VibraTek Değişik Tip Pompalarda Titreşim Ölçüm ve Analizi ile Arıza Tanımı Dr. Đbrahim H. Çağlayan KISA ÖZET Pompalarda titreşim analizi ile arıza kaynaklarını bulmak ve dolayısıyla arızalara, bu arızalar gelişip ikincil arızalar oluşturmadan müdahale etmek mümkündür. Pompalar üzerinde yapılan genellikle titreşim ivmesi ölçümü ve FFT yöntemleriyle pompanın titreşim imzasının elde edilmesi, arızaların kaynaklarını bulmada büyük kolaylık sağlamaktadır. Titreşim ölçüm teknikleri ve balans bozukluğu, kaplin ayarsızlığı, şase gevşekliği/ankraj zayıflığı, rulman arızası, akış problemleri, kavitasyon gibi bir pompada karşılaşılabilecek arızaların titreşim imzalarını analiz teknikleri bu yazı içeriğinde tartışılmaktadır. GĐRĐŞ Titreşim mühendisliğinin spektral analiz yöntemleri kullanarak gerçekleştirdiği arıza bulma yönteminin, en verimli sonuçlar ürettiği makinalar öncelikle pompalardır; dolayısıyla en iyi uygulama alanı bulduğu sanayi kolu da pompa yoğunluklu olan rafineriler, petro-kimya sektörü ve su pompa şebekeleridir. Titreşim mühendisliği, özellikle spektral analiz olarak tanımlanan, makina titreşimlerinin frekanslarına göre genliklerinin incelenerek arıza kaynaklarının tanımlanma yöntemi ile arızaların başlangıcından itibaren gelişimini inceleyerek doğru zamanda müdahale edilmesini sağlar. Bir ölçüde spektral analiz teknikleri, makinaların EKG si olarak düşünülebilir; ve bu ölçümlerin yapılması ve değerlendirilmesi pompa istasyonlarının verimli ve daha sağlıklı çalışmasını sağlar. Titreşim ölçümleri spektrum analizörü denilen cihazlarla yapılır. Bu cihazların laboratuvar tipi olanları olduğu gibi, elde taşınan portatif olanları da vardır. Bu cihazlar, akselerometre denilen titreşim sensörlerinin gönderdiği sinyalleri FFT olarak adlandırılan algoritmalarla işleyerek genellikle hafızalarına alır ve bir bilgisayara aktararak titreşim mühendisliği prensipleri doğrultusunda bir kullanıcı tarafından değerlendirilmesini sağlar. Bu yazının amacı, kısa bir çerçeve ile titreşim mühendisliğinin temel prensiplerine değinmek ve pompalarda alınacak titreşim spektrumlarını inceleme ihtiyacında olan kullanıcılara bazı analiz ipuçları sunmaktır. Her konuda olduğu gibi, bu konuda da kullanıcının kendisi spektrumlar almalı, bunları değerlendirerek kendi analiz kriterlerini oluşturmalıdır. Bu yazı ve bulunabilecek tüm yazılar, sadece bir yol gösterici olabilirler ama bir dönen makinanın titreşim imzasını etkileyecek bir çok parametre bulunduğu hatırlanarak analizlerin bir yerlerden edinilecek şablonlar doğrultusunda yapılmasından kaçınılmalıdır. TĐTREŞĐM ANALĐZĐNĐN TEMEL PRENSĐPLERĐ Hareket halindeki her sistem gibi, dönen makinalar da titreşimle çalışırlar. Bu ölçüde titreşim bir hayat belirtisidir. Ancak, titreşim seviyesi belli değerlerin üzerine çıkarsa o zaman burada bir sorun olduğu düşünülebilir. Titreşim sinüsoidal bir hareket dalgası olarak basitçe tanımlanırsa, y = a.(sinωt) ifadesi ve türevleri, sırasıyla, hız ve ivmeyi verir. Deplasman birimi µm (mikron), hızın birimi mm/sn, ivmenin birimi ise mm/sn 2 olarak kullanılmaktadır. Bu ifadeler, ya efektif seviye ya da peak (pik) seviye olarak ifade edilir. Avrupa ve ISO sistemi titreşimi ifadede Geniş Bant 1 Efektif Titreşim Hızı nı kullanır; Amerikan sistemi ise titreşim hızının rms seviyesi yerine 0-peak seviyesini kullanmaktadır. (Bir sinüsoidal dalgada rms seviye peak seviyenin 0.7071 mislidir ve avrupalı cihazların genellikle rms, amerikan cihazların ise genellikle 0-peak ölçtüğünü hatırlayarak ölçüm yapılmalıdır.) Her ne kadar uluslarası standartlar, örneğin ISO2372 (tercümesi Türk Standardı TS2879 olarak yayınlanmıştır.) 1 Geniş Bant aralığı genellikle 10 Hz-10,000 Hz arasıdır.
