Une aciérie prévient une défaillance catastrophique grâce à la surveillance de l'état

Jul 01, 2023

Alors que l'industrie 4.0 passe rapidement du domaine des idées à la réalité, de grands progrès ont été réalisés dans l'utilisation de la technologie industrielle de l'Internet des objets (IIoT) pour conduire une exploitation et une maintenance plus intelligentes et plus efficaces des installations. Par exemple, une aciérie intégrée du sud-est des États-Unis a réalisé l'intérêt d'investir dans cette technologie après avoir fait face à des défis répétés avec quatre de ses pompes submersibles.

Bien qu'elles ne soient qu'une petite partie du système, ces pompes submersibles jouent un rôle vital dans le processus de fabrication de l'acier. Cependant, comme ils ont connu un court temps moyen entre les pannes (MTBF) et ont été sujets à des pannes inattendues, ils présentent un risque pour la production.

Fatiguée de dépenser de l'argent et du temps pour des réparations d'urgence, l'usine a pris l'initiative d'installer un système de surveillance sans fil de l'état qui leur a donné une vision claire de la santé de l'équipement. Ce système leur a permis de prévoir les défaillances imminentes avec suffisamment de temps pour minimiser les dommages. Avec un préavis, ils peuvent maintenant élaborer un plan d'action soigneusement réfléchi pour remettre à neuf l'équipement.

Les pompes submersibles en question ont été installées dans une fosse d'eaux usées du système d'assèchement ; les quatre pompes étaient nécessaires pour le fonctionnement afin de maintenir la fosse à un niveau d'eau acceptable. L'installation a connu des problèmes de fiabilité depuis le démarrage, le MTBF moyen étant inférieur à six mois. Si l'une des pompes tombait en panne, les pompes restantes ne pouvaient pas vider la fosse de manière satisfaisante. Le mode de défaillance était historiquement si grave qu'une réparation n'était pas possible et/ou rentable.

L'aciérie a engagé une entreprise de réparation après-vente pour examiner la conception et analyser pourquoi l'équipement connaissait ces pannes récurrentes. L'équipe d'ingénierie a examiné de près la conception de la pompe et l'interaction des pompes et de leur système pour identifier les faiblesses de conception.

L'étude a conclu que la fosse installée de la pompe était sous-dimensionnée pour les conditions de fonctionnement requises. Malheureusement, les conditions ne pouvaient pas être modifiées et la refonte de la fosse serait un effort coûteux et chronophage. Après mûre réflexion, l'usine a décidé qu'il n'était pas possible de modifier la conception du système. Comprenant que la cause fondamentale de la dégradation des pompes ne pouvait pas être traitée, l'équipe de maintenance de l'aciérie a recherché une technologie qui pourrait aider à atténuer la nature inattendue des défaillances pour gérer leur coût et leur impact global. Cependant, comme il s'agissait de pompes submersibles, les moyens d'évaluer avec précision l'état de l'équipement constituaient un défi. Heureusement, une solution a été proposée à l'usine qui lui permettrait de surveiller l'état de l'équipement et d'évaluer le risque d'exploitation continue. Cette solution était un système de surveillance de l'état sans fil.

Les pompes submersibles sont souvent négligées lorsqu'il s'agit de surveillance de l'état. Ils sont submergés, inaccessibles par la plupart des instruments, et sont souvent considérés comme un actif évolutif. Les indicateurs de fuite de joint et les contrôles de surcharge du moteur se sont améliorés au fil des ans, mais la tendance de l'état mécanique reste rare. Ceci est exacerbé par le fait que de nombreux nouveaux systèmes de surveillance IIoT sur le marché n'ont pas développé de moyen viable de collecte automatisée de données sur les équipements immergés.

Avec ces défis à l'esprit, une solution a été développée qui utilise des accéléromètres filaires connectés à un émetteur sans fil hors sol. Ces accéléromètres submersibles et dispositifs de communication sans fil ont été fournis à l'aciérie pour mieux surveiller les performances mécaniques en conditions immergées. Les niveaux de vibration en temps réel sur la pompe et le moteur ont été collectés en continu à l'aide de ce système. Les données collectées ont été transmises sans fil au cloud pour un accès, un stockage et une analyse à distance de manière automatisée, des mesures étant prises à des intervalles de haute fréquence.

La surveillance fournie est allée au-delà du matériel et des logiciels pour tirer parti de l'expérience humaine de l'équipe d'ingénierie de la société de services après-vente. Ces ingénieurs et l'utilisateur final ont travaillé ensemble pour déterminer les niveaux de vibrations mécaniques, corréler les données avec le niveau d'immersion et d'autres paramètres hydrauliques et détecter les premiers signes de dégradation des roulements et autres composants.

L'objectif du projet de surveillance submersible était simple : détecter les problèmes avant qu'ils ne deviennent des pannes catastrophiques et faire économiser de l'argent (et des maux de tête) à l'utilisateur final. La surveillance à distance a prouvé sa valeur lorsque l'équipe de surveillance de l'état a prédit une défaillance imminente des roulements, et le site a pu se mobiliser avant que des dommages catastrophiques à la pompe ne se produisent.

