Wstęp
Wbrew temu, co niektórzy mogą sądzić, sprężone powietrze nie jest darmowym medium energetycznym. W rzeczywistości koszty wyprodukowania go oraz zużywania często sprawiają, że jest to najdroższe narzędzie w typowym zakładzie produkcyjnym. Aby dobrze nakreślić problem, warto wspomnieć, że Departament Energii USA podał, iż ponad 50% wszystkich systemów sprężonego powietrza ma problemy z wydajnością energetyczną. Eksperci w tym zakresie oszacowali również, że aż 30% wytworzonego medium jest tracone przez nieszczelności układów sprężonego powietrza.
Często w sytuacji, w której system sprężonego powietrza stara się sprostać obecnym wymaganiom zakładu, wynajmowane są sprężarki zapasowe, a następnie wykorzystywane są jako zabezpieczenia. Inną praktyką jest instalowanie dodatkowych sprężarek w istniejącym systemie. Generuje to niestety także straty w postaci czasu i wysiłku pracowników wkładanego w ich montaż. Obie strategie są drogie i zależą od wielkości potrzebnych sprężarek. Mogą oznaczać koszty rzędu setek tysięcy złotych oraz długoterminowe zwroty tych kwot.
Systemy sprężonego powietrza, niezależnie od orurowania, użytkowania i konstrukcji, z natury mają liczne przecieki. Wdrożenie programu zarządzania wyciekami sprężonego powietrza może być ekonomicznym i skutecznym sposobem poprawy wydajności każdego systemu sprężonego powietrza. Stworzenie programu do zarządzania nieszczelnościami sprężonego powietrza, który ma na celu identyfikację i naprawę przecieków sprężonego powietrza zanim staną się dużym problemem, może zaoszczędzić czas, energię i pieniądze. Właściwe planowanie i tworzenie świadomości poprzez edukowanie pracowników o tym, jak kosztowne mogą być wycieki gazu, jest nieodłącznym elementem sukcesu każdego planu zarządzania systemami sprężonego powietrza.
Najczęstszym zastosowaniem technologii ultradźwięków powietrznych, jest właśnie detekcja wycieków sprężonego powietrza i sprężonego gazu. Technologia ta jest narzędziem, które może mieć ogromny udział w zwrocie poniesionych strat na poziomie systemu sprężonego powietrza. Dzieje się tak dzięki możliwości lokalizacji wycieków gazu za pomocą ultradźwięków, a także w konsekwencji – dokonaniu niezbędnych napraw. Ostatnie postępy w wykrywaniu i raportowaniu wycieków sprężonego powietrza pozwalają na zmniejszenie poniesionych strat pieniężnych oraz zużycia medium energetycznego. Skuteczne ultradźwiękowe badanie szczelności układów sprężonego powietrza skupia się na siedmiu kluczowych czynnikach: ocenie, detekcji, identyfikacji, śledzeniu, naprawie, weryfikacji i ponownej ocenie. Realizując te etapy, typowy zakład produkcyjny może zmniejszyć straty energii o około 10-20%. Przykładowo, wyciek 1/8″, przy sprężonym powietrzu 7 bar oraz cenie równej 0,30 zł za kilowatogodzinę, przynosi roczny koszt 4000 zł.
Ultradźwięki powietrzne – jak to działa?
Istnieją trzy formy technologii ultradźwiękowej: puls/echo, ultradźwięki dużych mocy i powietrzne/strukturalne. Puls/echo to najbardziej znana forma ultradźwięków, jest ona wykorzystywana m.in. w medycynie przy wykonywaniu badań USG. Ultradźwięki dużych mocy stosowane są w myjkach ultradźwiękowych, gdzie emitowane są fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości.
Forma technologii ultradźwiękowej stosowanej do wykrywania wycieków sprężonego powietrza wykorzystuje ultradźwięki powietrzne. Są one zdefiniowane jako fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości, które wykraczają poza zakres ludzkiego słuchu. Jesteśmy w stanie odbierać dźwięk w zakresie częstotliwości od 20 Hz do 20 kHz, z górnym progiem normalnego ludzkiego słuchu między 16 kHz, a 17 kHz. Zasięg ultradźwiękowy zaczyna się od 20 kHz. Większość detektorów jest w stanie odbierać lub wykrywać fale ultradźwiękowe o wysokiej częstotliwości w zakresie od 20 kHz do 100 kHz. Do wykrywania nieszczelności z wykorzystaniem tej metody zaleca się detektor ultradźwiękowy, który ma funkcję dostosowywania częstotliwości, a sugerowana wartość to 40 kHz. W przypadku instrumentów ultradźwiękowych, które działają na stałej częstotliwości lub gdy opcja strojenia jej nie jest dostępna, 38 kHz jest standardowym ustawieniem.
