Logo
Metrikon
Zašto koristiti računalni softver za upravljanje održavanjem pri radu s pumpama?
Preporuke

Zašto koristiti računalni softver za upravljanje održavanjem pri radu s pumpama?

  • Katarina Knafelj Jakovac

    12. ožujka 2024.

Preko 75% strojeva u procesnoj industriji čine centrifugalne pumpe. Razine kompleksnosti konstrukcije pokriva široke raspone snage i proizvodnih potreba.

centrifugal-pumps.jpeg
Slika: Jednostepene centrifugalne pumpe u procesnoj industriji

U SAD-u je 2022.tržište centrifugalnih pumpi vrijedilo preko 63.3 milijarde dolara prema istraživanju portala Grandviewresearch.

Na grafikonu je prikazano kretanje tržišnih udjela za centrifugalne i klipne pumpe u razdoblju 2020.- 2022. te projekcije do kraja desetljeća.

Screenshot 2024-03-12 at 11.54.02.png
(Izvor)

Procjenjuje se da će tržište rasti po godišnjoj stopi od 4.9% u razdoblju od 2023 do 2030.

Centrifugalne pumpe su prema procjeni ostvarile udio prihoda od preko 67,3% u 2022. zbog svestrane primjene u vodoopskrbi, protupožarnim sustavima, odvodnji otpadnih voda, industriji hrane i pića, te naftnoj i kemijskoj industriji.

Kako bi optimalno iskoristili životni vijek centrifugalne pumpe, potrebno je pridržavati se smjernica dobre inženjerske prakse za rad i održavanje.

Preporuke se odnose na samu pumpu, prateće sustave, opremu povezanu s pumpom, dijagnosticiranje kvarova te primjenu kompjuteriziranog sustava za upravljanje održavanjem.

Rotacijski strojevi u industrijskoj proizvodnji predstavljaju veliki potencijal za digitalizaciju u području upravljanja, kreiranju planova održavanja, praćenja stanja, smanjenja broja kvarova te vođenja sustava skladišta rezervnih dijelova.

NAPOMENA: Sve preporuke su isključivo informativnog i edukativnog karaktera. Prije bilo kakve primjene ovdje navedenih preporuka u praksi, ako nemate prethodnog iskustva ili niste do sada radili s određenim strojem, radite uz osobe kojima je to svakodnevni posao, konzultirajte stručnjake sa iskustvom ili proizvođača pumpe. Autorica bloga ne snosi odgovornost za nestručne primjene ovdje navedenih preporuka niti za bilo kakvu nastalu štetu.

1) Preporuke dobre prakse za rad centrifugalne pumpe

Za svaku centrifugalnu pumpu, obavezno treba provjeriti Q-h krivulju u priručniku s uputama proizvođača pumpe te stvarno stanje tijekom rada u postrojenju.

Osnovno obilježje pumpe su radni parametri poput protoka, tlaka, visine dobave, učinkovitosti i snage.

Prilikom izbora i rada centrifugalne pumpe ove podatke provjeravamo očitavanjem Q-h krivulje, pri čemu Q označava protok ili kapacitet [m3/h] prikazan na x-osi a h je visina dobave [m] prikazana na y-osi.

Sada ćemo vidjeti kako se tumači Q-h krivulja centrifugalne pumpe. Centrifugalna pumpa tijekom rada predaje energiju radnom mediju i tako postiže protok i visinu dobave.

Potreban tlak koji pumpa mora savladati određuje radnu točku na Q-h krivulji i količinu dobave.

Kako se tlak povećava, protok se smanjuje, što pomiče radnu točku na lijevu stranu krivulje. Smanjenjem tlaka, radna točka će se pomaknuti u desno i protok će rasti. Na slikama 1. i 2. označeni su glavni radni parametri.

krivulja-1.jpeg
Slika: Q-h krivulja centrifugalne pumpe

krivulja-2.jpeg
Slika: Krivulje centrifugalne pumpe

  1. Protok/kapacitet Q. Prilikom izbora pumpe prvo treba odrediti količinu radnog medija koji pumpa mora prepumpati. U našem primjeru izabrala sam protok 150 m3/h ili 41,76 l/s. Protok je označen na x-osi i na donjoj strani krivulje. Postavimo na ovu vrijednost vertikalnu liniju.

