Mantenimiento Predictivo. Ing. Msc. Luis Carlos Meneses

Mantenimiento Predictivo. Ing. Msc. Luis Carlos Meneses

ÍNDICE: Introducción Principios Fundamentales Caracterización y validación experimental Detección de fallos Diagnóstico de fallos Conclusiones El Mantenimiento Predictivo 2

Introducción. Técnica relativamente nueva de reciente empleo en ingeniería, posterior a los años 60. Aplicaciones generales de la termografía infrarroja : Medicina Eléctrico Electrónicas Edificaciones Industriales Materiales Vigilancia Características de utilización apropiadas para el mantenimiento : No intrusiva Rápida respuesta Medida a distancia, etc. El Mantenimiento Predictivo 3

Introducción. Termografía infrarroja en máquinas térmicas: Aplicaciones convencionales: Calderas Turbinas Compresores En los motores de combustión interna alternativos útil para: Diseño de componentes Transitorios térmicos Distribuciones espaciales y temporales de temperatura Caracterización de la combustión y emisiones (?) Mantenimiento. Diagnóstico de fallos. El Mantenimiento Predictivo 4

Introducción: Aplicación al mantenimiento en MCIA Plan de acción: Desarrollo de la técnica de análisis térmográfico por radiación infrarroja para el diagnóstico de fallos en motores Diesel. Validación y caracterización. Implantación de una metodología de monitorizado y diagnóstico que pueda ser incorporada a un plan de mantenimiento integral, mediante medidas simples, rápidas y no intrusivas. Detección de fallos de combustión y compresión en los cilindros del motor. El Mantenimiento Predictivo 5

Principios fundamentales RADIACIÓN TERMICA: Radiación emitida por el propio objeto Radiación emitida por la atmósfera Radiación de los alrededores reflejada sobre el objeto Temperatura Emisividad Temperatura Humedad Temperatura ambiente Distancia o o 0 E atm E o Radiación del objeto Cámara Termográfica Aportación térmica de componentes internos. Deriva de la temperatura en estos componentes E amb El Mantenimiento Predictivo 6

Principios fundamentales Las teorías desarrolladas todavía no pueden calcular con certeza la fenomenología de la radiación. Es posible conocer con elevada precisión el efecto de los factores físicos, basándose en el cambio de la variable relacionada con la temperatura. La Termografía Infrarroja tiene características e incertidumbres propias, que dependerán de: Naturaleza del funcionamiento de la cámara Análisis térmico realizado sobre la imagen Error de medida Utilización interpretación Error de calibración Error del operador El Mantenimiento Predictivo 7

Principios fundamentales ERROR DE MEDICIÓN: Factores de incidencia Condiciones del entorno Condiciones de utilización P a r á m et r os d e objet o Conocimiento de su comportamiento en condiciones de medida establecidas Temperatura atmosférica Humedad relativa Distancia al objeto Temperatura ambiente Influencia en la apreciación No tiene influencia Debe establecerse límites El Mantenimiento Predictivo 8

Principios fundamentales VARIACIÓN DE LA EMISIVIDAD: Conocimiento exacto Registros rápidos Medidas precisas Superficie gris sup p int Radiación Espectral Emisividad variable T uniforme Direccional Rugosidad superficial Recubrimiento con pintura Conocimiento de la pint para la calibración de la cámara Influencia de las condiciones de utilización El Mantenimiento Predictivo 9

Caracterización y validación experimental Corrección de efectos medioambientales El Mantenimiento Predictivo 10

Caracterización y validación experimental MONITORIZADO EN RÉGIMEN ESTACIONARIO: Cilindro 1 Colector de escape motor Diesel Gases de escape Cilindro 4 Termopar intrusivo Admisión turbina Termopar de contacto por fusión Interfaz Adquisición Controlador Registro El Mantenimiento Predictivo 11

Temperatura (ºC) Caracterización y validación experimental MONITORIZADO EN RÉGIMEN ESTACIONARIO: 550 Firma Térmica - Entrada turbina - Carga 50% Termopar Intrusivo 500 Te rmografía Infrarroja Termopar de contacto 450 400 350 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Régimen (rpm) Tendencia similar La temperatura superficial de los colectores reflejan la variación de temperatura de los gases de escape Las diferencias son independientes del proceso de medida El Mantenimiento Predictivo 12

Temperatura (ºC) Caracterización y validación experimental 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 T. Salida Turb Cámara IR Termopar 80 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Tiempo (s) Respuesta en Transitorio del termopar de contacto y de la Termografía Infrarroja Salida cilindros - Carga de 0% a 100% - Régimen 2250 rpm El Mantenimiento Predictivo 13

Detección de fallos CONSIDERACIONES PRELIMINARES: Comparar la desviación de un síntoma con respecto al valor en buen estado Detectar el fallo Identificar un fallo Cuantificar la severidad del mismo F IRMA En Termografía el patrón de comparación es la FIRMA TÉRMICA Imágenes térmicas Registro de valores de temperatura Gráficos de evolución de temperatura El Mantenimiento Predictivo 14