özellikle balans bozukluğuna bağlı titreşim seviyelerini sınırlayıcı standartlar koymuşsa da, bu standartlar çok genel ve sadece bir başlangıç referansı olarak kullanılabilir. ISO2372-TS2782 Standardı Çalıştırma hızları 10Hz 2-200Hz olan Makinelerin Mekanik Titreşimi Değerlendirme Standartlarını Belirtmek için Temel Esaslar Kabul edilebilirlik Geniş Bant Efektif Titreşim Genliği mm/sn rms limitleri I. Sınıf II. Sınıf III. Sınıf IV. Sınıf Đyi < 0.7 < 1.1 < 1.8 < 2.8 Kabul Edilebilir 0.7-1.8 1.1-2.8 1.8-4.5 2.8-7.1 Sınırda 1.8-4.5 2.8-7.1 4.5-11.2 7.1-18.0 Kabul Edilemez > 4.5 > 7.1 > 11.2 > 18.0 Amerikan Petrol Endüstri (API) ise özellikle pompalar API610 nolu standartı uygulamaktadır. Bu standartlar ISO standartlarından daha detaylıdır. Ancak, bu standartta 0-peak verildiği göz önüne alınmalı ve rms olarak ifade edilmek istenirse, tam karşılığı olmayacağı hatırlanarak 3, yakın bir değer bulmak için 0.7 ile çarpım yapılabilir. Pompa Yataklama Tipi Rulmanlı pompada rulman yatakları üstünde ölçülen Kaymalı yataklı pompada yatak üstünde ölçülen Geniş Bant Efektif Titreşim Genliği Titreşim Hızı (mm/sn 0-peak) Titreşim Deplasmanı (mikron peak-peak) 1XRPM, 2XRPM Dar bant Titreşim Genliği mm/sn 0-peak Titreşim Hızı Titreşim Deplasmanı (mm/sn 0-peak) (mikron peak-peak) 7.6 63.5 7.6 Bakınız Açıklama I 10.2 50.8 7.6 Bakınız Açıklama II Açıklama I: Rulman yatak kepleri üzerinde, Geniş Bant seviye için 2500 d/dk pompa devrine kadar, 63.5 µm peak-peak; 3000 d/dk için 50.8 µm peak-peak Beher pikde Dar Bant seviye için 1800 d/dk pompa devrine kadar, 63.5 µm peak-peak, 3000 d/dk için 38.1 µm peakpeak Açıklama II: Kaymalı yataklar üzerinde, Geniş Bant seviye için 3000 d/dk pompa devrine kadar, 63.5 µm peak-peak; Beher pikde Dar Bant seviye için 4000 d/dk pompa devrine kadar, 63.5 µm peak-peak. Açıklamalar adı geçen standartta bulunan grafiklerin yorumlanmasından elde edilmişlerdir. Bu satırların yazarı ise zaman içinde oluşan tecrübesi ile, aşağıdaki limitlerin oldukça gerçekçi olduğu kanaatine varmıştır. Geniş Bant Efektif Titreşim Genliği mm/sn rms Đyi Kabul Edilebilir Kabul Edilemez Yatay Pompa < 3.5 3.5 5.0 > 5.0 Dikey Pompa < 5.0 5.0 7.0 > 7.0 2 1 Hz = 60 çevrim/dk (CPM); makina devri olarak ifade edildiğinde 1 Hz = 60 d/dk (RPM) 3 Gerçek hayatta titreşim gerçek bir sinüsoidal olmadığı için geniş bantta yapılan ölçümlerde peak den rms değere dönüşüm 0.7071 ile çarparak yapılamaz. Bu çarpım yapılırsa elde edilecek değer ancak yaklaşık değer olabilir. 2
Titreşimmetre Titreşim Sviçi Titreşim transmiteri Bu seviyeler titreşimmetre denilen elde tutulan cihazlarla ölçülebileceği gibi, pompa üzerine monte edilmiş olan 4-20 ma çıkışlı titreşim transmiteri adı verilen sensörlerle bir SCADA veya PLC sistemi ile ölçülüp değerlendirilebilir. Đşletmede otomasyon sistemi yoksa ve korunması gereken bir pompa varsa, o zaman titreşim sviçi denilen ve titreşim seviyesi belli limitleri aştığında alarm veren ve gerekirse motoru trip ettiren cihazlar kullanılabilir. bulabilir. Titreşim Spektrum Analizörü Titreşim ölçümlerinde diagnostik çalışma yapılabilmesi ancak spektrum analizörleri ile mümkündür. Spektrum analizörleri, titreşimin genliğini ölçmekle kalmaz, ölçülen her seviyenin içinde bulunan sinüsoidal bileşenlerin genliğini ve frekansını verir. Böylelikle cihaz kullanıcısı, kendi seçtiği bir frekans aralığında, ki bu aralığı arızaların görülebileceği bir aralık olarak seçer, titreşimleri tahrik eden motor dönme devrine bağlı olarak hangi frekansta ne kadar genlik olduğunu görebilir. FFT denilen algoritma ile elektronik olarak gerçekleştirilen Fourier Dönüşü ile zaman dalga formları bu cihazlar tarafından otomatik olarak spektrum grafikleri olarak frekans düzlemine çevirilir. Arızalar da kendilerini değişik frekans adres lerinde gösterdikleri için, bir titreşim spektrumunu inceleyen kişi böylece arızanın sadece şiddetini değil kaynağını da TĐTREŞĐM ANALĐZĐNĐN POMPALARA UYGULANMASI Titreşim analizi ile pompalarda arıza bulunmasında iki ana hedef gözetilebilir: 1- Uyarıcı Bakım 4 (Predictive Maintenance) hizmeti amaçlı Periyodik Ölçümler, 2- Şikayet konusu olan bir arızanın kaynağını bulma amaçlı Diagnostik Ölçümler. 4 Bazı kullanıcılar, ingilizce Predictive Maintenance ifadesini kelime-kelime (mot-a-mot) tercüme ederek, Kestirimci Bakım olarak da kullanmaktadırlar. Bu satırların yazarı, tercümenin kulağa hoş gelmesi ve anlamı taşıması gereğini belirterek Uyarıcı Bakım tanımını tercih etmektedir. 3
