Comprensione della crescita termica e del suo impatto sull'allineamento dell'albero

Il team di manutenzione ha fatto tutto correttamente: ha spento il motore, ha preso misure precise di allineamento dell'albero e ha fatto le regolazioni necessarie. A temperatura ambiente, i numeri erano perfetti. Ma poche ore dopo l'avvio, qualcosa non andava.

Le vibrazioni della macchina erano più elevate del previsto. I cuscinetti si surriscaldavano più del solito. I giunti mostravano segni di usura prematura. Nel giro di poche settimane, il team esegue nuovamente la risoluzione dei problemi, chiedendosi cosa si fosse perso. La maggior parte dei tecnici dà per scontato che se una macchina è allineata a riposo, rimarrà tale. Ma una volta che il sistema è in funzione, il calore cambia tutto.

L'espansione termica è la forza silenziosa che modifica l'allineamento dell'albero quando le temperature aumentano. Quando le apparecchiature rotanti si riscaldano, i componenti metallici si espandono, a volte di appena millesimi di pollice, a volte di millimetri. Gli ambienti ad alta temperatura, come le centrali elettriche e le raffinerie, sono particolarmente vulnerabili a questo cambiamento dinamico termico.

Lo spostamento invisibile: come il calore cambia l'allineamento

Sebbene la maggior parte dei team comprenda che il calore causa l'espansione, non si rende conto di quanto possa essere imprevedibile. Riscaldamento non uniforme, proprietà variabili dei materiali e pesi di carico diversi significano che la crescita termica non avviene sempre come ci si aspetterebbe. E poiché l'espansione termica avviene in tutte le direzioni, i cambiamenti di allineamento non sono sempre lineari o uniformi. Una parte della macchina potrebbe riscaldarsi più velocemente di un'altra, oppure un materiale potrebbe espandersi di più della sua controparte vicina.

Pertanto, un allineamento che sembra perfetto in officina sembra improvvisamente trasformarsi in un disallineamento sul campo. Questo può portare a:

• Vibrazioni eccessive
• Aumento del consumo di energia
• Guasto prematuro dei cuscinetti e delle guarnizioni
• Tempi di inattività non pianificati

E altre ancora…  disallineamento dell'albero Non è l'unica preoccupazione. Se una macchina si surriscalda più del previsto, potrebbe essere il segnale di usura dei cuscinetti, inefficienze elettriche o altri problemi di fondo. Anche con una lubrificazione adeguata, l'attrito genera comunque calore. Motori e componenti elettrici aumentano il carico man mano che aumenta la resistenza nei loro circuiti. 

Se non si interviene, quello che inizialmente è un problema di allineamento dovuto all'espansione termica può trasformarsi in un problema di affidabilità molto più grande, con costi di migliaia di euro in tempi di fermo, riparazioni e perdite di produzione.

Crescita termica in diversi tipi di asset

L'espansione termica può avere un impatto significativo sull'allineamento dell'albero della turbina, in particolare nelle grandi turbine industriali a vapore o a gas.

Poiché le diverse parti di una macchina si riscaldano a velocità e intensità diverse, possono espandersi in modo non uniforme. Quando una turbina si riscalda, l'albero e la carcassa si espandono, il che può spostare l'asse del rotore verticalmente e/o orizzontalmente. Questa variazione disallinea l'albero rispetto all'apparecchiatura azionata (ad esempio, generatore, compressore), causando potenzialmente sollecitazioni del giunto, vibrazioni o persino danni ai cuscinetti.

Ma l'espansione termica influisce su un'ampia gamma di attrezzatura rotante, non solo le turbine, e ogni tipo di risorsa reagisce al calore in modo diverso.

Pompe, in particolare le pompe verticali, subiscono un'espansione assiale e radiale che può spostare significativamente la posizione dell'albero. La loro elevata lunghezza dell'albero e l'orientamento verticale le rendono particolarmente vulnerabili al disallineamento da una pressione termica dal basso verso l'alto.dienti.

Motori elettrici Il calore si distribuisce in modo non uniforme a seconda della ventilazione, delle superfici di montaggio e delle condizioni di carico. Il disallineamento dovuto all'espansione termica si manifesta spesso con picchi di vibrazione durante l'avvio o dopo lunghi periodi di funzionamento.

Compressori Operano ad alte pressioni e carichi variabili. Questo li rende soggetti a riscaldamento asimmetrico, soprattutto se i sistemi adiacenti (ad esempio, tubazioni o refrigeratori) applicano sollecitazioni non uniformi. Gli assi centrali degli alberi possono spostarsi in modo imprevisto con l'aumento della temperatura.

Riduttori Possono verificarsi dilatazioni termiche sia negli alloggiamenti che negli alberi, con conseguente disallineamento interno. Anche la temperatura del lubrificante gioca un ruolo importante: con il riscaldamento dell'olio, le variazioni di viscosità accelerano l'usura dei componenti interni in caso di disallineamento.