  2. Visina dobave h. Potrebno je znati kolika je visina dobave prilikom pumpanja radnog medija. U ovom primjeru uzmimo da je potrebna visina dobave 50 m, označena je na y-osi. Povucimo horizontalnu liniju do točke presjeka sa vertikalnom linijom protoka. Točka presjeka ovih dviju vrijednosti predstavlja radnu točku pumpe, označenu crveno.

  3. Kako bi postigli različite radne točke, rotorima centrifugalnih pumpi moguće je prilagoditi vanjski promjer. Smanjenjem veličine vanjskog promjera (trim) rotora, pumpa se može prilagoditi posebnim zahtjevima za količinom dobave. Promjeri rotora su označeni na desnoj strani (219 mm, 208 mm,…) i za svaki promjer je prikazana krivulja na dijagramu. Naša radna točka se nalazi između rotora promjera 199 mm i 208 mm pa će izabrani rotor imati odgovarajući promjer 200 mm. Centrifugalne pumpe mogu biti ograničene promjenjivom brzinom vrtnje vratila, što je idealan način upravljanja protokom pumpe kada je potrebno zadovoljiti više radnih točaka pomoću jednostepene centrifugalne pumpe te da se izbjegne smanjenje veličine promjera rotora i prilagođavanja čitavog sustava cijevi, ventila i sl.

  4. Učinkovitost η, %. Prilikom izbora centrifugalne pumpe za određenu namjenu, učinkovitost označava koliko će energije biti potrebno za rad u određenoj točki. Krivulje učinkovitosti su položene tako da sijeku krivulje promjera rotora. Što je veća učinkovitost, to je manje potrebno energije za prepumpavanje u radnoj točki. U ovom primjeru očitana učinkovitost iznosi 81%.

  5. Minimalan protok. Svaka centrifugalna pumpa zahtijeva minimalan protok radnog medija kako bi se odvodila nastala toplina. Na lijevoj strani dijagrama minimalan protok je označen debljom linijom, rad pumpe u području lijevo od ove linije prema osi y se nipošto ne preporučuje i može uzrokovati kraći radni vijek pumpe.

  6. Snaga pumpe. Nakon određivanja radne točke, može se odrediti potrebna snaga. Treba povući vertikalnu liniju za odabrani protok i vidjeti gdje siječe krivulju promjera rotora. Potom se povuče horizontalna linija prema osi y gdje je označena snaga. Očitana snaga će za ovaj primjer biti 25 kW.

  7. NPSH. Neto pozitivna usisna visina mora odgovarati kako bi pumpa ispravno radila. To je vrijednost tlaka na usisnoj strani pumpe potrebnog za savladati gubitke. Ako pumpa nema dovoljnu NPSH, tijekom pumpanja radnog medija pojavit će se kavitacija koja loše utječe na radni vijek pumpe. Za ovaj primjer, očitana NPSH će iznositi 4,3m.

Zaključno, rad pumpe u području dijagrama daleko izvan Q-h krivulje ili pomicanje radne točke previše na desno ili na lijevo može uzrokovati ozbiljne štete na pumpi, pretjeranu potrošnju energije i nedovoljnu dobavu radnog medija.