Temperature (ºC) Detección de fallos Definición de los puntos de medida 105 ºC Transient manifold cylinder 2 - Load 0% 100 ºC Cyl 2 - Area 1 Cyl 2 - Area 2 95 ºC 90 ºC 85 ºC 80 ºC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time (s) El Mantenimiento Predictivo 15

Detección de fallos CONSIDERACIONES PRELIMINARES: LIMITACIONES Ccaptación solo de la radiación térmica de superficies externas que puedan ser captadas por la lente de la cámara termográfica La alta concentración de radiación térmica difículta la deteción de pequeños niveles adicionales de radiación Las cámaras termográficas operan en rangos de medida que imposibilitan la lectura en amplios márgenes o temperaturas entre rangos Elección adecuada de los componentes a monitorizar Establecer relación entre las variables de control y las anomalías funcionales Determinar los límites operacionales del instrumento El Mantenimiento Predictivo 16

Detección de fallos CONSIDERACIONES PRELIMINARES: El Mantenimiento Predictivo 17

Detección de fallos MONITORIZADO EN RÉGIMEN ESTACIONARIO: Colector cilindro Nº4 Colector cilindro Nº1 Entrada turbocompresor Salida turbocompresor El Mantenimiento Predictivo 18

Temperatura (ºC) Detección de fallos MONITORIZADO EN RÉGIMEN ESTACIONARIO: Detección con variación en la cantidad de aire admitido 550 Firma Térmica - Entrada turbina - Carga 50% Termografía con fallo Termopar con fallo 500 450 400 350 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Régimen (rpm) La Termografía responde exactamente a las variaciones provocadas por el fallo El Mantenimiento Predictivo 19

Evaluación del fallo Evaluación del fallo Diagnóstico de fallos MONITORIZADO DE VEHÍCULOS - COMPARACIÓN DE TÉCNICAS Potencia Aceleración libre Compresión Relativa Régimen de giro Inyección relativa Opacimetría Detección del fallo Termografía Infrarroja El Mantenimiento Predictivo 20

Diagnóstico de fallos CONSIDERACIONES: Monitorizado Mantenimiento off-line. Imposibilidad de aplicar carga Inspección en dos condiciones de operación: Ralentí Régimen máximo Comparación con Firma Térmica Precauciones para la medida Limpieza Recubrimiento con pintura Control parámetros de objeto Enfoque óptico Uniforme Secado Registro de datos complementarios El Mantenimiento Predictivo 21

Diagnóstico de fallos MONITORIZADO POR IMÁGENES TÉRMICAS : Paneles del radiador: Intercooler de enfriamiento: Colectores de escape: Cárter de aceite: Diferencia térmicas son estimadas por comparación Detección rápida y facil de fallos Diagnóstico inmediato posibilitando un mantenimiento predictivo directo El Mantenimiento Predictivo 22

Diagnóstico de fallos POR FIRMAS DE MAGNITUD: El Mantenimiento Predictivo 23

Temperatura Diagnóstico de fallos POR FIRMAS DE MAGNITUD: Salto térmico Diferencia térmica del punto con respecto al patrón de comparación Cambio térmico Variación de curvas isotermas con puntos adyacentes a lo largo del colector de escape 100% 80% 60% 40% 20% 0% 100% 79% Salto Térmic o Cinlindro 1 o punto Firma Térmica Temp era tura med id a El Mantenimiento Predictivo 24

Diagnóstico de fallos POR FIRMAS DE MAGNITUD: Identificación área: La gran diferencia térmica exige determinar el lugar más sensible y rápido a cambios térmicos El Mantenimiento Predictivo 25

Temperature (ºC) Diagnóstico de fallos POR FIRMAS DE MAGNITUD: Obtención de la firma térmica: Patrón de comparación para cada una de las condiciones establecidas. 230 Thermal Signature - without load - maximun speed 220 210 221,90 200 210,61 209,86 190 200,09 199,63 202,61 204,43 202,64 180 170 160 150 159,13 M anifold! 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Me a suring position TM ax TM in M anifold 2 El Mantenimiento Predictivo 26

Temperature Temperature Diagnóstico de fallos POR FIRMAS DE MAGNITUD: Disminución parcial de la cantidad de combustible inyectado Ralentí Descenso de la potencia efectiva (-19%) Descenso de las temperaturas superficiales Régimen máximo Speed at idle Maximun speed 90 ºC 85,8 230 ºC 230,6 210,8 81,2 80 ºC 79,6 77,5 76,3 75,0 70 ºC 72,2 TS - At idle 66,9 67,8 TIR-manifold 1 TIR-manifold 2 60 ºC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Measuring position 210 ºC 190 ºC 170 ºC 150 ºC 167,6 210,9 205,2 186,3 194,9 198,4 TS - Max 208,8 TIR-manifold 1 TIR-manifold 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Measuring position El Mantenimiento Predictivo 27

