¿Por qué una persona con más de 20 años de experiencia en el análisis de vibraciones recomendaría ampliar los programas de monitoreo de condición bajo su supervisión para incluir la tecnología de análisis de lubricantes? Este artículo, que no pretende ser una presentación técnica sobre el análisis de lubricantes, ofrece una visión general de las fortalezas y debilidades relativas del análisis de lubricantes y el análisis de vibraciones, y analiza la eficacia de estas herramientas al combinarse en los programas actuales de monitoreo proactivo basado en la condición.
Los programas actuales de monitoreo de condición, al menos aquellos que buscan avanzar hacia un verdadero «Mantenimiento Centrado en la Confiabilidad» (RCM, por sus siglas en inglés), deben incorporar más de una tecnología en sus herramientas de diagnóstico. Una organización ya no puede esperar alcanzar sus objetivos de confiabilidad si apuesta todo a una sola opción. Históricamente, la mayoría de los programas industriales de monitoreo de condición incluían únicamente análisis de vibraciones. La mayoría de estos programas tuvieron un éxito al menos moderado, especialmente si su personal de monitoreo de condición recibió la capacitación profesional esencial para dominar la aplicación de la tecnología de análisis de vibraciones. Muchos ingenieros y gerentes consideraron que el análisis de vibraciones por sí solo era suficiente para alcanzar sus objetivos de confiabilidad.
En su momento, el autor de este artículo se encontraba entre quienes creían que prácticamente cualquier tipo de máquina podía evaluarse eficazmente únicamente mediante el análisis de vibraciones. Se creía que si se empleaban todas las herramientas de análisis de vibraciones disponibles (es decir, FFT, forma de onda temporal, promedio de tiempo síncrono, seguimiento real de orden, análisis de fase, demodulación de amplitud, análisis de ondas de tensión, análisis de la forma de deflexión operativa, análisis modal, etc.), el análisis de vibraciones por sí solo podría abarcar la totalidad del mantenimiento basado en condiciones. Sin embargo, desde entonces, se ha hecho evidente que un enfoque integrado para el monitoreo de la condición ofrece un mayor grado de éxito.
Utilizado solo, el análisis de vibraciones detecta algunos problemas muy temprana y eventualmente revela la condición de muchas máquinas con un alto grado de éxito. La Figura 1 ilustra la aplicación del análisis de vibraciones para monitorear la progresión de aproximadamente el 80% de las fallas de los rodamientos de elementos rodantes (ref. 1). Esta figura identifica cuatro frecuencias de defectos de los rodamientos que revelan fallas en la pista interna, la pista externa, la jaula o los elementos rodantes del rodamiento. Las cuatro variables que definen las ecuaciones en la Figura 1 deben conocerse para calcular con precisión las frecuencias de defectos del rodamiento. La mayoría del software de análisis de vibraciones proporciona la información para marcas y modelos de rodamientos específicos, lo que permite al analista diferenciar entre fallas que provienen de un rodamiento frente a las que provienen de un rodamiento adyacente. Cada una de las cuatro etapas de falla por las que pasa típicamente un rodamiento de elementos rodantes se muestra en la Figura 1 .
Figura 1. Cuatro etapas de falla por las que pasa típicamente un rodamiento
Las Figuras 2 a la 5 detallan, incluyendo fotografías, las cuatro etapas de falla de un rodamiento.
Es importante destacar que, durante la etapa inicial de falla (Etapa 1), cuando solo hay un desgaste incipiente, generalmente no hay indicios en los espectros de vibración (técnicas avanzadas de análisis como la demodulación de amplitud o el análisis de ondas de tensión a menudo pueden detectar problemas en los rodamientos de la Etapa 1). Cuando un rodamiento alcanza la Etapa 1 de falla, normalmente le queda entre un 10 % y un 20 % de vida útil.
