3$3(5,.21(7(/2-(1g/-<92,'(/78-(1 9,(5,17b/$$.(5,(1.811219$/9217$ Risto Parikka VTT Tuotteet ja tuotanto Jyrki Tervo VTT Tuotteet ja tuotanto Kari Räty Fortum Oil and Gas Oy $/.86$1$7 7(+27(/$352-(.7,.2+7((76(.b0,77$86-$$1$/<<6,0(1(7(/0b7.2+'(Ã,087(/$... 4.2+7((7Ã-$Ã.8,9$866</,17(5,... 4.2+'(Ã.$5721.,.21((1Ã+829$1-2+727(/$... 5 g/-<-(1ã587,,1,-$ã-$7.2$1$/<<6,7ã6(.bã.b<7(7<7ã5$-$$5927... 5 9b5b+7(/<$1$/<<6,7... 6 +$9$,11277(2//,6886.2+7(,'(16(85$11$67$.,(57292,7(/8-b5-(67(/0b7... 7 /b03g7,/$7... 7 9b5b+7(/<0,77$8.6(7... 8 $.867,1(1Ã(0,66,2... 9.b<11,67<67,/$17((1Ã0,77$8.6(7Ã.8,9$8626$//$... 9 /$%25$725,27(67(,//b7(+7<-b+$9$,172-$ g/-<1ã9b5,1ã088726... 10 9('(1Ã/$$78... 11 /$$.(5,(1Ã5$6,786.2.((7...12 /$$.(5,1Ã.b<17,9b/<.6(1Ã-$Ã92,7(/87,/$17((1Ã',$*1267,62,17,... 13 </(,6(7-2+723bb7g.6(7 <+7((19(72 /b+7((7 1
$ONXVDQDW Tämä Kunnossapito-lehden erikoisliite on laadittu Tekesin ja teollisuusyritysten rahoittamassa tutkimusprojektissa 3DSHULNRQHWHORMHQ OM\YRLGHOWXMHQ YLHULQWlODDNHULHQ NXVWDQQXVRSWLPRLWX MD WHKRNDV NXQQRQYDOYRQWa (Tehotela). Tämä kunnossapitokoulu on samalla projektin julkinen loppuraportti. Tutkimustyön koordinoinnista projektissa vastasi VTT Tuotteet ja tuotanto. Tehotela-projektiin osallistuneet yritykset olivat Fortum Oil and Gas Oy, M-real Oyj, Metso Paper Oy, UPM-Kymmene Oyj ja FAG Sales Europe - Finland. Kirjoittajat kiittävät projektiin osallistuneita tahoja työtä kohtaan osoitetusta mielenkiinnosta sekä projektille annetusta taloudellisesta ja teknisestä tuesta. 7HKRWHODSURMHNWL Tehotela-projekti, koko nimeltään 3DSHULNRQHWHORMHQ OM\YRLGHOWXMHQ YLHULQWlODDNHULHQ NXVWDQQXV RSWLPRLWX MD WHKRNDV NXQQRQYDOYRQWD, oli laaja teollisuus- ja laboratoriomittauksiin ja erilaisiin selvityksiin perustuva hanke, jonka tavoitteena oli kohottaa paperikoneen käyttövarmuutta parantamalla kykyä ennustaa laakerien elinikää ja siten vähentää riskiä ennakoimattomien laakerivaurioiden kehittymiseen ja niistä aiheutuviin tuotantokatkoksiin. Eri kunnonvalvontamenetelmien tehokkaalla yhdistämisellä voidaan laakerien vikaantuminen havaita nykyistä varhaisemmassa vaiheessa tai vikaantumiseen johtavat olosuhteet voidaan välttää jo ennakolta. Tavoitteeseen pyrittiin yhdistämällä voiteluöljyjen on-line- ja off-line -analyysimenetelmiin ja laakerien värähtelymittauksiin perustuva kunnonvalvonta. Vertailemalla eri valvontamenetelmien antamaa informaatiota toisiinsa ja yhdistämällä saatu tieto vauriomekanismien tuntemukseen, pyrittiin muodostamaan jo käytössä olevista menetelmistä tehokas ja yhteensopiva mittaus- ja valvontatapa. Tehotela-projekti alkoi 1.2.1999 ja päättyi 31.5.2002. Projektin eri vaiheet on esitetty kuvassa 1. Tehotela-projektin kuluessa suoritettuja tutkimuksia on raportoitu erillisinä työraportteina sekä julkisina ja luottamuksellisina tutkimusraportteina. Tehtyjä erillisiä raportteja on käytetty lähteinä tässä esityksessä ja niissä esitettyjä tuloksia ja johtopäätöksiä on lainattu soveltuvin osin. 2
Ã.$572,786 7(25,$5$3257,7 0$5..,1$.$572,78.6(7.2+7(,'(1.$572,78.6(7 Ã3(586787.,086 7(2//,6886 0,77$8.6(7 /$%25$725,2 0,77$8.6(7 9$85,2 6(/9,7<.6(7 /$6.(17$ Ã/233878/26 ',$*1267,,..$ 2+-(,6786 Ã9$,.8786 3$3(5,.21(7(/2-(1Ã9,(5,17b/$$.(5(,'(1Ã3$5$178187Ã(/,1,b1Ã-$ +b,5,g,'(1ã+$//,17$.xyd7hkrwhodsurmhnwlqudnhqqh.rkwhhwvhnlplwwdxvmddqdo\\vlphqhwhoplw Useimmilla tehtailla on mahdollisuus seurata laakerien kuntoa erilaisten kiinteiden ja siirrettävien mittausjärjestelyiden avulla. Vierintälaakereiden värähtelymittaukset ovat paperikoneen kunnonvalvonnassa nykypäivää, sillä laakerin rikkoutuessa tuotannon menetykset pitkällä aikavälillä ylittävät kunnonvalvonnan kustannukset. Värähtelymittauksista tehdyt signaalianalyysit havaitsevat alkavan laakerivaurion. Pyrittäessä paperikoneen mahdollisimman pieneen seisokkiaikaan, laakerivaurion yhä aikaisempi havaitseminen muodostuu tärkeäksi. Tällä hetkellä joudutaan lähinnä turvautumaan mittaajan kokemusperäiseen tietoon. Erityisesti paperiradan häiriöt ja joidenkin telojen hitaat pyörimisnopeudet vaikeuttavat laakerin värähtelyyn perustuvaa kunnonvalvontaa. Muita merkittäviä kunnonvalvonnan menetelmiä ovat voiteluaineanalyysit. Voiteluaineanalyysien avulla seurataan öljyjen epäpuhtauksien määrää ja laatua sekä kemiallisia muutoksia. Tyypilliset voiteluainemäärät paperikoneen märänpään ja kuivanpään kiertovoitelussa ovat kymmeniä tuhansia litroja. Epäpuhtauksia ovat erilaiset kemikaalit, vesi, metallihiukkaset, paperikuidut sekä paperin täyte- ja päällystysaineet, ja esimerkiksi öljyssä olevan veden laatuun on alettu kiinnittää huomiota vasta viime aikoina. Huolimatta lukuisista käytössä olevista menetelmistä on kunnonvalvonnassa yhä heikkouksia. Merkittävimmät pulmat liittyvät mittausten jatkuvuuteen, reaaliaikaisuuteen, näytteenottoon ja kriittisten komponenttien valintaan. Mittausten välinen intervalli on suhteellisen pitkä ja mittaustuloksia on vaikea analysoida reaaliaikaisesti. Koska kaikkia laakereita ei kustannussyistä johtuen voida seurata jatkuvasti, on kriittisten komponenttien ja tarkempaan analysointiin johtavien tunnuslukujen löytäminen erityisen tärkeää. Tehotela-projektiin kuuluvan teollisuuskohteiden seurannan tarkoituksena oli monitoroida useiden paperikonetelojen laakereiden kuntoa kuukausien mittaisena seurantajaksona sekä analysoida kerätty tieto. Kohteiden valinnan perusteena oli tulosten hyödynnettävyys projektissa, eli pyrittiin 3
