Impacto de la Tecnologa en el Mantenimiento 1

IMPACTO DE LA TECNOLOGIA EN EL MANTENIMIENTO Juan C. Hidalgo B., BSEE, MBA

Abstracto En cuestin de muy pocos aos, quienes estamos involucrados en el rea del mantenimiento basado en la condicin, hemos experimentado un gran numero de innovaciones tecnolgicas que hacen nuestra labor mucho ms fcil, precisa y eficiente. Hoy vemos como el precio en estos equipos ha bajado, sin embargo, la diversidad y funcionalidad se han incrementado; a manera de ejemplo cuando antes usbamos cmaras infrarrojas con una memoria muy limitada para almacenar imgenes, ahora podemos guardar miles de stas en tarjetas removibles. En cuanto al software, se han desarrollado herramientas que asisten al usuario a mejorar su diagnstico, un ejemplo de ello son los programas de diagnstico automatizado para anlisis de vibraciones mecnicas con capacidad de detectar una anomala, muchas veces desapercibida por el analista. Ahora tenemos integrados en los equipos de diagnstico funciones como: Wi-Fi, Bluetooth, control remoto e integracin de estos sistemas con iPad o iPhone, combinacin de imgenes trmicas con digitales para visualizacin optimizada, etc., Todas estas son innovaciones tecnolgicas que hacen de la labor del mantenimiento una especializacin tcnica que est acorde con la realidad mundial.

La tecnologa actualmente es ms asequible en trminos de precio, peso y tamao, el uso de sistemas digitales y procesadores esta ayudando en ello, pero esto supone un reto a nuestros tcnicos e ingenieros de mantenimiento para aprovechar al mximo estas nuevas capacidades que redundan tambin en beneficios en seguridad y ambiente.

Index TermsVibraciones, infrarrojo, automatizado, gases, ISO 10816-5, FLIR, AzimaDLI, EPRI.

I. LA IMPORTANCIA DEL MONITOREO DE LA CONDICION

A. El Mantenimiento Predictivo o Basado en la Condicin Es conocido tambin como el mantenimiento segn el

estado o basado en la condicin (MBC), se caracteriza principalmente porque para su ejecucin se utilizan diferentes tipos de instrumentos y equipos de registro y diagnstico, donde se capturan los parmetros de operacin y con los cuales se predice la condicin en la que se encuentra operando la maquinaria, sus resultados permiten ajustar el programa de intervenciones.

Ventajas

o Disminuye la taza de salida forzada o Alta confiabilidad o Alta disponibilidad o Prolonga la vida til de los equipos o Disminuye el inventario de repuestos

Desventajas:

o El costo de la inversin en los equipos de diagnstico es alto

o El costo de inversin en el servicio contratado es alto

o Requiere de personal especializado y experimentado.

El mantenimiento predictivo detecta la degradacin en

componentes crticos en tiempo real y permite a los encargados planear acciones correctivas antes de un paro no programado.

Los beneficios de un mantenimiento predictivo incluyen: Ahorros acumulados al poder utilizarse ptimamente

el recurso Reduccin del paro no programado del recurso Reduccin del almacenamiento innecesario de partes

de repuesto y su costo por obsolescencia

La figura 1 muestra como el mantenimiento basado en la condicin llega a generar beneficios netos despus de dos aos de ser aplicado en forma peridica. EL estudio lo llevo a cabo el Energy Power Research Institute (EPRI) en Estados Unidos.

Figura 1: Retorno de la Inversin - Programa MBC (Estudio EPRI)

En otro estudio del Electrical Power Research Institute

(EPRI) en Estados Unidos, se estimaron los costos por HP instalados, en los tres tipos de esquema de mantenimiento que existen (en $):

Mantenimiento reactivo (correctivo): $17 - $18 Mantenimiento Preventivo: $11 - $13 MBC: $ 7 - $ 9

Entre las tecnologas ms modernas para MBC, tenemos: la

termografa infrarroja, anlisis por vibraciones mcanicas, anlisis de aceite, anlisis de caractersticas elctricas de motores y alineacin de ejes.