Figura 2. Etapa 1 de falla
Figura 3. Etapa 2 de falla
Cuando el desgaste progresa a la Etapa 2, aparecen más daños en el rodamiento, lo que se evidencia por la aparición de las frecuencias naturales de sus componentes en los espectros de vibración, como se muestra en la Figura 3. En la Etapa 2, un rodamiento normalmente tiene entre un 5 % y un 10 % de vida útil restante.
Figura 4. Etapa 3 de falla
En la Etapa 3, el rodamiento generalmente tiene solo entre un 1 % y un 5 % de su vida útil esperada. La Etapa 3 es el punto en el que suelen comenzar a aparecer las frecuencias de falla mencionadas anteriormente. Un rodamiento debe reemplazarse antes de que progrese a la Etapa 4 de falla, donde la vida útil restante generalmente varía de solo 1 hora al 1 %.
Figura 5. Etapa 4 de falla
La tecnología de análisis de vibraciones permite al analista experimentado detectar una amplia gama de problemas mecánicos y eléctricos en maquinaria rotatoria y sus componentes, como rodamientos y engranajes (ref. 1). Sin embargo, a pesar de los decididos esfuerzos del autor y numerosos colegas en el campo del análisis de vibraciones, ciertos tipos de máquinas, en su mayoría, aún no pueden evaluarse adecuadamente mediante utilizando únicamente el análisis de vibraciones (al menos con la profundidad deseada). Estas máquinas incluyen compresores de aire reciprocantes, motores de combustión interna, válvulas accionadas por motor lubricados con grasa, prensas, bombas hidráulicas de pistón, etc. Y, si bien el análisis de vibraciones puede evaluar eficazmente el estado de la maquinaria, la adición de un análisis de lubricantes proporciona una imagen mucho más completa. El análisis de lubricantes ha detectado eficazmente ciertos problemas en máquinas rotatorias antes de que sean evidentes con el análisis de vibraciones, en particular en cajas de engranajes multietapa, cojinetes lisos, compresores de aire de tornillo rotativo, sopladores Roots y en ciertos rodamientos de elementos rodantes que pueden estar ubicados a cierta distancia de la ubicación de montaje del acelerómetro.
Comentario del editor: Las imágenes de las etapas a continuación sirven para facilitar la comprensión de cómo el análisis de lubricantes se correlaciona con las cuatro etapas de Jim Berry de una falla de rodamiento detectada con el análisis de vibración.
Figura 6. Etapa 1
Figura 7. Etapa 2
Figura 8. Etapa 3
Figura 9. Etapa 4
A mediados de la década de 1970, la tecnología de análisis de vibraciones comenzó a incursionar en el monitoreo de condiciones con el desarrollo del analizador de espectro FFT. Más tarde, a principios de la década de 1980, cuando el análisis FFT se hizo disponible en colectores de datos portátiles y se desarrolló software de monitoreo de condiciones para gestionar los datos adquiridos por estos, se produjo una auténtica explosión. Miles de plantas, que antes no realizaban monitoreo de condiciones, comenzaron a realizar análisis de vibraciones. Si bien el enorme crecimiento y popularidad del análisis de vibraciones generó grandes beneficios al extender el monitoreo de condiciones a un sector significativo de la industria, en retrospectiva, se observa que causó un problema importante: la concentración en una sola tecnología de monitoreo de condiciones. De hecho, transcurrió casi una década antes de que este enfoque casi exclusivo en el análisis de vibraciones se viera interrumpido para permitir la implementación de una serie de otras potentes «armas de aseguramiento de la condición de la maquinaria» que permitirían a las mismas plantas finalmente comenzar a adoptar el RCM proactivo. Estas herramientas adicionales incluyen análisis de lubricantes, análisis termográfico, análisis ultrasónico, análisis de corriente del motor, análisis de ondas de tensión, entre otras.