Periyodik Ölçümler Uyarıcı bakım amaçlı ölçümlerin, her tür pompa için en fazla 1 ay aralıklarla yapılması ve sürekli olarak aynı noktalardan alınması gereklidir. Bazı işletmelerin, kendi cihazlarına sahip oldukları için, bu süreyi 15 günde bire indirdiklerini görmekteyiz. Bu da kabul edilebilir ve önerilen bir durumdur. Ancak, 1-1.5 ayın ötesinde aralıklarla alınacak ölçümler pompa hayatını hızlı gelişebilecek arızaların merhametine terketmektedir. Özellikle, 3000 d/dk pompalarda bu durum daha belirgindir. Ölçümlerde daima rulmana en yakın noktada düşey doğrultuda DĐKEY, yatay düzlemde YATAY ve mil Dikey ekseni doğrultusunda EKSENEL olmak üzere birbirine dik 3 yönde titreşimler ölçülmelidir. (Titreşim vektörü nün doğru tanımlanabilmesi için bu Eksenel vektör ün Kartezyen bileşenlerinin bilinmesi gereklidir.) Pompa tarafında ölçüm noktası sayısı pompanın cinsine göre belirlenmelidir. Đmpelerin her iki tarafında yataklama varsa (teğetsel giriş ve çıkış) o Yatay zaman her iki yatakta da,ankastre impelerli göbekten emişli pompalarda ise genellikle kaplin taraftaki yatak üzerinde yine 3 eksende ölçüm yapılmalıdır. Đkinci tip pompalarda iki rulman arası mesafe 30-40cm yi aşmıyorsa zaten çelikteki sönümleme elde edilecek değerleri ciddi oranda etkilemeyeceğinden, her iki rulmanın da sağlığı tek noktadan alınacak ölçümle kontrol edilebilir. Ölçümler, pompa tam yükte ve her türlü vana tam açılmışken yapılmalıdır; aksi takdirde, akış gürültüsü titreşimleri olabilecek başka arızaları perdeleyebilir. Bu tip ölçümlerde genellikle, her noktada 3 eksende ölçümün yanısıra, bu ölçümleri 2 ayrı frekans bandında tekrarlamak çok iyi sonuçlar vermektedir. Đlerki bölümlerde de görüleceği gibi, değişik arızalar, değişik frekans aralıklarında kendilerini göstermektedirler. Bu nedenle, bu arızaları yeterli ayrıntıda görebilmek için bu yolu tercih etmek gerekir. Yine genellikle izlenen yol, motor dönme devrinin 10 katı ve 100 katı aralıklarında spektrum grafiği almaktır. Bu ölçümlerde, sadece frekans düzlemi (spektrum) grafikleri alınır; zaman düzlemi (zaman dalga formu) grafikleri ise alınmaz; faz 5 ölçümleri yapılmaz. Titreşim geniş bant efektif seviyelerini gösteren değerlerin Eğilim (Trend) Grafiklerini elde etmek bu çalışma için gereklidir. Diagnostik Ölçümler Zaman zaman, duyulmakta olan alışılmamış bir ses, artan titreşim ve/veya azalan verim nedeniyle pompalarda titreşim ölçüm ve analizi yapılması istenebilir. Bu durumda, mümkün olduğu kadar detaylı ölçüm yapmak gereklidir. Bu ölçümler, periyodik ölçümlerde olduğu gibi spektrum ölçümleri yanısıra, faz ölçümü de yapmak gereklidir. Pompalarda rastlanan sorunlar, çoğu kez pompa ile ilgili değil elektrik motoru ile ilgili olarak bulunmaktadır. O nedenle, elektrik motorunun elektriksel analizlerini de yapmak yararlı olacaktır. Pompa motorlarında rastlanabilecek rotor kısa devre çubuğu kırılması, rotor-stator hava aralığı asimetrisi, Foucoult ısınmasına neden olan sac paketi kısa devreleri gibi sorunlar daha çok elektriksel boyut taşımakla birlikte spektrum analizi ile tanımlanabilecek arızalardır. Ancak, sınırlı yer imkanına sahip bu yazı çerçevesine sığmayacağı düşünülerek bu konu bir başka bildirinin içeriği olarak geleceğe bırakıldı. Pompa sorunlarında, özellikle zaman zaman dik pompalarda rastlanan rezonans sorunlarının tanımlanması için bump test-vurma testi yapılmalı ve pompa+motor+şase asamblesinin rezonans karakterleri araştırılmalıdır. 5 Faz, titreşim mühendisliğinde bir takometre sinyali ile bir noktada ölçülen titreşimin dönme devri frekansındaki sinüsoidal bileşenin tepe noktası arasındaki zaman farkı anlamında kullanılmaktadır. Faz bilgisi titreşim mühendisine çok önemli ipuçları verir. 4
