Termowizyjna diagnostyka krążników układu KTZ

Wykorzystanie zdjęć termowizyjnych staje się coraz bardziej popularne i stale zyskuje nowe pola zastosowań. W niektórych dziedzinach wykonywanie badań termowizyjnych jest już powszechne, a nawet uznawane za niezbędne.

Kamera termowizyjna opiera swoje działanie na zjawisku polegającym na emisji promieniowania elektromagnetycznego przez każde ciało, którego temperatura jest wyższa od bezwzględnego zera - temperatury minus 273,16^oC. Każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego jest źródłem promieniowania w paśmie podczerwieni, a jego intensywność zależy od temperatury i cech powierzchni ciała. Można powiedzieć, że aparatura termowizyjna jest odmianą telewizji wrażliwej na fragment zakresu promieniowania podczerwonego.

Kamera termowizyjna ThermaCAM P65.

Pomysł możliwości wykorzystania badań termowizyjnych na terenie KWB "Konin" narodził się przy współpracy służb mechanicznych, elektrycznych i górniczych, przy pełnym zaangażowaniu członków zarządu kopalni. Już dziś okazuje się, że była to bardzo słuszna decyzja.

W KWB "Konin" diagnostyka termowizyjna znalazła główne zastosowanie do kontroli układów KTZ. Obecnie długość przenośnikowych ciągów transportowych wynosi około 40 km, zabudowanych jest tam łącznie ponad 80 tys. krążników. Krążniki są elementami trasy przenośnikowej najczęściej ulegającymi awariom, uszkodzenia elementów wirujących z kolei stwarzają realne niebezpieczeństwo pożarowe, szczególnie na przenośnikach węglowych.

Ze względu na znaczne długości ciągów przenośnikowych, niezwykle istotną kwestią jest ciągły nadzór nad ich pracą i uzyskanie warunków, w których ta praca byłaby jak najmniej awaryjna. Kluczowym elementem diagnostyki termowizyjnej jest bezdotykowy pomiar temperatury badanych elementów, dzięki czemu kontrola układów transportowych przeprowadzana jest podczas pracy, co z kolei pozwala na uzyskanie wyników podczas rzeczywistej pracy elementów wirujących. Przeprowadzenie takiego badania pozwala na wychwycenie krążników, których temperatura pracy jest podwyższona (>20^oC) w odniesieniu do temperatury innych krążników pracujących w pracy ustalonej. Przyjęcie takiego kryterium wynikało z doświadczeń eksploatacyjnych, ponieważ w tym zakresie temperatur mieściło się ponad 99% krążników, natomiast temperatura pozostałych była zdecydowanie wyższa i po zdemontowaniu stwierdzono w nich uszkodzenia. Dzięki zastosowaniu diagnostyki termowizyjnej możliwe jest szybkie i precyzyjne określenie, które krążniki należy wymienić. Zminimalizowanie niebezpieczeństwa pożarowego tras przenośnikowych, głównie transportujących węgiel, jest także możliwe dzięki wskazaniu i wyeliminowaniu miejsc tarcia taśmy o stałe elementy konstrukcji przenośnika.

Innym stałym punktem działań Oddziału Kontroli Jakości (MKJ) jest prowadzenie badań termowizyjnych wysięgników koparek łańcuchowych pracujących na pokładzie węglowym oraz usypanych pryzm węglowych. Stała kontrola usypanych pryzm węgla brunatnego pozwala na bezpieczne składowanie tego surowca w okresie letnim, szczególnie w dniach silnie nasłonecznionych.

Na terenie KWB "Konin", oprócz diagnostyki ciągów przenośnikowych, badania termowizyjne znajdują szereg innych zastosowań. Oddział Kontroli Jakości wykorzystuje kamerę termowizyjną w badaniach obwodów elektrycznych, kontroli złączy kablowych i elementów szaf rozdzielczych. Posiadaną kamerę oddział wykorzystuje również w celu określenia izolacyjności poszczególnych elementów obiektów budowlanych znajdujących się na terenie kopalni, co służy zminimalizowaniu kosztów utraty energii cieplnej wewnątrz pomieszczeń w okresie zimowym.

Wszystkie przedstawione działania diagnostyki termowizyjnej przeprowadzanej przez oddział MKJ nie byłyby w pełni wartościowe, gdyby nie współpraca innych służb kopalni. Niezwykle istotne jest wzajemne współdziałanie i odpowiednia organizacja pionów górniczego, mechanicznego i elektrycznego.