El objetivo de este artículo es describir cómo la integración de una sola de estas herramientas (el análisis de lubricantes) con el análisis de vibraciones ha mejorado considerablemente la confiabilidad y la eficacia de los programas de monitoreo de la condición. De hecho, la tecnología de análisis de lubricantes existe desde hace muchos años. El problema residía en que numerosos equipos de monitoreo de condición desconocían el análisis de lubricantes o, si las plantas contaban con personal asignado para realizarlo, en la mayoría de los casos, este no interactuaba con los equipos de monitoreo de condición por análisis de vibraciones de la misma planta. Afortunadamente, la década de los 90 presenció un cambio significativo en esta tendencia. Al menos algunas plantas han reconocido la conveniencia de incorporar el análisis de lubricantes al monitoreo de vibraciones para mejorar sus programas de monitoreo de estado de máquinas. Asimismo, varios proveedores de análisis de vibraciones han comenzado a ampliar su oferta para incorporar productos, servicios y gestión de datos de análisis de lubricantes. Con esta oferta combinada, el analista obtiene una visión más completa del estado operativo de la maquinaria bajo su supervisión y está mejor preparado para tomar decisiones y recomendaciones más eficaces.
Un estudio exhaustivo realizado en una central nuclear a partir de 1994 demostró claramente cómo la integración del análisis de lubricantes con el análisis de vibraciones podía ampliar la profundidad y el alcance de un programa de monitoreo de condición de la planta (ref. 2 y 3). La Tabla 1, extraída de la ref. 2, ofrece una comparación significativa de las ventajas y desventajas relativas del análisis de lubricantes y el análisis de vibraciones. Además, ofrece una perspectiva de cómo los resultados de una tecnología se complementan con los de la otra. Como se describe en la Tabla 1, cuando el análisis de lubricantes y el análisis de vibraciones se integran en un programa, las debilidades de una tecnología pueden compensarse con las ventajas de la otra. Por ejemplo, si bien el análisis de lubricantes no puede detectar resonancia, el análisis de vibraciones sí lo hace con eficacia. Por el contrario, el análisis de vibraciones solo tiene un éxito desigual en la detección del desgaste de los cojinetes de deslizamiento lubricados con aceite, mientras que el análisis de lubricantes es muy eficaz tanto para detectar el desgaste como para evaluar su gravedad, lo que facilita la importante decisión de si la máquina debe continuar funcionando o no. Además, cuando ambas tecnologías identifican el mismo problema, el diagnóstico y las recomendaciones de seguimiento rara vez son inexactos. Los autores de la referencia 2 afirmaron: «Nuestra experiencia demuestra que un programa de vibración sólido y actualizado puede mejorarse integrándolo estrechamente con un programa de análisis de lubricantes eficaz. El programa combinado es más que la suma de las partes».
Tabla 1. Integración del análisis de lubricante y vibraciones para detectar problemas
Fuente: “Integración de tecnologías de análisis de lubricación y vibración”; por Bryan Johnson y Howard Maxwell; Central nuclear de Pale Verde (ref. 2).
La complementariedad entre ambas tecnologías continúa. Por ejemplo, mientras que el análisis de vibraciones puede identificar con precisión qué engranaje presenta un problema, el análisis de lubricantes puede identificar el tipo de falla. Además, el análisis de lubricantes puede detectar defectos en los rodamientos en la etapa 1, mientras que, como se mencionó anteriormente, el análisis de vibraciones no suele detectarlos hasta que la falla alcanza la etapa 2 (véanse las figuras 1 y 2).
Disponer de la información de ambas tecnologías facilita el proceso de determinar la causa raíz de un problema. De esta manera, el programa adquiere una capacidad más proactiva. De hecho, un programa de monitoreo de condición no es verdaderamente eficaz hasta que implementa un proceso de análisis de causa raíz de falla para identificar continuamente las fuentes de falla/problema, lo que permite tomar las medidas correctivas adecuadas para evitar que el problema se repita.