Rezonans ölçümlerinde özellikle dikkatle üzerinde durulması gereken husus, vurma veya sarsma sonucu komple sistemin harekete geçirilmesi gerekir; aksi takdirde yerel rezonanslar uyandırılması uygulayıcyı şaşırtmaktan öte bir fonksiyon görmez. Dik pompalarda, motorun serbest taraf yatağı civarında bir noktadan, hatta soğutma fanı kapağı civatalarına bağlanmış bir ip ile motor+pompayı bir miktar esnetip bırakıldığında meydana gelen titreşimler bu sistemin roznans frekansında oluşur. Bu da rezonans frekansını deneysel olarak bulmakta kullanılan bir yöntemdir. POMPA TĐPĐNE GÖRE SPEKTRUM ANALĐZĐ Spektrum görüntüsünü arıza tiplerine ayırmak mümkündür. Her ne kadar, spektrum analizi eğitimi veren tüm eğitici malzemeler, bu sıralamaya göre yazılsa da bu yazıda özellikle pompalara uygulanma üzerinde durulacaktır. Bu çalışmada pompa ifadesi, motor+kaplin+pompa şeklinde oluşan ve bir akışkanı sevk etmeye yarayan makinayı kasdetmektedir. Bir pompada oluşabilecek ve bu tekniklerle tanımlanabilecek belli başlı arızalar şunlardır: Balans bozukluğu Kaplin ayarsızlığı Şase gevşekliği/ankraj zayıflığı Rulman arızaları Akış Problemi Kavitasyon Elektrik Motoru Arızaları (kapsam dışı tutulmuştur) Balans Bozukluğu Balans bozukluğu, dönmekte olan bir kütlenin ağırlık merkezinin dönme ekseninden kaçık olmasından kaynaklanır. Gerçekte, dönen hiçbir sistemde bu şartı sağlamak mümkün değildir. O nedenle, her sistemde belli oranda merkezden kaçıklık olması doğaldır. Mühim olan bu kaçıklık nedeniyle ortaya çıkan balans bozukluğunun kabul edilebilir seviyelerde olmasıdır. Pompalarda balans bozukluğu, tolerans limitleri vs konuları başlıbaşına bir araştırma konusu olup, bir başka çalışmanın kapsamında düşünülmesi gerekir. Pompalarda balans bozukluğunun varlığı titreşim analizi ile bulunabilir. Ancak, pompa sistemlerindeki zorluk özellikle dikey pompalarda ortaya çıkar. Zira, neyin gerçekten balans bozukluğu neyin ise motorda var olan bir balans bozukluğu olduğunu anlamak genellikle zordur. Balans bozukluğu, tamamen dönme devri ile ilgili olduğundan spektruma bakıldığında sadece dönme devrine denk gelen frekansta görülebilir. (Çok nadir de olsa dönme devri harmoniklerinde de görülmesi mümkündür. Bu durum belli bir logaritmik yapıda azalan bir eğri üzerine oturur ve aslında Fourier Dönüşümleri sırasında matematiksel olarak ortaya çıkan bir görüntüdür. Yoksa, fiziksel olarak balans bozukluğu sadece dönme frekansında var olabilir.) Yatay konuşlandırılmış pompalarda balans bozukluğu motor rotorunda (özellikle sarım sonrası), kaplinde kama ve cıvata dengesizlikleri ile ve pompada genellikle impeller aşınması ile ortaya çıkar. Motor rotorunda ortaya çıkması oldukça enderdir, zira motor rotorları sarım işlemlerinden sonra genellikle balans edilirler ve bu nedenle çalışma sırasında motor rotorunda balans bozukluğu bulunması oldukça ender ve arızi bir durumdur. Kaplinlerde de ayarsızlık bulmak yine de zordur; zira imalatta balans mutlaka alınır. Pompada impeller aşınması ise kolaylıkla rastlanılacak bir durumdur. Balans bozukluğu olan pompalarda, yatay ve dikey yönlerde 1X te (1X, X dönme devri anlamında) genellikle birbirine yakın değerler elde edilir. Bu değerlere kriter olması açısından, bir başlangıç değeri olarak, ISO2372 kullanılabilir. 5