Cualquier compaa, por pequea que sea, debera de usar alguna de estas tecnologas con el fin de bajar sus costos por el mantenimiento de los equipos.

De las tecnologas anteriormente mencionadas, la termografa infrarroja es la que sobresale ms, debido a su gran campo de aplicacin; se puede aplicar a equipos rotatorios, hidrulicos, elctricos, hornos, fluidos, etc. Y para equipo rotatorio sobresale el Anlisis por Vibraciones, ltimamente se esta considerando al alineamiento de ejes como una tcnica predictiva debido a la necesidad del personal de planta de estar realizando verificaciones de alineacin rutinariamente.

II. AVANCES TECNOLGICOS EN TERMOGRAFIA INFRARROJA

Las primeras cmaras para uso comercial fueron

fabricadas por AGA alrededor de 1964, eran tipo escner y se enfriaban con nitrgeno liquido.

La radiacin infrarroja ingresa a travs de un lente y esta

es enfocada hacia un detector de InSb (Indio Antimonio)

enfriado por nitrgeno lquido por medio de una serie de espejos y prismas. La electrnica asociada al detector amplifica y acondiciona la seal e introduce factores de correccin como temperatura reflejada, emisividad y alguna desviacin por temperatura ambiental.

La figura 3 muestra el diagrama interno de esta cmara (tipo escner), la cual contena otros accesorios no mostrados como: la fuente de poder (sin bateras) y tanques para el nitrgeno liquido. La misma por su peso y tamao tenia que ser llevada en un automvil para realizar la inspeccin.

La figura 2 muestra una termografa infrarroja de 1964 as como el tamao de la Thermovision 660 fabricada por AGA, Suecia.

A. Detector Infrarrojo El detector es el corazn de un instrumento infrarrojo,

estos sensan la energa infrarroja y producen seales elctricas proporcionales a la temperatura del objeto en estudio.

Arreglo de Plano Focal (Focal Plane Array FPA) Ventajas Desventajas Menos peso comparado con el escner mecnico Mas porttiles con mejora en la vida de la batera Resolucin excelente

Complejas Requieren de enfriamiento Tiempos de encendido largos

Micro bolmetros (detector FPA sin enfriamiento) Ventajas Desventajas Mecnica simplificada, mejora en la confiabilidad

Estabilidad interna en la temperatura, factores de llenado bajos

Tabla 1: Tipos de Detectores

Figura 3: AGA - Cmara Thermovision 660

Figura 2: Thermovision 660 en una Subestacin - Puntos calientes

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Las cmaras ms compactas son con detector Focal Plane Array (FPA), las fabricadas con FPA enfriado fueron introducidas al mercado comercial en 1987. Y hasta 1997, despus de varios aos de uso por los militares se tuvo acceso comercialmente a las FPA no enfriados o micro bolmetro.

Los parmetros ms importantes son la resolucin, la sensitividad trmica y constante de tiempo del detector.

1) Resolucin y Sensitividad trmica En trminos de espacio o geometra es una medida del

detalle apreciable por el detector, y se mide por la cantidad de

pixeles en direccin horizontal por la cantidad de estos en direccin vertical. Se entiende, que una mayor resolucin implica mayor cantidad de pixeles.

Con la fabricacin de detectores con tecnologa de 17 micrones se han logrado alcanzar a nivel comercial resoluciones de 1024 x 768 pixeles, ejemplo: FLIR X8000sc sin embargo a nivel militar se tiene una resolucin superior. Las ventajas de una mejor resolucin permiten al termgrafo:

Encontrar problemas pequeos a mayores distancias Encontrar problemas no encontrados con cmaras de

menor resolucin Las inspecciones infrarrojas son realizadas con mejor

eficiencia, se pueden cubrir la misma rea con menos imgenes. Inspecciones y generacin reportes ms rpidas.

La figura 5 muestra la diferencia entre distintos detectores

con resoluciones distintas. Esto impacta notablemente la medicin de temperatura, en la imagen de 120x160 la temperatura medida fue de 52 Celsius ,en la imagen de 240 480 la temperatura medida fue 68 Celsius mientras que en la de6 40 480 la temperatura medida fue 78 Celsius; claramente hay un mejoramiento en la medicin de temperatura con la cmara de mayor resolucin.