Provjera i određivanje visine dobave kada je pumpa pokrenuta i tlačni ventil nije 100% otvoren računa se na način:

  • pri brzini vrtnje 1750 rpm, visina dobave = promjer rotora na kvadrat h=d2h= d^{2}

  • pri brzini vrtnje 3500 rpm, visina dobave = promjer rotora na kvadrat pomnožen s 4 h=d24h= d^{2}*4

  • pri ostalim brzinama vrtnje vratila, visina dobave se računa po formuli:

h=d2(brzinavrtnje/1750)2h = d^{2}*(brzina vrtnje/1750)^{2}

  • Procjena visine dobave prije pokretanja se vrši na način da se izmjeri promjer vratila u mm i podijeli sa 100. Potom se dobivena vrijednost kvadrira. Ako je brzina pumpe 1450 rpm, kvadriranu vrijednost pomnožiti s 3 te dodati još 10% radi pretvaranja u metre.

Npr. Promjer vratila je 80mm:

80 / 100 =0,8 * 0,8 = 0,64 * 3 = 1,92*10% + 1,92 = 2,1 m je procjenjena visina dobave

Napominjem da je za pumpu koja ima brzinu vrtnje 3000 rpm potrebno množiti s 12 umjesto s 3.

  • Točka maksimalne radne učinkovitosti pumpe je između 80% i 85% visine dobave. Tada na rotor djeluje minimalna odrivna sila u radijalnom smjeru.
  • Odnos duljine vratila i promjera vratila L3/d4L^{3}/d^{4} mora biti < 2000 mm da se spriječi pretjerano savijanje vratila.
    L se mjeri u mm od središta utora za klin rotora do središta zadnjeg ležaja prije spojke.
    d je promjer vratila u mm ispod košuljice na području mehaničke brtvenice.
    Na sljedećoj slici je presjek jednostupanjske centrifugalne pumpe gdje su označene dimenzije d i L.

Screenshot 2024-03-12 at 15.51.07.png

S obzirom na to da većina materijala za izradu vratila ima slične module elastičnosti, promjena materijala za izradu vratila neće riješiti problem savijanja vratila kada pumpa radi izvan područja maksimalne učinkovitosti.

  • Pumpa koja ima dvojni usis može raditi s 27% manjom NPSH ili 40% većom brzinom vrtnje, bez pojave kavitacije

  • Ako brzinu vrtnje povećate 2 puta, pumpa će raditi s dvostrukim kapacitetom, 4 puta većom visinom dobave i bit će potrebno 8 puta više snage za rad.

  • Vratila izrađena od nehrđajućeg čelika imaju puno manju vodljivost u usporedi s vratilima izrađenim od ugljičnog čelika. Ako pumpate radni medij visoke temperature, putem vratila će doći do prijenosa topline na ulje za podmazivanje ležajeva što uzrokuje brže starenje ulja.

  • Ako se brzina vrtnje pumpe udvostruči na dulje vrijeme, trošenje dijelova će se povećati 8 puta

  • Višestupanjske centrifugalne pumpe imaju od 2% do 4% manju učinkovitost

  • Vijak/inducer montiran prije rotora, za stabiliziranje turbulentne struje radnog medija prije ulaska u rotor, može smanjiti zahtijevanu NPSH do 50%

  • Zračnosti otvorenog tipa rotora definira proizvođač pumpe. Zračnosti su u području od 0,2 mm do 0,5 mm ovisno o promjeru rotora. Za svakih daljnjih 0,05 mm povećanja zračnosti izgubit ćete 1% kapaciteta dobave

  • Zračnosti potrošnih prstenova se kreću u istom području, s time da ćete za svakih 0,025 mm povećanja zračnosti izgubiti 1% kapaciteta dobave.