Construyendo el caso de la integración
Una revisión de algunos de los datos actualmente disponibles revela varios hechos importantes sobre la necesidad de integrar el análisis de lubricantes y el análisis de vibraciones:
Detección temprana de problemas en rodamientos: El análisis de lubricantes suele ser más eficaz para detectar fallas en los rodamientos. Cuando ambas tecnologías detectan fallas, el diagnóstico y la evaluación del problema rara vez son incorrectos (ref. 2).
Efecto de la integración del análisis de lubricantes y vibraciones: La integración del análisis de lubricantes y vibraciones permite la detección temprana y el análisis de tendencias de numerosos problemas a los que puede estar sujeta una máquina. «La detección de fallas es el primer paso del proceso de diagnóstico. La detección temprana de fallas reduce el tiempo de diagnóstico, evita paradas imprevistas, elimina fallas en cadena y mejora la precisión de las acciones de mantenimiento». A menudo, detener una máquina y reparar un solo componente puede evitar que este afecte negativamente a las piezas adyacentes, evitando así fallas costosos (y potencialmente catastróficos) (ref. 5).
Análisis de la causa raíz de fallas: “Tanto el análisis de lubricantes como el de vibraciones son necesarios para determinar eficazmente la causa raíz de las fallas. La confianza en las decisiones de mantenimiento y operaciones mejora sustancialmente al emplear ambos métodos” (ref. 5).
Estado del fluido lubricante: «La vida de la maquinaria reside en el lubricante». El análisis de lubricantes es necesario para evaluar la calidad de este elemento vital, independientemente del tipo de máquina (ref. 4).
Durante los últimos 18 años, en Technical Associates of Charlotte, hemos comprobado que la integración del análisis de lubricantes con el análisis de vibraciones ha mejorado significativamente la eficacia de nuestros programas. Animamos a nuestros clientes a que nos permitan incorporar el análisis de lubricantes en sus programas, especialmente en cajas de engranajes, máquinas grandes equipadas con cojinetes lisos, compresores, etc. Nuestra experiencia nos ha llevado a las siguientes conclusiones sobre el análisis de lubricantes:
- El principal indicador de problemas en los engranajes es el análisis de lubricantes. En un caso, un problema de desgaste detectado inicialmente mediante el análisis de lubricante no se detectó mediante vibración durante aproximadamente 6 meses; posteriormente, se mantuvo en ambas tecnologías durante aproximadamente 18 meses más, hasta que se decidió que era necesario tomar medidas correctivas.
- El análisis de lubricantes es eficaz en motores grandes equipados con cojinetes lisos (en particular, en motores de más de 1000 HP aproximadamente). El análisis de lubricantes ha demostrado ser una herramienta más confiable que el análisis de vibraciones para detectar el desgaste de los cojinetes de deslizamiento en muchos tipos de máquinas. Por otro lado, el análisis de vibraciones sigue siendo la herramienta preferida para detectar otros problemas en los cojinetes lisos, como el remolino y el latigazo de aceite.
- Hemos empleado análisis de lubricantes para verificar la presencia y gravedad de fallas en compresores de aire centrífugos de gran tamaño que presentan problemas con los piñones y rodamientos del impulsor. En un caso, los resultados del análisis de lubricantes convencieron a un cliente de apagar un compresor que presentaba graves problemas en los engranajes. Aunque el cliente vio los resultados de los datos de vibración, no comprendió realmente la gravedad del problema. Cuando se le mostraron los resultados del análisis del aceite lubricante del compresor, que revelaron una gran cantidad de metales de desgaste de los engranajes suspendidos en el aceite, se convenció de detener la máquina antes de que se produjera una falla costosa.
