjon på ventiler skiller seg ikke ut fra erosjon på andre komponenter. Det skyldes faste partikler i gass- eller væskestrømmen. Sand i produksjonsventiler offshore er et stort problem. Korrosjon Korrosjon kan en beskytte seg mot dersom en vet nøyaktig hva gass- eller væskestrømmen inneholder av kjemiske komponenter. Av og til er dette vanskelig, men oftest går det godt.

Kontrollmetoder Kontrollmetoder for ventiler, av den typen som er nevnt for andre komponen­ ter, er lite i bruk. I stedet foretas det regelmessig vedlikehold (periodisk). Under skal vi bare kort nevne det vedlikeholdet som gjøres på de forskjellige ventilene.

En kuleventil skal ikke tilføres smøring i ventilhuset. Dersom den ikke er tett, er det setet som trenger vedlikehold. Dette gjøres ved å sprøyte inn pakningsmasse gjennom en nippel. Videre kan ei kule kile seg fast, og en del av det periodiske vedlikeholdet blir å bevege litt på kula. På spjeldventilene er det tetningsflatene som er problemet. Disse ripes opp, og det oppstår lekkasje. Det er sjelden spjeldventiler står direkte i forbindelse med prosessutstyr. De er oftere å finne i hjelpesystemene. Dette gir god anledning til å åpne ventilen og bytte tetningene. I tillegg smøres operasjonsspindelen.

Sluseventiler har et stort anvendelsesområde, og er ofte brukt som stenge ven­ tiler. Dersom strømningsmediet tillater det (ikke luft), skal disse smøres. Smøring gjøres gjennom nipler, men det kan være vanskelig på grunn av svært høye trykk. Som på kuleventilen er det både nødvendig og mulig å injisere pakningsmasse. Sikkerhetsventiler er gjenstand for særlig grundige vedlikeholdssjekker. Rutineinspeksjonen av disse har forskjellig intervall alt etter hvor i prosessystemet de står. Sikkerhetsventiler blir ved hver inspeksjon demontert, reingjort og ettersett. Før de blir montert igjen, blir de trykktestet på settrykket.

3.9 Sammendrag Kapittel 3 gir en enkel forklaring på virkemåten til forskjellige komponenter i prosessanlegg. Dette gjelder turbiner, kompressorer, pumper, varmevekslere, dieselaggregat, separatorer/væskeutskillere, gir og ventiler. Den største og viktigste delen av kapitlet handler om hvilke skader og drifts­ forstyrrelser disse komponentene er utsatt for under normal drift, og hvilke vedlikeholdsmetoder og strategier som er i bruk, eller som det kunne være fornuftig å bruke for de forskjellige komponentene. I denne sammenhengen er det viktig å vite hvilke tilstandsparametre, det vil si hvilke målinger og beregninger, det er fornuftig å bruke i vedlikeholdssammenheng. Disse er presentert for hver av komponentene i denne delen.

113

Metoder for styrt vedlikehold Som vi konstaterte i kapittel 1, er det tre former for styrt vedlikehold: • Vedlikehold etter driftstid; periodisk vedlikehold • Vedlikehold etter teknisk tilstand; tilstandsstyrt vedlikehold • Korrektivt vedlikehold; komponenten går til den stopper

De to første faller i gruppen forebyggende vedlikehold.

Fordelingen mellom forebyggende og korrigerende vedlikehold er en viktig størrelse ved valg mellom ulike vedlikeholdsstrategier. Ofte vil det her finnes en optimal fordeling. Figur 4.1 viser dette grafisk.

Figur 4.1 Fordeling mellom korrigerende og forebyggende vedlikehold Hvor skarpt optimeringsområdet er, og om det finnes, avhenger av stigningen på kurven for kostnader i forebyggende vedlikehold i forhold til helningen for de to andre kosnadskurvene. En kan tenke seg situasjoner der forebyggen­ de vedlikehold vil være så kostbart og medføre så store avbruddskostnader og samtidig gi så liten reduksjon i korrigerende vedlikehold, at det ikke lønner seg å drive forebyggende vedlikehold.

115

Metoder for styrt vedlikehold

Mange beslutninger må tas for å oppnå de beste resultatene, og det er viktig at det finnes kriterier for å ta disse avgjørelsene. Tilbake står spørsmålene Hvordan skal en ta de riktige beslutningene, og hvilke underlag og metoder har en? Mulige beslutningsverktøy er: • egen erfaring • andres erfaring • systematisk prøving og feiling • modeller

Erfaring, egen eller andres, er alltid nyttig og nødvendig som grunnlag for beslutninger. En mulighet er å opprette databanker/informasjonssystemer med for eksempel pålitelighetsdata i forskjellige bedrifter. Et godt informasjonssystem internt i bedriften kan systematisere inntrykk og observasjoner og formidle data mellom forskjellige avdelinger, for eksempel drift, innkjøp og vedlikehold. Systematisk prøving og feiling er i mange tilfeller en god framgangsmåte for å finne tilfredsstillende eller optimale løsninger, særlig dersom optimumsintervallet er bredt. I forbindelse med vedlikeholdsinnsats har metoden flere svakheter: • Ofte tar det lang tid før virkningene av et skifte i vedlikeholdsstrategi viser seg. • Det kan være vanskelig å skille effekten av en forandring i vedlikeholdsstra­ tegi fra effekter av forandringer i andre forhold. På denne bakgrunn vil en mer analytisk framgangsmåte være ønskelig. Avgjørelser tatt ved hjelp av modeller vil ofte bli bedre enn uten, fordi: • en er tvunget til å undersøke problemets struktur nøye for å velge ut og vurdere de viktigste faktorene, • et større antall mulige løsninger kan vurderes.

I resten av dette kapitlet skal vi la det korrigerende vedlikeholdet ligge, og konsentrere oss om styrt vedlikehold.

4.1 Vedlikehold basert på periodiske rutiner Vedlikehold basert på periodiske rutiner består av et sett av definerte arbeids­ oppgaver som er satt i system.

Generelt vil følgende informasjoner finnes i programmet: • Angivelse av komponentens/enhetens navn og kontonummer. • En kort stikkordsmessig vedlikeholdsbeskrivelse som angir hva som skal gjøres ved den aktuelle vedlikeholdsaktivitet, eventuelt med angivelse av et vedlikeholdspunkt uttrykt ved et tall eller en bokstav. Vedlikeholdspunktet angir hvilken del av den aktuelle instruksjonen som skal anvendes, idet en instruksjon som regel beskriver flere forskjellige vedlikeholdsaktiviteter for en og samme komponent. • Videre angis normalt en omtrentlig termin som viser med hvilke intervaller den aktuelle vedlikeholdsaktiviteten skal gjentas. Muligheter for justeringer av denne terminen ut fra erfaring, inspeksjoner, tilstandskontroll og så videre bør være til stede i de aktuelle vedl ikeholdssy ste mene. • Tidspunktet når den aktuelle vedlikeholdsaksjonen ble utført, blir registrert. Dette tidspunktet sammen med den angitte terminen, eventuelt justert ut fra erfaringer ved denne siste aksjonen, bestemmer forfallet for neste tilsvarende vedlikeholdsaksjon på samme komponent. 116

Vedlikehold basert på periodiske rutiner

Som nevnt over, angis en vedlikeholdsbeskrivelse som en del av vedlikeholdsprogrammet. I praksis er ikke en beskrivelse tilstrekkelig, i tillegg trenger man en vedlikeholdsinstruksjon. Vedlikeholdsinstruksjonen vil beskrive, for­ uten hva som skal gjøres, også hvordan dette skal gjøres. Med andre ord har vi en operasjonsbeskrivelse som gir alle nødvendige opplysninger om arbei­ det i form av tekst og skisser. Når og under hvilke omstendigheter man kan greie seg med en generell kortfattet beskrivelse, og når en mer detaljert instruksjon er nødvendig, av­ henger av flere faktorer. Noen av de forhold som må vurderes, er: • Prisen for å lage en instruksjon. • De ansattes kvalifikasjoner. • Er instruksjonsbøkene arkivert på en slik måte at de er lett tilgjengelige? • I hvilken utstrekning vil folk benytte instruksjoner som utarbeides? • Behovet for opplæring av de ansatte. De utarbeidede instruksjonene kan være svært nyttige til dette formålet.

Utarbeidelsen av instruksjoner er et omfattende arbeid, slik at det naturlig begrenser seg til de jobber som representerer hovedtyngden av belastningen, karakterisert ved: • bemanning • tid • frekvens = manntimer/år

Særlig kompliserte/viktige arbeider som stiller store krav til den/de som skal utføre jobben, bør ha en god instruksjon.

Krav til vedlikeholdsinstruksjon Kravene til en instruksjon kan sammenfattes i følgende punkter: • Arbeidsbeskrivelsen skal deles opp i naturlige teknisk motiverte operasjo­ ner. • For hver enkelt operasjon skal følgende opplysninger fmnes: - hva som skal utføres - hvordan og eventuelt hvorfor dette skal utføres - hjelpemidler som skal brukes - tekniske data som gjelder for arbeidets utførelse • Instruksjonen skal være fullstendig og korrekt. For at systemet skal fungere, må det skrives rapporter over det som er gjort, med kommentarer om hvilke feil og skader som er rettet. Rapportene skal arkiveres på den måten som er angitt i instruksen. Dette punktet er svært viktig, fordi det vanligvis er mange ansatte som er involvert i vedlikehold på de forskjellige skiftene. Det er også viktig for lagerhold og oppfølging.

Ikke alle arbeidsoppgaver innen vedlikeholdet kommer igjen med samme syklus. Derfor må det finnes et system for rotering av disse oppgavene. En måte å gjøre det på er å plassere arbeidskort, med beskrivelse av arbeidsopp­ drag, på ei stor tavle og i et nærmere oppsatt system. Vedlikeholdsansvarlig sørger for at tavla er i orden og at arbeidsoppgavene kommer tilbake med riktig frekvens. Arbeidskortene gir som regel en referanse til bøker (permer) hvor vedlikeholdsinstruksen står. Rotasjonen av arbeidoppgaver er på de fleste systemer i dag lagt inn på data, slik at det med jevne mellomrom (for eksempel hver uke) skrives ut arbeids­ kort for den vedlikeholdsperioden som skal begynne.

Det fmnes mange systemer av denne typen i bruk. Noen er spesialiserte, og andre er generelle. I det følgende er det gjengitt et system og et eksempel på bruken av dette systemet. Systemet som er vist er "Job - Driver", som er et windowsbasert system, og det konkrete eksemplet på bruk av dette er fra Aust-Agder Sentralsjukehus.

117

Metoder for styrt vedlikehold

Det første som skjer, er at nye brukere registreres. I hovedmenyen velges koden for autorisering av nye brukere, og dette skjermbildet kommer opp på skjermen:

*

04/10-B7 (40.87) Dato sist brukt

DEMO - DEMO ONLY AUTORISERING AV BRUKERE Initialer : Jobb tittel: Passord: ------

**

kk

Fornavn...:

★★

Printer (1-5):

*★

Svar J for det du vil autorisere brukeren til å utføre:

-

kk kk

*★

------------------ ■

k

Etternavn.:

kk kk

■

kk kk kk

kk kk

FELLES: Autorisere brukere: Oppdatere tekn, spes..: -

**

kk

Starte systemet: Oppdat. Utstyrsregister : Kjøre System-Hjelpeprogr:

kk

kk

-

kk

kk

I VEDLIKEHOLDS-SYSTEMET: Oppdatere jobb register: Angi jobb kategorier....

kk kk **

Alm. historikk oppdat..: - Oppdat. i tekst arkiv..:

-

kk

kk

I RESERVEDEL-SYSTEM: Alm. res.dels transaksjoner.: Oppdat. i res.del register, budsjett, valuta tab.:-

kk kk

kk

**

-

kk kk

kk kk

PÅLEGG:

Les:

-

Opprett:

kk

-

kk

kk

(Fl)-Hjelp

*

(F5)-vis skjerm på nytt

(F9)-blank for innskrift

k kkkkkkkk * XXXXXXXXXX X x X X x x x x x x x x x tv x tv x x tv tv tv tv

tv tv tv tv tv tv tv tv tv tv

(Esc)-bakover/ut

* * * *

Deretter lages det en utstyrskode for å registrere alle komponentene som skal inngå i vedlikeholdssystemet. Etter valg i hovedmenyen for dette kommer følgende skjermbilde opp:

** ★* **

UTSTYRSREGISTER ------------- FUNKSJONS-VALG ----------4. Les fra registret 1. Forandre tekst 2. Innlegg nytt utstyr 5. Skriv fra registeret 6. Vis utstyrs-typer 3. Stryk utstyr

7. Skriv utstyrs-typer: X. UT Velg Funksjon- ##

kk

REGISTER INNHOLD

(Fl)-Hjelp

(F5)-vis skjerm på nytt

(F9)-blank for innskrift

(Esc)-bakover/ut

Det siste skjermbildet vi skal ta med her, gjelder innlegging av alle nødvendi­ ge tekniske data.