löytämään kohteita, joissa kulumista ja mahdollista vaurioita voi esiintyä ja joiden käyttöhistoria tunnettiin. Tärkeänä osana seurannassa oli kiertovoiteluöljyssä tapahtuvien muutosten seuranta. Tulosten analysoinnilla ja vertailulla pyrittiin päättelemään paperikoneen käyttöparametrien vaikutusta laakerin vaurioitumiseen. Päättelyn tueksi osassa kohteista laakerit lopuksi irrotettiin ja niiden vauriot analysoitiin. Kohteet sekä niissä käytetyt mittaus- ja analysointimenetelmät on esitetty taulukossa 1. 7DXOXNNR.RKWHHWVHNlQLLVVlNl\WHW\WPLWWDXVMDDQDO\\VLPHQHWHOPlW.RKGH 0LWWDXVVXXUH 0LWWDXVODLWHWDLMlUMHVWHOPl Imutela Kuivaussylinteri 1 Kuivaussylinteri 2 Huovanjohtotela Värähtely Lämpötila öljystä Öljyanalyysit Vesianalyysi Bakteeripitoisuus Värähtely Lämpötilat öljystä ja laakerin ulkorenkaasta Lämpötila laakerin sisärenkaasta Akustinen emissio Öljyanalyysit Öljyanalyysit, on line Värähtely Lämpötilat öljystä Öljyanalyysit Vesianalyysi Öljyn värin mittaus Värähtely Lämpötilat öljystä ja laakerin ulkorenkaasta Öljyanalyysit Kannettava mittalaite Käsimittauslaite Laboratorio Laboratorio Laboratorio Kiinteä järjestelmä Lämpötilaloggeri + PC Langaton mittausjärjestelmä + PC PC + AD-kortti Laboratorio On line -partikkelilaskuri Kiinteä järjestelmä Lämpötilaloggeri + PC Laboratorio Laboratorio Laboratorio, Kannettava mittalaite Kiinteä järjestelmä Laboratorio.RKGHLPXWHOD Imutelat ovat onttoja sylintereitä ja niiden vaipat ovat täynnä pieniä reikiä. Osa paperirainassa olevasta vedestä poistuu pyörivän telavaipan ja telan sisällä olevan alipaineen vaikutuksesta. Imulaatikko ("sielu"), joka toimii telan akselina, ei pyöri [1]. Imutelan laakereiden ongelmat johtuvat pääsääntöisesti korroosiosta, jonka aiheuttaa prosessista ja pesuista laakeripesiin pääsevä vesi ja kemikaalit. Kemikaalien käytön lisääntyminen ja vesikiertojen muuttuminen yhä suljetuimmiksi on lisännyt korroosiomahdollisuuksia..rkwhhwmdnxlydxvv\olqwhul Kuivaussylinterit kuuluvat paperikoneen kuivausosaan, jossa höyrystetään paperista loput poistettavasta vedestä. Kuivaussylinterit on lämmitetty höyryllä, jonka korkea lämpötila johtuu myös laakerisijoihin ja asettaa myös laakereille suuria vaatimuksia. Jotta laakerien lämpötilat voitaisiin pitää kohtuullisina, käytetään eristettyjä sylinteriakseleita, joiden sisällä höyry virtaa [1]. Siitä 4
huolimatta laakerin sisä- ja ulkorenkaan välinen lämpötilaero voi hallitsemattomissa käynnistystilanteissa nousta niin suureksi, että laakereihin muodostuu esijännitystä, joka kuormittaa vierintäpintoja ja voi pahimmillaan aiheuttaa laakerirenkaan katkeamisen. Lämpölaajeneminen aiheuttaa merkittäviä muutoksia myös sylinterin pituudessa..rkghnduwrqnlnrqhhqkxrydqmrkwrwhod Kohde 4 on edellisistä poiketen kartonkikoneen telan laakerointi. Tutkimuksen kohteena olleiden johtotelojen tehtävänä on johtaa ja ohjata huopia kartonkikoneen kuivatusosalla. Ongelmana on erityisesti korkea ympäristön lämpötila, joka johtaa telan lämpölaajenemiseen ja asettaa voitelulle korkeat vaatimukset. Laakereiden käyttölämpötila voi nousta jopa 115 o C saakka [1]. Kartonkikoneessa ratanopeudet ovat huomattavasti paperikoneen nopeuksia pienempiä, mikä korkeiden lämpötilojen ja pienten öljyvirtausten kanssa aiheuttaa voitelun riittävyydelle ongelmia. gom\mhquxwllqlmdmdwnrdqdo\\vlwvhnlnl\whw\wudmdduyrw Teollisuuskohteiden seurannassa öljynäytteistä tehtiin kiertovoitelujärjestelmän rutiinianalyysi ja analysoitiin puhtausluokka sekä ferrografia. Tarvittaessa käytettiin täydentäviä lisäanalyysejä. Saatuja tuloksia verrattiin kokemusperäisesti asetettuihin raja-arvoihin, joiden perusteella laadittiin johtopäätökset ja toimenpide-ehdotukset. Rutiinianalyysit raja-arvoineen on koottu taulukkoon 2 ja vastaavat tiedot jatkoanalyyseistä esitetään taulukossa 3. Menetelmiä on selostettu asianomaisten standardien lisäksi tarkemmin esimerkiksi lähteissä [2] ja [3]. 7DXOXNNR5XWLLQLDQDO\\VLWMDUDMDDUYRW $QDO\\VLPHQHWHOPl5DMDDUYR Viskositeetti CAV 40 ºC NM 55 ± 10 % uuden öljyn arvosta Kokonaishappoluku (TAN) ASTM D664 Maksimiylitys 0,2 mgkoh/g uuden öljyn arvosta Vesipitoisuus ASTM D1744 ja ASTM D95 Maksimi 500 ppm Kuluma- ja lisäainemetallipitoisuudet Fe maksimi 50 ppm Cu maksimi 50 ppm Pb maksimi 20 ppm Cr maksimi 15 ppm Al maksimi 10 ppm Sn maksimi 20 ppm Si maksimi 25 ppm Na maksimi 10 ppm Ca ± 25 % lisäainemetalli Mg maksimi 20 ppm Ba ± 25 % lisäainemetalli P ± 25 % lisäainemetalli Zn ± 25 % lisäainemetalli Väri, ASTM D1500 ISO 220 öljylle raja-arvo on 6 asteikolla 0 8. Jos raja-arvo ylitetään, tarkistetaan IRmenetelmällä antioksidanttien määrä. Partikkelilaskenta, NM 138 maksimi 16/13 ISO 4406 Ferrografia Ei määritetty 5
7DXOXNNR-DWNRDQDO\\VLWMDUDMDDUYRW $QDO\\VLPHQHWHOPl5DMDDUYR Veden laatu ph minimi = 3,5 sulfaatit maksimi = 100 ppm kloridit maksimi = 50 ppm IR-analyysit Röntgenanalyysit (XRF, XRD, SEM-EDS) Ei voida määrittää Ei voida määrittää 9lUlKWHO\DQDO\\VLW Värähtelyanalyysit suoritettiin aika- ja taajuustason analyyseinä, verhokäyrä- eli envelopeanalyysinä, kepstrianalyysinä sekä wavelet-analyysinä. Analyysimenetelmiä on selostettu mm. lähteissä [4-6]. Eri analysointimenetelmillä laskettiin automaattisesti kymmeniä tunnuslukuja eri taajuuskaistoilta (taulukko 4). Tavoitteena oli seurata eri parametrien herkkyyttä varsinkin laakerivaurion havaitsemisessa. Yksiselitteisiä raja-arvoja värähtelyn tunnusluvuille ei juuri voida määrittää, sillä värähtelytasot ovat erilaisia eri kohteissa ja vaihtelua on jopa samassa kohteessa eri mittausten välillä. Tilastollisina, suuntaa antavina raja-arvoina käytettiin PSK 5705:n mukaisia hälytys- ja vauriorajoja [4]: hälytysraja = 1,6 x keskiarvo + 2 x keskihajonta vaurioraja = 4 x keskiarvo + 2 x keskihajonta. 7DXOXNNR9lUlKWHO\DQDO\\VLWMDVHXUDWXWWXQQXVOXYXW $QDO\\VL Aikatason seuranta Taajuustason seuranta Verhokäyräanalyysi Kepstri Wavelet-analyysi 7XQQXVOXNX Tehollisarvo RMS Huippuarvo Peak Peak to peak Keskiarvo Vaihteluväli Mediaani Keskihajonta ja -poikkeama Neliökeskipisteiden vaihteluväli IQR Crest Factor Skewness Kurtosis Pyörimistaajuuden ja monikertojen amplitudit Vikataajuuksien ja monikertojen amplitudit Integroitu signaali (nopeus) Korkeammat derivaatat Tehollisarvo Huippuarvo Vikataajuuksien amplitudit Huippuarvo Tehollisarvo Tehollisarvo Neliökeskiarvot 6