Desde que incorporamos el análisis de lubricantes a nuestro arsenal de monitoreo de condición en Technical Associates, hemos intentado implementar la siguiente política con nuestros clientes: si una caja de engranajes se considera crítica, el análisis de lubricantes debe ser obligatorio. Con el análisis de vibraciones, suele ser difícil diferenciar claramente entre el desgaste real de los engranajes y la forma (perfil) de los dientes o los problemas de orientación de los dientes (es decir, desalineación, excentricidad o juego excesivo). Además, en algunas cajas de engranajes, el análisis de lubricantes diferencia el desgaste de los engranajes del desgaste de los rodamientos dentro de la misma máquina. Una investigación realizada en la Universidad de Monash en Victoria, Australia, reveló algunos hallazgos importantes sobre el monitoreo de condición y la evaluación de engranajes (ref. 6):
En aplicaciones donde el desgaste por deslizamiento es frecuente, se puede detectar un aumento en la tasa de generación de desgaste y una disminución en la tasa de vibración. Esto se debe a un efecto de pulido, donde el desgaste por deslizamiento alisa lentamente las superficies, reduciendo la vibración hasta el punto en que se induce una falla mecánica. Mientras tanto, la superficie de la máquina se desgasta. Por el contrario, el análisis de vibraciones identifica con gran eficacia la presencia de un diente de engranaje fracturado, pero debido al gran tamaño de las partículas generadas, el análisis de partículas de desgaste resulta ineficaz. Las partículas simplemente caen al fondo del cárter y no se incorporan a la muestra hasta que se oxidan, permitiendo que los metales disueltos se filtren al aceite. El proceso puede tardar meses y aun así producir resultados muy marginales. Por lo tanto, se requieren técnicas de análisis de lubricantes y de vibraciones para monitorear y diagnosticar eficazmente el estado de la maquinaria de la planta, ya que cada técnica evalúa síntomas diferentes y complementarios.
Desarrollo de un programa integrado de monitoreo de condición
La planta puede incorporar el análisis de lubricantes a su programa de monitoreo de estado mediante la recolección de muestras de aceite y su envío a un centro externo para su análisis, el uso de instrumentos en sitio para el análisis de lubricantes o una combinación de ambos. El enfoque de laboratorio no requiere una inversión sustancial en instrumentos ni capacitación del personal. Además, proporciona un análisis sofisticado y exhaustivo del lubricante por parte de analistas/técnicos experimentados (a tiempo completo). Sin embargo, este enfoque también presenta varias desventajas. En primer lugar, existe un retraso entre la recolección de la muestra de aceite y la recepción de los resultados del análisis, lo que, en algunos casos, podría poner en riesgo una máquina crítica. Además, existe la cuestión de la «propiedad» del programa de análisis de lubricantes por parte de las personas que deben «vivir con la maquinaria». Estas personas conocen a fondo su funcionamiento y se ven directamente afectadas cuando la maquinaria no funciona correctamente. Ciertos equipos de análisis de lubricantes «en sitio» pueden proporcionar respuestas rápidas (en menos de una hora) para confirmar problemas de desgaste (ref. 4). Sin embargo, el análisis en sitio requiere cierta inversión. La gerencia debe revisar sus opciones cuidadosamente antes de proceder.
Tras seleccionar la mejor estrategia para cada tecnología, el equipo de monitoreo de condición debe organizarse para gestionar múltiples tecnologías. Durante la última década, el autor ha tenido la oportunidad de auditar numerosos programas de monitoreo de condición en todo Estados Unidos. Para ello, hemos desarrollado un instrumento de auditoría documentado que nos permite:
A. Evaluar el conocimiento y la experiencia de los miembros del equipo de monitoreo de condición
B. Evaluar la capacitación en monitoreo de condición que estos individuos han recibido (un factor muy importante)
C. Evaluar los instrumentos de monitoreo de condición y las herramientas de software que se encuentran actualmente en la planta
D. Valorar la efectividad de cada una de las tecnologías de monitoreo de condición implementadas.
Después de completar este extenso proceso de auditoría de programas, han surgido ciertos “hilos comunes” entre aquellos programas que el proceso de auditoría ha considerado más exitosos:
- Todo el equipo de monitoreo de condición que ejecuta todas las tecnologías se ha reunido en un área común, lo que permite una gran transferencia de información y mejora la precisión/confiabilidad de las llamadas de diagnóstico, así como el análisis de causa raíz.