Badania termowizyjne przenośników taśmowych prowadzone są według ustalonego harmonogramu, opracowanego i koordynowanego przez służby górnicze kopalni. Badania wykonywane są przez pięć dni w tygodniu, co pozwala na cykliczne, regularne badanie poszczególnych przenośników na wszystkich odkrywkach. Wszystkie wykryte nieprawidłowości są natychmiast zgłaszane służbom górniczym i w zależności od ich charakteru usuwane są w trybie natychmiastowym (uszkodzenia awaryjne) lub w najbliższym postoju (uszkodzenia wynikające z normalnej eksploatacji - niezagrażające utrzymaniu ruchu).

W KWB "Konin" Oddział Kontroli Jakości wykorzystuje kamerę termowizyjną ThermaCAM P65. Jest to kamera o zastosowaniu przemysłowym, odporna na pył i zalanie wodą, co jest niezwykle istotne ze względu na warunki, w jakich często przeprowadza się pomiary. Jest to lekka, przenośna kamera z wysokiej rozdzielczości wyświetlaczem LCD, zdolna do pracy przez ponad dwie godziny na jednym komplecie baterii. Zastosowane oprogramowanie pozwala na archiwizację wyników pomiarów, a także sporządzanie profesjonalnych raportów z przeprowadzonych badań.

Poniżej przedstawiono wyniki z niespełna rocznej diagnostyki termowizyjnej ciągów przenośników w KWB "Konin".

Przeprowadzanie diagnostyki termowizyjnej na terenie kopalni rozpoczęto w lutym 2008 roku. Ilości skontrolowanych ciągów przenośników przedstawia poniższa tabela.

W ciągu roku skontrolowano łącznie ponad 228 km ciągów, z czego ciągi nadkładowe stanowiły 63,5%, pozostałe (36,5%) to ciągi przenośnikowe transportujące węgiel. Łączna długość diagnozowanych przenośników wynika z faktu, iż badania termowizyjne przeprowadzane były w sposób cykliczny, czyli kilkakrotnie w roku skontrolowano ten sam odcinek trasy przenośnikowej.

Wyniki analizy porównawczej uszkodzeń tras przenośnikowych w KWB "Konin" w roku 2008

W związku z tym, iż znaczna ilość danych uzyskanych podczas rocznej diagnostyki tras przenośnikowych nie jest przejrzysta dla odbiorcy, przeprowadzono odpowiednią analizę tych wyników w celu właściwej ich wizualizacji.

Analiza częstotliwości uszkodzeń występujących na trasach przenośnikowych została przeprowadzona w odniesieniu do przetransportowanego urobku. W celu uwzględnienia kilku zmiennych, odzwierciedlających stan rzeczywisty pracy tras przenośnikowych, zdefiniowany został wskaźnik wykrytych uszkodzeń A_j.

A_j = (U/(L·S)) · 10⁶

gdzie:

U - ilość wykrytych uszkodzeń

L - długość przenośnika [ km ]

S - ilość przetransportowanego urobku [ m³, t ]

Obliczony wskaźnik A_j, zgodnie z przeznaczeniem - może jedynie służyć w celach porównawczych kolejnych miesięcy. Jest on miarą wykrytych uszkodzeń przy przetransportowaniu 1 mln m³ nadkładu lub 1 mln ton węgla, na odległość 1 km.

Należy jednak pamiętać, iż ze względu na nieregularny cykl badań termowizyjnych na ciągach przenośnikowych oraz brak uwzględnienia wymian krążników realizowanych przez oddziały górnicze podczas normalnej pracy przenośnika, nie można przeprowadzonej analizy traktować jako typowego raportu awaryjności.

W opracowaniu zastosowano podział na trzy rodzaje uszkodzeń, w zależności od charakteru ich występowania:

• uszkodzenia zdiagnozowane - suma znalezionych zdarzeń (niebezpieczne podcieranie konstrukcji taśmą, uszkodzone krążniki - o temp. pracy wyższej o ok. 20^oC w porównaniu z innymi krążnikami),
• uszkodzenia awaryjne - uszkodzenia dyskwalifikujące dalszą pracę (w przypadku krążników, temp. przekracza 100^oC ),
• uszkodzenia nieawaryjne - uszkodzenia zdiagnozowane, niewymagające natychmiastowej ich wymiany.

Na wykresach 1-6 zamieszczono średnie wartości obliczonych wskaźników uszkodzeń z wyszczególnieniem na rodzaj przenośnika (nadkładowe i węglowe), jak również ich linie trendów.