Por otro lado, la Sensitividad Trmica o el cambio mnimo detectable por el detector es considerado uno de los parmetros ms importantes en termografa, se expresa en trminos de temperatura, un valor bajo implica que la sensitividad del detector es alto. La forma ms comn se expresa como NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) y se mide en Kelvin o en Celsius. Una alta sensitividad mostrar imgenes ms ntidas, la figura 6

muestra una comparacin entre distintos detectores con la misma resolucin, siendo la imagen de 50 mK la que tiene menor ruido trmico. Aunque las cmaras tienen igual resolucin la diferencia importante es el factor de llenado en el detector de 50 mK, este es construido con espacio entre pixeles ms pequeo lo cual se traduce en menos fotones perdidos o ruido trmico, la calidad de la imagen es clara con respecto a la de 100 mK.

Las ventajas para el termgrafo: Observara problemas donde antes no los haba Acceso a aplicaciones cientficas Imgenes ms claras

2) Constante de Tiempo del Detector

Con los nuevos tipos de detectores, es hoy en da uno de los parmetros ms importantes en el diseo de un detector infrarrojo y superior a la importancia de otros. Con los nuevos detectores y sus estructuras tan delgadas se tienen cmaras con constantes de tiempo muy cortos y tiempos de respuesta muy rpidos. Usualmente, los tiempos de respuesta de miden en milisegundos, a manera de ejemplo; para una FPA operando a 30 Hz su tiempo de respuesta no debera de exceder de 10ms (es aceptado como normal 1/3 de la taza de actualizacin de cuadros o Frame Rate).

Figura 5: Imgenes a diferentes resoluciones de un seccionador a

11m. Cortesa FLIR

Figura 4: Cmara de alta definicin 640x480 pixeles. Modelo P660

cortesa FLIR

Figura 6: Diferencias en la Sensitividad Trmica para distintos

detectores con la misma resolucin. Cortesa FLIR

Estas constantes cortas permiten que las cmaras infrarrojas produzcan imgenes de calidad superior y puedan capturar objetos en movimiento con mayor definicin y claridad.

En la figura 7 se observan dos imgenes de dos cmaras con actualizacin de cuadros de 60Hz, pero con tiempos de respuesta diferentes. La imagen de la derecha es de 7ms (1000/7 = 142Hz) y la izquierda es de 12ms (1000ms/12ms = 83Hz).

B. Nuevas Tecnologas Para beneficio del especialista en termografa se han

desarrollado nuevas tecnologas y aplicaciones que nunca se imagino poder tener.

1) Cmaras infrarrojas que ven nubes de gas

Se han desarrollado cmaras que visualizan nubes de gas, no solo potencialmente peligroso al humano sino para la atmsfera. Entre los gases de efecto invernadero ms peligrosos tenemos al SF6, usado hoy en da como aislante elctrico en mas del 80% de subestaciones en el mundo.

Tambin se han desarrollado cmaras que ven nubes de hidrocarburos, para ambientes peligrosos como refineras, centros de distribucin de combustibles (gas, gasolinas, etc.) y plantas de generacin geotrmica con turbinas encapsuladas en pentano.

Los mtodos de deteccin de gas involucran usualmente el uso de un sniffer o detector infrarrojo de gas.

Las cmaras GF tienen detectores cunticos enfriados a -100 Celsius con enfriadores Stirling, siempre muy porttiles, a estas cmaras se les colocan filtros dependiendo del gas a observar con el fin de empatar la respuesta espectral de la cmara con el pico espectral de absorcin del gas a ver. La figura 9 muestra la ubicacin espectral del gas SF6 alrededor de 10 micrmetros.

La mayora de hidrocarburos absorben la energa infrarroja

alrededor de 3.4 micrones, a la cmara se le instala un filtro en esa banda.

2) Cmaras con mejoramiento trmico de imagen MSXtm Las cmaras con tecnologa MSX logran mejorar los

detalles con bajo contraste, aumentan la profundidad y textura y permite leer rtulos o etiquetas en una imagen infrarroja.