Genlik, mm/sn EKSE DĐK YATA EKSE Faz ölçümü yapma imkanı varsa, balans bozukluğunu tanımlamak kolaylaşır. Motor ve pompa üzerinde yapılacak ölçümlerde, faz aynı değerlerde bulunur. Bu özellikle balans bozukluğunun en iyi göstergesidir. Ancak, bazen motorlarda oluşacak dinamik balanssızlık durumunda, motorun iki yatağında 180 faz farkı ölçülebilir. Resimde daire içinde okla gösterilen ok, her ölçüm noktasında aynı dereceyi gösterdiği için, ölçüm noktaları hep aynı fazdadır; bu da balans bozukluğunun tipik göstergesidir. Yatay konuşlandırılmış pompalar da yataklamaları itibariyle titreşim görüntüleri itibariyle iki ayrı grupta incelenmelidir: impelerin iki tarafında yataklanmış (çift mesnetli) pompalar ve ankastre pompalar. Çift mesnetli pompalarda, balans bozukluğu durumunda sadece YATAY ve DĐKEY yönlerde 1X titreşim görülür. Oysa, ankastre pompalarda, YATAY ve DĐKEY yönlere ek olarak 1X EKSENELde de yüksek seviye görülür. DĐK YATA 1 2 3 4 5 6 X,dönme devri 2 3 4 5 X Yatay Pompalarda tipine göre balans bozukluğu spektrum görüntüsü Genlik, mm/sn rms yön de YATAY olarak seçilmelidir. EKSENEL DĐKEY YATAY 1 2 3 4 5 6 X,dönme Dikey Pompalarda balans bozukluğu spektrum görüntüsü Dikey konuşlandırılmış pompalarda özellikle motorda var olabilecek kalıcı balans bozukluğu belki yatay konumda kabul edilebilecekken, dikey konumda kabul edilemeyebilir. Bunun da nedeni, motorun düşey gövde üzerinde rakkas hareketi yaparak bir daire veya oval şekilli bir yolda yatay düzlem üzerinde hareket etmesi olarak görülebilir. Aslında, bazen pompada var olan balans bozukluğundan kaynaklanan enerji, pompanın çok iyi sabitlenmiş olması nedeniyle daha zayıf olan motor kısmını oynatarak bazen analiz yapan kişileri yanıltır ve motorun bozuk olduğu izlenimini verir. Bunu ayırd etmenin en iyi yolu, kaplini ayırıp motoru ayrıca çalıştırmak ve şayet motor aynı salınımı yaparsa sorunun motordan, şayet yapmazsa pompadan kaynaklandığına karar vermektir. Dik pompalarda ölçümde üzerinde durulması gereken nokta, düşey doğrultunun eksenel yön ile çakışması ve aynı yatay düzlemde hem yatay hem de dikey yönlerin bulunmasıdır. Bu nedenle düşey doğrultuda EKSENEL yön, yatay düzlemde de birbirine dik iki yönde YATAY ve DĐKEY yönler bulunmalıdır. Dikey pompalarda en fazla salınım kaplin muhafazasında kapline ulaşma boşluğunun bulunduğu dolayısıyla zayıf olan yön DĐKEY, ona dik olan Dik pompalarda EKSENEL, YATAY ve DĐKEY yönlerde 1X frekansında yüksek titreşim görülür. Faz açısı makinanın tamamı boyunca aynı açıda kalır. 6
Ayak Gevşekliği/Ankraj Zayıflığı Pompalarda çok sık rastlanılan sorunlardan bir tanesi de ankraj zayıflığı ve ayak gevşekliğidir. Özellikle, su ve sev edilen kimyasalın betonu ve ankrajı zayıflatmasından kaynaklanan zayıflık problemleri, yine aynı nedenlerle korozyana uğrayan şaseler nedeniyle de görülür. Her makinada olduğu gibi işletmecilerin (maalesef, bazı işletmelerde bu görev bakımcılardan beklenir!) pompa ve motor ayaklarını periyodik olarak sıkmanın dışında ortaya çıkan durumlarda çok daha uygulama zorluğu olan tedbirler almak gerekebilir. Örneğin, ankraj betonunun kırılıp yeniden yapılması gibi veya şasenin tamamen yenilenmesi gibi. Yatay konuşlandırılmış pompalarda ayak gevşekliği Ayak gevşekliği ve/veya ankraj zayıflığı, makinanın gövdesinin zemin veya şase üzerinde salınımı şeklinde görülür ve daima motor ya da pompanın, hangisinde sorun varsa, dönme devri frekansında kendisini gösterir. Burada neyin gevşeklik sorunu, neyin normal olduğunun kriteri de şöyle tanımlanır: Dönme devri frekansında YATAY yöndeki titreşim, şayet DĐKEY yöndeki titreşimden en az 2 kat veya daha fazla ise o zaman burada ayak gevşekliği veya ankraj sorunu olduğuna karar verilebilir. Dikey konuşlandırılmış pompalarda ayak gevşekliği Bu şekilde yerleştirilmiş pompalarda bu tür bir teşhisi yapmak oldukça zordur. Bunda da neden, yatay pompa ile karşılaştırıldığında, EKSENEL yön aslında düşey doğrultu ile çakışır ve mile dik olan YATAY ve DĐKEY yönlerin ikisi de ufuk düzlemi olan yatay düzlemde yer alırlar. Bu tür pompalarda gevşeklik motorun pompaya bağlantı elemanlarında olabileceği gibi genellikle pompanın