Eine Verbindung zwischen Maschinenschutz und Zustandsüberwachung schaffen
Wartungstrategien und Zustandsüberwachung von Maschinen
Beim Betrieb von rotierenden Anlagen werden verschiedene Wartungsstrategien angewendet. Die einfachste Methode besteht darin, eine Maschine so lange laufen zu lassen, bis sie aufgrund eines Ausfalls stehen bleibt – wobei das Risiko eingegangen wird, dass vergleichsweise kleine Schäden zu hohen Folgeschäden führen.
Vorbeugende oder vorausschauende Wartung
Wenn die Verschleißmechanismen in einer Maschine gut verstanden sind und ihr zeitlicher Verlauf zuverlässig vorhergesagt werden kann, sollten Verschleißteile kurz vor dem Ende ihrer Lebensdauer ausgetauscht werden. Dies maximiert die Nutzung der Bauteile und verhindert gleichzeitig ungeplante Ausfälle (präventive Instandhaltung).
Die Lebensdauer von Kolbenverdichter Bauteilen – wie Ventilen und Lagern – folgt jedoch keinem linearen Verschleissmuster. Deshalb lässt sich der optimale Austauschzeitpunkt nicht allein auf Basis der Betriebsstunden definieren.
Wartungsentscheidungen bei Bauteilen mit nicht-linearem Verschleiss sind herausfordernd und können nicht zeitbasiert getroffen werden. Sie erfordern die Überwachung bestimmter Parameter, die eine Beurteilung des Bauteilzustands und bestmögliche Abschätzung des Austauschzeitpunkts ermöglichen. Dies wird als zustandsorientierte Instandhaltung bezeichnet.
Welche Wartungsstrategie angewendet wird, hängt im Wesentlichen von zwei Parametern ab:
- Die Kritikalität der Maschine
- Die Verfügbarkeit einer Ersatzmaschine
Die Gesamtpopulation der Maschinen kann in vier Hauptkategorien eingeteilt werden.
- Kategorie I Kritisch, ohne Ersatzmaschine
- Kategorie II Kritisch, mit Ersatzmaschine
- Kategorie III Unkritisch, mit Ersatzmaschine
- Kategorie IV Unkritisch, ohne Ersatzmaschine
Generell gilt: Je kritischer eine Maschine ist, desto weniger akzeptabel ist es, sie bis zum Ausfall zu betreiben oder sich auf präventive Instandhaltung zu verlassen. Ein unerwarteter Ausfall mit Maschinenstillstand wirkt sich negativ auf Produktion oder Sicherheit aus. Die Verfügbarkeit eines Standby-Verdichters reduziert den Bedarf an zustandsorientierter Instandhaltung, hat jedoch keinen Einfluss auf das erforderliche Sicherheitsniveau.
Die Lücke zwischen Maschinenschutz und Zustandsüberwachung
Besonders unkritische und redundant ausgelegte Kolbenverdichter werden noch häufig ohne oder nur mit minimalem Schutz betrieben. Im Gegensatz dazu sind die meisten kritischen Verdichter zumindest mit grundlegenden Schutzfunktionen wie Gehäusevibration, niedrigem Schmieröldruck oder Auslasstemperaturüberwachung ausgestattet.
Die Vielzahl potenzieller Primärschäden ist gross. Eine vollständige Überwachung aller denkbaren Ausfallmechanismen würde jedoch eine nahezu unbegrenzte Anzahl an Mess- und Überwachungsparametern erfordern. Deshalb wird in der Praxis meist ein Kompromiss zwischen „Begrenzung möglicher Folgeschäden“ und „Anzahl der Schutzparameter“ gewählt. Kurz gesagt: Die Schutzparameter werden je nach akzeptablem Schadensausmass definiert.
Die API 618 bietet eine grundlegende Orientierung zu wesentlichen Schutzparametern. Diese ist jedoch als Mindestanforderung zu verstehen und bildet längst nicht alle aktuellen Erfahrungen aus dem Betrieb von Kolbenverdichtern ab.
Gehäusevibration gilt traditionell als Parameter, der grundlegende Informationen über den mechanischen Zustand eines Verdichters liefert. In den vergangenen Jahren hat sich jedoch klar gezeigt, dass die Gehäusevibration allein nicht ausreichend ist, um einen zuverlässigen mechanischen Maschinenschutz zu gewährleisten.
Die Überwachung der Vibrationen am Kreuzkopfschlitten hat sich als deutlich effektivere Methode erwiesen, um grosse mechanische Probleme im Antriebsmechanismus frühzeitig zu erkennen. Zudem zeigen neuere Betriebserfahrungen, dass Kolbenstangenbrüche nur durch die Überwachung der dynamischen Kolbenstangenlage (Kolbenstangenlauf) zuverlässig verhindert werden können. Nur wenn ein Kolbenstangenbruch als akzeptabler Schaden eingestuft wird, reicht die Überwachung der Schwingungen am Kreuzkopfschlitten für den mechanischen Schutz aus.
Schutzsysteme basieren in der Regel auf einfachen, aber verlässlichen Effektivwert-Parametern, wie z. B. Effektivwertschwingungen. Zwar werden einige dieser Werte an die Prozessleittechnik übermittelt, doch viele der empfohlenen Schutzparameter – etwa niedrige Gehäuseschwingungen, Schmieröldruck oder niedriger Ansaugdruck – liefern für die vorbeugende oder sogar vorausschauende Instandhaltung kaum verwertbare diagnostische Informationen.