La tcnica toma la imagen visual normal, la pasa por un filtro pasa altas frecuencias y suprime los gradientes de mayor escala o detalle. Luego la fusiona con la imagen infrarroja normal, al final se obtiene una imagen infrarroja con mayor definicin. Los especialistas en termografa sern capaces de terminar mejor la fuente del problema con esta tecnologa desarrollada.

3) Wi-Fi y Software para dispositivos mviles

IDC predice que para el 2013, las tabletas y los telfonos inteligentes tendrn una participacin de cerca del 60% del mercado de Tecnologa. Y las mini tabletas como la iPad mini o la Nexus entre otras, tendrn un crecimiento del 42% en el 2013.

Figura 9: Fuga gas Butano de 3 gramos/hora

Figura 8: Ubicacin filtro de 10 micrones para "ver" gas SF6.

Cortesa FLIR

Figura 10: MSX - Imagen izquierda visual filtrada en altas frecuencias, derecha la fusin resultante con la infrarroja

Figura 7: Imagenes con detectores con tiempos de respuesta distintos.

Cortesa FLIR

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Lo anterior demuestra que cada da, la movilidad es cada da ms importante en nuestras labores cotidianas. IDC confirma que dentro de los prximos 4 aos los usuarios visitaran mas el internet con equipos mviles que con computadoras.

Hoy en da se han desarrollado sistemas para tabletas y smartphones que se comunican va Wi-Fi con capacidad de crear reportes de termografa completos, con comentarios y anlisis que pueden ser enviados al instante.

En muchas casos se esta ante una anomala severa y el enviar un informe a los tomadores de decisin para intervenir el sistema en falla a tiempo, evita no solo daos catastrficos sino el salvar vidas humanas.

III. AVANCES TECNOLGICOS EN EQUIPOS DE MONITOREO

PARA MAQUINARIA ROTATORIA

A. Anlisis por Vibraciones Mecnicas El avance en los equipos para el monitoreo de vibraciones

ha dado un salto importante; desde sus inicios con equipos analgicos como osciloscopios de tubos rayos catdicos a los modernos analizadores y colectores de datos porttiles con Transformada Rpida de Fourier (FFT).

1) Sistemas con cuatro canales con sensores triaxiales e

inalmbricos Durante el anlisis de vibraciones el acertado diagnstico

de las fallas mecnicas en la maquinaria rotativa no solo depende de la habilidad del analista sino que tambin depende de la calidad de los datos recolectados durante el barrido de la ruta. Hoy en da se emplean sensores triaxiales durante la ruta de anlisis de vibraciones en la planta.

Como su nombre lo sugiere un sensor triaxial es un sensor que incorpora tres sensores mono axiales en una misma pieza. Los acelermetros del sensor son orientados de modo que cada uno de ellos coincida con la direccin de los ejes de la maquina: axial, vertical y horizontal. Cada acelermetro

genera una seal elctrica que es proporcional a la seal de vibracin emitida por la maquina.

Dentro de cada acelermetro hay un cristal piezoelctrico

con una masa unida a l. Cuando el cristal piezoelctrico es presionado este genera un impulso elctrico. Un amplificador dentro del acelermetro convierte la pequea seal elctrica en una fuerte seal de tensin que es alimentada al colector de datos.

De la configuracin de este sensor se desprenden claras ventajas sobre la recoleccin tradicional de datos mediante sensores mono axiales:

Una nica localizacin de medicin para tomar las tres direcciones de medicin: Estas son capturadas simultneamente desde una nica localizacin definida a conveniencia, esta caracterstica es muy ventajosa en aquellas maquinas que por su instalacin cuentan con posiciones de difcil acceso.

Medicin simultanea en las tres direcciones: La captura simultnea de los tres espectros en cada direccin permiten al analista hacer comparaciones vlidas entre espectros, en iguales condiciones.

Reduce a un 60% el tiempo tradicional de medicin: Con los sensores tradicionales cada direccin es medida independientemente, contrario al caso del sensor triaxial que captura simultneamente las tres direcciones, esta caracterstica permite un ahorro de tiempo de 60% por cada mquina, permitindole al inspector abarcar mayor cantidad de equipos durante la ruta.