La comprensione dei modelli di riscaldamento specifici di ogni tipo di macchina aiuta a determinare con maggiore precisione gli obiettivi di allineamento termico e supporta il rilevamento precoce di guasti correlati al disallineamento. 

Come gli ingegneri spiegano la crescita termica

Gli ingegneri progettisti e manutentori utilizzano da tempo concetti come "allineamento a freddo" e "allineamento a caldo" per gestire le variazioni termiche. Ma la chiave sta nel sapere quando e come applicarli.

Allineamento a freddo prevede lo sfalsamento intenzionale dei componenti durante lo spegnimento, in modo che si allineino una volta che la macchina raggiunge la temperatura di esercizio. Questa strategia si basa sulla previsione accurata di quanto crescerà ciascun componente.

Allineamento a caldo, al contrario, prevede la misurazione delle macchine mentre sono calde, sia durante il funzionamento che dopo un arresto controllato. Questo è utile quando si desidera conoscere la "vera" posizione di funzionamento di un componente.

Molti produttori di apparecchiature originali (OEM) ora forniscono valori di riferimento termici o offset per facilitare l'installazione. Questi valori aiutano i tecnici a capire quanto spessorare o spostare i componenti durante l'allineamento iniziale per tenere conto della crescita.

Perché i metodi tradizionali hanno difficoltà con la crescita termica

Gli strumenti di allineamento manuale, come spessimetri e indicatori a quadrante, funzionano bene in condizioni statiche, ma l'espansione termica introduce variabili dinamiche che questi strumenti semplicemente non riescono a monitorare.

L'espansione termica è raramente uniforme. Ad esempio, i motori raffreddati tramite ventola possono raffreddarsi in modo non uniforme lungo tutto il loro alloggiamento, causando un movimento asimmetrico dell'albero. Gli indicatori a quadrante non riescono a rilevare facilmente queste variazioni, soprattutto quando si verificano gradualmente durante il riscaldamento.

Il disallineamento dell'albero dovuto all'espansione termica può sembrare minimo allo spegnimento, ma una volta riscaldato, la crescita verticale o lo scostamento angolare diventano evidenti. I metodi tradizionali non tengono conto della direzionalità o della velocità di variazione termica e, quando qualcuno si accorge dell'errore, il danno potrebbe essere già avvenuto.

Gli strumenti laser digitali colmano questa lacuna monitorando il movimento termico in tempo reale, eliminando le congetture e garantendo che le correzioni siano basate sul reale comportamento della macchina, non su supposizioni.

Il calcolo che cambia tutto

Quindi, come ci si prepara al disallineamento della crescita termica, data la sua imprevedibilità e variabilità da una macchina all'altra? 

Si inizia capendo esattamente quanto movimento avviene e dove. Ciò significa misurare quanta dilatazione termica ci si può aspettare per ogni macchina.

Per prevedere la dilatazione termica, sono necessari tre numeri:
  
 1. Variazione della temperatura (T) – Differenza tra temperatura ambiente e temperatura di esercizio
 2. Lunghezza dell'albero (L) – Distanza dalla base della macchina all’asse centrale dell’albero
 3. Coefficiente del materiale (C) – La velocità con cui il metallo si espande per grado di variazione di temperatura

Crescita termica = T x L x C

Ad esempio, se un file albero in acciaio inossidabile inizia a 70 gradi Fahrenheit, si riscalda fino a gradi 130, ed è 10 centimetri di lunghezza, crescerà: 60 × 10 × 0.0000074 = 0.00444 pollici.

Sono poco meno di cinque millesimi di pollice: poco, ma sufficiente a disallineare i macchinari rotanti.

Come anticipare la crescita termica

Il primo passo è sapere di quanto si espanderà una macchina; il successivo è compensarla effettivamente.

Ecco la buona notizia: la dilatazione termica non deve essere un gioco di indovinelli. Pianificandola durante l'allineamento, è possibile garantire che gli alberi rimangano allineati secondo le specifiche quando è più necessario. Invece di riallineare dopo l'avvenuta dilatazione termica, è possibile prevedere il movimento inserendo in anticipo gli obiettivi di dilatazione termica nel RotAlign Touch, regolatevi di conseguenza e fate tutto bene fin dal primo tentativo. Ecco come:

Identificare i rischi di espansione termica 

Esaminate i dati di temperatura passati delle vostre apparecchiature e misurate le temperature operative effettive invece di basarvi su stime. Le specifiche del produttore offrono un utile punto di partenza, ma confermarle con dati reali garantisce maggiore accuratezza e affidabilità.

Lascia che il calcolatore di crescita termica ROTALIGN Touch faccia il lavoro

Con RotAlign Touch, la regolazione in base alla crescita termica è semplice.