  • Ležajevi i gumene brtve ležajnih kućišta podmazivanih mašću imaju konstrukcijski vijek trajanja do 2000 sati rada. Kod pumpi koje konstantno rade to bi bilo 83,3 dana. Razmotrite zamjenu gumenih brtvi labirintnim ili kompozitnim tipom brtvi kako bi spriječili dodatno naprezanje vratila na mjestima dodira s brtvama

  • Aksijalna zračnost u kugličnim ležajevima je 10 puta veća u odnosu na radijalnu zračnost. Zato je jako važno montirati ležajeve na pravilan način. Ako je ležaj previše pritisnut nakon montaže, kuglice će se tijekom rada kotrljati umjesto vrtjeti, što uzrokuje povećanje temperature i prijevremeni raspad ležaja. Temperatura unutarnjeg kaveza kod pravilno ugrađenog kugličnog ležaja je najmanje 5°C viša od temperature ulja za podmazivanje u ležajnom kućištu

  • Vijek trajanja ulja za podmazivanje ležajeva je proporcionalan njegovoj temperaturi tijekom rada pumpe. Ako je temperatura 100°C, ulje se treba kompletno zamijeniti nakon 3 mjeseca. Ako je temperatura 90°C, ulje se treba kompletno zamijeniti nakon 6 mjeseci. Ako je temperatura 80°C, ulje se treba kompletno zamijeniti nakon 1 godine.

  • Prilikom izbora pumpe nemojte uzeti onu s najvećim rotorom, već ostavite 5% do 10% radi mogućnosti zamjene.

  • Maksimalna viskoznost radnog medija za koji je centrifugalna pumpa namijenjena odgovara ukupnoj masi ulja uvećanoj 4 puta, na sobnoj temperaturi

  • Uzmite pumpu pokretanu s frekventnim elektromotorom ako imate mogućnost, radi bolje prilagodbe promjenjivim uvjetima radnog opterećenja

  • Pumpe u serijskom spoju moraju imati isti kapacitet (isti promjer rotora i brzinu vrtnje)

  • Pumpe u paralelnom spoju moraju imati istu visinu dobave

  • Koristite krilnu pumpu gdje je potreban kapacitet dobave manji od 4,5 m3/h

  • Centrifugalna pumpa može prepumpati radni medij koji sadrži 0,5% masene količine zraka. Ako je prisutna veća količina zraka, pumpa će prestati prepumpavati. Kavitacija se može dogoditi pri bilo kojoj količini zraka.

  • Koristite pumpe s dvostrukim spiralnim kućištem ako je promjer rotora 355 mm ili veći. To se posebno odnosi na vertikalne pumpe s dugačkim vratilom, kako bi se spriječilo pretjerano gibanje vratila i oštećenje ležajeva i brtvenica

Preporuke za rad sa cjevovodima i sa armaturom u sustavu centrifugalnih pumpi

  • Duljina cijevi između prvog koljena na cjevovodu i usisne cijevi mora biti jednaka 10 puta promjer cijevi. Dakle, ako je promjer cijevi 100 mm, duljina cijevi između usisa i prvog koljena mora biti 100 mm X 10 = 1000 mm.

  • Zamjena ventila zasunom u sustavu cjevovoda slikovito rečeno predstavlja isto što i dodavanje dodatnih 30m cijevi. Na tlačnoj strani pumpe će doći do rada van područja najveće učinkovitosti na Q-h krivulji i rezultirati savijanjem vratila. Na usisnoj strani moguća je pojava kavitacije.

  • Nakon što su centrifugalna pumpa i elektromotor centrirani, provjerite pritegnutost temeljnih vijaka na temeljnu ploču

  • Provjerite smjer vrtnje rotora nakon što je pumpa sastavljena. Ako rotor nije montiran u ispravnom smjeru, prilikom vrtnje vratila pumpa neće tlačiti radni medij

  • Usisna cijev mora biti barem za jedan red veličine veća u odnosu na tlačnu cijev. Uobičajene dimenzije su 4'' za usisnu i 6'' za tlačnu cijev ili 8'' za usisnu i 10'' za tlačnu i sl.