zemine bağlandığı noktalardaki zayıflıktan kaynaklanabilir. O nedenle, gevşeklik sorunu olan düşey yerleştirilmiş pompalarda motorun serbest tarafı (ki, ölçümlerde en üst noktadır) teorik olarak ufuk düzleminde bir daire çizmelidir. Ancak, motoru pompaya bağlayan ve aynı zamanda kaplin muhafazası görevi gören bağlantı parçası her yönde aynı mukavemete sahip olmadığından zayıf olduğu yönde salınım daha fazla olur ve dolayısıyla bu yönde titreşim daha fazladır. Bu da, dairesel bir salınım değil oval bir salınım doğmasına neden olur. Uygulamalarımızda genellikle, sistemin yatay bir motora göre daha zayıf olduğu göz önüne alınarak, ISO2372 sınıflandırmasındaki bir üst sınıfın limit değerleri başlangıç noktası olarak alınır. Örneğin, 10 kwlık düşey motor için limitler arandığında, <15 kw motorlar için var olan I. Grup limiti 1.1 mm/sn rms yerine, 15-75 kw arası limit olan 1.8 mm/sn rms kullanılır. Kaplin Ayarsızlığı EKSENEL, DĐKEY YATAY 1 2 3 4 5 6 X,dönme Yatay Pompalarda balans bozukluğu spektrum görüntüsü Kaplinler motor+pompalarda en sorunlu noktalardan biridir. Zira, kaplin ayarsızlıkları rulman arızalarının temel kaynaklarından biridir. Yapılan araştırmalar rulman arızalarının kaynağının %50 sinin kaplin ayarsızlığı olduğunu göstermektedir. Özellikle pompalarda, salmastra kaçakları nedeniyle sızan akışkanın zayıflattığı şaseler kaplin ayarsızlıklarının daha önem kazanmasına neden olmaktadır. Kaplin ayarsızlığı, bir kaplin ile birbirine bağlı tahrik eden ve tahrik edilen iki elemandan oluşan bir makinada bu iki elemanın mil eksenlerinin çakışmaması durumudur. O nedenle, aslında kaplin 7
değil, mil ayarsızlığından sözetmek gerekir. Kaplin ayarsızlığı, esas olarak iki ayrı şekilde oluşabilir: açısal kaçıklık, paralel kaçıklık. Aslında bu iki tür ayarsızlık tek başına görülmez; ikisinden de bir miktar her kaplin ayarsızlığında mutlaka vardır. Açısal kaplin ayasızlığı genellikle 1X frekansında ve EKSENEL yönde, paralel kaplin ayarsızlığında ise 2X ve bazen 3X frekansında YATAY ve DĐKEY yönde görülür. Özellikle, 2X frekansındaki titreşim seviyesinin, 1X deki titreşim seviyesinden yüksek olmasına kesin kaplin ayarsızlığı gözü ile bakılabilir. Kaplin ayarsızlığı durumunda faz açısı kaplinin iki tarafında 180 fark gösterir. Faz ölçümleri yapıldığı takdirde, bu durum kaplin ayarsızlığının en iyi göstergesi olarak bilinir. Burada çok dikkat edilmesi gereken ve birçok kişiyi yanıltan bir hususu gündeme getirmek gerekir: 3000 d/dk nominal hızı olan bir pompa örnek alınacak olursa, bu pompanın aslında 2980 d/dk gibi bir hızla dönebileceği bilinir. Şayet bu pompada kaplin ayarsızlığı varsa, bu durumu gösteren pik 2960 x 2 = 5960 CPM frekansında görülecek demektir. Ancak, bu pompa motorunda hava aralığı asimetrisi varsa, bu durum da şebeke frekansı (50 Hz=3000 CPM) x 2 frekansı olan 6000 CPM frekansında görülecek demektir. Titreşim ölçüm parametreleri, o şekilde ayarlanmışsa ki, spektrumdaki her line (layn) genişliği 6000-5960 = 40 CPM aralığından daha geniştir, o zaman bu iki pik çakışacaktır. Bu durumu önlemek için, bu şekilde çakışma beklenilen durumlarda, titreşim ölçüm parametrelerinden Line sayısını 1600 veya 3200 olarak seçmelidir. Rulman Arızaları Rulman arızaları analizinde temel, bir rulmanın üretebileceği frekansların tanınması ile olur. Bu frekansların bazılarının ne olacağı önceden hesaplanabilecekken diğerleri hesaplanamaz. Ultrasonik frekanslar olarak bilinen frekanslar, yuvarlanma elemanlarında meydana gelen sayısız, mikron ölçülerindeki arızaların çıkardığı ve ancak ultrasonik bantta dinleme yapan cihazlarca bulunabilir; doğal frekanslar olarak bilinen frekanslar ise özellikle dış ve iç bileziğin doğal frekansının bu elemanlardaki arızalara bilyelerin çarparak rezonansa getirmesinden kaynaklanır; ve, bu iki frekans grubu önceden bilinmez. (Aslında, doğal frekanslar istenirse hem hesaplanabilir, hem de deneysel olarak