Istnieją różne źródła dźwięku o wysokiej częstotliwości, możliwe do wykrycia przez instrumenty ultradźwiękowe. Dzieje się tak dzięki turbulencji tworzonej podczas wycieku gazu.
Prosta ilustracja turbulencji nieszczelności ciśnieniowej. Gaz pod ciśnieniem przepływa przez miejsce wycieku, wytwarzając turbulentny przepływ po stronie atmosfery, wykrywalny przez instrumenty ultradźwiękowe.
Turbulencje powstają, gdy sprężony gaz z rury czy zbiornika przedostaje się poprzez niewielką szczelinę do strefy z niskim lub atmosferycznym ciśnieniem. Turbulencje powstają również w przypadku nieszczelności powietrza lub wycieków ciśnieniowych. W przypadku nieszczelności próżniowych turbulencja znajduje się wewnątrz instalacji, co skutkuje małą ilością generowanych ultradźwięków. W związku z tym, ten typ wycieków jest trudniejszy do zlokalizowania przy pomocy detektora, niemniej jednak nadal jest to możliwe, jeśli występuje wystarczający szum ultradźwiękowy.
Inne źródła dźwięków o wysokiej częstotliwości obejmują jonizację, tarcie i uderzenia. Jonizacja występuje w elementach elektrycznych, gdy powietrze otaczające połączenie elektryczne staje się przewodnikiem i wytwarza jednostajny „buczący” dźwięk. Produktem ubocznym procesu jonizacji jest kwas azotowy. Tak więc, jeśli jonizacja będzie kontynuowana bez środków zaradczych, kwas azotowy spowoduje korozję prowadzącą do poważniejszych problemów takich jak ulot czy wyładowania łukowe.
Tarcie jest źródłem dźwięku o wysokiej częstotliwości, głównie w zakresie smarowania łożysk. Wraz ze wzrostem tarcia, zwiększa się także poziom decybeli oraz nasila się szum. W momencie osiągnięcia właściwej ilości smaru, poziom dB będzie stały. Gdy ilość środka smarnego na łożysku nie jest wystarczająca lub jest zbyt duża, stopniowo wzrasta zarówno tarcie, jak i szumy. Dzięki stosowaniu ultradźwięków w inspekcji pracy łożysk, można zapobiec ich awariom spowodowanym nadmiernym lub niedostatecznym smarowaniem.
Także uderzenie może być źródłem dźwięku o wysokiej częstotliwości, głównie w łożyskach wolnoobrotowych. Łożyska te (poniżej 50 obr./min) wytwarzają mało lub nie wytwarzają prawie wcale hałasu ultradźwiękowego. Jeżeli pojawiają się „trzaski”, może to wskazywać na występowanie nieprawidłowości oraz początek wczesnego etapu zmęczenia łożyska.
Ultradźwięki powietrzne oraz detekcja wycieków sprężonego powietrza
Po dokonaniu wyboru instrumentu ultradźwiękowego, który będzie wykorzystywany do wykrywania wycieków sprężonego powietrza, można rozpocząć planowanie inspekcji systemu sprężonego powietrza. Jedną z rzeczy, o której należy pamiętać podczas lokalizowania wycieków sprężonego powietrza w zakładzie, jest fakt, że dźwięk o wysokiej częstotliwości jest bardzo niskoenergetyczny. Taki dźwięk nie będzie przechodzić przez powierzchnie stałe, ale będzie się od nich odbijał. Dlatego ważne jest, aby skanować obszar we wszystkich kierunkach za pomocą detektora ultradźwiękowego. Jednocześnie należy dostosowywać czułość instrumentu, co umożliwi określenie wielkości wycieku. Większość instrumentów ultradźwiękowych jest wyposażona w sondę, którą umieszcza się na końcu modułu skanującego. Pozwala ona zawęzić pole odbioru, aby dokładniej określić lokalizację wycieku. Ta metoda detekcji wycieków sprężonego powietrza jest powszechnie określana jako metoda „Gross to Fine”.
Warto także zwrócić uwagę na przebieg trasy wykrywania wycieków. Zaleca się przejść ją jeszcze przed wykonaniem właściwej inspekcji. Inspektor powinien wykorzystać tę okazję do określenia konkretnych stref lub obszarów, w których wykorzystywane jest sprężone powietrze. Plany instalacji sprężonego powietrza są także przydatnym źródłem podczas pierwszego przejścia trasy. Należy odnotować wszelkie zagrożenia bezpieczeństwa i wszystkie obszary, w których dostęp może być utrudniony lub może wymagać użycia drabin, dodatkowych środków ochrony osobistej lub dostępu do zamkniętych stref. Można także wyszczególnić wszelkie oczywiste objawy niewłaściwego użycia sprężonego powietrza, potencjalne obszary wycieków i niewłaściwe instalacje rurociągów. Pomoże to w eliminacji wszelkich utrudnień oraz ułatwi pracę podczas detekcji. Częścią celu inspekcji szczelności sprężonego powietrza może być identyfikacja obszarów, w których sprężone powietrze jest niewłaściwie używane, i szukanie alternatyw, które mogłyby pełnić tę samą funkcję bez użycia kosztownego sprężonego powietrza.