+DYDLQQRWWHROOLVXXVNRKWHLGHQVHXUDQQDVWD.LHUWRYRLWHOXMlUMHVWHOPlW Imutelojen laakereissa korroosion syyt olivat ilmeisesti lähtöisin prosessivedestä peräisin olevista klorideista, sulfaateista, tiosulfaatista ja mahdollisesti bakteereista sekä näiden yhteisvaikutuksesta. Öljyn ajoittain korkea natriumpitoisuus antoi aiheen epäillä, että esimerkiksi tiosulfaattipitoisuus voi vaihdella huomattavasti. Säiliöiden pohjavesien säännöllinen tutkimus antaisi tarkemman kuvan korroosioon vaikuttavien tekijöiden osuudesta. Bariumsulfaatin muodostumisen edellytykset ovat myös olemassa, mihin suodatinmenekki ja havainnot tukkeutuneista suodattimista viittaavat. Korroosion kannalta Ba-sulfaatilla ei ole merkitystä. Kuivausosalla korroosion syitä ei löydy öljystä. Vaikka antioksidantin todettiin kokonaan kadonneen, öljyn TAN-arvo ei antanut aihetta epäillä, että öljyyn olisi muodostunut korroosiota aiheuttavaa määrää karboksyylihappoja. Öljyn lisäaineistuksessa on riittävä korroosiosuoja. Korroosion syitä löytyy sen sijaan öljyssä olevasta vedestä. Sulfaatti- ja kloridipitoisuudet ovat laakerikorroosion hyvin todennäköinen syy. Jatkotoimenpiteenä on perusteltua mitata 3-4 kertaa vuodessa säiliön pohjavedestä ph, sulfaatit ja kloridit. Jos ph:n raja-arvo alitetaan ja sulfaattien ja kloridien raja-arvo ylitetään, tulee veden poistomenetelmiin kiinnittää erityistä huomiota. Kuivaussylinterien kohdalla kulumismetallianalyyseillä ei voitu todeta luotettavasti merkittäviä eroja vaurioitumassa olevan laakerin ja ehjän laakerin välillä. Öljyn väriin tulee kiinnittää huomiota, kun arvioidaan öljyn hapettumista. Hapettumisenestolisäaine voi olla loppunut, vaikka TAN-arvo ei ylitä raja-arvoa. Kartonkikoneen huovanjohtotelojen öljytutkimusten perusteella voitiin todeta, että voiteluaine on ominaisuuksiltaan kunnossa, mutta voiteluaineen viskositeetti käyttölämpötilassa on liian ohut huovanjohtotelojen olosuhteisiin. Voitelukalvon paksuutta käyttölämpötilassa voidaan parantaa seuraavasti: Vierintänopeutta nostamalla. Käytännössä tämä ei ole mahdollista. Vaihtamalla öljy korkeampaan viskositeettiluokkaan. Tämä vaihtoehto vaatisi koko kiertovoitelujärjestelmän uusimisen. Järjestelmän öljytilavuus suurenisi oleellisesti. Tilavuusvirran lisäys kaksinkertaiseksi. Toimenpide edellyttää huovanjohtoteloille menevien putkien ja laakereiden paluuputkien suurentamista, jotta öljy ei ehdi lämmetä voitelukontaktissa. Myös öljysäiliöitä jouduttaisiin suurentamaan, jotta ilma ehtii poistua öljystä. Synteettisen öljyn käyttö. Tämä on varteenotettava vaihtoehto, mikä ei vaadi voitelujärjestelmän muutoksia. Jos järjestelmässä on runsaasti vuotoja, voi synteettisen öljyn käyttöä rajoittaa taloudelliset näkökohdat. /lps WLODW Imutelojen kohdalla laakerien käyttölämpötilat eivät olleet ongelmallisia ja laskennallisesti voitelukalvonpaksuus on riittävä. Ajettaessa tiivismassaista paperilaatua ja käytettäessä 80-100 kpa höyrynpainetta on tutkimuskohteena olleessa kuivaussylinterissä normaalin käyttötilanteen aikana mahdollista saavuttaa tilanne, jossa lämpötilaero laakerikehien välillä on yli 20 o C ja sisärenkaan lämpötila yli 90 o C. Kyseisen suuruinen lämpötilaero ei teoreettisen laskennan mukaan aiheuta välyksen häviämistä. Sen sijaan voitelukalvon paksuus on tällöin lähellä kriittistä. Toisessa kuivaussylinterissä (kohde 3) ei mitattu laakerirenkaiden lämpötiloja, mutta paluuöljyn lämpötilat 7
olivat suurempia. Suurin lämpötilaeroon vaikuttava tekijä on käytettävä höyryn paine, joka useissa koneissa (erityisesti kartonkikoneet) on korkeampi kuin tutkimuskohteessa. Kartonkikoneen huovanjohtoteloista mitattiin kaikista kohteista korkeimmat lämpötilat. Koska ajonopeudet ovat paperikoneita alhaisemmat, jää voitelukalvon paksuus normaalissakin ajotilanteessa liian pieneksi, mikä todettiin jo kiertovoitelujärjestelmien tarkastelun kohdalla. 9lUlKWHO\PLWWDXNVHW Huolimatta siitä, että mittaukset suoritettiin telojen hoitopuolelta, värähtelyspektrien huippuarvoina havaittiin usein käyttöpuolelta läpi kulkeutuva ryntötaajuus. Sähkövirran aiheuttama taajuuspiikki 300 Hz taajuudella havaittiin yhdessä kohteessa spektrin maksimikohtana. Joissakin kohteissa matalan taajuusalueen värähtelynopeuden tason seuranta oli vaikeaa, koska johtotelan pyörimistaajuus ja sen monikerrat dominoivat voimakkaasti spektriä alueella 0-100 Hz. Monissa kohteissa trendien seuraamista vaikeuttaa värähtelytasojen voimakas vaihtelu mittauskertojen välillä. Havaittuja laakerin värähtelytasoon vaikuttavia laakerista riippumattomia tekijöitä ovat mm. ajonopeuden ja paperilaadun vaihtelut, prosessista kulkeutuvat häiriöt ja hiilitiivisteen takertelut. Kohteen 2 (kuivaussylinteri) värähtelymittauksilla havaittiin tasojen nousua, joka ei laakerin vaihdon jälkeen poistunut, eikä vaihdetusta laakerista löydetty merkittäviä vaurioita. Vikataajuuksien monikertojen näkyminen värähtelyspektrissä voi johtua esimerkiksi toisen laakerin värähtelyn kulkeutumisesta mittauspisteeseen tai muusta prosessista kulkeutuvasta värähtelystä, jonka taajuus oli sattumalta lähellä ulkorenkaan vikataajuutta. Kohteessa 3 (kuivaussylinteri) oli havaittu ulkorenkaassa oleva vaurio verhokäyräanalyysillä (kuva 2). Vaurio ei kuitenkaan edennyt seurantajakson aikana. Laakeri todettiin vaihdon jälkeen vierintäpintojen ulkopuolelta ruosteiseksi, ja vierintäpinnoissa havaittiin korroosiosta alkunsa saaneita vaurioita. Värähtelytrendeihin laakerin vaihdolla uuteen ei kuitenkaan ollut mainittavaa vaikutusta. Kuitenkin vaurio oli havaittu, koska verhokäyräanalyysiä hyödynnettiin kohteessa oikein. Kyseisestä kohteesta saatiin tietoa värähtelymittauksilla havaittavan vaurion kokoluokasta sekä värähtelyseurannan problematiikasta tehdasolosuhteissa..xyd.xlydxvv\olqwhulqoddnhulvwdkdydlwwxnruurrvlrvwddonxqvdvddqxwydxulr9dxulrkdydlwwllq YHUKRNl\UlDQDO\\VLOOl 8