118

*

k

Vedlikehold basert på periodiske rutiner

************************************************************************************ TEKNISKE SPESIFIKASJONER

*

**

★★ ★★ **

Innsett Spes. (opp-pi1)=Let Rev. dato: -------Navn ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

★★

|

** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** **

*

kolonne: * for å legge inn linje,

F gir felt-modus som avsluttes med (Esc) | ■ -------------------------------------------- Tekst Side- - -

** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** **

(Fl)-Hjelp (F5)-vis skjerm på nytt (F9)-blank for innskrift (Esc)-bakover/ut ★ ********************************************************* ***************************

De følgende sidene viser hvordan registreringen av utstyr er gjort; to eksem­ pler på arbeidsordrer og et skjema for jobber som er forfalt.

119

Metoder for styrt vedlikehold

ASA-Teknisk avd.

Utstyrs-typer

22/02-94 (08.94)

360.101. .101.01 .101.11 .101.21 .101.31 .101.41 .101.51 .101.71

HOVEDAVTREKK NORD A-FLØY A-7 AVTREKSAGREGGREGAT AV-1 A-7 Aggregatspjeld AV-1 A-7 Varmegjenvi nner(Radi ator) AV-1 A-7 Vifte AV-1 A-7 Transmisjon AV-1 A-7 Elektromotor AV-1 A-7 Filter AV-1 A-7 Stengespjeld AV-1

360.102. .102.01 .102.11 .102.21 .102.31 .102.41 .102.51 .102.61 .102.71

AVTREKSAGGREGAT AV-2 Aggregatspjeld AV-2 Varmegjennvinner AV-2 Vifte AV-2 Transmisjon AV-2 Elektromotor AV-2 Filter AV-2 Blandespjell AV-2 Stengespjell AV-2

OPERASJONS-STUER

A-FLØY A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7

360.103. .103.01 .103.11 .103.21 .103.31 .103.41 .103.51 .103.61 .103.71

AVTREKSAGGREGAT AV-3 Aggregatspjeld AV-3 Varmegjennvinner AV-3 Vifte AV-3 Transmisjon AV-3 Elektromotor AV-3 Fi1 ter AV-3 Blandespjell AV-3 Stengespjell AV-3

HOVEDAVTREKK SYD

A-FLØY A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7

360.104. .104.01 .104.11 .104.21 .104.31 .104.41 .104.51 .104.61 .104.71

AVTREKSAGGREGAT AV-4 Aggregatspjeld AV-4 Varmegjennvinner AV-4 Vifte AV-4 Transmisjon AV-4 Elektromotor AV-4 Fi1 ter AV-4 Blandespjell AV-4 Stengespjell AV-4

SPISESALER

A-FLØY A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7

360.105. .105.01 .105.11 .105.21 .105.31 .105.41 .105.51 .105.61 .105.71

AVTREKSAGGREGAT AV-5 Aggregatspjeld AV-5 Varmegjennvinner AV-5 Vifte AV-5 Transmisjon AV-5 Elektromotor AV-5 Filter AV-5 Blandespjell AV-5 Stengespjell AV-5

AVTR. SKAP 3.ETG. A-FLØY A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7 A-7' A-7

120

Vedlikehold basert på periodiske rutiner

Arbeidsordrer

ASA-Teknisk avd.

360.101. Enhet: AVTREKSAGGREGAT AV-1 360.101.00.A Jobb: Visuell inspeksjon

22/02-94 (08.94)

HOVEDAVTREKK NORD A-FLØY A-7

Intervall: 3 M Forfa11:35.90 Sist utført: . Prioritet:5 Timer M: 1 Jobb Kateg.: M ----------------------------------------------------------- j0BB beskrivelse-------------------------------------Prøvekjør ventilasjonsaggregat. Kontroller at:

-

det ikke forekommer unormale lyder eller vibrasjoner. lagertemperatur er normal. vifteremmer er stramme og hele. filtre er hele og at trykkfallet er innenfor tillate grenser. dører og luker tetter godt.

Rett opp eventuelle feil. Hvis feilen krever en større reparasjon, konfereres det først med overordnede.

------------------------------------------------------------ASA-Teknisk avd.

360.101.00.A

RAPPORT-SKJEMA

----------------------------------------------------------22/02-94 (08.94)

Jobb: Visuell inspeksjon

Res. deler brukt (kode, navn, antall):

Forbrukt tid

Dato:

M::

Si gnatur:

121

Metoder for styrt vedlikehold

ASA-Teknisk avd.

360.102. 360.102.00.A

Arbeidsordrer

Enhet: AVTREKSAGGREGAT AV-2 Jobb: Visuell inspeksjon

Intervall: 3 M Forfal1:35.90 Sist utført: Ti mer M: 1 Jobb Kateg.: M

.

22/02-94 (08.94)

OPERASJONSSTUER A-FLØY A-7

Prioritet:5

------------------------------------ J0BB BeskriVELSE--------------------------------------------------------------

Prøvekjør ventilasjonsaggregat.

Kontroller at: -

det ikke forekommer unormale lyder eller vibrasjoner. lagertemperatur er normal. vifteremmer er stramme og hele. filtre er hele og at trykkfallet er innenfor tillate grenser. dører og luker tetter godt.

Rett opp eventuelle feil. Hvis feilen krever en større reparasjon, konfereres det først med overordnede.

------------------------------------------------------------ASA-Teknisk avd. 360.102.00.A

Jobb: Visuell

RAPPORT-SKJEMA

inspeksjon

Res. deler brukt (kode, navn, antall):

Forbrukt tid

Dato:

122

M:: Signatur:

-----------------------------------------------------------22/02-94 (08.94)

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

ASA-Teknisk avd.

Oversikt over forfalte jobber

360.101. Enhet: AVTREKSAGGREGAT AV-1 360.101.00.A Jobb: Visuell inspeksjon

Intervall: 3 M Forfal1:35.90 Sist utført: T i mer M: 1 Jobb Kateg.: M

.

22/02-94 (08.94)

HOVEDAVTREKK NORD A-FLØY A-7

Prioritet:5

360.101. Enhet: AVTREKSAGGREGAT AV-1 360.101.00.M Jobb: Periodisk vedl ikehold

HOVEDAVTREKK NORD A-FLØY A-7

Intervall: 3 M Forfall: 6.94 Sist utført: . Prioritet:5 Timer M: 1 Jobb Kateg.: M E Rapp. Kateg: M

360.102. Enhet: AVTREKSAGGREGAT AV-2 360.102.00.A Jobb: Visuell inspeksjon

Intervall: 3 M Forfal1:35.90 Sist utført: Timer M: 1 Jobb Kateg.: M

Totalt M: 3

3

jobber.

.

OPERASJONSSTUER A-FLØY A-7

Prioritet:5

3 timer.

4.2 Vedlikehold basert på teknisk tilstand Vedlikehold basert på teknisk tilstand, eller tilstandsstyrt vedlikehold, kan foregå på flere forskjellige måter, og basert på forskjellige typer utstyr. De metodene som blir tatt med her, er: • termodynamisk tilstandskontroll • vibrasjonsanalyse • oljeanalyse

4.2.1 Termodynamisk tilstandskontroll Denne formen for kontroll av maskineri og prosessutstyr baserer seg på de tilstandskontrollmetoder som er utviklet med basis i måling av forskjellige prosess variable som: • temperatur og temperaturforskjeller; for eksempel godstemperaturen i topplokket på en dieselmotor eller temperaturforskjellen på ei væske når den passerer en varmeveksler. Lager kan også kontrolleres ved å måle tempera­ turen på det. • trykk og trykkdifferanser; for eksempel trykkfallet over luftfilteret på en kompressor. • strømningsmengder; for eksempel luftmengden gjennom turboen på en dieselmotor.

123

Metoder for styrt vedlikehold

• strømningshastigheter eller hastighetsforskjeller; for eksempel væskehastigheten i en varmeveksler for å kontrollere muligheten for begroing. • analyse av sammensetningen av gasser eller væsker; for eksempel bestem­ melse av surheten i væsker for å kunne hindre korrosjon. • måling eller beregning av energimengder og effekter; for eksempel måling av det øyeblikkelige effektforbruket på en stempelkompressor gir svar på om mellomkjølingen er god. De målemetodene som er beskrevet over, brukes som et mål på komponen­ tens eller systemets effektivitet, og nåverdien av denne kan sammenlignes med en referanseverdi (nyverdi).

En reduksjon i et systems eller en komponents effektivitet kan føre til: • at feil og skader forplanter seg til andre komponenter eller systemer • at det får økonomiske konsekvenser.

Når en skal vurdere endringer i effektiviteten og virkningen av disse, er det viktig at en vurderer entydige verdier eller størrelser. Disse størrelsene bør i størst mulig grad være uavhengig av belastning og ytre driftsbetingelser. Dersom dette siste ikke er mulig, må driftsbetingelsene være så like som mulig ved hver måling.

Det finnes mange eksempler på slike størrelser. Det kan være: • temperatur eller temperaturforskjeller • trykk eller trykkforskjeller • varmeovergangsmotstand • virkningsgrader • brennstofforbruk

4.2.2 Vibrasjonsanalyse Generelt om vibrasjoner Med vibrasjoner forstår vi en svingende bevegelse av et fast stoff om en middelverdi. Antall svingninger i et sekund kalles frekvensen, og den måles i Hz. Bevegelsen kan bestå av en enkelt komponent, som opptrer med en frekvens, som for eksempel en stemmegaffel, eller av flere komponenter, som opptrer samtidig, men med forskjellige frekvenser, som for eksempel stempelbevegelsen i en forbrenningsmotor. Figur 4.2 viser et eksempel på dette.

124

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

f Nivå

Frekvens

Figur 4.2 Eksempler på vibrasjoner Vibrasjonssignaler består i praksis av uendelig mange frekvenskomponenter, og det er derfor vanskelig å bestemme de relevante komponentene ved å betrakte frekvenssignalet over tid.

Disse komponentene kan en derimot finne ved å tegne opp vibrasjonsnivået som funksjon av frekvensen. Denne teknikken, å oppløse vibrasjonssignalet i de individuelle frekvenskomponentene, kalles frekvensanalyse. Frekvensana­ lysen er helt fundamental for alle vibrasjonsmålinger. Resultatet av en frekvensanalyse, det vil si vibrasjonsnivået som funksjon av frekvensen, kalles et frekvensspekter. Ved frekvensanalyse av maskinvibrasjoner finner vi ofte et antall domineren­ de periodiske frekvenskomponenter som står i direkte relasjon til bevegelsen av forskjellige deler i maskinen. Ved hjelp av frekvensanalysen er vi derfor i stand til å spore opp kilden til uønskede vibrasjoner. Vibrasjonsformer

Vibrasjoner inndeles tradisjonelt i følgende grupper: A Stasjonære vibrasjoner - Periodiske vibrasjoner - Stasjonære, tilfeldig varierende vibrasjoner B Ikke-stasjonære vibrasjoner - Transiente vibrasjoner - Sjokk - Ikke-stasjonære, tilfeldig varierende vibrasjoner

125

Metoder for styrt vedlikehold

I det følgende blir det gitt eksempler på vibrasjoner fra hver av disse gruppe­ ne. Periodiske vibrasjoner

Figur 4.3 Periodisk vibrasjon

Figur 4.3 viser et eksempel på en periodisk vibrasjon. Dette er en enkel harmonisk svingning (sinussignal) som er gitt ved perioden T eller frekven­ sen/. /=l/T(Hz)

En enkel harmonisk svingning kan man få til ved å henge en masse opp i en fjær. Perioden T er den tiden det tar å fullføre en hel svingning, og den måles i sekunder. Frekvensen / er antall svingninger per sekund, og angis i Hz (Hz = s1).

Svingeformen som er vist i figur 4.4, er også periodisk fordi bevegelsen gjentar seg etter en bestemt tidsperiode. Den kalles en sammensatt harmonisk bevegelse, fordi den er sammensatt av flere sinussignaler. Signalformen rep­ resenterer tilnærmelsesvis de vibrasjoner som er resultatet av en stempelakselerasjon i en forbrenningsmotor.

Figur 4.4 Periodisk vibrasjon Et periodisk signal behøver altså ikke være symmetrisk eller ha en pen geo­ metrisk form. Signalet karakteriseres bare ved at det gjentar seg etter et gitt tidsrom. Vibrasjonssignalet i figur 4.4 er sammensatt av to komponenter med forskjel­ lig frekvens og amplitude, som vist i figur 4.5 . Frekvensen av det ene signalet er dobbelt så stor som frekvensen av det andre, og forskjellen i amplituden gir ved addisjon det kombinerte signalet som er vist.