- Todo el personal de monitoreo de condición reporta a un solo gerente de programa de planta, quien a su vez reporta directamente a la gerencia de planta (lo que le otorga control sobre la gestión de mantenimiento y producción de la planta).
- Todo el personal de monitoreo de condiciones recibe capacitación cruzada en al menos otra tecnología de monitoreo de condiciones, lo que les brinda mayor confianza y comprensión de la otra tecnología.
- Todo el personal de monitoreo de condición trabaja a tiempo completo en su campo (ocasionalmente pueden ayudar a realizar ciertas acciones correctivas, pero no se espera que lo hagan de manera regular).
- Todo el personal de monitoreo de condición recibe capacitación formal en sus áreas de especialización al menos una semana al año para mantenerse al día y ampliar sus conocimientos, lo cual beneficia inmediatamente a la planta. Las auditorías realizadas a lo largo de los años han demostrado que existe una correlación directa entre la eficacia del programa y la cantidad y calidad de la capacitación continua que reciben los miembros del equipo de monitoreo de condición.
Conclusiones
¿Es el análisis de vibraciones una herramienta eficaz para el monitoreo de condición? ¡Créalo!
¿Es el análisis de lubricantes una herramienta eficaz para el monitoreo de condiciones? Efectivamente.
¿Una tecnología llena los vacíos que deja la otra? Sí.
En otros casos, ¿mejora la confianza y la credibilidad del analista si ambas herramientas diagnostican problemas en una máquina crítica? Por supuesto.
Solo queda una pregunta más: si hasta la fecha solo ha utilizado una de estas potentes herramientas en su programa, ¿por qué no mejorar significativamente su eficacia añadiendo su «primo complementario»? Usted y la gerencia de su planta se alegrarán de haberlo hecho.
Referencia:
- Berry, JE (1997) “Seguimiento de etapas de falla de cojinetes de elementos rodantes utilizando técnicas espectrales de vibración, envolvente y demodulación de alta frecuencia”; Análisis II – Análisis de firma de vibración concentrada y técnicas de monitoreo de condición relacionadas (2.ª edición), Technical Associates of Charlotte, PC: Charlotte, NC.
- Johnson, B y H. Maxwell “Integración de tecnologías de análisis de lubricación y vibraciones”; Central nuclear Palo Verde.
- Maxwell, H. y B Johnson (1997) “Análisis de vibraciones y aceite lubricante en un programa integrado de mantenimiento predictivo”, Actas del Vibration Institute; 17-19 de junio de 1997.
- Garvey, R. (1994) “Historias de casos y ahorro de costos: uso del análisis de lubricantes en el taller para aplicaciones en plantas industriales”, Documento de aplicación, Computational Systems, Inc.: Knoxville, TN.
- Troyer (1998) “Integración efectiva del análisis de vibraciones y el análisis de lubricantes”; Revista Maintenance Technology, noviembre, páginas 17-21.
- Mathew, J. y J. Stecki (1986) “Comparación de técnicas ferrográficas de vibración y lectura directa en aplicación a engranajes de alta velocidad que operan en condiciones de carga constante y variable”; Actas de la 41.ª Reunión Anual de la Sociedad de Tribólogos e Ingenieros de Lubricación, Toronto, Ontario, Canadá, 12-15 de mayo, páginas 646-653.
- Bern, A. (1997) “Integración del análisis de lubricantes con Entek para Windows”; Actas de Enteract ’97; 28-30 de abril, Cincinnati, OH, EE. UU.
Nota:
Las figuras 1 a la 5 son extractos del «Cuadro de diagnóstico de vibraciones ilustrado» de Technical Associates. Para obtener el cuadro completo de 5 páginas, comuníquese con Technical Associates al 704-333-9011 o consulte la información sobre el cuadro de diagnóstico en el sitio web de Technical Associates: www.technicalassociates.net .
James E. Berry, Technical Associates de Charlotte. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América