Fiabilidad de la informacin: Durante la medicin el sensor triaxial es atornillado temporalmente al motor mediante una base metlica de bronce o acero inoxidable previamente adherida a l, esta caracterstica permite garantizar que los datos son

Figura 12: Acelermetro Triaxial. Cortesa Wilcoxon Research-

MEGGITT

Figura 11: Aplicacin para Tabletas y Smartphones iOS y Android -

FLIR Tools Mobile. Cortesa de FLIR

precisos evitando la atenuacin de las altas frecuencias de la seal adems se garantiza la repetitividad en mediciones subsecuentes al medir exactamente sobre el mismo punto ya que la base permanece fija en el motor.

Hoy en da se han desarrollado sistemas inalmbricos para

asistir al especialista, entre sus ventajas se tiene: Es ms seguro para el analista, porque la adquisicin

de datos es inalmbrica. permite alejarse de mquinas peligrosas mientras se toman los datos.

Algunos modelos tienen comandos por voz lo que permite usar las manos para otras cosas.

2) Software con Diagnstico Automatizado

El preparar un buen analista de vibraciones toma al menos 3 aos y la cantidad de informacin recolectada es bastante, su tiempo de procesamiento toma tiempo.

Es por ello, que se han desarrollado herramientas de apoyo al analista, no solo con reglas de decisin sino con mtodos sofisticados y algoritmos que detectan y diagnostican las fallas en una mquina, dando informacin del diagnstico de la falla, su severidad y su prioridad para ser intervenida.

Este software disponible en el mercado tienen capacidad de detectar cerca de 650 fallas con 4500 reglas nicas y procesar cientos de espectros de vibracin en minutos.

Y logran asistir al analista, quien muchas veces solo se concentra en ver fallas de rodamientos o problemas a 1x o 2x de la velocidad de rotacin y pasa desapercibido otras fallas importantes.

B. Alineacin de Ejes

La desalineacin es sin duda una de las causas principales de problemas en maquinaria. Diversos estudios han demostrado que un 50% de los problemas en maquinaria son causa de la desalineacin y que un 90% de las mquinas corren fuera de las tolerancias de alineacin permitidas. La verificacin de alineacin debera de ser realizada de forma peridica como si fuera otra tcnica de MBC.

Una mquina desalineada puede costar desde un 20% a un 30% de tiempo de paro no programado, adems de partes de repuesto, inventarios y consumo de energa.

El corregir un problema de alineacin identificado puede

ser en extremo frustrante, si se tiene un sistema de alineacin incapaz de determinar la verdadera condicin de esta u ofrece correcciones difciles de ejecutar.

Una correcta alineacin nos dar los siguientes beneficios:

Reduccin en las vibraciones Ahorros de energa Reduccin en el desgaste de componentes asociados Mayor capacidad de produccin Mayor calidad de producto

Los sistemas mecnicos como el nivel de precisin y palpadores, no son tan exactos y con llevan a errores en la alineacin. Los mtodos con indicadores de cartula, son ms precisos pero se necesita tener ms conocimiento para usarlos y muchos tcnicos cometen el error de no compensar por el pandeo de la barra o el efecto de la gravedad sobre los indicadores. El mtodo de la figura 15 es recomendado por API (American Petroleum Institute)

Figura 15: Mtodo con Indicadores de Cartula en posicin

Reversed RIM. Cortesa Fixturlaser

Figura 14: Flujo de un Sistema de Diagnstico Automatizado.

Cortesa AzimaDLI

Figura 13: TRIO - Analizador de Vibraciones de 4 canales con WiFi

y Bluetooth. Cortesa AzimaDLI

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1) Sistemas Laser

Existen en el mercado varias tecnologas lser que facilitan esta labor y no requieren de personal muy capacitado pues estas realizan todos los clculos.