126

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

Figur 4.5 Vibrasjon bestående av to frekvenser

Vibrasjoner avbildes grafisk i et frekvensspekter, det vil si amplituden som funksjon av frekvensen. I figur 4.6 er det vist eksempler på vibrasjonssignaler og deres frekvensspektre. Det framgår av figur 4.5 at sinussignalet har et spekter som består av en enkelt frekvens, og som representeres som ei linje. Høyden av linja tilsvarer signalets amplitude. De to frekvensene i bølgeformen som er gitt i figur 4.4 og 4.5, har hver ei linje i spekteret som tilsvarer amplitudene til de to frekvensene. Frekvensen f kalles for grunnfrekvensen og frekvensen 2/dens 2. harmoniske. Firkantsignalet i figur 4.6 er også et periodisk signal. Det består av grunn­ frekvensen /og alle ulike harmoniske (det vil si 3, 5, 7....) med avtagende amplitude.

Figur 4.6 Firkantsignal

Stasjonære, tilfeldig varierende vibrasjoner De vibrasjonene som oftest forekommer i praksis, er tilfeldig varierende. De karakteriseres ved at de vibrerende partiklene utfører en uregelmessig beve­ gelse, som aldri gjentas. Se figur 4.7.

127

Metoder for styrt vedlikehold ‘Amplitude

Amplitude

—► Tid

f0

Frekvens

Figur 4.7 Stasjonær, tilfeldig varierende vibrasjon

For å oppnå en fullstendig beskrivelse av vibrasjonene er det teoretisk sett nødvendig å registrere dem i uendelig lang tid. Dette er naturligvis umulig, og i praksis foretas registreringene over et endelig tidsrom. Tilfeldig varierende vibrasjoner kalles stasjonære dersom mange målinger gir måleresultater av samme karakter. Frekvensspekteret er bredbåndet, det vil si at det er kontinuerlig og inneholder alle frekvenser.

Maskinvibrasjoner består oftest både av tilfeldig varierende og av periodiske vibrasjoner, hvorav de sistnevnte kan føres tilbake til strukturresonanser og harmoniske til visse vibrerende objekter. Transiente vibrasjoner og sjokk Transiente vibrasjoner og sjokk forekommer ofte i praksis. De oppstår som følge av støt, oppstart av motorer og så videre, eller overalt hvor den driven­ de kraft ikke er kontinuerlig. Felles for begge typer er at energiomsetningen foregår innenfor et meget kort tidsrom.

Et sjokk kan defineres som overføring av kinetisk energi med et tidsforløp som er kort sammenlignet med systemets periodetid. Transiente fenomeners varighet kan strekke seg over flere periodetider. n Amplitude

^Amplitude

Frekvens

Figur 4.8 Transiente vibrasjoner I figur 4.8 er det vist en transient vibrasjon der spekteret inneholder en serie av frekvensbånd. Båndbredden avhenger av transientens varighet og bånde­ nes relative amplitude.

Ikke-stasjonære tilfeldig varierende vibrasjoner Ut ifra en teoretisk betraktning er alle tilfeldig varierende vibrasjoner som forekommer i praksis, ikke-stasjonære, fordi deres parametre endres med tiden. I praksis kan disse endringene være så små eller av en slik karakter at vibrasjonene kan sies å være stasjonære. Ikke-stasjonære tilfeldig varierende vibrasjoner defineres derfor i praksis som vibrasjoner, hvis parametre varierer innenfor den tiden det anses for tilstrek­ kelig for beskrivelsen av de gjeldende vibrasjonene. Figur 4.9 viser et eksem­ pel på denne typen vibrasjoner.

128

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

Figur 4.9 Ikke-stasjonære tilfeldige vibrasjoner Vibrasjonskilder Alminnelige kilder til vibrasjoner er for eksempel ubalanse i roterende ma­ skineri, turbulent strømning i rør, støt og så videre. Vibrasjoner er normalt uønskede og kan ofte reduseres enten ved omhyggelig konstruksjon eller ved modifikasjoner på maskineriet. Omvendt er visse konstruksjoner basert på anvendelse av vibrasjoner, for eksempel betongvibratorer, transportbaner, mekaniske hamre og så videre.

Følger av vibrasjoner Personer som utsettes for kraftige vibrasjoner, kan få syns- og balanseforstyrrelser. I visse tilfeller, ved spesielle frekvenser og nivåer, kan indre organer skades. De såkalte hvite fingre er et eksempel på en lidelse som oppstår på grunn av vibrasjonspåvirkning. Maskiner kan også skades av vibrasjoner. Hvis vibrasjonene foregår ved resonansfrekvensen for en maskindel, kan det oppstå sprekker eller utmat­ ningsbrudd. Den støyen som oppstår ved vibrasjoner, kan også være et prob­ lem for personer som oppholder seg i nærheten.

Det må tas spesielle forholdsregler for å hindre at uønskede vibrasjoner får forplante seg i omgivelsene. Vibrasjoner forplanter seg gjennom alle stoffer som er i mekanisk kontakt med det vibrerende emnet. Selv om en gitt fre­ kvens ikke får en maskins egne deler i resonans, kan den eksitere en resonans i en maskin i nærheten. Derfor er det viktig å kunne måle og kontrollere vibrasjoner. Hvorfor vibrasjonsmåling? Det er mange forhold som gjør det nødvendig å måle vibrasjoner. For kon­ struktøren er det viktig å kjenne vibrasjonenes størrelse og frekvens for å sikre seg at for eksempel spenningene i materialet ikke blir for store. En annen viktig grunn er at hvis resonansfrekvensen for en maskindel er be­ stemt, vil man ofte kunne unngå å kjøre maskinen med en hastighet som tilsvarer denne resonansen. Ved vibrasjonsdemping eller -isolering er det nødvendig å kjenne de inngående frekvensene og amplitudene for å kunne velge riktige dempningsmaterialer. Forebyggende vedlikehold er også et om­ råde der vibrasjonsmåling er nyttig, da mange feil kan oppdages lenge før havari, bare ved å måle endringer i vibrasjonsnivået. Vibrasjonenes intensitet Som mål for vibrasjonenes intensitet benyttes amplituden av målepunktets forskyvning, hastighet eller akselerasjon.

129

Metoder for styrt vedlikehold

Forskyvningen er proposjonal med spenningen i materialet, hastigheten med svingningsenergien og akselerasjonen med kraften på måleobjektet.

De tre parametrene måles i de normale SI-enhetene for avstand (m), hastighet (ms1) og akselerasjon (ms’2). Akselerasjonen måles av og til i antall g, det vil si i forhold til tyngdeakselerasjonen. Historisk sett var forskyvning den første parameteren man målte, fordi den var lettest å måle og se med optiske instrumenter. Det er ikke mulig å måle hastighet og akselerasjon optisk. Med innføringen av hurtiggående maskiner ble forskyvningene mindre og vanskelig å se, men maskinhavari forekom stadig, og hastighetsmålinger ble mer vanlig.

Mange roterende maskiner har frekvens spektre med en jevnt fordelt energi i frekvensområdet opp til 1 kHz, noe som gjør det forholdsvis enkelt å bestem­ me hastighetsgrenser for et gitt maskineri. Standardiseringsorganisasjoner i flere land anbefaler nå disse hastighetsgrensene, spesielt for elektromotorer, men også for andre maskintyper. Måling av forskyvning er særlig egnet for svært lave frekvenser. Vibrasjoner med høye frekvenser, som kunne hatt betydning for produktets sikkerhet eller funksjon, blir ikke målt med samme nøyaktighet. Måling av akselerasjon gir et omvendt bilde. Større vekt blir lagt på de høye frekvensene, hvor det ofte er viktigst å kjenne vibrasjonene. Ved måling av hastighet blir alle frekven­ skomponentene tillagt tilnærmet samme vekt. Se figur 4.10. Det må under­ strekes at dette gjelder primært for roterende maskiner i frekvensområdet opp til 1 kHz.

Høyfrekvente vibrasjoner (over 1 kHz) må oftest måles som akselerasjon, fordi hastighet og forskyvning minker raskt i størrelse ved høye frekvenser. Da de høye frekvensene har stor betydning for vibrasjonsovervåkning av maskiner, er akselerasjonsmålinger blitt svært utbredt. For eksempel kan feil i kulelager oppdages i frekvensområdet 2-60 kHz lenge før havari. Forskyvning A

Akselerasjon

Hastighet 4

r

Frekvens

Frekvens

Frekvens

Figur 4. JO Signal presentert som forskyvning, akselerasjon eller hastighet

Sammenheng mellom forskyvning, hastighet og akselerasjon Det er en veldefinert sammenheng mellom forskyvning, hastighet og aksele­ rasjon. For å belyse denne sammenhengen skal vi se på en enkel harmonisk bevegelse ved hjelp av mekanismen i figur 4.11.

130

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

Figur 4.11 Rotasjonsbevegelse overført til forskyvning

Ei skive dreies mot urviseme med en konstant vinkelhastighet (rad/sek). En hel omdreining tilsvarer en vinkel på 2. 0 - vinkeIdreiningen mot urviseme x - forskyvning, måles positiv mot høyre Skiva driver en fram- og tilbakegående mekanisme B ved hjelp av en tapp P i føringen S. Forskyvningen x av B er da gitt ved: x = r sin©

eller x = r sin© dette vil si at: x = 0 for © = 0

x = r for© = 2

der co = 2ti/

(0°)

(90°)

x = 0 for® = JT (180°) 3jr x = r for© = ^ (270°) Den maksimale amplituden for forskyvningen er r.

Derivasjon av forskyvningen med hensyn på tiden gir hastigheten v av B: dx v = --- = r • co • sin cor

Dette vil si at: v = r • co

for © = 0

v=0

for © =

v = -r • CO

for 0 = 71

v=0

forØ = -^

Den maksimale amplituden for hastigheten er r • co Derivasjon av hastigheten med hensyn på tiden gir akselerasjonen a av B: a=

dv

2-7

- -r • co • sin k

Dette vil si at: a-0 for 0 = 0 a—r•

ror 0 =

131

Metoder for styrt vedlikehold

a=0

for © = ti

a = r • co2

for © =

Den maksimale amplituden for akselerasjonen er r • co2 Figur 4.12 viser dette.

Figur 4.12 Faseforskyvning

Som figuren viser, er det en faseforskyvning mellom de tre parametrene. Hastigheten er 90° foran forskyvningen, og akselerasjonen er 90° foran has­ tigheten (180° foran forskyvningen). Faseforskjellen har i denne forbindelsen mindre betydning, idet måleresulta­ tet her er en midling av amplituden over flere perioder. I noen tilfeller har likevel fasen en betydning som for eksempel ved avbalansering.

Ved hver derivering multipliseres signalet med faktoren co. Dette betyr at akselerasjonen er en faktor større enn henholdsvis hastigheten eller forskyv­ ningen. Akselerasjonssignalet er derfor det letteste å måle og av og til også det eneste som kan måles ved høye frekvenser. Den viktigste konsekvensen av forholdet mellom de tre parametrene er at man ved enhver gitt frekvens kan finne de to andre dersom en av dem er gitt. Derivasjon utføres sjelden i praksis. I stedet utføres den omvendte operasjo­ nen; enkel eller dobbel integrasjon av akselerasjonen for å finne forskyvning og hastighet. Integrasjonen gjøres av elektronikk.

Framhevingen av de forskjellige områdene i et spekter framgår tydelig av figur 4.10. I dette tilfellet er hastighetsspekteret temmelig flatt. Ved divisjon med co for å få forskyvningen dempes de høye frekvensene, og her forsvinner signalet helt. Multiplikasjon med co, for å få akselerasjonen, framhever de høye frekvenskomponentene.

Frekvensspektre avbildes vanligvis med logaritmisk frekvensakse. Dette fø­ rer til at de lave frekvensene blir brede, og at de høye trekkes sammen. Dette gir erfaringsmessig en passende oppløsning uten altfor store papirark. Loga­ ritmisk skala henger nøye sammen med begrepene oktav (fordobling av fre­ kvens) og dekade (10-dobling av frekvensen), og både en oktav og en dekade tilsvarer en konstant bredde uavhengig av frekvensområdet. Det må imidler-

132

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

tid legges til at lineær frekvensakse også benyttes for eksempel ved harmoni­ ske svingninger av en svingning.