Średnia wartość wskaźnika uszkodzeń na trasach węglowych w KWB "Konin"

Wnioski:

1. Wykonując analizę z uwzględnieniem przyjętego wskaźnika uszkodzeń zauważono, że wyższą awaryjnością odznaczają się krążniki zabudowane na przenośnikach węglowych. Średnia wartość wskaźnika uszkodzeń zdiagnozowanych na trasach węglowych w KWB "Konin" wynosi A_j = 9,94, na trasach nadkładowych wynosi A_j = 4,32. Okazuje się więc, że wartość tak zdefiniowanego parametru jest w przypadku przenośników węglowych o 130% wyższa stosunku do nadkładowych. Sytuacja taka najprawdopodobniej wynika z faktu transportowania przez przenośnik węglowy znacznie mniejszej ilości urobku w porównaniu do przenośników nadkładowych. Wskazywałoby to, że o uszkodzeniach węzłów łożyskowych decyduje głównie ilość obrotów wykonanych przez krążnik, a w mniejszym stopniu ich obciążenie.
2. Na trasach węglowych w analizowanym okresie zaobserwowano spadek zdiagnozowanych uszkodzeń o około 70%. W przypadku uszkodzeń awaryjnych, po okresowym wzroście w połowie roku o około 35%, w ostatnich miesiącach roku 2008 widoczna jest sytuacja unormowana na poziomie A_j = 2. Należy jednak pamiętać, że wartość tego parametru uzależniona jest silnie od losowego charakteru pojawiania się uszkodzeń awaryjnych. Przyczyną chwilowego wzrostu wskaźnika w połowie roku może być również zmniejszona ilość transportowanego węgla w czerwcu, a należy pamiętać, że ilość transportowanego urobku silnie wpływa na wartość obliczonego wskaźnika uszkodzeń. Zanotowano jednocześnie bardzo duży spadek uszkodzeń nieawaryjnych (około 93%). Z uwagi na to, iż uszkodzenia nieawaryjne rozwijają się powoli, to właśnie ich spadek jest miarą skuteczności badań termowizyjnych ciągów przenośnikowych.
3. Na trasach nadkładowych w analizowanym okresie zaobserwowano spadek zdiagnozowanych uszkodzeń o około 90%. W przypadku uszkodzeń awaryjnych zanotowano spadek o około 70%, należy pamiętać o losowym charakterze pojawiania się uszkodzeń awaryjnych, po spadku może więc nastąpić wzrost. Zanotowano jednocześnie duży spadek uszkodzeń nieawaryjnych, na poziomie 98%.
4. Przeprowadzona analiza uwzględniająca ilość przenoszonego urobku potwierdziła wcześniej uzyskane wyniki, jeżeli chodzi o znaczny spadek występowania uszkodzeń na trasach przenośnikowych. Przy użyciu do oceny awaryjności parametru zaproponowanego w analizie zupełnie zmienił się jednak rozkład uszkodzeń na poszczególnych odkrywkach.

Przeprowadzona analiza bardzo przejrzyście pokazuje wymierne korzyści z zastosowania kamery termowizyjnej jako element diagnostyki ciągów przenośnikowych w KWB "Konin". Systematyczne badania termowizyjne w połączeniu w innymi badaniami diagnostycznymi stają się niezbędnym elementem monitoringu pracy ustalonej ciągów transportowych.

Przenośniki taśmowe są newralgicznym elementem każdej kopalni odkrywkowej, ponieważ ich awaria powoduje zatrzymanie całego ciągu technologicznego związanego z danym przenośnikiem. Właśnie z tego powodu tak ważnym zagadnieniem jest odpowiednio wczesne i precyzyjne wykrywanie uszkodzeń elementów przenośnika. Badania termowizyjne krążników są tylko jednym z elementów badań diagnostycznych, mających na celu zwiększenie niezawodności układu KTZ. W kopalni "Konin" wykonywane są także badania wibroakustyczne układów napędowych przy pomocy przenośnego analizatora drgań.

Kolejnym krokiem zwiększającym bezpieczeństwo pracy układów KTZ, zarówno jeśli chodzi o jego niezawodność, jak również bezpieczeństwo przeciwpożarowe, jest wprowadzenie ciągłego monitoringu elementów napędowych (wibroakustycznego i temperaturowego). Obecnie służby naczelnego inżyniera ds. energomaszynowych kopalni "Konin" rozeznają możliwość zastosowania tego typu rozwiązania na szczególnie newralgicznych przenośnikach.