Un défaut de roulement a été capté par les capteurs et transmis à l'utilisateur via le logiciel d'analyse. Les défaillances des roulements sont généralement observées en quatre étapes distinctes. La première étape est généralement assez subtile et causée par des défauts au niveau de la surface qui font partie du processus de fabrication ; il peut y avoir des ondes à haute fréquence présentes entre 5 et 40 kilohertz (kHz).

La deuxième étape commence à être corrélée aux conditions de dommages qui peuvent être directement observées ; une accélération dans la plage de 1 à 5 kHz peut se présenter comme un bruit de fond élevé avec une excitation à fréquence discrète aux harmoniques de vitesse de fonctionnement et/ou à des fréquences de défaut de roulement. Notamment, un impact peut être observé dans la deuxième étape.

La troisième étape montre des signes plus manifestes de dégradation, maintenant dans le spectre de vitesse, à mesure que l'excitation de fréquence de défaut de roulement devient plus sévère. Des bandes latérales peuvent être présentes dans le spectre autour des fréquences de défaut de roulement, et l'impact sur la forme d'onde est plus sévère. Il s'agit d'un point typique pour planifier la maintenance afin de remédier à la condition/au problème.

L'étape finale, l'étape quatre, montre les niveaux de vibration à la vitesse de fonctionnement (1X) et éventuellement les harmoniques de la vitesse de fonctionnement. À ce stade, les dommages peuvent être si importants que la signature vibratoire subit des niveaux élevés de bruit et des angles de phase incohérents qui ressemblent à du relâchement. La défaillance est imminente et peut entraîner des dommages aux composants en cascade ou pire.

Peu de temps après la mise en service du système de surveillance de l'état, l'une des quatre pompes a connu des niveaux d'amplitude de vibration dynamique qui ont dépassé plusieurs seuils d'alarme. Les seuils d'alarme sont programmés dans le logiciel pour permettre une réponse immédiate aux conditions changeantes et défavorables. Lorsqu'un seuil d'alarme est dépassé, un avis d'alarme automatisé est envoyé par le logiciel à l'utilisateur final et à l'équipe de surveillance. Dans ce cas, les ingénieurs de surveillance de l'état ont analysé la condition d'alarme et ont recommandé une action immédiate à l'utilisateur final.

Comme indiqué dans le spectre de l'image 5, des niveaux de vibration à haute énergie avec un bruit de fond élevé ont été détectés, indiquant une défaillance du roulement. Le tracé du spectre est accompagné du tracé de la forme d'onde temporelle (forme d'onde) dans l'image 6, qui montre l'occurrence de l'énergie de vibration une fois par révolution. L'excitation énergétique est le résultat d'un impact se produisant dans le roulement à éléments roulants.

L'équipe de surveillance de l'état a informé l'utilisateur du problème émergent et a recommandé que la pompe soit arrêtée pour une inspection plus approfondie. La pompe a été arrêtée le lendemain du déclenchement de l'alarme initiale et a ensuite été envoyée à un centre de service après-vente.

La recommandation s'est avérée exacte. L'inspection a révélé qu'il y avait une légère fuite de joint et une contamination dans le roulement. Les débris avaient causé des frottements et une galle dans le roulement. Étant donné que l'état de la pompe et du moteur présentait des dommages relativement mineurs, cela a permis une réparation simple de la pompe, évitant ainsi le coût et le délai d'une nouvelle pompe et d'un nouveau moteur du fabricant.

Pendant que l'unité endommagée était réparée, une pièce de rechange a été installée pour remplacer la pompe défectueuse. Sans pièce de rechange disponible, il était désormais essentiel que toutes les autres pompes fonctionnent correctement. La surveillance de l'état a permis à l'utilisateur final de continuer à surveiller le système 24h/24 et 7j/7. L'image 7 montre que les niveaux d'amplitude de vibration globale de l'unité de rechange étaient acceptables.

Parce qu'ils ont pu prévoir une panne imminente et retirer la pompe pour la remettre à neuf avant que des dommages importants ne se produisent, l'utilisateur final a reçu une machine réparée pour une fraction du coût d'une nouvelle et dans un délai plus rapide et plus réactif. De plus, le délai d'exécution rapide de la réparation a permis à l'utilisateur final d'avoir une pièce de rechange disponible à portée de main, en cas de nouvelle panne de la pompe.

La mise en œuvre avant-gardiste de la technologie de surveillance de l'état de ces pompes submersibles a aidé l'utilisateur final à maintenir la disponibilité du processus, à améliorer la fiabilité de l'équipement et à réduire le coût global de maintenance de ce système critique.

Ares Panagoulias gère les ventes et l'ingénierie des produits et services de surveillance de l'état sans fil IIoT chez Hydro, Inc. Il peut être contacté à [email protected]. Pour plus d'informations, visitez www.hydroinc.com/sensors.