Amplitude aksen er oftest logaritmisk, idet man benytter en dB-skala (deci­ bel) tilsvarende den som anvendes innenfor akustikk. dB-skalaen Vibrasjonsamplituder ligger innenfor et meget stort område, og man benytter derfor en relativ, logaritmisk skala som angir nivået L i dB:

L= 10 log

dB

= 20 log £ dB V 0J

hvor x betegner den målte amplitude og x0 en referanseamplitude. Referanse­ verdiene for de tre parametrene er standardisert. Akselerasjonsnivået (a), hastighetsnivået (v) og forskyvningsnivået (V) er gitt ved:

L =20Iog|^- dB

a = 10-6 ms 2

“0

Lv = 201ogU dB

£d=201og[/

dB

v = 10~9 ms-1

d= 10^m

UQ

Det må imidlertid legges til at andre referanseverdier også anvendes, og man bør derfor alltid sjekke hvilken verdi som er benyttet når nivået er gitt.

Den største fordelen med dB-skalaen er at tallverdiene holdes innenfor rime­ lige grenser. Et amplitudeforhold på 105 er ikke uvanlig, og det vil i dB gi: 20 • log 105 = 100 dB Det er viktig å være oppmerksom på at det gjelder spesielle regneregler for dB. For eksempel vil en fordobling av amplituden ikke resultere i en fordob­ ling av dB-verdien, men derimot øke den med 6 dB.

Eksempel: V

V

L

= 10mm/s 10-2 = 201ogT(R

= 20 mm/s = 20log-‘'^ l(rb

10-2 ms-1

120dB = 2 • 10~2 ms-1 =126dB

Spissverdi, gjennomsnittsverdi og effektverdi For en enkel harmonisk svingning er amplituden et entydig mål for intensite­ ten. Intensitetsangivelsen for mer kompliserte svingeformer er i praksis van­ skeligere. Da benyttes vanligvis en av følgende verdier: • Spissverdien • Gjennomsnittsverdien 133

Metoder for styrt vedlikehold

• Effektivverdien Spiss- eller maksimalverdien er nyttig for å bestemme en maksimal forskyv­ ning, men man må være oppmerksom på at det bare er den øyeblikkelige maksimalverdien som angis, og ikke en verdi som er noe middel over lengre tid. For en enkel harmonisk svingning er spissverdien lik amplituden. Se figur 4.13.

Figur 4.13 Definisjon av amplitudeverdier Spiss-til-spissverdien er avstanden fra største negative til største positive ver­ di, og for et symmetrisk signal er den to ganger spissverdien. Gjennomsnittsverdien er definert som: ^*mid ~ fi 1

0

det vil si en tidsmidling av signalet over perioden T. Denne verdien har imidlertid bare liten interesse, fordi den ikke har noen direkte tilknytning til fysiske størrelser.

Den mest anvendte størrelsen er effektivverdien eller RMS-verdien (Root Mean Square} av signalet. Dette er definert som: Peff =

1

f x2 (r)dr o

T er integrasjonstiden (midlingstiden), det vil si den tiden som fysisk benyttes til å bestemme effektivverdien av signalet. For tilfeldig varierende vibrasjo­ ner får en den riktige effektivverdien bare dersom T er uendelig stor. Da T i praksis ikke kan gjøres uendelig stor, og da observasjonsperioden ved prakti­ ske vibrasjonsmålinger normalt er mye større enn midlingstiden, vil den ob­ serverte effektivverdien for vibrasjonene forandre seg under målingene. Effektivverdien har stor betydning i vibrasjonsmåleteknikk, fordi den er pro­ porsjonal med vibrasjonsenergien.

Alle vibrasjoner har sitt utgangspunkt i krefter. Når vi måler vibrasjoner på en maskin, måler vi egentlig det opprinnelige kraftsignalet, men modifisert av bevegelseskarakteristikken til det materialet som ligger mellom kraftkil­ den og målepunktet. Denne bevegelseskarakteristikken kalles materialets el­ ler komponentens mobilitet.

134

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

KRAFT • MOBILITET = VIBRASJON Se figur 4.14

Figur 4.14 Sammenheng mellom kraft, mobilitet og vibrasjoner

Mobiliteten er et uttrykk for materialets evne til å bevege seg, og den er frekvensavhengig. Det vil si at en stor kraftimpuls ikke nødvendigvis skaper en stor vibrasjon dersom mobiliteten er liten ved den frekvensen kraften opptrer ved. Det er kraften som er ødeleggende for maskineriet, men denne er det umulig å måle. Derfor må en ty til det nest beste - måling av vibrasjone­ ne. Problemet med at man må måle virkningene av kreftene, det vil si vibrasjo­ nene, i stedet for kreftene selv, kan løses på to måter: • Vibrasjonene måles og sammenlignes med standarder som gir maksimal tillatt vibrasjon. Disse standardene er gitt for hver enkelt type maskin og størrelse. Vi skal komme tilbake til disse når vurdering av målinger blir omtalt. • Vibrasjonsmålingene brukes som en del av en historikk. Vibrasjonene måles med faste tidsintervaller og sammenlignes med en referansemåling. Refe­ ransemålingen gjøres når komponenten er ny, og den gjøres ved normale driftsforhold (belastning, temperatur, trykk og så videre). Forskjellen i vibrasjonsnivået fra nå- til nytilstand blir så plottet mot tid, og vi får en historisk utvikling, som i neste omgang kan gi oss en trend.

Utstyr ved vibrasjonsmålinger Figur 4.15 viser skjematisk hva slags utstyr som brukes ved vibrasjonsmålin­ ger.

Figur 4.15 Utstyr ved vibrasjonsmåling

Kort fortalt består utstyret av: • Måleinstrument (transduser). Dette instrumentet måler vibrasjonene og pro­ duserer en spenning som er proposjonal med disse. Som vi skal se, kan dette måleinstrumentet konstrueres på flere måter og etter forskjellige prinsipper. • Forsterker. Denne skal forsterke de små spenningssignalene som kommer fra måleinstrumentet. • Integrator. Som vi har sett tidligere, kan vibrasjoner måles som vibrasjonshastighet, -utslag eller -akselerasjon. Når hastighet og akselerasjon kan finnes ved å derivere et utslag i millimeter, kan man også gå andre veien og integrere utslag. Integratoren kan gjøre denne operasjonen begge veier. Dette betyr at et utslag i for eksempel hastighet kan presenteres som noe annet. 135

Metoder for styrt vedlikehold

• Filter. Vanligvis inneholder en vibrasjonsmåling svært mange frekvenser. Det er en tidkrevende prosess å analysere disse, også for en datamaskin. Derfor, og også for nøyaktighetens skyld, analyseres bare en del av frekven­ sområdet om gangen. Når dette er analysert, tas neste område og så videre. • Lagrings- og utskriftsenhet. Her foregår sammenligning med tidligere må­ linger, det lages en trendanalyse, målingene lagres, skrives ut eller vises på en skjerm.

Før vi ser nærmere på det som er omtalt over, skal vi se på den enkleste måten å gjøre dette på. Dette systemet består av en liten, bærbar vibrasjonsmåler, et stroboskop for å bestemme omdreiningstallet og høreklokker for å lytte til vibrasjonene. Foruten å måle vibrasjonsnivået, lytte til vibrasjonene og se på dem, må man sammenligne det totale vibrasjonsnivået med gjelden­ de standarder eller verdier som er satt av driftsorganisasjonen i bedriften. Dersom man oppdager at noe er galt, men ikke kan si hva, kan mer nøyaktige metoder benyttes for å stadfeste type feil og hvor den er oppstått.

Systemet som er gjengitt over, er skjematisk, men kan utformes på forskjelli­ ge måter. Se figur 4.16.

Figur 4.16 Utstyr ved vibrasjonsmåling Til venstre på figuren vises en bærbar analysator. Denne foretar en frekven­ sanalyse på stedet, og kan oppdage feil på et tidligere stadium enn det enkles­ te systemet, som er beskrevet ovenfor. Analysatoren kan lagre måleverdier

136

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

og sammenligne dem med tidligere verdier. Avanserte systemer av denne typen kan også antyde hva som er galt, og hvor.

En båndopptager kan være et alternativ til den bærbare analysatoren. Forde­ len med denne metoden er at hele målesignalet lagres, slik at det siden kan analyseres grundig, og ved bruk av flere forskjellige teknikker. Oppsamlin­ gen av slike data må følge en helt bestemt rute i fabrikken, slik at måleverdiene kommer i riktig rekkefølge inn på båndet. Båndet kan så sendes til et laboratorium med egnet utstyr, slik at en ikke selv må sitte med uforhold­ smessig dyrt utstyr. Det mest avanserte systemet består av permanent overvåkningsutstyr. Hoved­ grunnen til dette er at det kan gi et tidlig varsel, og at det kan varsle plutselige endringer i maskinene. I prinsippet går målingene fra hvert målepunkt via hver sin kabel inn til en sentral analyseenhet. Denne enheten består av de komponentene som er omtalt tidligere. Ønsker man å redusere antall kabler, finnes det systemer for å samle data fra flere målepunkter i én kabel. Hvor ofte datamaskinen avleser vibrasjonene på et punkt, kan variere og bestem­ mes av driftsorganisasjonen. Permanente systemer finnes på store anlegg som prosessanlegg, papirfabrikker, kraftverk og så videre. De er dyre i innkjøp og installasjon, men for store anlegg er de ofte vurdert til å være en lønnsom investering. Når vi nå skal se nærmere på det utstyret som er vist på figur 4.15, er ikke alt like interessant i denne forbindelsen. For en operatør eller ansatt i vedlikeholdsorganisasjonen er måleinstrumentet og filteret viktigst.

Tidligere i dette kapitlet har vi sett at vibrasjoner kan måles som forskyvning, hastighet eller akselerasjon. Om vi skal måle det ene eller det andre, er avhengig av frekvensområde, type vibrasjon og så videre, og det krever for­ skjellige typer måleinstrumenter.

Forskyvningsmåler Som det ligger i overskriften, måler denne svingeutslaget som forskyvning i millimeter. Den måler vibrasjonene direkte og har ingen bevegelige deler. Derfor er den slitesterk og har lang levetid. Den gjør det mulig å foreta direkte målinger av for eksempel vibrasjoner i aksler.

Det frekvensområdet som dekkes av denne typen, er begrenset til ca. 500 Hz. I tillegg er den vanskelig å kalibrere på maskiner som har vært i drift en stund. En forskyvningsmåler må stå fast, og den må monteres meget godt for å kunne fungere tilfredsstillende. Figur 4.17 viser en skisse av en forskyv­ ningsmåler.

Figur 4.17 Forskyvningsmåler

137

Metoder for styrt vedlikehold

Utgangssignalet er proporsjonalt med forskyvningen av flaten som vibrerer. Forskyvningsmåleren plasseres i en avstand do fra den vibrerende flaten. Den fungerer som en kondensator med luft som dielektrikum. Måleren er én pol, mens den vibrerende flaten er den andre. De to flatene påtrykkes en spen­ ning. For en kondensator gjelder sammenhengen:

der Q er kondensatorens ladning, som holdes konstant, og C kondensatorens kapasitet. Kapasiteten er omvendt proporsjonal med avstanden do, slik at utgangssignalet blir: U = konst. d0

Det er verdt å merke seg at forskyvningsmåleren må ha en avstand til det den skal måle på. Et sted hvor den er i bruk, er måling av en turbinaksels aksielle vandringer. Disse vandringene eller vibrasjonene er det svært viktig å kunne måle, fordi det er så små klaringer mellom rotoren og ledehjulene, som står fast. Hastighetsmåler Hastighetsmålere er mye brukt, blant annet fordi de er utprøvd, og fordi de måler absolutte vibrasjoner. Hastighetsmåleren har imidlertid noen egenska­ per som gjør bruken av den noe vanskelig. Den består av bevegelige deler, og er derfor utsatt for mekanisk slitasje. I praksis betyr det at de gir et ulineært signal (signalet inn blir enten forsterket eller dempet). Dette kan føre til falske alarmer.

Frekvensområdet den dekker, ligger på ca. 0 - 1 000 Hz. Dette kan se ut til å være mye, men det dekker ikke alle frekvenser på hurtiggående maskiner. På grunn av konstruksjonen er instrumentet svært følsomt for vibrasjoner vinkelrett på dets lengdeakse. Disse forstyrrer målingene mye. Figur 4.18 viser oppbygningen av en hastighetsmåler.

Figur 4.18 Hastighetsmåler Den er bygd opp av en bevegelig spole eller magnet. Den såkalte induktive måleren benytter en permanent magnet som ikke er i kontakt med den vibre­ rende flaten. Rundt magneten er det viklet en spole. Magneten setter opp et magnetfelt mellom måleren og flaten som vibrerer. For å få dette til må flaten være av et magnetisert materiale. Dersom det ikke er det, må det limes på ei magnetiserbar plate på den vibrerende flaten. Når flaten vibrerer, vil magnetfeltet forandres, den magnetiske fluksen i spo­ len forandres, og det induseres en spenning som blir målerens utgangssignal.