bulunabilir; ancak, uygulanan bir yöntem değildir.) Dönmeye bağlı frekanslar, tamamen rulmanın geometrisine bağlı olup önceden hesaplanıp tablo halinde titreşim analizi yapan analistin elinde mutlaka bulunması gerekir. Bugün, her titreşim analiz programı mutlaka rulman arıza frekansları nı içerir. On bin değişik tip rulmanın arıza frekanslarını içeren programlar olduğu gibi, bir Milyon tip rulmanın bilgilerini içeren programlar da vardır. Dönmeye bağlı arıza frekansları yuvarlanma elemanı (bilye veya masura), kafes, dış bilezik ve iç bileziğin arızalandıkları takdirde yaydıkları titreşimlerin oluştuğu frekansların genellikle dönme devrinin katları olarak ifadesi şeklinde listelenir. Örneğin, 6318 boy ve 8 bilyalı (Bilya sayısı da önemlidir; zira, SKF in 6318 rulmanında 8 bilya, FAG ın rulmanında ise 9 bilya vardır. Bu nedenle, aynı rulman olmalarına karşın arıza frekansları farklıdır.) bir rulmanın dış bilezik arıza frekansı 3.08 dir. Diğer bir deyişle, örnek olarak 1460 d/dk da dönen bir mile takılı bir 6318 tip rulmanın dış bileziğinde arıza olduğu takdirde, spektrum grafiğinde bu arıza 3.08x1460=4497 CPM frekansında görülecektir. Toplama-çıkarma frekansları ise yukarıdaki üç grubun birbirleriyle veya dönme devri ile modülasyonu sonucu ortaya çıkan frekanslardır ki, bunların analiz sırasında hesaplanarak bu şekilde tanımlanmaları gerekir. Rulman arızalarının gelişimi önce lineer sonra Arıza şiddeti I. DÖNEM II. DÖNEM III. DÖNEM IV. DÖNEM zaman logaritmik olarak müdahale edilmezse dağılmaya kadar sürer. Bu ifade her ne kadar, pek teorik de olsa, genel seyir bunu göstermektedir. Titreşim analizi ile arıza, II. Dönemde tanınmaya başlanabilir ve takip edilir; III. Dönem in ikinci safhasından itibaren her an rulmanın değiştirmesi istenilebilir; IV. Döneme geçmiş bir rulman her an dağılma ile karşı karşıyadır; her an değşştirilmesi istenilebilir. 8
Rulman arızası III. Döneme gelmiş bir rulmanda sadece rulmanın arıza frekansları değil, bu frekansların harmonikleri (tam sayı çarpan katları) ve arıza frekansının dönme devri ile modülasyonu sonucunda ortaya çıkan yan bantların varlığı ile tanınır. Rulmanın değişimi kararını, IV. Dönemde ortaya çıkan geniş frekans bandında yükselen titreşim eşiği ve bu bantta da var olan arıza frekansları harmoniklerini gördükten sonra vermek gerekir. 1XDB-1X 1XDB 1XDB+1X 1XDB+2X 2XDB-1X 2XDB+2X 3XDB-1X 2XDB 3XDB+1X 3XDB Özellikle rulman arızalarının tanmında piklerin hangi toplamaçıkarma frekansına ait olduğunu bilmek belli ölçüde tecrübe gerektirse de, göz alışkanlığı oluştuktan sonra hangi pikin hangi frekansın kaçıncı yanbandı olduğunu bulmak çok zor değildir. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 X, devir katı Yandaki resimde DB dış bilezik, 1XDB dış bilezik arıza frekansını, 2XDB dış bilezik frekansının 2. harmonii (aslında fizik tanımlarına göre 1. harmoniği) anlamına gelir. Rulman arızalarının tanımında önemli bir husus da, titreşim analiztinin neye arıza dediğidir. Đşletmelerde genel kanı, titreşim ölçümü yapılarak bulunan arızanın, açılarak bakıldığı zaman dağılmak üzere olan bir rulmana ait olmasıdır. Oysa, böyle bir tanım için böylesi sofistike teknolojilere gerek yoktur. Zira, III. Dönemden itibaren rulman titreşim yanısıra ses de yayar; hele, IV. Dönemde ısınma da vardır. Bunları farkedebilen her kimse arıza tanısı koyabilir. Mesele olan, arızayı ortaya çıktığı günden beri takip edip, IV. Dönemde tam zamanında değiştirilmesi isteğini raporlamaktır. Đşletmelerde genellikle tanım yapanla rulmanı değiştiren arasında bu zamanlamadan kaynaklanan sürtüşmelere zaman zaman rastlanır. Akış Problemi Pompalarda akış problemleri genellikle akışkan pompa boşluğunda ötelenirken oluşan hidrodinamik kuvvetlerin dengesizliğinden kaynaklanır. Bu kuvvetler kendilerini Kanat Geçiş Frekansı denilen ve impeler kanat sayısı ile pompa mili dönme devrinin çarpımına eşit bir frekansta