Die Kolbenstangenlage stellt einen Parameter dar, der unmittelbar an der Schnittstelle zwischen Maschinenschutz und Zustandsüberwachung liegt. Aus demselben Sensor und Signal werden zwei unterschiedliche Grössen abgeleitet:
- Vertikale Kolbenstangenlage zur Erkennung von Tragringverschleiss
- Kolbenstangenlauf (Run-out) zur Beurteilung des mechanischen Zustands der Kolbenstange und ihrer Verbindungen
Es ist technisch wie wirtschaftlich sinnvoll, beide Parameter zu nutzen – einen für den Schutz und einen für die Zustandsüberwachung. In der Praxis wird jedoch häufig nur einer davon verwendet, entweder als Schutz- oder als Diagnosewert.
Wie kann die Lücke zwischen Maschinenschutz und Zustandsüberwachung überbrückt werden?
Ein schließen der Lücke bedeutet, Überwachungssensoren und deren kontinuierlichen Informationsstrom für beide Zwecke zu nutzen. Dies ist wirtschaftlicher und erhöht die Qualität sowohl des Maschinenschutzes als auch der Zustandsüberwachung. Eine Möglichkeit, die Lücke zu schließen, besteht darin, hochfrequente Signaldaten für eine detaillierte Analyse in einem Gerät aufzuzeichnen, das am Maschinenschutzsystem angebracht ist.
Die Luftfahrtindustrie setzt seit Jahrzehnten Flugdatenschreiber ein; diese werden jedoch nur für die Fehlerursachenanalyse verwendet. Aber warum sollten aufgezeichnete Daten nur dann genutzt werden, wenn bereits ein Schaden eingetreten ist?
Die Nutzung der Schutzsensoren für Zustandsüberwachungszwecke ist eine Option; eine andere Möglichkeit besteht darin, die Frequenz und Signalmenge der Überwachungssensoren zu erhöhen und die Daten kontinuierlich für einen bedarfsorientierten Diagnoseansatz aufzuzeichnen.
Die Diagnose der Zustandsüberwachung von Kolbenkompressoren basiert typischerweise auf
- P-V-Diagrammanalyse
- Zylinderschwingungen
- Schwingungsüberwachung der Kurbelwellenlager
Primär werden Informationen über den Zustand von Komponenten wie Saug-/Druckventilen mit vergleichsweise hohen Ausfallraten gesammelt. Dies geschieht oft durch regelmässige Momentaufnahmen, um Investitionskosten für Sensoren, Kabel und Diagnosesysteme zu sparen.
Trenddaten liefern jedoch kontinuierliche Informationen mit einer viel höheren diagnostischen Qualität im Vergleich zur Momentaufnahme (Offline-Überwachung).
Die diagnostische Qualität der Zustandsüberwachungsdaten wird durch zwei Variablen definiert:
- Anzahl der Signale / Sensoren
- Zeitliche Verfügbarkeit des Signals / Aufzeichnungsrate
Die diagnostische Qualität der Offline-Überwachung kann nicht unbegrenzt durch die Erhöhung der Anzahl der überwachten Sensoren verbessert werden. Das Hinzufügen einiger Offline-Sensorpositionen zu einer permanenten Datenaufzeichnung erhöht die diagnostische Qualität, da es den bedarfsorientierten Zugriff auf Online-Daten sowie eine lückenlose Trendauswertung ermöglicht.
Die Informationen stammen immer von denselben Sensoren und können ohne riskante Tätigkeiten des Personals vor Ort, das einen tragbaren Datensammler bedient, gewonnen werden. Dies ist besonders Offshore ein Vorteil, wo der Einsatz von Personal stets eine logistische Herausforderung darstellt.
Wie ist der Kosten-Nutzen-Vergleich zu Zustandsüberwachungssystemen?
Online-Überwachung wird oft als zu kostspielig für unkritische und selten genutzte Maschinen angesehen. Die Kosten teilen sich auf sechs Bereiche:
- Sensoren
- Feldverkabelung
- Datenerfassungssysteme
- Datenspeicherungs- und Überwachungssysteme
- Überwachungs- und Diagnosesoftware
- Analysten-Know-how
Online-Datenerfasser haben in drei von sechs Punkten einen Wettbewerbsvorteil beim Preis:
- Feldverkabelung
- Datenspeicherungs- und Überwachungssysteme
- Überwachungs- und Diagnosesoftware
Diese drei Bereiche verursachen typischerweise mehr als 60 % der Gesamtinvestition. Dies unterstreicht, dass permanente Datenerfasser eine bedeutende Verbesserung der Diagnosequalität in wirtschaftlichem Maßstab bieten können.
Heutzutage bieten moderne Maschinenschutzsysteme die Möglichkeit, durch Hochfrequenz-Datenerfasser erweitert zu werden. Die Datenerfassungsplattform ist gemeinsam, aber die Datenaufzeichnung beeinträchtigt nicht die Schutzfunktion. Im Falle eines Maschinenstillstands steht die gesamte Instrumentierung für eine bedarfsorientierte Zustandsanalyse zur Verfügung.
Während die tragbare Offline-Datenerfassung oft nicht rechtzeitig erfolgt, werden Online-Daten lückenlos aufgezeichnet und sind daher immer verfügbar. So können Antworten darauf, was den Ausfall verursacht hat, sofort erhalten werden, und die Lücke zwischen Zustandsüberwachung und Maschinenschutz kann geschlossen werden.