Utgangssignalet er proporsjonalt med endringen i den magnetiske fluksen, det vil si hastighetsavhengig.

138

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

Aksele ro meteret Dette måleinstrumentet har den fordelen at det ikke inneholder bevegelige deler. Akselerometre kan konstrueres for å dekke store frekvensområder, og de har en god følsomhet over hele frekvensområdet det er konstruert for. Et signal fra et akselerometer kan lett integreres opp til et hastighets- eller forskyvningssignal.

Det finnes flere måter å konstruere et akselerometer på, men her skal vi se på de som baserer seg på egenskapene til piezoelektriske materialer. Når disse materialene utsettes for en deformasjon (sammentrykking, forlengelse eller forskyvning av flatene), genereres det en spenning. Deformasjoner er en følge av krefter, og etter Newtons 2. lov er krefter et resultat av akselerasjon og legemets masse. F~ m • a Figur 4.19 viser forskjellige måter deformasjonene kan forekomme på. Figur 4.20 viser en måte et akselerometer kan være konstruert på.

Flateforskyvning

Kantforskyvning

Flatesammentrykking

Kantsammentrykking

Figur 4.19 Mulige deformasjoner

139

Metoder for styrt vedlikehold Kappe Fjær

Massen, m Piezoelektriske skiver

Slgnalutgang

Basis

Figur 4.20 Eksempel på et akselerometer Over de to piezoelektriske platene er det plassert en masse som ifølge Newtons 2. lov vil gi en kraft på det piezoelektriske materialet, og det vil genere­ res en spenning. For at akselerometeret skal fungere tilfredsstillende, må det ha så god kontakt med den vibrerende flaten som mulig. Utgangssignalet er proporsjonalt med den deformasjonen, og dermed den kraften, som det piezoelektriske materialet er utsatt for. Figur 4.20 viser et akselerometer der materialet blir komprimert. Figur 4.21 viser en annen måte å gjøre det på. Dette kalles et Delta Skjær-akselerometer fordi det piezoelektriske materialet blir utsatt for skjærkrefter.

Figur 4.21 Eksempel på et akselerometer

Her er: P - piezoelektrisk materiale R-holdering

M - masse B-sokkel

Som nevnt har hastighetsmålere vært mye brukt tidligere, men på grunn av fleksibilitet og lang levetid er nå akselerometre mer og mer brukt. Når vi i det følgende skal se på praktisk bruk av måleinstrumenter, skal vi konsentrere oss om akselerometre.

For et akselerometer defineres følsomheten som forholdet mellom utgangssignalets størrelse og den virkelige svingningsakselerasjonen. Dersom den massen som påvirker det piezoelektriske materialet øker, øker også følsom­ heten.

140

Vedlikehold basert på teknisk tilstand Tverrfølsomheten defineres som den maksimale følsomheten i et plan vin­ kelrett på hovedaksen. Se figur 4.22.

Figur 4.22 Følsomheten i et akselerometer

Akselerometre har en liten tverrfølsomhet, noe som bevirker at det i stor grad bare registrerer vibrasjoner i en retning.

Det dynamiske området til akselerometeret angir innen hvilke grenser for akselerasjon utgangssignalet er proporsjonalt med akselerasjonens størrelse. Figur 4.23 viser en skisse av dette. 4 Utgangssignal

■---------------------------------------------- ———-------------------------------------------------- ►

Akselerasjon

Figur 4.23 Akselerometerets dynamiske område

Nedre grense er begrenset av instrumentets egenstøy, mens den øvre er be­ grenset av ulineariteter i det piezoelektriske materialet. Typiske grenseverdi­ er kan være: • nedre grense 0,000lg • øvre grense 1 OOOOg Alle akselerometre er bygd for å foreta målinger innen et visst frekvensområ­ de. I praksis vil det si at følsomheten er konstant over et stort frekvensområ­ de. Som vist på figur 4.24, finnes det en nedre og en øvre frekvensgrense.

141

Metoder for styrt vedlikehold

Figur 4.24 Dersom vi måler frekvenser utenfor frekvensgrensene, vil utgangssignalet være usant. Flere forhold kan endre på det opprinnelige, brukbare frekven­ sområdet. Det som har mest å si, er monteringen av akselerometeret.

Som hovedregel ved montering gjelder det å få så god kontakt mellom akse­ lerometeret og den vibrerende flaten som mulig. Dette gjelder særlig ved høyfrekvente vibrasjoner. Sammen med akselerometeret følger det et kalibreringskort. Dette viser det brukbare frekvensområdet med den beste og stiveste monteringen. Figur 4.25 viser forskjellige monteringsmetoder og tilhørende brukbare frekvensområ­ der.

142

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

Figur 4.25 Monteringsmetoder Den første metoden er den beste. Her er monteringen gjort ved at det er boret og gjenget opp et hull på den flaten det skal måles på. Akselerometeret, med skrue, skrus på. For å oppnå en så god kontakt som mulig, kan det påføres olje eller fett. Den andre metoden er lik den første bortsett fra ei glimmerskive som skal isolere skruen mot elektrisk kontakt til emnet som vibrerer. Dette kan være nødvendig i enkelte tilfeller. Som en ser av frekvenskurven, går ikke dette nevneverdig ut over det brukbare området. Det skyldes at glimmer er et hardt materiale uten nevneverdig demping.

I den tredje metoden er det benyttet et vokslag mellom akselerometeret og underlaget. Vokslaget gir godt feste og en god kontakt. Best er bivoks. Som en ser av diagrammet, vil bruksområdet innskrenkes noe ved høye frekven­ ser. Høye temperaturer er et problem i dette tilfellet. Voksen blir bløt. Ved bruk av den fjerde metoden, fastliming, begynner det brukbare frekven­ sområdet virkelig å innskrenkes. Dette skyldes det elastiske og dempende limet.

I den femte metoden er akselerometeret påmontert en permanent magnet. Denne metoden kan ikke brukes til kritiske målinger fordi frekvensområdet er sterkt begrenset i forhold til det opprinnelige og oppgitte. En magnet vil i

143

Metoder for styrt vedlikehold

tillegg redusere størrelsen på de akselerasjonene som kan måles (ikke over 200 g på små akselerometre).

I den sjette metoden er en hånd-holdt probe benyttet. Dette er en mye brukt metode fordi den er rask og enkel å bruke, men en skal være klar over at det er den dårligste. Som en ser av figuren, er det brukbare frekvensområdet under 10% av det opprinnelige. Her er akselerometeret festet på en "blyant". Grunnen til at metoden er så dårlig, er at hånden vil dempe vibrasjonene. Størst utslag gjør dette ved høye frekvenser, og metoden bør ikke i noen tilfeller brukes over 1 000 Hz. Når en skal velge festemetode, må en som regel inngå mange kompromisser, men for å få et så godt resultat som mulig må man tenke på slike målinger og målepunkter så tidlig i planleggingsprosessen som mulig. Det har forekom­ met mange diskusjoner med leverandører av utstyr fordi driftspersonalet har boret og gjenget opp hull for plassering av akselerometre på deres utstyr.

Det er flere faktorer enn festemetode som avgjør om akselerometeret skal fungere godt. Akustisk støy påvirker piezoelektriske akselerometre i negativ retning. Deformasjon av underlaget (for eksempel strekk) vil gi et utgangssignal fordi deformasjonen vil forplante seg inn i akselerometeret. Dersom dette er sannsynlig, kan akselerometeret leveres med ei kraftig bunnplate.

Kabelstøy, som vist i figur 4.26, forplanter seg inn i akselerometeret, og må unngås ved at man fester kabelen riktig.

Figur 4.26 Kabelfester

Ellers er faktorer som temperatur, fuktighet og magnetiske felter ikke van­ skelig å takle dersom det i utgangspunktet tas hensyn til dette. Når en skal velge hvilket akselerometer en skal bruke, fmnes det noen enkle prinsipper å gå etter: • Massen av det akselerometeret en velger, skal ikke være over 10% av massen til det en skal måle på. Da vil ikke massen av akselerometeret påvirke svingningene av komponenten. • Frekvensområdet som det skal måles i, må ligge innenfor frekvensområdet til akselerometeret. Her må også innskrenkningen av området på grunn av festemetode tas med. • Akselerometerets dynamikkområde (det vil si størrelsen på akselerasjonene) må passe til målingene. • Temperaturen på målestedet kan ikke overstige den temperaturen som akselerometeret er konstruert for. Kjøling må imidlertid vurderes. • Alle andre forhold (som fuktighet, støy, og så videre) må vurderes.

Utgangspunktet for plasseringen av akselerometrene er at feil og skader skal oppdages på et så tidlig tidspunkt som mulig. Første bud er at en må ha en sikker identifikasjon av hvor de enkelte målinger er tatt. Dette er særlig viktig hvis en opererer med transportabelt utstyr. Posisjonen må angis i for­ hold til punkter som ikke kan misforstås. 144

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

Et annet prinsipp er at målingene skal tas på steder med så direkte metallisk kontakt til kilden som mulig. Jo nærmere kilden en måler, jo bedre. Figur 4.27 viser plasseringen av fire akselerometre.

Figur 4.27 Plassering av akselerometer

I aksiell retning er akselerometer C bedre plassert enn D, fordi det står i direkte metallisk kontakt med lageret. Akselerometer D står lenger unna, og lufta innenfor dekselet demper svingningene. I radiell retning er A plassert bedre enn B ut fra de samme vurderingene som over. Filter

Som nevnt tidligere, brukes filter for å slippe gjennom vibrasjonssignaler i et avgrenset frekvensområde om gangen. Dette gjøres for å lette analysen, og for å gjøre den mer nøyaktig. Ideelt sett skal et filter slippe gjennom signaler i et gitt frekvensbånd uten demping eller forsterkning, mens signaler ved alle andre frekvenser skal dempes uendelig. Se figur 4.28.

145

Metoder for styrt vedlikehold

Figur 4.28 Ideelt filter Differansen mellom øvre og nedre grense frekvens kalles filterets båndbred­ de, B:

B=f2~A

Filterets senterfrekvens, fm, er gitt som den geometriske middelverdien:

Filteret i figur 4.28 er et teoretisk filter. I praksis er det ikke mulig å lage et filter med så skarp avgrensning. Figur 4.29 viser hvordan et virkelig filter ser ut.

Figur 4.29 Virkelig filterkarakteristikk

Foruten de skrånende sidene er også toppen litt "grumsete", såkalt ripple. For et virkelig filter opererer man med uttrykket effektiv båndbredde. Dette er båndbredden til det ideelle filteret som slipper gjennom samme effekt som det virkelige filteret. Filtre deles inn i to grupper: • filtre med konstant båndbredde • filtre med konstant relativ båndbredde

146

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

Filter med konstant båndbredde består av flere filtre som hver dekker et bestemt frekvensområde. Dette området er det samme for alle delfiltrene, og til sammen dekker de hele det aktuelle frekvensområdet.

Filtre med konstant relativ båndbredde består av flere filtre der båndbredden er proporsjonal med senterfrekvensen. Båndbredden kan da skrives som: B = konstant ./m = 2L./m

Båndbredden blir gitt i %, eller n blir gitt i %. I denne gruppen finnes oktav- og 1/3-oktavfiltrene. For et oktavfilter er grensefrekvensene definert som: /2 = 2-Z

På bakgrunn av det ovennevnte kan det vises at dette filterets båndbredde er 70,7% av senterfrekvensen.

f2=

For 1/3-oktavfilteret er båndbredden 23,1% av senterfrekvensen.

Bruken av filtre med konstant relativ båndbredde betyr at ved lave frekvenser er båndbredden liten, det vil si at signaler i et smalt filter slipper gjennom. Høyt oppe i frekvensspekteret blir båndbredden større. I praksis betyr dette at vibrasjonssignaler ved lave frekvenser blir grundigere analysert enn de med høye frekvenser. Dette er en fordel, da mest informasjon ligger langt nede i frekvensspekteret. Figur 4.30 viser et oktavfilter som dekker området fra 20 Hz til 40 000 Hz.

Figur 4.30 Oktavfilter

Hva slags filter en skal bruke, er avhengig av analysens nøyaktighet og hvilket frekvensområde det skal dekke. Nøyaktige analyser krever filter med liten båndbredde, og tar desto lengre tid.