Teollisuusmittausten heikkoutena oli se, että yhdessäkään kohteessa ei päästy seuraamaan kehittyvää laakerivauriota ja vertaamaan eri analysointimenetelmien ja tunnuslukujen paremmuutta laakerivaurion havaitsemisessa ja laakerivaurion etenemisen ennustamisessa. Seurannan perusteella voidaan kuitenkin sanoa, että parhaiten värähtelyn valvontaa tehostetaan oikeiden taajuuskaistojen valinnalla ja hyödyntämisellä, johon liittyy myös verhokäyräanalyysin käytön tehostaminen. Wavelet-analyysillä pystyttiin tekemään vastaavat havainnot kuin perinteisillä menetelmillä, joten sillä voi olla käyttöä ainakin hitaiden laakereiden seurannassa. $NXVWLQHQHPLVVLR Kuivaussylinteristä (kohde 2) mitattiin normaalin ajotilanteen aikana akustista emissiota sisä- ja ulkorenkaan lämpötilojen mittausten rinnalla. Akustisen emission signaalista tarkasteltiin siitä laskettuja tunnuslukuja, kuten tehollisarvo, huippuarvo ja kurtosis. Lämpötilaerojen kohotessa korkeampaa höyryn painetta käytettäessä havaittiin myös akustisen emission tunnuslukujen tasoissa merkittävää kohoamista. Akustisen emission osalta on kuitenkin vaikeaa päätellä tason nousun ensisijaista syytä. On mahdollista, että lämpölaajenemisen vaikutus aiheuttaa jännityksiä, jotka näkyvät AE:n tason nousuna, tai voitelukalvon paksuus on jo kyseisellä lämpötila-alueella kriittinen. Mahdollista on myös, että AE:n tasoon vaikuttaa suoraan kuivaussylintereissä käytetty höyryn paine ja mahdolliset höyryventtiilin vuodot..l\qqlvw\vwlodqwhhqplwwdxnvhwnxlydxvrvdood Kuivaussylinterin laakerista suoritetuissa käynnistystilanteen mittauksissa ensisijaisena tarkastelukohteena oli laakerin sisä- ja ulkorenkaan välisen lämpötilaeron seuraaminen startin aikana. Sen rinnalla tarkasteltiin useita samanaikaisesti mitattuja suureita. Erityistä mielenkiintoa oli akustisen emission mittaamisella, sillä sen uskotaan reagoivan voitelutilanteen muutoksiin tai välyksen vaaralliseen pienentymiseen. Mitattujen suureiden sekä voiteluaine-, laakeri- ja käyttöolosuhdetietojen perusteella määritettiin laskennallisesti viskositeetti, suhteellinen voitelukalvon paksuus (λarvo) ja laakerin välysten muutos. Kuivaussylinterin laakerin sisä- ja ulkorenkaan väliset maksimilämpötilaerot olivat kolmessa eri mittauksessa 15,3 o C, 23,6 o C ja 15,8 o C. Viimeksi mainitun mittauksen trendikäyrä on esitetty kuvassa 3. Lämpölaajeneminen ja puristusjännitykset pienentävät laakerin käynninaikaista välystä, mutta tehtyjen laskelmien mukaan mitatuilla sisä- ja ulkorenkaan välisillä lämpötilaeroilla ei ollut välitöntä vaaraa välysten kiinnipuristumisesta. Huuvan aukiolon havaittiin kasvattavan lämpötilaeroa yleensä 2-3 o C. Mittausten perusteella todettiin, että käynnistystilanteissa voitelukalvon paksuus oli kriittinen ainoastaan ryömintänopeudella. Tällöin suhteellinen voitelukalvonpaksuus (λ-arvo) voi laskea alle arvon λ = 0,5, jolloin laakeripintojen välillä esiintyy varmasti metallisia kosketuksia. Vaikutus laakerin kulumiseen on todennäköisesti melko vähäinen, koska telan kierrosmäärä ryömintäajon aikana jää melko pieneksi. Akustisen emission mittauksissa havaittiin, että tehollisarvon seuranta reagoi melko voimakkaasti ajonopeuden muutoksiin eikä siten ole kaikkein käyttökelpoisin suure käynnistystilanteen mittauksiin. Sen sijaan tilastollinen suure kurtosis näytti toimivalta, sillä kurtosisarvo oli suurimmillaan kohdassa, jossa lämpötila oli matala ja kitka oletettavasti suurempi. Tällöin, varsinkin nopeuden nostovaiheessa voi esiintyä rullien liukumista. Mitatuissa käynnistystilanteissa ei kuitenkaan voitu löytää selvää korrelaatiota akustisen emission ja laakerin välyksen tai voitelukalvon paksuuden välille. 9
/lps WLODHURVLVlMDXONRNHKlQYlOLOOl 18 16 14 &@ R /lps WLOD> 12 10 8 6 4 2 0 0:00 1:12 2:24 3:36 4:48 6:00 7:12 8:24 9:36.HOORQDLND.XYD.l\QQLVW\VWLODQWHHQDLNDQDPLWDWWXMHQVLVlMDXONRUHQNDDQOlPS WLORMHQHURWXV Öljyn puhtaustasoa mitattiin on line -partikkelilaskurilla käynnistystilanteessa. Mittauksessa oli tiettyjä ongelmia: Paluuputkesta otetun öljynäytteen mukana kulkeutuu ilmaa, joka pikkuhiljaa kertyy näytteenottoletkuun. Sekä laakeripesän, putkiston, että näytteenottoletkun pohjalle sakkautuu pikkuhiljaa partikkeleita. Virtausmuutoksen, lämpötilamuutoksen, tai ulkoisten tärinöiden johdosta kertynyt ilma ja sakka ryöpsähtää liikkeelle aiheuttaen puhtaustasomuutoksen ja häiriön puhtausmittaukseen. Voimakkaimmat muutokset puhtaustasokäyrissä ajoittuivat melko tarkasti tampuurin vaihtotilanteeseen, joka aiheuttaa voimakkaan tärinän. Häiriötekijät aiheuttavat sen, että mittaustuloksia on tulkittava ja verrattava niitä muissa suureissa tapahtuviin muutoksiin. Tutkimuskohteessa ajettavilla paperilaaduilla ei käytetä kaikkein suurimpia höyryn paineita, joten