La tecnologa ms reciente en detectores se centra en el uso de CCD (Charged Couple Devices) en lugar de detectores PSD (Position Sensitive Devices). Los CCD tienen las siguientes ventajas sobre los PSD:

Alta linealidad y resolucin Menor tamao y bajos costos por calibracin Capacidad de efectuar post/procesamiento de imagen:

Supresin de luz y otras ventajas.

Se tienen dos sistemas en el mercado:

Sistemas con un solo lser: Son precisos en distancias cortas y mejor con ejes acoplados. Y son afectados por variaciones angulares pequeas. Usan detectores PSD con punto laser.

Sistemas con doble lser: Usan el mtodo de Reversed RIM recomendado por API. Se consiguen tanto en PSD como con detectores CCD. En CCD los detectores son de mayor tamao y en vez de usar un punto lser se usa una lnea lser

La figura 17 muestra la comparacin entre varios equipos de alineacin de ejes, el caso 1 corresponde a un sistema PSD con doble detector, el caso 2 a un sistema PSD con haz lser puntual y el caso 3 a un sistema CCD con doble detector y haz laser de lnea. En todos los casos se muestra la mxima desviacin angular que cada sistema soporta.

Un sistema con una amplia desviacin angular permite realizar menores correcciones y hacer el trabajo de alineacin en un menor tiempo, esto debido a que el lser no se sale del detector tan fcilmente.

IV. RETOS

Hemos resumido un poco los avances tecnolgicos y los beneficios que estos aportan al usuario final. Sin embargo, es importante que se tome muy en cuenta que ningn equipo por s solo sustituye la educacin y experiencia de un tcnico.

En todos mis cursos, siempre recalco la importancia de esto y de tomar muy en cuenta al operador de la mquina, quin en muchas instancias la conoce mejor que cualquier profesional de confiabilidad.

Es muy recomendable, que cada empresa que quiera incursionar en el MBC, forme un grupo de tcnicos y que se conviertan en el equipo de confiabilidad con la educacin necesaria y con los equipos predictivos con la mejor tecnologa posible. Para ello, es recomendable que en sus inicios cuente con la gua de un profesional que conozca sobre distintas tcnicas y le asesore en seleccionar las mejores herramientas y capacite al personal que inicia en el departamento de confiabilidad.

La certificacin del personal en Termografa Infrarroja, Anlisis de Vibraciones, Alineacin de Ejes, etc., es una tarea muy importante, cuesta dinero pero rendir frutos en un corto plazo.

V. REFERENCIAS

Reportes Tcnicos: [1] Gas Detection: The Professional Guide, FLIR-ITC, 2009 [2] Gens, Frank IDC Predictions 2013: Competing on the 3rd Platform,

IDC, November 2012, International Data Corporation #238044, Volume: 1

Literatura: [3] Level III Study Guide Infrared and Thermal Testing Method, ASNT,

Kaplan, Herbert; 2001 [4] Machine & Systems Condition Monitoring Series, Coxmoor, Roderick,

Thomas;1999

VI. BIOGRAFA

Juan C. Hidalgo, naci en 1968 y se gradu de la Escuela de Ingeniera Elctrica de la Universidad de Costa Rica con un nfasis en Electrnica y Telecomunicaciones. Y obtuvo un grado de Master en Administracin de Empresas con mencin honorfica del Instituto Tecnolgico de Costa Rica. Trabaj para el Instituto Costarricense de Electricidad por 7 aos donde adquiri experiencia en las Plantas Hidroelctricas del Complejo Arenal-Corobici-Sandillal y comenz a usar la termografa con cmaras infrarrojas tipo FPA. Fund la empresa TERMOGRAM dedicada al Monitoreo de la Condicin y brinda cursos y ponencias para IEEE y otros eventos a nivel regional en monitoreo de la condicin. Es Nivel III en Termografa Infrarroja por el Infrared Training Center, Analista Categora II en Vibraciones por el Vibration Institute, Especialista en Alineacin de Ejes, etc. E-mail: juan.carlos@termogram.com

Figura 17: Sistema con doble lser, detector CCD inalmbrico, haz

lser de lnea. Cortesa Fixturlaser

Figura 16: Desviacin Angular mxima para varios sistemas, segn

tamao del detector y tipo de haz lser