Praktisk anvendelse av vibrasjonsmålinger på roterende utstyr Når vibrasjonsmålinger skal foretas og brukes i vurderinger av en maskins tilstand, finnes det to måter å gjøre dette på: • bredbåndsmålinger • frekvensanalyse

147

Metoder for styrt vedlikehold

Bredbåndsmålinger gir et mål på det totale vibrasjonsnivået i en maskin. Støymålinger er et eksempel på en bredbåndsmåling, det vil si måling av det totale lydnivået i et lokale. Men en slik måling gir ikke noe svar på hvilke lydfrekvenser som er dominerende, eller hvor de kommer fra. Bredbåndsmålinger vil si å ta inn alle vibrasjoner over et brukerdefinert frekvensområde i måleinstrumentet. Dette gir et svar på det totale vibrasjons­ nivået. Tidligere i dette kapitlet har vi sett på forskjellige verdier for å karak­ terisere nivået: • spissverdien • gjennomsnittsverdien • effektivverdien, RMS

Når vi i denne sammenhengen snakker om vibrasjonsnivået, menes RMSverdien. Bredbåndsmålinger av vibrasjonsnivået gir en nyttig og rask indika­ sjon på maskinens generelle tilstand, og kan effektivt brukes til å vurdere virkningen av vibrasjonssenkende tiltak.

Det målte nivået kan vurderes mot tidligere målinger, eller en kan bruke andre vurderingskriterier som standarder for vibrasjonsnivå. Disse skal vi komme tilbake til siden. Både permanent og bærbart utstyr brukes til å foreta bredbåndsmålinger.

Det er litt farlig å stole på bredbåndsmålinger. Grunnen til det er at vibra­ sjonsnivået som oftest er dominert av de vibrasjoner som er knyttet til roto­ rens rotasjonsfrekvens. Dersom det oppstår feil som gir vibrasjoner på andre frekvenser, kan dette være alvorlig uten at det vil vises på bredbåndsmålingen fordi vibrasjonsnivået er lavt, men økningen kan likevel være stor og få konsekvenser. De fleste feil er ubalanse eller skjevoppretting, det vil si 1., 2., 3.... harmoniske av rotorens frekvens. Dersom vibrasjonmålinger skal ha noen stor nytteverdi, må det være mulig å si at det er en feil til stede, og å si hva slags feil det dreier seg om. Til dette brukes frekvensanalyse. Hva er så frekvensanalyse? Akselerometeret gir et vibrasjonsnivå over et bredt frekvensområde. Fre­ kvensanalysen bryter dette signalet til en mengde enkeltfrekvenser som til sammen danner bredbåndssignalet. For å kunne gjøre dette brukes filtre som bare slipper gjennom deler av signalet. Dette analyseres før filteret flytter seg til neste frekvensområde, og helt til det totale frekvensområdet er dekket.

Tidligere har vi delt inn filtre i de med konstant båndbredde, og de med konstant relativ båndbredde. Om vi bruker det ene eller det andre filteret, vil kurvene ta seg litt forskjellig ut alt ettersom det blir brukt en lineær eller logaritmisk frekvens skal a. Figur 4.31 viser dette.

148

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

Tredjehøyeste dekade

Nesthøyeste dekade

Høyeste dekade

Bemerk: Logaritmisk frekvensakse

dekade

dekade

Bemerk: Lineær frekvensakse

Figur 4.3] Bruk av forskjellige typer båndbredde og frekvensakser Bredden på rektangelet er den samme over hele frekvensområdet når en bruker konstant relativ båndbredde og logaritmisk frekvensskala. En logarit­ misk skala er nødvendig når et stort frekvensområde skal dekkes. Det er vanskelig å si hva en skal bruke, men på roterende maskiner er konstant relativ båndbredde og logaritmisk skala mest brukt.

Filterets båndbredde kan velges og bestemmer analysens nøyaktighet. Figur 4.32 viser en måling fra ei girkasse.

Figur 4.32 Måling med forskjellige båndbredder

149

Metoder for styrt vedlikehold

Den øverste kurven er registrert ved å bruke et filter med konstant relativ båndbredde på 23%, mens det nederste signalet (den samme målingen) er registrert med et filter med 3% båndbredde. Som det framgår av figuren, får man fram flest detaljer ved å bruke det smaleste filteret. Ulempen med bruk av smale filtre er at det tar lengre tid og dermed er dyrere. I praksis vil man gjennomføre en analyse med et bredbåndet spekter, og gjennomføre en finere analyse av deler av frekvensområdet dersom man oppdager noe unormalt under den første analysen. Som nevnt tidligere kan en bredbåndsmåling fortelle om noe er galt, men ikke hva. Ved hjelp av en frekvensanalyse er det i tillegg mulig å finne feilen. Figur 4.33 viser et typisk bilde av et vibrasjonssignal som har gått gjennom en frekvensanalyse.

Figur 4.33 Eksempel på bruk av lineær eller logaritmisk skala

Her er det samme signalet presentert både med lineær og logaritmisk akse for amplituden eller svingeutslaget. Ut fra sammenligningen mellom et slikt bil­ de og referansespekteret for samme måling kan det avgjøres hva som eventu­

150

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

elt er feil. Kjernen i slike vurderinger er feilfindingstabellen som er vist på figur 4.34.

Feilfindingstabell Årsak

Vibrasjonsfrekvens (f = ^y)

Retning

Bemerkninger

Ubalanse i roterende maskindeler

1 xn

Radiell

Hyppig årsak til maskinvibrasjoner

Utilstrekkelig oppretting og bøyd aksel

Normalt 1 x n Ofte 2 x n Av og til: 3 og 4 x n

Radiell og asiell

Hyppig feil

Kontak tvinkel P

d Skadede kuleog rullelager

Støtfrekvens for de enkelte lagerdeler

(Dessuten vidrasjoner ved meget høye frekvenser, 2 - 60 kHz)

a

Radiell og aksiell

Varierende vibrasjonsnivåer, ofte med sjokk Støtfrekvens f(Hz): Defekt i ytre bane: z- P r d

J = 2-Jr-U -JJCOS f

Defekt i indre bane: f= = antall kuler = relatr omdrei ningshastic het mel om indre' og ytre M"e (omd ./sek.)

‘/r • (1 + 2J C0S f9

Kuledefekt r 2 D (d cosø 3 ■/=y{ i-[zj

-

Subharmoniske av Løst glidelager omdreiningstallet 1/2 og 1/3 x n

Primært radiell

Det er en mulihet for at denne feilen kun oppstår ved driftshastigheten og -temperaturen

Instabilitet i oljefilm (Oil film wirl)

Noe mindre enn halve omdreiningstallet (42% - 48%)

Primært radiell

Gjelder for maskiner med høy omdreiningshastighet

Mekanisk instabilitet

Kritisk omdreiningstall

Primært radiell

Vibrasjonene eksiteres, når det kritiske omdreiningstallet passeres, og de vedvarer ved høyere omdreiningstall

Skadede eller slitte gir

Tanninngrepsfrekvensen (omdreiningstall x tanntall) og harmoniske

Sidebånd rundt tanninngrepsfrekvensen indikerer modulasjon Radiell (dvs. eksentrisitet) ved frekvenser tilsvarende sidebåndenes og aksiell avstand. Kan normalt kun detekteres ved smalbåndsanalyse.

Løse konstruksjons­ 2 x n deler Defekt reimtrekk

1, 2, 3 og 4 ganger beltets omdreiningstall

Ubalanserte frem- og tilbakegående krefter og kraftpar

1 x n og/eller multiple for høyere Primært ordens ubalanse radiell

Økende turbulens

Vinge- skovlfrekvens samt harmoniske

Radiell Økende nivåer indikerer økende turbulens og aksiell

Elektrisk induserte vibrasjoner

1 x n eller 1 og 2 ganger sy nk ronfrek ve nsen

Radiell Forsvinner når strømmen brytes og aksiell

Radiell

Figur 4.34 Feilfindingstabell

I denne tabellen er n rotorens omdreiningstall. \n, 2n, 3n og så videre og kalles 1., 2., eller 3. harmoniske svingning av rotasjonsfrekvensen.

151

Metoder for styrt vedlikehold

Ubalanse Ubalanse i en rotor kan ha mange årsaker, som erosjon, kavitasjon, belegg­ dannelse, produksjonsfeil og så videre. Felles for alle disse er at de gir en gal massefordeling i rotoren. Av tabellen ser vi at ubalanse fmnes på en frekvens lik rotasjonsfrekvensen. Det vil si at det oppstår en topp i frekvensspekteret som ligger akkurat på denne frekvensen. Vibrasjoner som skyldes ubalanse, finnes i radiell retning. Dette betyr at dersom ubalanse skal oppdages, må måleinstrumentet (akslerometeret) plas­ seres med sin lengdeakse vinkelrett på rotorens lengdeakse.

Dynamisk ubalanse (se kapittel om avbalansering) kan imidlertid gi en pulse­ rende bevegelse som har aksielle komponenter og gjøre bildet litt mer kom­ plisert. Ubalanse er muligens den hyppigst forekommende skaden i roterende maski­ neri. Opprettingsfeil Feilen skyldes at maskinen ikke er montert riktig. Dette gjelder alle maski­ ner, men er svært viktig i gir der to eller flere aksler skal fungere sammen. Giret må være vatret opp samtidig med at akslene må være parallelle, eller, i noen tilfeller, helt vinkelrett på hverandre.

Som tabellen viser, oppstår det topper i frekvensspekteret på rotasjonsfre ­ kvensen og på harmoniske av denne. At opprettingsfeil også gir topper på harmoniske frekvenser, gjør det mulig å skille dem fra ubalanse i en diagno­ se. Opprettingsfeil gir vibrasjoner både i aksiell og radiell retning. For å få en sikker indikasjon på dette, må man bruke minst to akselerometre.

Figur 4.35a og 4.35b viser et eksempel på hvordan frekvensspekteret kan se ut dersom opprettingsfeil er til stede.

frekvens (Hz)

Figur 4.35a Gir med opprettingsfeil før reparasjon

152

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

Figur 4.35b Gir med opprettingsfeil etter reparasjon Frekvensspekteret er tatt av et gir. Omdreiningstallet på akselen inn var 3 000 o/min (50 Hz), og på akselen ut 5 100 o/min (85 Hz).

Figuren øverst viser spekteret før giret ble reparert. Det er store topper i spekteret på begge rotasjonsfrekvensene, som ble vurdert til å være for høye i forhold til referansespekteret. Ut i fra disse toppene kunne man tro det er snakk om ubalanse, men ettersom det har vært økning på de 2. harmoniske frekvensene (100 og 170 Hz) også, ble det konkludert med fe il oppretting. Etter at reparasjonen var gjort (den andre figuren), falt vibrasjonsnivået. I dette tilfellet ble reparasjonen vurdert til god nok.

Vi skal siden se på hvor mye vibrasjonsnivået bør synke for at det er godt nok.

Når en leser disse diagrammene, må en være oppmerksom på at aksen for svingeutslaget er logaritmisk, og nivået er gitt i desibel. Husk at en senkning av nivået på 6 dB er en halvering av vibrasjonsnivået.

Skade på kule- og rullelager På lager kan det oppstå tre typer av mekanisk skade: • skade på innerring • skade på kule/rulle • skade på ytterring Dersom en eller flere av disse skadene er til stede, vil det oppstå en serie sjokk når de bevegelige delene passerer skaden. Feilen kan oppdages ved hjelp av støtpulsmålinger, som er en metode for å registrere sjokk, eller det kan brukes en frekvensanalyse.

Feilene vil vise seg på støtfrekvensene for hvert enkelt lager. Støtfrekvensene varierer for de tre typene av skader som er nevnt over. De er avhengig av antall kuler/ruller, kulediameter og størrelsen på lageret, og kan finnes fra formlene som er gitt i feilfmdingstabellen. Som oftest ligger disse frekvensene høyt oppe i frekvensspekteret. Frekven­ sene som tilhører de tre feilene, ligger alltid nær hverandre. 153

Metoder for styrt vedlikehold

Vibrasjoner i kule-/rullelager forekommer både i aksiell og radiell retning. Glidelager Under normal drift er glidelager lite utsatt for slitasje. Grunnen til at overvåk­ ning av disse er nødvendig i visse tilfeller, er at det kan oppstå ustabilitet i oljefilmen i lageret. Dette vil forkorte levetiden til lageret betydelig. Ustabilitet i oljefilmen vil gi topper i frekvensspekteret på frekvenser som ligger i området 42 - 48 % av rotasjonsfrekvensen. Denne feilen oppstår ved store rotasjonshastigheter og ved små belastninger i lagrene. For å bøte på skaden må man forandre lagerets utforming.

Deler av glidelageret kan løsne og gi vibrasjoner. Disse vibrasjonene gir utslag i spekteret på 33% og 50% av rotasjonsfrekvensen. De delene som vanligvis løsner, er foringen eller deler av denne. Både løse deler og ustabilitet i oljefilmen oppdages primært i radiell retning.