  • Vrtloženje radnog medija u usisnoj cijevi se događa ako je razina radnog medija preniska ili razina pada sporije od 1 m/s, prisutna je velika količina otopljenih plinova u radno mediju, brzina otjecanja radnog medija iz spremnika je veća od 3 m/s, radni medij je blizu temperature isparavanja

3) Preporuke za dijagnosticiranje kvarova centrifugalnih pumpi

  • Oštećenja na rubovima rotora uzrokovana kavitacijom ukazuju na to da je dostupna NPSH niska, previše zraka ulazi na usisu pumpe, prisutno je turbulentno strujanje ili je došlo do unutarnje recirkulacija radnog medija

  • Oštećenja uzrokovana kavitacijom na unutarnjoj strani kućišta i na vrhovima rotorskih lopatica znače da zračnost između rotora i kućišta nije odgovarajuća. Potrebno je prilikom montaže paziti da zračnost bude u skladu s vrijednostima koje daje proizvođač

  • Ne smiju se koristiti brtvene pletenice za pumpe koje imaju vakuum na usisu jer će zrak ući u pumpu kroz pletenice i sklop nosača

  • Sustav brtvljenja je potrebno odzračiti i u potpunosti ispuniti brtvenim medijem prije pokretanja pumpe, inače će zrak ostati zarobljen u sustavu brtvljenja

  • Ako se specifična gustoća radnog medija poveća zbog promjene temperature, može doći do preopterećenja elektromotora, stoga treba provjeriti je li ugrađen elektromotor odgovarajuće snage

Prisutnost vode u ulju za podmazivanje ležajeva smanjuje njihov radni vijek za 48%. Voda često nastaje kondenzacijom vlage u kućištu. Ako u ulju ima 6% vode, vijek trajanja ulja se smanjuje za 83%

  • Razina ulja u ležajnom kućištu ne smije biti niža od sredine nivokaznog stakla

  • Masa temeljne betonske ploče na koju se pumpa ugrađuje mora biti 4 puta veća od zbrojene mase pumpe, čeličnih nosača, elektromotora i prateće armature povezane s pumpom, inače će doći do pojave vibracija.

  • Za pumpe koje pokreću elektromotori snage do 375 kW, betonski temelji moraju biti minimalno širi za 76 mm od širine čeličnih nosača na kojima je postavljena pumpa.

  • Za pumpe koje pokreću elektromotori snage veće od 375 kW, betonski temelji moraju biti minimalno širi za 150 mm od čeličnih nosača na kojima je postavljena pumpa.

  • Cijevi se centriraju u odnosu na usisnu i tlačnu prirubnicu pumpe. Pumpa se nikada ne centrira s obzirom na položaj usisne i tlačne cijevi!

  • Ako postoje cijevne redukcije na usisnoj strani, redukcija mora biti spojena s usisnom prirubnicom na strani manjeg promjera

  • Vretena ventila, T spojevi i koljena moraju biti ugrađeni i postavljeni okomito u odnosu na horizontalni položaj vratila, ne pod različitim kutevima.

4) Preporuke za korištenje računalnog sustava za upravljanje održavanjem centrifugalnih pumpi

CMMS pruža brojne koristi za upravljanje održavanjem različitih vrsta opreme u različitim industrijskim granama.

Bez obzira u kojoj vrsti industrijske proizvodnje rade centrifugalne pumpe, postoji osnovni skup smjernica koje svi mogu primijeniti kada je riječ o unaprijeđivanju njihovog održavanja korištenjem softvera za upravljanje imovinom.

  • U računalni sustav za upravljanje održavanjem pod imovinom detaljno upisati sve dostupne podatke o pumpi i učitati svu raspoloživu dokumentaciju (minimalno popis rezervnih dijelova, izvještaje o servisima i izvještaje o izvršenim radovima dijagnostike)

  • Unaprijed pripremiti i kreirati planove održavanja. Raspored izvršenja za planove održavanja ovisit će o vrsti aktivnosti, preporukama proizvođača centrifugalne pumpe te iskustvu djelatnika održavanja

Screenshot 2024-03-12 at 16.02.44.png
Slika: Primjer preventivnih radnih naloga za centrifugalnu pumpu u softveru Metrikon

  • Svaki kvar centrifugalne pumpe obavezno zabilježiti u računalni sustav za upravljanje održavanjem. Navesti rokove izvršenja popravka, okolnosti nastanka kvara i potrebne podatke o pumpi.