kriittisempiä kohteita saattaisi löytyä muilta tehtailta, mukaan lukien kartonkitehtaat. Mittauksiin ei myöskään saatu mukaan yhtään erityisen nopeasti tehtyä starttia. Mittauksilla saatiin kuitenkin runsaasti tietoa kuivaussylinterin laakerissa käynnistyksen aikana vallitsevista olosuhteista ja eri mittausmenetelmien soveltuvuudesta ilmiöiden mittaamiseen. Käytetyllä mittausjärjestelyllä kannattaisi suorittaa mittauksia erilaisissa kohteissa kriittisten kohteiden löytämiseksi. /DERUDWRULRWHVWHLOOlWHKW\MlKDYDLQWRMD gom\qylulqpxxwrv Öljyn hapettumista on perinteisesti mitattu kokonaishappoluvun muutoksilla. On kuitenkin todettu, että vaikka kokonaishappoluvussa (TAN) ei ole tapahtunut muutoksia, voi öljy mustua ja tutkittaessa öljyä tarkemmin IR-menetelmällä on todettu, että öljyn hapettumisenestolisäaine (antioksidantti) on loppunut. Oli siis ilmeistä, että öljyn värin muutos on herkempi mittari kuin kokonaishappoluvun muutos. Fortumin laboratoriossa suoritetun tutkimuksen tuloksena todettiin, että öljyn värin muutos paperikoneöljyillä on hyvä ja herkkä mittari öljyn hapettumisen määrittelyssä. Käytännössä öljyn 10
hapettumismekanismi toimii siten, että "sijaiskärsijänä" toimiva antioksidantti hapettuu ensin, ja määrän laskiessa riittävän alas alkaa perusöljyn hapettuminen. TAN-arvo alkaa muuttua vasta sitten, kun perusöljy alkaa hapettua ja tällöin TAN-arvon muutokset ovat yleensä melko nopeita. Värin ylittäessä raja-arvon on aiheellista tarkistaa antioksidanttien määrä IR-menetelmällä, jolla voidaan määrittää myös antioksidantin laatu. Antioksidantin määrän vähetessä 75 % alkuperäisestä on näytteenottoväliä tihennettävä ja/tai valmistauduttava öljyn vaihtoon. Antioksidantin lisääminen öljyyn on mahdollista, mutta kokemukset ovat niin huonoja, että sitä tuskin kannattaa harkita. Öljyn värin muutoksia on suositeltavaa mitata on-line -mittauksena, mutta tällaista laitetta ei ole kohtuuhintaisena kaupallisesti saatavilla. Väriseurantaa on mahdollista myös tehdä käyttäen hyväksi värikarttoja, joihin öljynäytettä verrataan. Menetelmä on työläs, sillä se edellyttää öljynäytteen ottoa, mutta on kaupallisesti valmis. On muistettava, että öljyn värin muutoksiin voi olla muitakin syitä kuin hapettuminen. Yleisimpiä muita syitä ovat ulkopuolelta tulleet kontaminaatiot. Voidaan kuitenkin todeta, että kiertovoitelujärjestelmien on-line -seurantaan öljyn värimuutosten mittaus soveltuu hyvin. Öljyn värin saavutettua raja-arvon muilla menetelmillä tutkitaan laboratoriossa, onko kyseessä öljyn hapettuminen vai jokin muu syy. 9HGHQODDWX Nykyisin käytössä olevat vedenpoistolaitteet ovat tehokkaita ja niillä saadaan veden määrä kiertovoitelujärjestelmissä pysymään hyvin raja-arvon alapuolella. Paperiteollisuudessa vesikierron sulkuastetta pyritään nostamaan. Täysin suljetuksi vesikiertoa ei saada, koska esimerkiksi paperikoneen märkäpäästä poistuu vettä noin 2 m³/t. Poistunut vesi on korvattava tuorevedellä. Taulukossa 5 on australialainen näkemys veden sulkuasteen vaikutuksesta korroosionopeuteen ja nollavesien koostumukset eri vedenkäyttötasolla [7]. Nollavesi on paperiteollisuuden nimitys vedelle, josta on poistettu 1 µm suuremmat hiukkaset 7DXOXNNR9HGHVVlROHYLHQNHPLNDDOLHQYDLNXWXVNRUURRVLRQRSHXWHHQ>@ Veden kulutus m³/t ph-arvo Kloridi mg/l Cl - Sulfaatti mg/l SO 2- AVOIN OSITTAIN SULJETTU SULJETTU >30 10 30 <10 4,5 8 4,3 5 4,2 4,7 100 200 300 200 400 600 Korroosionopeus OLHYl NRKWDODLQHQ YRLPDNDV Suomen paperiteollisuuden nollavesien koostumukset Keskuslaboratorion mukaan ovat: ph 4 8 kloridit 5 100 mg/l sulfaatit 00 5000 mg/l. Joutuessaan kiertovoitelujärjestelmään edellä kuvatunlainen vesi muuttuu korroosion suhteen vaaralliseksi, jos vettä poistetaan esim. alipainetislauksella. Silloin vedessä olevat kemikaalit konsentroituvat jäännösveteen aiheuttaen suuren korroosioriskin. Suurimpia mitattuja arvoja paperikoneiden kiertovoitelujärjestelmien jäännösvesien pitoisuuksista: ph 2,3 11
kloridit noin 1000 mg/l sulfaatit noin 5000 mg/l. Happamuudeltaan sulfaatit ovat happamasta neutraaliin. Niiden korrosoiva vaikutus riippuu sulfaattien laadusta. Esimerkiksi korroosiota aiheuttavia tiosulfaatteja muodostuu natriumditioniitin hajoamisen seurauksena ja tiosulfaattipitoisuuden ollessa 10 mg/l on korroosiovaikutus suurin. Sulfaatit voivat toimia myös bakteerien ravintona. Kloridit, olivatpa ne minkä laatuisia tahansa, ovat korrosoivia. Veden ph:lle oli aiemmin kokemusperäisesti asetettu raja-arvo 3,5. Raja-arvolle saatiin Tehotelaprojektin yhteydessä tehdyssä kirjallisuusselvityksessä selkeä vahvistus (kuva 4). Sulfaattipitoisuudelle on kokemusperusteisesti annettu raja-arvo 100 mg/l ja kloridipitoisuudelle 50 mg/l. Tehotela-projektissa ei ollut mahdollisuutta tutkia ph:n, kloridien ja sulfaattien yhteisvaikutusta ja jokaisen komponentin erillisvaikutusta laakeriteräksen korroosioon. Veden laadun vaikutusta laakerikorroosioon tulee tutkia, koska laakerikorroosio tulee yleistymään vesikierron sulkuasteen tehostamisen myötä. Tehotela-projektissa toteutettiin sähkönjohtavuuskoe kahden erilaisen koostumuksen omaavalla vesinäytteellä. Tutkimuksessa todettiin, että ph:n ja kloridipitoisuuden pysyessä vakiona (3,5 ja 2,4 mg/l) suuremmalla sulfaattipitoisuudella (500 mg/l) sähkönjohtavuus on selvästi suurempi kuin liuoksella, jossa sulfaattipitoisuus oli 147,9 mg/l. Menetelmällä voi olla mahdollisuuksia öljyn on line -kunnonseurannassa, mikäli veden erottaminen öljystä voidaan toteuttaa luotettavasti. Veden laadun mittaus on line -mittauksena tulisi olla jatkokehityksen tavoitteena..xyd9hghqs+qydlnxwxvnruurrvlrdvwhhvhhq>@ /DDNHULHQUDVLWXVNRNHHW VTT:n laboratoriossa suoritettiin laakeripenkillä laakerirasitustestejä, joissa ajettiin urakuulalaakeri laakerivaurioon saakka ja seurattiin värähtelyä, akustista emissiota ja öljyn puhtaustasoa testin aikana. Koelaitteistona käytettiin vierintälaakerien tutkimuslaitetta, jolla voidaan erilaisilla kuormitus- voitelu- ja lämpötilaparametreilla suorittaa laakereiden kiihdytettyjä testejä. 12