Gir Gir er kilde til mange vibrasjoner. De fleste av disse oppstår på grunn av unøyaktig framstilling av tannhjulene, det vil si at profilen på tennene ikke er ideell. Når feil i gir blir omtalt her, ser vi bort fra problemer som skyldes at akslingene ikke er parallelle. Disse ble omtalt under feiloppretting. Vibrasjoner som skyldes jevn slitasje, vil gi seg utslag på tanninngrepsfre­ kvensen eller harmoniske frekvenser av denne. Tanninngrepsfrekvensen vil si antall tenner som går i inngrep med hverandre per sekund. Denne kan regnes ut dersom en vet antall tenner, diameter og omdreiningstall på tannhjulene.

Typisk for nye gir er at det oppstår en stor topp i frekvensspekteret nær tanninngrepsfrekvensen. Den kan se ille ut, men etter at giret har vært i drift en stund, forsvinner den. Figur 4.36 viser et eksempel på dette.

Figur 4.36 Måling på et gir

Denne toppen kalles spøkelseskomponenten. Årsaken til at den dukker opp, er unøyaktigheter i produksjonen av tannhjulene. Disse slites og tilpasser seg hverandre etter hvert. Den øverste figuren viser vibrasjonene i ny tilstand, og den nederste i slitt tilstand. Foruten at spøkelseskomponenten er blitt borte, ser vi at vibrasjonsnivået, spesielt på 2. og 3. harmoniske, har økt betraktelig. Dette skyldes jevn slitasje. 154

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

Disse vibrasjonene finnes ved å måle både i aksiell og radiell retning.

Dersom deler av ei tann eller tannflanken løsner, har man løse konstruksjons­ deler i giret, og etter feilfindingstabellen kan vibrasjoner som skyldes dette, oppdages ved topper på to ganger rotasjonsfrekvensen. På figur 4.37 vises et eksempel på hvordan vibrasjonene utviklet seg på et målepunkt på et gir mellom en elektrisk motor med rotasjonsfrekvens på 50 Hz, og en kompressor med 121 Hz.

Figur 4.37 Måleeksempel

Det først spekteret, a, er tatt ved installering. Spekter b er et referansespekter som er lagd på basis av det første. De tre neste spektrene er tatt med én måneds mellomrom. Særlig de to siste viser en stor stigning i vibrasjonsnivå­ et på 121 Hz og de harmoniske frekvensene av denne (særlig 484 Hz). Etter 155

Metoder for styrt vedlikehold

det som er sagt tidligere, tyder dette på opprettingsfeil på kompressoren. Dette ble reparert.

Hva er et høyt vibrasjonsnivå? Vi har nå sett hvordan det er mulig å finne feiltyper ut fra vibrasjonsmålinger og en frekvensanalyse. A vite hvilken feil som er i ferd med å utvikle seg, er én ting, men noe helt annet er å bestemme når feilen skal rettes på. I utgangs­ punktet var jo et av hovedargumentene for tilstandsbasert vedlikehold å ikke åpne en maskin før det strengt tatt er nødvendig. I så fall er det helt avgjøren­ de at maksimalt vibrasjonsnivå må bestemmes. Her må vi skille mellom bredbåndsmålinger og frekvensanalyse. Bredbåndsmålinger registrerer det samlede vibrasjonsnivået og måles i RMS-verdien. For å avgjøre om en RMS-verdi er for høy eller ikke, kan forskjellige standarder brukes. Det er utviklet standarder for de fleste typer maskiner som er lagd på grunnlag av maskintype, maskineffekt og type fun­ dament. Figur 4.38 viser et utdrag fra den kanadiske standarden for frekven­ ser opp til 10 000 Hz.

Table of Criteria for Bearing Vibration Measurements (10-10 000 Hz) Extracted from Canadian Government Specification CDA/MS/NVSH 107: “Vibration Limits For Maintenance” Measure overall veloclty RMS and aitow for the folio sting machine typee:

FOR NEW MACHMES

FOR WORN MACHINES (full speed & power)

Long Kle'

Shori lite2

Check (reconditlon) ievel1

Reconditlon to new (Oct. analysls)4

VdB* mm/s

VdB* mm/i

VdB* mm/j

VdB* tnm/s

Gas Turtomes (over 20,000 HP) (6 to 20,000 HP) (up to 5.000 HP)

138 128 118

7.9 2.5 0.79

145 135 130

18 5.8 3,2

145 140 135

18 10 5,6

150 145 140

32 18 10

Steam Turbines (over 20.000 HP) (6 to 20,000 HP) (up to 5,000 HP)

125 120 115

1.8 1.0 0,56

145 135 130

1& 5.6 3.2

145 145 140

18 18 10

150 150 145

32 32 18

Compreeaora (free plston) (HP air. air cond.) (LP air) (refrldge)

140 133 123 115

10 4.5 1,4 0.56

150 140 135 135

32 10 5,6 5,6

150 140 140 140

32 10 10 10

155 145 145 145

56 18 18 18

123

1,4

140

10

145

18

150

32

Diesel Generators Can tri fugea, Oil Separator»

Gear Boxes (over 10.000 HP) (10 to 10,000 HP) (up to 10 HP)

123

120 115 110

1,4 1.0 0,56 0,32

140 140 135 130

10

10 5,6 3,2

145 145 145 140

18

18 18 10

150 150 150 145

32

Messer* overall vetocity RMS and allow for the following machine types:

FOR NEW MACHMES

Long Ille1

Stiort llfe’

VdB* mm/B

FOR WORN MACHMES (ton apeed A power) Check (reconditton) level3

Racondlttonf to new (Oct’ analysls)4

VdB* mnVs

VdB* mtn/s

VdB* mm/3

Boaer* (Aux.)

120

1,0

130

3.2

135

5,6

140

10

Motor Generator 8et*

120

1.0

130

3.2

135

5.6

140

10

Pumpa (over 5 HP) (up to 5 HP)

123 118

1,4 0,79

135 130

5.6 3.2

140 135

10 5,6

145 140

18 10

Fans (beiow 1800rpm) (above 1800 rpm)

120 115

1,0 0.56

130 130

3,2 3,2

135 135

5,6 5.6

140 140

10 10

108

0,25

125

1,8

130

3,2

135

5.6

103

0,14

125

1.8

130

3.2

135

5.6

103 100

0.14 0,10

-

-

115 110

0.56 0,32

120 115

1,0 0.56

Electric Motor* (over 5 HP or beiow 1200 rpm) (upto 5 HP or above 1200 rpm)

Transformere (over 1 kVA) (1 KVA or beiow)

32 32 18 rauowMø

Figur 4.38 Kanadisk standard

Figur 4.39 viser et utdrag fra ISO - 2372 som gir vibrasjonsnivå opp til 1 000 Hz.

156

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

cn

N)

oo

Ikke godkjent Ikke godkjent

Ikke godkjent

m

oo

->■

Ikke godkjent

Såvidt godkjent

-*■

RMS hastighet mm/s

Vibrasjonskriterier (10-10 000 Hz)

Såvidt godkjent

r

Såvidt godkjent

2,8 —

Såvidt godkjent

1 8 1,12 —

Tilfredsstillende Tilfredsstillende

Tilfredsstillende

0 71

0,45 —

Tilfredsstillende

God God

God God

0,28 — Små maskiner opp til 15 kW 0,18 —

Middels store maskiner 15-75 kW eller opp til 300 kW på spesielle fundamenter

Store maskiner med stive eller tunge fundamenter, hvis egenfrekvens overstiger omdreiningsfrekvensen

Store maskiner med omdrei n i ngsf rekvens høyere enn fundamentets egenfrekvens (Turbomaskiner)

Figur 4.39 ISO-2372 Denne standarden gir et bilde av hvilke økninger i vibrasjonsnivået som er store og hvilke som er små. Som en ser av figuren, er en økning i nivået med en faktor på 2,5 (8 dB) en betydelig økning, fordi en slik økning er avstanden mellom det brukbare og det ikke godkjente området. En økning med en faktor på 10 (20 dB) er svært alvorlig, fordi det fører maskinen fra feltet "god" til "ikke godkjent".

De verdiene som er gitt i standardene, er absolutte, men de må allikevel benyttes med fornuft. Som et forstyrrende moment i dette bildet dukker mo­ biliteten eller bevegeligheten opp. To ellers like maskiner kan stå på forskjel­ lige fundamenter, og dermed er mobiliteten forskjellig for de to. Allikevel skal de bedømmes etter samme standard.

Mer pålitelige verdier for en maskins tilstand kan man få ved å se på endringer i frekvensspekteret. Også her får man problemet med å bestemme grense­ verdier for vibrasjonsnivået. For å få dette til går man ut fra et referansespekter som finnes når maskinen er ny. Rundt dette referanse spekteret legger man så et grenseverdispekter. Et eksempel er vist på figur 4.40.

157

Metoder for styrt vedlikehold

Figur 4.40 Bruk av referansespekter

Område I omfatter området rundt rotorfrekvensen hvor ubalanse og feiloppretting ligger.

Område II omfatter harmoniske frekvenser av rotorfrekvensen og gir sikrere opplysninger om fe il oppretting. Område III gir opplysninger om kule-/rullelagre samt skader på gir.

Et grenseverdispekter kan være en grense som er koblet til alarm, og dermed øyeblikkelig reparasjon, eller det kan være en grenseverdi som, dersom den overskrides, skal føre til hyppigere undersøkelser. Et grenseverdispekter som gir alarm, ligger i praksis på en faktor på 10 (økning på 20 dB) i forhold til referansespekteret, mens et for nærmere undersøkelser ligger på en faktor på 2,5 over. Disse to faktorene gjelder for frekvensområdet opp til 1 000 Hz. Over 1 000 Hz kan disse faktorene økes til henholdsvis 6 og 100. Når et målt frekvens spekter presenteres på en skjerm, kan grenseverdispekteret legges inn på samme bilde. Som en tilleggsstøtte kan vibrasjonsnivået for hvilken som helst frekvens plottes som funksjon av tiden. På basis av dette lages det en trendanalyse som viser omtrent når vibrasjonene vil bli for store i framtida.

Hvordan skal man forberede seg? Som vi har sett over, er det helt nødvendig å vite hvilke frekvenser en skal lete på. Derfor er det viktig at driftsorganisasjonen beregner og systematise­ rer alle nødvendige frekvenser. Figur 4.41 viser hvordan det er gjort på en høytrykkskompressor.

158

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

Maskindeler og karakteristiske frekvenser Fabrikk: Petrochem Seksjon: Ethylen Dato: 5/1/80 Maskin nr.: 2 RP HT (høytrykkskompressor

Aksler

Gir

Aksel nr.

O/min

S1

3500

58,3

Føringstype

D (delediam.)

Gir nr.

Rotasjonsfrekvens (Hz)

________

Målepunkt 1 2

Rotorer

Antall tenner

Inngrepsfrekvens (Hz)

Rotor nr.

Antall blader

Bladfrekvens (Hz)

R1 R2 R3 R4 R5 R6

23 25 25 27 27 29

1342 1458 1458 1575 1575 1692

Lager d (kulediam.)

n (antall kuler)

b (kontaktvinkel)

(yt¥er ring)

(innerring)

fk (kule)

Diskret frekvens (Hz)

G G

G = glidelager, K = kulelager, R = rullelager

Figur 4.41 Beregning av nødvendige rotasjonsfrekvenser

Dersom det skal måles med bærbart utstyr, må den ruten som målingene skal tas etter, være entydig definert på samme måte som punktene hvor målingene skal tas.

Et eksempel på anvendt frekvensanalyse Dette eksempelet er tatt fra Statoils petrokjemianlegg i Bamble. Etter å ha startet med bredbåndsmålinger og innsamling av vibrasjonsdata fra bærbare systemer, gikk man til sist over til et databasert on-line system på kritiske komponenter med muligheter for både bredbåndsmålinger og frekvensanaly­ se. På andre mindre kritiske komponenter beholdt man den manuelle innsam­ lingen av målinger.

159

Metoder for styrt vedlikehold

I ettertid har det vist seg at et on-line-system på kritiske komponenter var nødvendig for å oppdage plutselige forandringer som kunne føre til havari. I Bamble regner man med at de relativt store investeringene som ble gjort i on-line-systemet, ble tjent inn igjen i løpet av 18 måneder på grunn av færre ikke-planlagte driftsstopp. Oppbygningen av systemet er vist i figur 4.42.

Figur 4.42 Systemoppbygging I hovedsak består systemet av tre deler: • måling av vibrasjoner • analyse av vibrasjoner, både bredbåndsmålinger og frekvensanalyse • lagring og presentasjon av data. Alle målingene blir gjort av fastmonterte akselerometre. Disse er alle lagd for å kunne stå i eksplosive områder. Signalene fra akselerometrene går til et lokalt kontrollrom.