  • Za svaki kvar otvoriti radni nalog i definirati: opis potrebnih radova, resurse, potrebne alate, rezervne dijelove i količine, uloge i odgovornosti djelatnika

  • Voditi evidenciju u kojim rokovima su kvarovi otklonjeni, koliki su troškovi resursa i dijelova. Ako kvarovi nisu otklonjeni na vrijeme ili nisu uopće riješeni istražiti uzroke.

  • Sve standardne radne procedure ili SOP (standard operating procedure) su dokumenti koji navode specifične korake u proizvodnom procesu i treba ih kontinuirano provoditi. SOP za centrifugalne pumpe usmjeravaju djelatnike koje korake moraju obavezno provesti kako bi rad pumpe bio siguran, neometan i efikasan.

CMMS omogućava unos standardnih radnih procedura u vidu listi zadataka ili kao kontrolne liste koje su dostupne svuda i svima te praćenje u realnom vremenu je li SOP izvršena na način da djelatnik digitalno potvrdi završetak svih koraka. Ujedno se postiže standardizacija kompanijskih dobrih praksi, smanjuje mogućnost greške i podiže razina kvalitete rada.

  • Integracijom računalnog sustava za upravljanje održavanjem u svakodnevni rad i održavanje centrifugalnih pumpi suvremene kompanije raspoređuju i prate održavalačke radove na efikasan način.

To će pomoći u smanjenju zastoja, budući da se održavanje može planirati i izvesti puno ranije, kako bi se smetnje u proizvodnom procesu svele na najmanju moguću mjeru. CMMS također može pomoći kompanijama da prate svoje troškove i planiraju budžete održavanja, omogućujući im da donose informiranije odluke o tome gdje, kada i zašto usmjeriti resurse.

  • Dodatno, računalni sustav za upravljanje održavanjem pomaže kompanijama da poboljšaju stanje centrifugalnih pumpi i upravljanje cjelokupnom proizvodnom imovinom.

Zaključak

Primjena dobre inženjerske prakse u radu sa centrifugalnim pumpama, cjevovodima i armaturom produljit će njihov životni vijek, reducirati broj kvarova i omogućiti dugotrajan i stabilan rad. CMMS pomaže kompanijama u proizvodnoj industriji da poboljšaju svoje procese održavanja i optimiziraju svoju opremu, što dovodi do povećanja produktivnosti i profitabilnosti. Računalni softver za upravljanje održavanjem centrifugalnih pumpi u kombinaciji sa preporukama za rad i održavanje armature i strojnih sustava doprinijet će smanjenju broja kvarova i podići razinu kvalitete proizvodnog procesa.

Praćenjem povijesti održavanja i performansi svakog dijela centrifugalne pumpe, kompresora, elektromotora ili bilo kojeg drugog komada opreme, kompanije mogu prepoznati potencijalne probleme prije nego što se pojave i poduzeti korake da ih spriječe. Tako se smanjenju potrebe za skupim popravcima i osigurava se da sva oprema radi učinkovito.

Katarina Knafelj Jakovac
Katarina Knafelj Jakovac social media icon
12. ožujka 2024.

Katarina Knafelj Jakovac je inženjerka strojarstva sa dugogodišnjim radnim iskustvom u naftnoj industriji. Certificirani lider za pouzdanost opreme specijalizirana za strojarsku opremu i operativnu izvrsnost. Autorica je bloga Strojarska Radionica gdje dijeli profesionalno znanje i osobno iskustvo u održavanju različitih rotacijskih strojeva, strojnih sustava i procesne opreme. Obožava mehaniku, nauku o toplini i motore sa unutarnjim izgaranjem. Posvećena je kontinuiranom unaprjeđenju održavanja strojeva i kvalitetnog gospodarenja fizičkom imovinom.