Värähtelyn ja akustisen emission mittauksissa havaittiin, että koelaitteessa, jossa kohinaa aiheuttavat häiriötekijät on minimoitu, vaurioitumisen alkaminen on molemmilla menetelmillä selvästi havaittavissa jokseenkin yhtäaikaisesti. AE-signaaleissa voitiin kuitenkin hieman aikaisemmin havaita pieniä yksittäisiä purskeita, jotka näkyivät trendikäyrissä hienona piikkikkyytenä. Eri tunnusluvut, kuten RMS, peak ja kurtosis, reagoivat vaurioitumisen alkamiseen jokseenkin samanaikaisesti. Aikaa ensimmäisistä indikaatioista laakerin lopulliseen vaurioitumiseen kului vain joitakin tunteja, vaikka tyypillisesti koko testiajon pituus oli 3-5 vuorokautta. Öljynäytteitä testin aikana otettiin kolme kertaa ja näytteet analysoitiin laboratoriossa. Koejärjestelyssä öljy kiersi suodattamatta öljypumpun kautta öljysäiliöön. Näytteistä todettiin, että absoluuttiset hiukkasmäärät ISO 4406 mukaan noin tuhatkertaistuivat ja puhtausluokassa tapahtui dramaattinen muutos ennen kuin värähtelyn tai AE:n mittaukset indikoivat vauriosta. Tehotela-projektissa testattiin myös regressioanalyysin käyttöä laakerivaurion ennustamisessa [6]. Koelaitteen laakerirasituskokeissa havaittiin, että neljännespisteiden vaihteluväli (LQWHUTXDUWLOH UDQJHHOL,45) on erittäin robusti mittausparametri. Neljännespisteiden vaihteluväli mittaa signaalin vaihteluvälin 0-50 % ja 50-100 % arvojen mediaanille. Toisin sanoen ylimmät ja alimmat 25 % arvot eivät vaikuta vaihteluväliin. Kuvassa x on esitetty kolmannen asteen käyränsovitus 1-1000 khz taajuuskaistalta mitatun värähtelykiihtyvyyden IQR-arvolle laakerin rikkoontuessa..xyd.rhodlwwhhq ODDNHULUDVLWXVNRNHHVWD PLWDWXQ YlUlKWHO\Q SDUKDDQ SDUDPHWULQ MD NROPDQQHQ DVWHHQSRO\QRPLIXQNWLRQNl\UlW>@ /DDNHULQNl\QWLYlO\NVHQMDYRLWHOXWLODQWHHQGLDJQRVWLVRLQWL Voitelukalvon paksuuden määritykseen on olemassa erilaisia laskentamenetelmiä, joista yksinkertaisimmat eivät tarvitse lähtötiedokseen laakerin kuormitusta tai tarkkaa laakerigeometriaa. Oletuksena on silloin, että laakerin kuormitus on sallituissa rajoissa, jolloin sen vaikutus kalvonpaksuuteen on hyvin pieni. Esimerkkejä tällaisesta yksinkertaistetusta laskentamenetelmästä on esitetty esimerkiksi lähteissä [9] ja [10]. Yksinkertaistetulla menetelmällä vierintälaakerin voitelukalvon paksuus voidaan määrittää myös on-line -määrityksenä. Laskennallisesti määritettävänä tekijänä on suhteellinen voitelukalvonpaksuus eli λ-arvo, joka tarkoittaa absoluuttisen voitelukalvon paksuuden suhdetta pinnankarheuteen, ja sen arvon tulisi laakerin tyydyttävässä voitelutilanteessa olla yli yhden [10] [11]. Laskennan lähtötietoina tarvitaan ainoastaan seuraavat tiedot: 13
Mitattavat suureet: lämpötila joko laakerin ulko- tai sisäkehältä tai öljystä pyörimisnopeus Laakeritiedot: laakerin sisähalkaisija laakerin ulkohalkaisija laakerin yhdistetty pinnankarheus Voiteluainetiedot: voiteluaineen viskositeetti kahdessa lämpötilassa (esim. 40 o C:ssa ja 100 o C:ssa) tai voiteluaineen viskositeetti yhdessä lämpötilassa ja viskositeetti-indeksi Vastaavalla tavalla on line -mittauksena voidaan määrittää myös laakerin käynninaikainen välys. Tällöin edellytetään, että sekä laakerin sisä- että ulkorenkaan lämpötilat voidaan riittävällä tarkkuudella mitata. Myös laakerin sovite akseliin ja laakeripesään tulee ottaa huomioon. Kun nämä tekijät yhdistetään laskennallisesti lämpölaajenemiskertoimeen ja laakerin geometriaan, saadaan lähes lineaarinen käyntivälyksen riippuvuus laakerin ulko- ja sisärenkaan välisestä lämpötilaerosta. Ilmiön hallinta on erittäin merkityksellistä paperikoneen kuivaussylintereissä, joissa akselin läpi johdetaan kuumaa höyryä. Projektin yhteydessä rakennettiin testauslaitteisto, jossa akselia sisältäpäin kuumentamalla pystytään pienentämään hallitusti vierintälaakerin käyntivälystä. Mittauksilla pyrittiin löytämään yhteys laskennallisen välyksen muutoksen, laakerin sisä- ja ulkorenkaan välisen lämpötilaeron ja akustisen emission välille. Olettamuksena oli, että akustisen emission arvo kohoaa laakerikomponenttien metallisten kosketusten lisääntyessä. Akustisen emission mahdollisuudet vierintälaakerin kriittisten käyttötilanteiden valvontaan näyttävät tehtyjen mittausten perusteella erittäin lupaavilta. Akustisen emission signaalista määritettyjen valvontasuureiden todettiin reagoivan erittäin voimakkaasti lämpötilan nousuun silloin, kun lämmitysvastusten lämpötilaa nostettiin siten, että laakerin sisäinen lämpötilaero kasvoi noin 35 o C:een (kuva 6). Tällöin laakerin laskennallinen välys pieneni alle nollan. Myös λ-arvon havaittiin korreloivan AE:n kanssa siten, että laskennallisen λ-arvon pienentyessä alueelle 0,6-0,9 akustisen emission signaalista laskettujen valvontasuureiden taso kohosi selvästi. Herkimmäksi AEsignaalista lasketuksi valvontasuureeksi osoittautui kurtosis, joka ei dimensiottomana suureena juuri reagoi pyörimisnopeuden muutoksiin. 14