Temperature Temperature Diagnóstico de fallos. POR FIRMAS DE MAGNITUD: Combustible inyectado nulo en un cilindro. Descenso de la potencia efectiva. Descenso de las temperaturas superficiales Ralentí Régimen máximo At idle At maximun speed 90 ºC 86,1 230 ºC 225,4 79,8 80 ºC 70 ºC 60 ºC 69,8 81,7 77,4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Measuring position 69,0 71,8 77,4 TS - At idle 78,5 TIR-manifold 1 TIR-manifold 2 210 ºC 190 ºC 170 ºC 150 ºC 164,2 205,9 189,3 161,7 171,1 183,7 203,4 TS - Max 201,2 TIR-manifold 1 TIR-manifold 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Measuring position El Mantenimiento Predictivo 28

Temperature Temperature Diagnóstico de fallos POR FIRMAS DE MAGNITUD: Aumento de la cantidad de combustible inyectado en un cilindro. Aumento de las temperaturas superficiales 95 ºC 85 ºC 75 ºC 65 ºC Ralentí 68,7 81,4 85,6 85,6 At idle 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Measuring position 91,9 89,5 81,6 84,1 TS - At idle 79,4 TIR-manifold 1 TIR-manifold 2 230 ºC 210 ºC 190 ºC 170 ºC 150 ºC 158,7 206,1 Régimen máximo 227,6 At maximun speed 196,0 232,0 233,6 204,1 201,3 TS - Max 204,4 TIR-manifold 1 TIR-manifold 2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Measuring position El Mantenimiento Predictivo 29

Temperature Temperature Diagnóstico de fallos POR FIRMAS DE MAGNITUD: 29% de descenso de la compresión relativa. Aumento de las temperaturas superficiales al ralentí A máximo régimen caída de las temperaturas Ralentí Régimen máximo Speed at idle Maximun speed 95 ºC 92,3 88,9 87,4 230 ºC 85 ºC 80,4 85,7 80,3 82,6 80,5 210 ºC 190 ºC 212,9 222,7 203,1 194,5 200,6 206,6 203,7 205,9 75 ºC 68,6 TS - At idle TIR-manifold 1 TIR-manifold 2 170 ºC 167,4 TS - Max TIR-manifold 1 TIR-manifold 2 65 ºC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Measuring position 150 ºC 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Measuring position El Mantenimiento Predictivo 30

Diagnóstico de fallos POR FIRMAS DE MAGNITUD: Fallo analizado Disminución de aire admisión Incremento cantidad de combustible inyectado en el cilindro 5 Disminución cantidad de combustible inyectado en el cilindro 5 Fallo de compresión en el cilindro 5 Termografía Infrarroja Ralentí Máximas Potencia Régimen de rotación Presión de inyección Compresión relativa Opacidad La Termografía Infrarroja permite diagnosticar fallos de combustión y de compresión en el motor Diesel No es posible generalizar los resultados Si es posible generalizar la metodología desarrollada El Mantenimiento Predictivo 31

Temperatura (ºC) Diagnóstico de fallos POR FIRMAS DE EVOLUCIÓN: Establecer la evolución transitoria termográfica ante una anomalía de un cilindro en un motor Diesel Comprobar la posibilidad de diagnóstico de fallos bajo condiciones transitorias 110 140 y = 0,54x + 126,67 105 120 100 B0416-02 y = 0,81x + 99,1 B0416-04 100 B0419-03 95 B0419-06 Promedio B0424-02 sin fallo Promedio B0424-03 sin fallo Promedio con fallo B0424-05 80 90 0 2 1 4 2 6 83 104 12 5 14 16 6 187 20 8 22 24 9 2610 28 11 30 32 12 3413 36 14 38 40 15 Tiempo ( s) El Mantenimiento Predictivo 32

Diagnóstico de fallos POR FIRMAS DE EVOLUCIÓN: LIMITACIONES No puede identificarse los pulsos de temperatura por combustiones instantáneas Pérdidas de calor en los gases de escape Baja repetitividad en las inspecciones Mayor velocidad de registro termométrico Atenuación de pulsos de temperatura Sincronización del transitorio térmico con el termográfico Elevada dispersión de datos Falta de regulación en la aceleración del motor El Mantenimiento Predictivo 33

Conclusiones. La variación de la emisividad influye en el cálculo de la temperatura. Comprobación de la correspondencia entre la temperatura de los gases y la superficial en el conducto de escape. Se comprueba la eficacia de la termografía infrarroja en inspecciones cuantitativas. Es posible aunque complejo detectar una variación pequeña de radiación provocada por una avería incipiente. Problemática asociada a un entorno térmicamente cargado. Es muy útil su uso en regímenes transitorios, de cara a la obtención de valoraciones tanto cualitativa como cuantitativamente. El Mantenimiento Predictivo 34