ve bunun harmoniklerinde gösterir. Bu tip bir problem impelerin kanat ucunun pompa boşluğunda, imalat sırasında toleransı dar tutulmuş bir bölgeden geçerken akımın sıkışması ve kanat ucunda oluşan vortexler nedeniyle ortaya çıkar. Bu nedenle, pompa milinin her turunda kanat sayısı Genlik Dönme devri frekansında pik: 1X 2X 30 120 frekans Hz kadar vuruntu olur; bu vuruntu da kendini dönme devrinin kanat sayısı kadar katında gösterir. Bu frekansın harmoniklerinin olması durumun artan ciddiyetini gösterir. Bu nedenle bu şekilde bir spektruma sahip bir pompada, akışın çarpmalara neden olacak unsuru araştırılmalı ve özellikle, impeler ucunun pompa iç zarfına olan uzaklığı veya varsa statik yönlendirme kanatlarına olan mesafe araştırılmalıdır. Normal olarak impeler çapının %6 sından daha dar olmaması gereken bu aralığın durumu kontrol edilmelidir. 3X 6X = kanat sayısı 9
Kavitasyon Problemi Kavitasyon bir pompada ortaya çıkabilecek en fantastik görüntülü fiziksel olaylardan biridir. Zira, kavite olan bir pompada laminer akış yapısı bozulmuş, basınç dengeleri altüst olmuştur. Kanatçıklarda özellikle impelere giriş bölgesinde aşırı basınç düşmesi nedeniyle akışkan ortam sıcaklığında gaz haline dönüşür. Bu bölge geçildiğinde ise akışkan içinde oluşan gaz kabarcıkları yükselen basınçla beraber küçük fakat şiddetli içe patlamalarla (implozyon) sıvı hale dönüşür. Bu patlamalar, impeler yüzeyinde hasara neden olur ve pompalarda ciddi bir sorun teşkil edebilir. Ayrıca, pompa hem gaz hem sıvıyı basmaya çalıştığından verim düşmesi de olur. Kavitasyon karşısında impelerin malzeme kaybı döküm malzemesinin ne olduğuna da bağlıdır. Aşağıdaki liste pik döküm 1.0 alındığında diğer malzemelerin kayıp oranlarını gösterir. Pik Döküm 1.0 Çelik Döküm 0.8 Bronz 0.5 Döküm krom çeliği 0.2 Bronz alaşım 0.1 Krom Nikel çeliği 0.05 A B C D E Kavitasyon, titreşim analizi ile tanımlanabilecek bir olgudur. Söz edilen patlamalar geniş ve yüksek bir frekans bandında titreşim eşiği yükselmesi yapar. Genellikle 30,000-120,000 CPM (500Hz-2000Hz) bandında görülen seviye yükselmesi bu kadar geniş bir bantta sesler çıkaran kabarcıkların, dolayısıyla kavitasyonun işaretidir. Kavitasyon yaşayan bir pompada, pompadan sanki çakıl ve kum geçiyormuş gibi cayırtılar duyulur. Genlik Basınç A B C D E POMPA TĐPĐNE GÖRE SPEKTRUM ANALĐZĐ 500 2000 Frekans Hz Santrifüj Pompalar Bu tip pompalarda en çok görülen titreşim kaplin ayarsızlığı, ayak gevşekliği/ankraj zayıflığı yanısıra kavitasyonla ilgili titreşimlerdir. Akış problemlerini gösteren kanat geçiş sayısında ve bunun harmoniklerinde görülen titreşimler de sık rastlanan pompa problemlerindendir. Santrifüj pompa analizinde önce motor devri ve harmonikleri, daha sonra da kanat geçiş devri ve harmonikleri işaretlenmelidir. Bu frekanslar olmaları beklenilen frekanslardır; ancak, rulman arızası varsa rulman arıza frekansları da görülebilir. Bunların da tanımlanması yoluna gidilmeli ve rulman değişimi gerektirecek bir arıza olup olmadığına karar verilmelidir. Pistonlu Pompalar Pistonlu pompalarda çoğu kez kaplin ayarsızlığı vs piklerinin yanısıra şayet aşınma varsa, çok belirgin olarak dönme devrinin 7, 9, 11 gibi katlarında piston sayısı frekansı ve harmonikleri görülür. Piston sayısı frekansı ve harmoniklerine bakarak aşınmanın miktarını belirlemek mümkün değildir. Ancak, bu frekanslardaki seviyeler sürekli izlenir ve ayrıca trendi alınırsa, o zaman arızanın gelişim hızı hakkında bir fikir beyan edilebilir. 10
Loblu Pompalar Bu tip pompalarda lob sayısına göre, 2X veya 3X harmonikleri kuvvetli şekilde görülür. Çok sık görülen harmonik, 2X, 4X, 6X serisi olup artan aşınma ile bu frekanslardaki seviyeler de yükselir. Vidalı Pompalar Bu tip pompalarda da vida diş sayısı harmoniklerine sık olarak rastlanır. Ana frekans ve harmoniklerinin zaman içinde seviyesinin artması, aşınmaya bağlıdır. Örnek Titreşim Spektrum Grafikleri 11
12