40 35 Ã> &@ R 30 25 H UR 20 WLOD S 15 10 l P / 5 0 10:48 11:02 11:16 /DDNHULNHKLHQÃYlOLQHQÃOlPS WLODHUR 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12.HOORQDLND $NXVWLQHQÃHPLVVLRÃ.XUWRVLV 25 20 15 10 5 0-5 10:48 11:02 11:16 11:31 11:45 12:00 12:14 12:28 12:43 12:57 13:12.HOORQDLND.XYD/DDNHULQVLVlLQHQOlPS WLODHURMDDNXVWLVHQHPLVVLRQNXUWRVLVDUYRQWUHQGLNl\UlPLWWDXNVHQ DLNDQD 9RLWHOXNDOYRQSDNVXXGHQPLWWDXNVHW Tutkimuksen tarkoituksena oli vertailla paperikonetelojen laakerien kiertovoitelussa käytetyn öljyn voitelukalvon muodostamisominaisuuksien muuttumista käytön aikana [12]. Lisäksi tutkittiin nopeuden, lämpötilan, paineen ja liukuman vaikutuksia voitelukalvon muodostumiseen. Voitelukalvon paksuuden mittaamiseen käytettiin Luulajan yliopistossa kehitettyä ja valmistettua Ball and disc -koelaitetta. Voitelukalvon mittaaminen suoritetaan käyttämällä optista interferometriä perustuen interferenssi-ilmiöön, jossa kahden valonsäteen yhdistyessä tietyissä olosuhteissa ne joko kasvattavat tai alentavat valon kokonaisvoimakkuutta [13]. Yleisesti ottaen havaittiin, että käytetyn ja puhtaan voiteluöljyn kalvonmuodostuskyvyssä on eroa. Puhdas öljy reagoi voimakkaammin nopeuden, paineen, lämpötilan ja liukuman muutoksiin kuin likainen öljy. Puhtaan öljyn kalvonpaksuudet olivat maksimissaan 20-30 % suurempia pienemmässä (60 o C) lämpötilassa mutta erot tasoittuivat korkeammassa (85 o C) lämpötilassa, jossa pienillä nopeuksilla saavutettiin likaisella öljyllä jopa suurempia kalvonpaksuuksia. Tutkimuksessa ei ollut mahdollista tehdä laajaa tutkimusta syiden selvittämiseksi, mutta viskositeettierojen tai öljynäytteissä olevien vieraiden aineiden vaikutus testattiin ja suljettiin pois. Vesipitoisuuden vaikutusta voitelukalvon paksuuteen tutkittiin myös. Vesipitoisuuden havaittiin vaikuttavan voitelukalvonpaksuuteen silloin, kun vertailtiin keskenään öljynäytteitä, joiden vesipitoisuus oli 50 ppm ja 1000 ppm (kuva 7). Todennäköisin syy voitelukalvon paksuuden pienentymiseen on veden paine-viskositeetti -riippuvuuden vaikutus. 15
9HVLSLWRLVXXGHQÃYDLNXWXVÃPLQLPLNDOYRQSDNVXXWHHQ 400 350 Kalvonpaksuus (nm) 300 250 200 150 100 50 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Nopeus (m/s) 50 ppm 1000 ppm.xyd 3XKWDDQ OM\Q YHVLSLWRLVXXGHQ YDLNXWXV PLQLPLNDOYRQSDNVXXWHHQ YLHULYlVVl NRVNHWXNVHVVD PLWWDXVSDUDPHWUHLOOD &MD*3DOLXNXPD <OHLVHWMRKWRSllW NVHW 1. Öljyn väri on erittäin hyvä öljyn kunnon mittari. Öljyn väri muuttuu öljyn hapettuessa TANlukua aikaisemmin hapettumisenestolisäaineiden kadotessa öljystä. Öljyn väri voi muuttua myös ulkopuolisten kontaminaatioiden johdosta, joten käytännön mittauksissa öljyn väriä kuvaavan tunnusluvun nouseminen sille asetetun raja-arvon yläpuolelle antaa käskyn jatkoanalyysin, esimerkiksi IR-analyysin, suorittamiselle. Öljyn värin mittaus sopii erinomaisesti on line - kunnonvalvontaan, mikäli kohtuuhintaisia laitteistoja saadaan markkinoille. 2. Öljyssä olevan veden laatu on uusi merkittävä seurantakohde. Joutuessaan kiertovoitelujärjestelmään kemikaalipitoinen vesi muuttuu korroosion suhteen vaaralliseksi, jos vettä poistetaan esimerkiksi alipainetislauksella. Silloin vedessä olevat kemikaalit konsentroituvat jäännösveteen aiheuttaen suuren korroosioriskin. Merkittävimpiä tekijöitä korroosion kannalta ovat ph, sulfaatit ja kloridit sekä niiden yhteisvaikutus. Vaikutusten tutkiminen olisi tärkeä jatkotutkimuksen aihe. Veden laadun mittaukseen käytönaikaisesti on mahdollista kehittää laitteistoja mutta sen todellinen tarve olisi selvitettävä. Suositeltavaa kuitenkin on mitata öljysäiliön pohjalta otetusta vesinäytteestä ph, sulfaatit ja kloridit joitakin kertoja vuodessa. 3. Laakerin vaurioituessa öljyn puhtaus heikkenee laboratoriomittauksen perusteella voimakkaasti ennen kuin laakerien värähtelytasoissa tapahtuu havaittavia muutoksia. Kuitenkin käytännön olosuhteissa tehdyissä mittauksissa havaittiin, että yksistään partikkelilaskennan perusteella ei voida luotettavasti määrittää, kuinka suuri osuus havaittavista muutoksista aiheutuu putkistoon kertyneestä ilmasta ja kuinka suuri osuus partikkeleista, ei myöskään laakeripesään, putkistoon, tai näytteenottoletkuun kertyneiden epäpuhtauksien osuutta muutoksissa. On line - partikkelilaskenta toimii parhaiten yhtenä kunnonvalvontajärjestelmän osana, jolloin muita prosessista mitattuja suureita on mahdollista tarkastella samanaikaisesti mitatun öljyn puhtaustason rinnalla. Alkavan laakerivaurion havaitsemiseen ja seurantaan menetelmä ei prosessiolosuhteissa sovellu erityisen hyvin. 4. Interferometrikoelaitteella tehdyissä kokeissa havaittiin, että puhtaan ja kiertovoitelujärjestelmässä käytetyn (vaihdetun) öljyn voitelukalvonmuodostuskyvyillä on eroa. Tietyllä 16
parametrialueella puhtaalla öljyllä saavutettiin jopa 20-30 % suurempia voitelukalvon paksuuksia, mutta nopeuden, paineen, lämpötilan ja liukuman kasvattaminen pienensi öljyjen välistä eroa. Havainnolla voi olla merkitystä laakerien toiminnalle ja kestolle ääriolosuhteissa 5. Vesipitoisuuden kasvaminen pienentää interferometrikokeiden perusteella voitelukalvon paksuutta, mutta suoritetuissa testeissä vasta 1000 ppm vesipitoisuudella vaikutus havaittiin luotettavasti. Tutkimustulos tukee käsitystä 500 ppm vesipitoisuuden sopivuudesta raja-arvoksi. Todennäköisesti syynä on veden erilainen paine-viskositeetti-käyttäytyminen. 6. Laskennallisen suhteellisen voitelukalvon paksuuden eli λ-arvon seuranta on line -mittauksena on helppo toteuttaa. Yksinkertaistetulla menetelmällä lähtötiedoksi ei tarvita laakerin kuormitusta tai tarkkaa laakerigeometriaa, ja laskentaan tarvitaan mitattavina suureina ainoastaan pyörimisnopeus ja käyttölämpötila. Seurannan avulla voidaan välttää laakerien kriittisiä voitelutilanteita. 