Basta inserire tre valori:

• Temperatura di partenza (a macchina spenta)
• Temperatura di esercizio (a pieno carico)
• Distanza dalla base della macchina alla linea centrale dell'albero

Il sistema calcola automaticamente l'esatta compensazione della crescita termica necessaria, senza dover fare calcoli matematici complessi.

Visualizza i cambiamenti in tempo reale

RotAlign TouchLa funzione Live Trend tiene traccia del movimento degli alberi mentre la macchina si riscalda dinamicamente, consentendo di vedere se l'aumento termico avviene in modo uniforme o se il disallineamento si sviluppa in una direzione più che nell'altra. 

Il sistema utilizza sensori laser ad alta precisione per monitorare le variazioni di posizione durante il passaggio della macchina dall'avvio a freddo al pieno funzionamento. Una volta che la macchina si accende e inizia a riscaldarsi, il dispositivo registra ogni variazione di posizione, monitorando l'aumento termico sia verticale che orizzontale con l'aumentare della temperatura. Quando la macchina raggiunge la temperatura di esercizio completa, il sistema rileva lo stato di allineamento finale. I tecnici possono utilizzare questi dati per impostare obiettivi di allineamento precisi, garantendo che, una volta verificatasi l'espansione termica, gli alberi siano posizionati esattamente dove dovrebbero essere. Pertanto, allineando in base al comportamento effettivo della macchina, si elimina la necessità di correggere il disallineamento dopo l'avvio per tentativi ed errori.

Live Trend monitora anche la deformazione delle tubazioni e il movimento delle macchine correlato al processo durante le fasi di avviamento e di arresto, offrendo un quadro completo di come le forze agiscono sulle apparecchiature durante il loro ciclo operativo. E poiché l'allineamento è solo una parte dell'equazione, Live Trend monitora anche le vibrazioni delle macchine, aiutando a individuare precocemente i segnali di squilibrio, sollecitazioni eccessive o guasti in via di sviluppo prima che si aggravino.

Allinea una volta, esegui senza problemi

Con RotAlign Touch, la contabilizzazione della crescita termica è rapida, precisa e senza sforzo, così puoi allinearti con sicurezza e mantenere le tue macchine funzionanti al massimo dell'efficienza.

Un produttore globale di turbine lo ha scoperto in prima persona. Le macchine dell'azienda erano perfettamente allineate al momento dello spegnimento, ma dopo l'avvio tutto è cambiato. Le alte velocità e le temperature estreme hanno causato spostamenti imprevisti degli alberi, creando problemi di vibrazioni che i metodi di allineamento tradizionali non riuscivano a rilevare.

utilizzando RotAlign TouchIl produttore ha monitorato la posizione dell'albero durante il riscaldamento e il funzionamento a pieno regime. I dati hanno rivelato che le sue macchine non rimanevano allineate e cosa doveva essere modificato.

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Vi state allineando per il futuro?

Non imposteresti l'orologio all'ora sbagliata e ti aspetteresti di essere puntuale. Allora perché allineare una macchina a temperatura ambiente e aspettarti che rimanga tale anche quando si surriscalda?

Con RotAlign Touch, è possibile tenere conto dell'espansione termica prima che comprometta l'allineamento della macchina. Nel mondo reale, le macchine non si limitano a funzionare: si muovono, si espandono e si assestano dinamicamente. E se l'allineamento non tiene conto di questo, si sarà sempre un passo indietro.

Con RotAlign Touch, puoi allineare il modo in cui la tua macchina corre, non come riposa.

Prüftechnik offre anche servizi di allineamento laser che sfruttano strumenti all'avanguardia come RotAlign e OptAlign per misurare e allineare in modo professionale i vostri asset. I nostri esperti possono occuparsi del lavoro per voi, garantendo un allineamento corretto fin dal primo tentativo.

Crescita termica come parte della manutenzione predittiva

Il monitoraggio dell'espansione termica è un parametro utile per il programma di manutenzione predittiva. Le variazioni di allineamento indotte dal calore si manifestano attraverso:

• Modelli di vibrazione: Se i livelli di vibrazione cambiano con il carico o la temperatura, spesso ciò indica un disallineamento termico.
• Termografia a infrarossi: I punti caldi sui cuscinetti o sugli alloggiamenti possono indicare alberi in espansione, punti di attrito o disallineamento.

Monitoraggio delle condizioni online sistemi come VibGuard è possibile tracciare sottili firme di vibrazione dovute alla crescita termica tramite sensori e avvisare i team di manutenzione prima che si verifichino guasti. E per un quadro più ampio dello stato di salute delle risorse, è possibile monitorare i dati provenienti da sensori e strumenti portatili con una piattaforma centralizzata come Centro OmniTrendCollegando i trend di temperatura, vibrazione e allineamento, puoi creare un approccio proattivo alla gestione degli effetti termici sull'intera flotta di risorse.

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