Należy również rozważyć określenie rodzaju nieszczelności, które mogą być wykryte za pomocą ultradźwięków, takich jak nieszczelności w systemach sprężonego powietrz
a lub sprężonego gazu, wycieki podciśnienia czy wycieki czynnika chłodniczego. Po wykonaniu pierwszego przejścia, należy ustalić które obszary będą badane. Detekcję powinno się zacząć od sprężarkowni lub głównej instalacji, następnie kierując się w stronę odbiorników sprężonego powietrza. W przypadku zlokalizowania wycieku sprężonego powietrza, należy zastosować system znakowania, aby wskazać jego dokładne miejsce. Znacznik powinien zawierać informację o numerze wycieku, ciśnieniu, rodzaju sprężonego gazu, krótki opis miejsca i poziomu decybeli, który został wskazany na urządzeniu ultradźwiękowym po potwierdzeniu lokalizacji wycieku. Szacowany koszt strat powstających w danym miejscu, może być również pomocny w budowaniu świadomości kosztów związanych ze sprężonym powietrzem lub wyciekami sprężonego gazu.
Dokumentacja i raportowanie
Oprócz naprawy wycieków sprężonego powietrza, wykrytych podczas detekcji, sukces badania szczelności sprężonego powietrza w dużym stopniu zależy od raportowania i dokumentacji wyników inspekcji. Do celów dokumentacyjnych m.in. udostępniona została aplikacja Leak Survey. Aplikacja korzysta z danych pobranych bezpośrednio z detektora ultradźwiękowego UE Systems i umożliwia inspektorowi dokumentowanie znalezionych wycieki sprężonego powietrza i sprężonego gazu, a także związanych z nimi kosztów wycieków.
Powyższe obrazy pochodzą z aplikacji Leak Survey. Aplikacja dokumentuje i raportuje każde sprężone powietrze i wyciek sprężonego gazu znalezione podczas badania nieszczelności, w tym zdjęcia, opis lokalizacji, szacunkowy koszt i wielkość wycieku.
Określając koszty i wielkość wycieku sprężonego powietrza lub sprężonego gazu, należy pamiętać, że jest to wartość szacunkowa. Zależy ona od poziomu decybeli po zlokalizowaniu wycieku, kosztu za kilowatogodzinę energii elektrycznej oraz ciśnienia w miejscu wycieku. Aby określić dokładne ciśnienie najlepiej jest sprawdzić wartość na manometrze lub uzyskać informację od osoby, która jest odpowiedzialna za dany proces zakładu. W przypadku gazów technicznych, takich jak hel, azot lub argon, koszt wycieku zależy od poziomu decybeli w miejscu wycieku, ciśnienia i ceny gazu za m3.
Aby uzyskać najdokładniejszą wartość dB, inspektor powinien wykonywać pomiar detektorem ultradźwiękowym w odległości około 30-38cm od miejsca wycieku. Jeśli odczyty będzie robiony zbyt blisko, koszt wycieku zostanie zawyżony.
Przeprowadzono kilka niezależnych badań, porównując raport z detekcji wycieków z faktycznymi oszczędnościami energii. Stwierdzono, że badanie szczelności ultradźwiękami mieści się w granicach 20% rzeczywistych oszczędności wycieków sprężonego powietrza. Po prawidłowym wykonaniu oraz przeprowadzeniu napraw w miejscach nieszczelności, detekcja wycieków może w krótkim czasie przynieść olbrzymie zyski.
Wnioski
Sprężone powietrze jest drogim medium energetycznym. Często nie jesteśmy świadomi jego kosztów utrzymania. Dobrze wykonane badanie wycieku sprężonego powietrza uzależnione jest od przeprowadzenia go odpowiednim detektorem ultradźwiękowym dobranym do potrzeb zakładu oraz przeszkolenia personelu, który będzie wykonywał detekcje. Bardzo istotne jest też planowanie sposobu przeprowadzania badań poprzez wykonanie wstępnego przejścia, dokumentowanie wycieków i związanych z nimi kosztów i rozpoczęcie napraw po stwierdzeniu wycieków. Dzięki odpowiedniej dokumentacji i raportowaniu, detekcja wycieków sprężonego powietrza może przynieść zwrot poniesionych strat pieniężnych oraz oszczędności energii bez znaczących nakładów inwestycyjnych.