7. Laskennallisen laakerin välyksen seuranta on line -mittauksena on toteutettavissa. Laskentaa varten tarvitaan mittaussuureina ainoastaan laakerin sisä- ja ulkorenkaan lämpötilat, joista myös ensin mainittu on nykyisellä telemetriatekniikalla toteutettavissa. Välyksen seurannan avulla voidaan välttää laakerin kannalta kriittisiä ajotilanteita. 8. Pyörivän laakerirenkaan lämpötilamittaus on melko luotettavasti toteutettavissa olemassa olevilla laitteistoilla. Laitteistojen hinnat ovat toistaiseksi melko korkeita, mutta paperikoneen kriittisimpiin kohteisiin olisi mahdollista harkita asennettavaksi laakerin sisäisen lämpötilaeron mittausta ja siihen yhdistettävää käyntivälyksen ja λ-arvon seurantaa. 9. Värähtelyseurantaa voidaan tehostaa parhaiten oikeiden taajuuskaistojen valinnalla ja hyödyntämisellä, johon liittyy myös verhokäyräanalyysin käytön tehostaminen. Rakenteen mekaniikkaan tulisi kiinnittää enemmän huomiota. Hitaissa kohteissa wavelet-analyysi voi tuoda värähtelyanalyysiin lisäarvoa. 10. Laakerivaurion ennustaminen värähtelymittauksen perusteella ensimmäisten vaurioindikaatioiden jälkeen on mahdollista ainakin häiriöttömissä laboratorio-olosuhteissa. Neljännespisteiden vaihteluväli (LQWHUTXDUWLOH UDQJH HOL,45) on silloin toimivampi parametri kuin trendiseurannassa yleisimmin käytetyt tehollis- ja huippuarvo. 11. Akustinen emissio reagoi laboratoriotestien perusteella voimakkaasti laakerin välyksen pienentymiseen ja laakerin voitelukalvon paksuuden muutoksiin. AE indikoi testitulosten mukaan laakerivauriosta samanaikaisesti tai jopa aikaisemmin kuin värähtely. AE:n käytön mahdollisuudet kriittisten käyttötilanteiden valvontaan näyttävät lupaavilta, mutta AE on kuitenkin herkkä monille muutoksille, esimerkkinä kuivaussylintereissä virtaavan höyryn paineen muutokset ja akselin pituussuuntainen liike lämpölaajenemisen seurauksena. Myös AE:n tulkinta olisi hyvä saada osaksi kunnonvalvontajärjestelmää, jolloin muita prosessista mitattuja suureita on mahdollista tarkastella samanaikaisesti AE:n rinnalla. 12. Erilaisten prosessin- ja kunnonvalvontamittausten seuranta ja historiatietojen tarkastelu tulisi laitosten valvontajärjestelmissä olla mahdollista samanaikaisesti. Erityisesti tämä koskee höyrynpaineita, ajonopeuksia, öljyvirtauksia ja paperilajitietoja, jotka tulisi olla tarkasteltavissa kunnonvalvontamittausten kanssa samalta näytöltä. Mikäli uusia mittaussuureita, kuten öljyn puhtaustaso tai akustinen emissio, otetaan mukaan valvontajärjestelmiin, eri prosessitietojen tarkastelu niiden rinnalla on välttämätöntä väärien johtopäätösten välttämiseksi. Tämän jälkeen seuraavana vaiheena valvontajärjestelmien kehittämisessä voisi olla vaurioitumisen tai häiriötilanteiden päättely asiantuntijajärjestelmien avulla. 17
<KWHHQYHWR Vuosina 1999-2002 toteutettu Tehotela-projekti oli laaja teollisuus- ja laboratoriomittauksiin ja erilaisiin selvityksiin perustuva hanke, jonka tavoitteena oli kohottaa paperikoneen käyttövarmuutta parantamalla kykyä ennustaa laakerien elinikää ja siten vähentää riskiä ennakoimattomien laakerivaurioiden kehittymiseen ja niistä aiheutuviin tuotantokatkoksiin. Vertailemalla eri valvontamenetelmien antamaa informaatiota toisiinsa ja yhdistämällä saatu tieto vauriomekanismien tuntemukseen, muodostettiin jo käytössä olevista menetelmistä tehokas ja yhteensopiva mittaus- ja valvontatapa. Uusina menetelminä öljyn kunnonvalvonnassa tuotiin esille öljyn värin ja öljyssä olevan veden laadun valvonta. Erilaisia tietoja yhdistämällä ja käyttämällä yksinkertaisia laskentaproseduureja, voidaan valvoa myös laskennallisia laakerin tilaa kuvaavia suureita, kuten suhteellinen voitelukalvon paksuus (λ-arvo) ja laakerin käynninaikainen välys. /lkwhhw 1 FAG 1998: Julk. No. WL 13 103/2 Fi. Vierintälaakerit paperiteollisuudelle. Weppert GmbH Co KG, Schweinfurt. 40 s. 2 Suontama, K., Korpi, A., Manninen, A. & Rinkinen J., Öljyn kunnonvalvonta osana tuotantolaitteiden käynnissäpitoa. Kunnossapito 1/98, Kunnossapito-lehden erikoisliite Kunnossapitokoulu N:o 43 (1998). 3 Rinkinen, J., Kiiso, T. & Ihanamäki, T. Öljyanalyysit hydraulijärjestelmien kunnonvalvonnassa. Kunnossapito 3/95, Kunnossapito-lehden erikoisliite Kunnossapitokoulu N:o 34 (1995). 4 Nohynek, P. & Lumme, V., Kunnonvalvonnan värähtelymittaukset, Loviisa, Painoyhtymä Oy, 1996. 159s. ISBN 951-97101-1-6. 5 Mustonen, M. Paperikoneiden vierintälaakerien kunnonvalvontamenetelmät. Espoo, 2000, VTT Valmistustekniikka, Raportti BVAL73-001006, 24 s. 6 Vidqvist, V. Telan vierintälaakerin värähtelyyn perustuvan kunnonvalvonnan kehittäminen. Diplomityö, Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu, 2001, 69 s. 7 Tunturi, P. J (toim.), Korroosiokäsikirja. Suomen korroosioyhdistyksen julkaisuja 6. Helsinki: SKY, 1988. 966 s. ISBN 951-99916-7-0. 8 Whitman, W., Russel, R. & Altieri, V. Ind. Eng. Chem., 16, 665 (1924). 9 Mobil EHL Guidebook, Fourth Edition. Mobil Oil 1992. 10 Kivioja, S., Kivivuori, S. & Salonen, P. Tribologia - kitka, kuluminen ja voitelu. Helsinki 1998, 351 s. ISBN 951-672-240-7. 11 Holmberg, K., Elastohydrodynamic lubrication theory and its applications on machine elements. Espoo 1980. Helsinki University of Technology, Machine Design, Publication A 1. 230 p. ISBN 951-752-100100-6. 18
12 Laaksonen T. 2002. Voitelukalvon mittaaminen optisella interferometrillä elastohydrodynaamisen voitelun pistekosketuksessa. M.Sc Thesis. Helsinki: Helsinki University of Technology. 108 p. 13 Lord, J. Film Thickness Measurements Using Optical Interferometry for the Characterization of EHL Contacts, Luleå University of technology, Sweden, 2001. 19