I det lokale kontrollrommet blir det utført en bredbåndsanalyse med utreg­ ning av RMS-verdien. Denne blir sammenlignet med en grenseverdi som er satt på forhånd. Dersom grenseverdien overskrides, blir signalet sendt til den sentrale datamaskinen, og alarmsignalet skrives ut. Signalene fra akselerome­ trene blir registrert hvert sekund.

Den lokale analyseenheten sammenligner og lagrer middelverdier over ett minutt og 24 timer. Middelverdien av en måling over ett minutt brukes til en trend som gir alarm dersom middelverdien vil overstige grenseverdien. Alle disse midlere verdiene kan leses fra det sentrale kontrollrommet. I det sentrale kontrollrommet blir frekvensanalyser utført, det vil si at det tidsvariable vibrasjonssignalet blir oppløst i sine enkelte frekvenser og pre­ sentert som et amplitude-frekvenssignal. Til dette brukes et filter med kon160

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

stant relativ båndbredde med en båndbredde på mellom 4 og 23%, avhengig av nøyaktigheten som kreves av analysen. Rundt de målte spektrene blir det lagt et grenseverdispekter (Reference Mask). Da systemet ble installert, tok det tre timer å lage en sammenligning mellom målt spekter og grenseverdispekteret for hvert målepunkt. Dersom de målte frekvensene er urovekkende høye, kan systemet gi en alarm innen en halv time.

Den sentrale dataenheten lager også trendanalyser, enten for en enkelt fre­ kvens eller for et frekvensområde. Alle spektre lagres.

Vibrasjonsdata som samles inn ved hjelp av båndopptaker kan, som figuren viser, lastes inn i systemet for analyse på lik linje med de andre målingene. Vi skal ikke her ta for oss alle komponenten som overvåkes, men se på en av skruekompressorene. Denne blir brukt til å komprimere gass. Vibrasjonssignalet fra denne minner mye om det som fås fra gir. Den frekvensen som er karakteristisk her, er skrueinngrepsfrekvensen og harmoniske frekvenser av denne. Figur 4.43 viser kompressoren.

Skrue

Figur 4.43 Skruekompressor Inngrepsfrekvensen er her 398 Hz. Kompressoren er klassifisert som en vik­ tig komponent, og er derfor koblet til on-line-systemet. Figur 4.44 viser hvordan målepunktene er plassert på drivmotor, gir og kompressor.

Figur 4.44 Plassering av målepunkter Figur 4.45 viser, til venstre, frekvensspekteret på et tidlig tidspunkt, mens vi til høyre ser frekvensspekteret ett år seinere.

161

Metoder for styrt vedlikehold

H n ni f EXCEEDANCE L--— ------- 1

‘1»"

nu»b»r

il

SPECTRUM l17» -L 13553 (IHz

---------------------------------------------------------------------------

Itldl 15ld!

lott 21/12/K hit 5 32 11

[vi ii iTTf------ IEXCEEDANCE SPECTRUM 1 *■ '■ *'------- 1 l 71 x 338 13*2

pm

llon Jttcitui

mbtr

il ISIdB

htt 5/11/85 hit li 2 11

I5ld8

KHI

SlllCtld ItHl 137 »dB

13111 12IM

Ho if spiciro FSF« 28111 (< FSF- 2111 32 FSF* 211 16

llldl

Stltcltd Itvtl 115 3d!

Hld! 13108

II. of metro F$F« 28181 (I FSF* 2181 32 FSF* 211 li

12ldi

HIM

llldl

hiØIIM: Honoin)

Mdl Ndt

Ofijinil imIi Frto tol 1 lill tol i Mo ryn : 51

?»dl

liijkliM Honninj

llld!

OrijtMl tovli: Frti tol 1 hil. tol. 8 h» r»« 51

81 dB

MdB

____ M'54*

Figur 4.45 Utvikling av frekvensspekteret Det siste spekteret viser en betydelig stigning i vibrasjonsnivået ved 398 Hz, en stigning som bryter grenseverdispekteret. Ettersom økningen skjer på skrueinngrepsfrekvensen, er det all grunn til å tro at det er slitasje eller muligens en mekanisk skade på skruene. Trendanalysen, både for denne ene frekvensen og for et bredere frekvensbånd (7-13 kHz) viser dette. Se figur 4.46.

Trending on the 7.08 kHz - 12.59 kHz bond

Trending on the 398.13 Hz bond Foctory noit Itochine type Lost point

Hochiot no KOMPRESSOR Xdvctr pos 25/ 6/85 17 3 2 Lecd tue

Foctory noit llochint type Lost point

statoil

VT.11.1I2.F

Cursor left Cursor riyht

- - opprinnelsessted Hva slags utstyr som brukes i denne sammenhengen, varierer litt avhengig av hva som skal fmnes, og hvilken vekt man legger på denne typen vedlikeholdsteknikk. Utstyr som er i bruk: • automatisk partikkelteller • direkte-registrerende ferrograf • ferrografisk analysator • mikroskop • magnetplugg Automatisk partikkelteller En prinsippskisse av denne er vist i figur 4.57. Denne brukes til å registrere antall partikler og antall partikler av forskjellig størrelse.

Telle- og kontrollenhet

Figur 4.57 Partikkelteller Oljeprøven plasseres i et overtrykkskammer. Overtrykket i denne blir skapt av en kompressor. På grunn av overtrykket blir olja presset opp i et rør hvor det er plassert en sensor. Sensoren består av ei lampe og en fotodiode. Når

173

Metoder for styrt vedlikehold

partiklene passerer, vil de blokkere for lyset, og fotodioden gir et spenningssignal som er proporsjonalt med størrelsen på partikkelen. Ved fotodioden er oljerøret snevret inn. Ved normale oljeprøver passerer det bare en partikkel om gangen. Innsnevringen skaper samtidig turbulens i olja, slik at partiklene roterer. Det største tverrmålet på partikkelen blir registrert. Spenningssignalene fra fotodioden blir registrert av telle- og kontrollenheten. Denne kan stilles inn på seks forskjellige kategorier partikkelstørrelser. Skriveren skriver ut antall partikler i hver kategori. Antall partikler regnes om til tilsvarende antall i 1 eller 100 ml olje.

Hvordan disse resultatene skal tolkes, skal vi komme tilbake til. Direkte-registrerende ferrograf Prinsippet for denne er vist i figur 4.58. De største partiklene

Lyskilde

Figur 4.58 Ferrograf 1 ml olje helles gjennom et glassrør som ligger i en kraftig magnet. Magnet­ feltet gjør at de magnetiserbare partiklene fester seg på rørveggen. De største partiklene blir felt ut først, det vil si lengst til venstre på figuren. De mindre partiklene blir ikke utsatt for like stor magnetisk kraft, og vil holde seg flytende lenger. Disse blir avsatt lenger til høyre. Før bruk blir utstyret kali­ brert eller nullstilt for fargen til olja.

Mengden av partikler måles ved å gjennomlyse glassrøret på to steder. Meng­ den av lys som slipper gjennom røret, gir et mål på hvor mange partikler som har festet seg på røret. Antall partikler større enn 5 pm, betegnes som DL, og lenger til høyre et visst antall små partikler, Ds (i området 1 - 2 pm).

Ferrografisk analysator En ferrografisk analysator har ei spesialpreparert glassplate lagt med en liten helning oppå en magnet. Oljeprøven helles på glassplata, og den renner sakte over denne. De magnetiske partiklene fester seg på glassplata, de største øverst. Partiklene avsettes i rekker i samme retning som de magnetiske felt­ linjene, på tvers av plata. Partikler som ikke er magnetiske, avsettes også til en viss grad på grunn av tyngdekraften. Det kan tilsettes ei magnetiserende væske for at flere ikke-magnetiserbare partikler kan feste seg.

174

Vedlikehold basert på teknisk tilstand

Etter at den spesifiserte oljemengden har rent over glassplata, blir olja vasket vekk, og samtidig fikseres partiklene til plata. Deretter kan glassplata analy­ seres under mikroskop. Glassplata med partikler på kalles et ferrogram.

Mikroskopet har både over- og underlys i tillegg til farge- og polarisasjonsfiltre. Partiklene vurderes ut i fra størrelse, form, farge, overflate, optiske egen­ skaper og plassering på plata. Det skal trening og erfaring til for å kunne tolke et ferrogram riktig. Det er imidlertid noen retningslinjer å gå etter: • Grov abrasiv slitasje gir sponlignende partikler. • Mild adhesiv og abrasiv slitasje gir små flaklignende partikler. • Runde partikler stammer ofte fra overflateutmatning i rullelagre eller elekt­ risk sveising. • I polarisert lys blir sandkorn helt hvite. • Rustpartikler blir røde eller oransje i polarisert lys. • Jo større partiklene er, jo grovere er slitasjen. • Ved oppvarming av ferrogrammet forandrer noen metaller farge.

Magnetplugg Magnetplugger fmnes i mange forskjellige versjoner. De er plassert i oljestrømmen og samler opp magnetiske partikler. Etter en tid (spesifisert i vedlikeholdsopplegget) tas magnetpluggene ut, partiklene avsettes på et papir og dekkes med en gjennomsiktig tape. Dersom dette gjøres rutinemessig, kan en få et bilde av slitasjeutviklingen. Andre plugger slutter en strømkrets når partikkelmengden har nådd en spesi­ fisert grense, og det finnes plugger som kan telle store og små partikler.

Tolking av resultatene For å tolke resultatene fra den automatiske partikkeltelleren kan en bruke forskjellige standarder. De aller fleste av disse er basert på ISO-standard 4406. Denne standarden tar utgangspunkt i antall partikler større enn 5 pm, og antall partikler større enn 15 pm. Denne tellingen plasseres i et diagram for å bestemme ISO-klassen. Figur 4.59 viser et eksempel på dette.

175

Metoder for styrt vedlikehold ISO KLASSE (ISO U406)

Figur 4.59 Bestemmelse av ISO-klasse I denne prøven er det 2 • 105 antall partikler større enn 5 pm, og 1,5 • 104 antall partikler større enn 15 pm. ISO-klassen er gitt i kolonnen der tallene går fra 1 til 26. Tallet 2 • 1O5 ligger i området 18, mens 1,5 • 104 ligger i området 14.

Denne prøven får dermed ISO-klasse 18/14. Hvordan denne klassen skal brukes videre, er ofte opp til den enkelte produ­ sent av utstyr eller driftsorganisasjonen i bedriften.

Nedenfor er det gjengitt noen resultater fra en undersøkelse som ble gjort i flere land om bruk av ISO-klasser på forskjellig utstyr: • hydraul isk utstyr 15/12 • pumper 15/12 • gir 16/13 • rullelager 17/14 • turbin/smøreolje 14/11 • turbin/brennstoff 10/7

For den direkteregistrerende ferrografen tar en utgangspunkt i antall store, DL, og antall små, Ds, partikler som avgis. Disse plottes over tid for å få et bilde av utviklingen. De store partiklene har som regel sammenheng med alvorlig slitasje, som overflateutmatning eller grov adhesiv slitasje. Både mild og grov slitasje gir små partikler. I figur 4.61 er det vist et eksem­ pel på utviklingen av D[ og Ds på et gir fram til havari.

176

Sammendrag

Figur 4.61 Grafiskframstilling av antall store og små partikler som avgis på et gir fram til havari.

Figur 4.62 gir en indikasjon på tilstanden ut fra forholdet mellom antall store og små partikler. Dl = avlest tetthet (mengde), store partikler Ds = avlest tetthet (mengde), små partikler FORHOLDSTALL Rs = Dl/Ds

TILSTAND

< 1

Komponenten er i utmerket stand, det vil si så godt som ny.

1 -2

Komponenten er i god stand, ingen deteksjon av slitasje.

2-3

Komponenten begynner å bli slitt, en intensivering av målingene bør overveies.

3

Utviklingen viser at målingene må intensiveres, feil detekteres og overhaling planlegges.

>3

Komponenten bør stoppes snarest før skade oppstår.

Figur 4.62 Vurdering av tilstand ut fra forholdet mellom antall store og små partikler.

4.3 Sammendrag I dette kapitlet har vi tatt for oss de metodene og det utstyret som brukes ved forskjellige metoder innen vedlikeholdsteknikken, eller mer presist de meto­ der som brukes innen styrt vedlikehold. De metodene som er omtalt, er: • Vedlikehold etter driftstid med et eksempel på hvordan dette kan gjøres. • Vedlikehold etter teknisk tilstand. Vi har omtalt disse metodene: - termodynamisk tilstandskontroll - vibrasjonsanalyse - oljeanalyse Hovedvekten i kapitlet er lagt på vedlikehold etter teknisk tilstand, og spesi­ elt på vibrasjonsanalyse. 177