Per decenni, i tecnici hanno spruzzato acqua saponata sulle linee di aria compressa, aspettando che le bolle rivelassero una perdita. Oggi, un rilevatore a ultrasuoni individua la perdita in pochi secondi: niente bolle, nessun fermo impianto, nessun dubbio.
Questo illustra l’evoluzione dai “trucchi” tradizionali alle pratiche di manutenzione avanzate, evidenziando l’importanza della manutenzione predittiva (PdM), che va ben oltre la semplice manutenzione basata sul tempo, basandosi su valutazioni accurate per individuare i problemi delle apparecchiature prima che si trasformino in guasti significativi.
L’analisi a ultrasuoni nelle soluzioni di manutenzione predittiva è una potente tecnica di Condition Monitoring utilizzata per rilevare difetti nascosti attraverso l’analisi di emissioni sonore ad alta frequenza. In quanto elemento chiave dei servizi di manutenzione predittiva, consente di individuare i problemi spesso molto prima che si verifichino guasti alle apparecchiature, riducendo così i fermi non pianificati e i costi associati. Fornendo dati acustici in tempo reale, l’analisi a ultrasuoni integra altre tecnologie predittive, aggiungendo un ulteriore livello di protezione ai processi decisionali della manutenzione.
Questo articolo funge da guida all’analisi a ultrasuoni, illustrandone il funzionamento, gli strumenti specifici utilizzati e la sua integrazione in un software di manutenzione predittiva. Inoltre, tratta i tipi di anomalie rilevabili con questo metodo, le apparecchiature comunemente monitorate e sia i vantaggi sia i limiti dell’uso degli ultrasuoni. Vengono inoltre evidenziati esempi reali e i benefici pratici derivanti dall’applicazione di questa potente tecnica in diversi settori industriali.
Indice dei contenuti
Che cos’è l’Analisi a Ultrasuoni?
L’analisi a ultrasuoni è una potente tecnica di Condition Monitoring non invasiva che misura e analizza emissioni sonore ad alta frequenza (tipicamente da 20 kHz a 100 kHz), generate da condizioni anomale o da difetti strutturali durante il funzionamento delle apparecchiature.
Questo metodo è ampiamente utilizzato nella manutenzione predittiva. La manutenzione predittiva consente di rilevare anomalie prima che si evolvano in guasti critici, integrando altre tecniche di Condition Monitoring come l’Analisi delle Vibrazioni, la Termografia a Infrarossi, l’Analisi dell’Olio, il Monitoraggio dell’Analisi Motori e l’Analisi della Corrente del Motore.
Tutte le apparecchiature operative producono rumore ultrasonico di fondo. Tuttavia, problemi come perdite di aria compressa, attrito nei cuscinetti, guasti nei sistemi a vapore o scariche elettriche generano segnali acustici distintivi, permettendo di distinguere tra suoni normali e anomali.
Nella manutenzione predittiva, i tecnici eseguono ispezioni a ultrasuoni utilizzando rilevatori portatili, microfoni direzionali o trasduttori montati permanentemente per individuare problemi molto prima che causino perdite di energia, danni ai componenti o fermi non pianificati.
Cosa mira a rilevare l’Analisi a Ultrasuoni?
L’analisi a ultrasuoni rileva un’ampia gamma di anomalie acustiche che minacciano l’affidabilità degli asset e le prestazioni operative. Spesso rappresentano i primi segnali di potenziali guasti, consentendo interventi tempestivi e una manutenzione più efficace. Sono fondamentali per la rilevazione precoce dei guasti, poiché le firme ultrasoniche anomale nelle emissioni acustiche indicano problemi molto prima che diventino visibili o rilevabili.
Ogni modalità di guasto genera un firma ultrasonica distinta, spesso udibile come impulsi o raffiche ritmiche nel segnale acustico. Queste onde acustiche forniscono indicatori precoci di problemi sottostanti, permettendo una diagnosi accurata e un monitoraggio nel tempo.
Dietro ogni firma ultrasonica si cela un fenomeno fisico: il flusso turbolento nelle perdite d’aria produce rumore a banda larga, mentre attrito, impatti o scariche elettriche generano impulsi ad alta frequenza.
L’Analisi a Ultrasuoni è una potente tecnica non invasiva di Condition Monitoring che misura e analizza emissioni sonore ad alta frequenza (tipicamente tra 20 kHz e 100 kHz, sia per via aerea sia trasmesse per via strutturale) generate dalle apparecchiature meccaniche, dai sistemi fluidici ed elettrici durante il normale funzionamento.
Tra le anomalie comunemente rilevate:
- Perdite di aria e gas: Sibilo continuo ad alta frequenza proveniente da raccordi, giunti, valvole, tubazioni o lungo un tubo.
- Usura dei cuscinetti e problemi di lubrificazione: Clic ritmici, crepitii o aumento dei livelli dB, indicativi di fenomeni di sfaldamento precoce, contatto metallo-metallo, lubrificazione insufficiente o applicazione scorretta del lubrificante.
- Guasti di valvole e scaricatori di condensa: Modelli ultrasonici irregolari o non ciclici che indicano blocchi, perdite o componenti bloccati.
- Scariche elettriche: Emissioni ad alta frequenza intermittenti o sostenute, come effetto corona, tracking o arco elettrico.
- Impatti meccanici: Rumore ultrasonico a banda larga o pulsato causato da collisione di ingranaggi, cavitazione nelle pompe o sviluppo di crepe, spesso con picchi irregolari.
Quali asset vengono tipicamente monitorati con l’Analisi a Ultrasuoni?
In pratica, l’analisi a ultrasuoni viene applicata a un’ampia gamma di apparecchiature meccaniche, sistemi fluidici e asset elettrici in ambienti industriali e di servizio. È particolarmente efficace nel monitorare apparecchiature in cui le emissioni ultrasoniche rappresentano un indicatore affidabile delle condizioni.
Anche piccole variazioni nei segnali acustici possono rivelare un degrado emergente, consentendo ai team di manutenzione di intervenire prima che prestazioni, sicurezza o efficienza vengano compromesse.
Gli asset comunemente monitorati includono:
- Scaricatori di condensa (meccanici, termodinamici, termostatici)
- Pompe (centrifughe e volumetriche)
- Cuscinetti e riduttori
- Linee di aria compressa e gas (tubazioni, giunti, connessioni rapide)
- Quadri elettrici e cabine
- Trasformatori e isolatori ad alta tensione
Come funziona l’Analisi a Ultrasuoni?
L’analisi a ultrasuoni è un processo sistematico che comprende le seguenti cinque fasi dettagliate:
- Implementazione tramite rilevatori portatili o sonde ultrasoniche montate permanentemente.
- Raccolta dati di emissioni acustiche ad alta frequenza (20 kHz – 100 kHz) da componenti come cuscinetti, valvole, scaricatori di condensa o punti di perdita.
- Trasformazione dei dati mediante eterodinia, rilevamento dell’inviluppo e analisi spettrale.
- Confronto con il valore di riferimento delle misurazioni rispetto a firme ultrasoniche normali in condizioni di carico e ambientali simili.
- Mappatura delle firme di guasto correlando i modelli acustici con una libreria di modalità di guasto note.
Fase 1: Modalità di implementazione
L’Ultrasound Analysis può essere implementata in due modalità: handheld mode e fixed-probe mode, a seconda della criticità dell’asset, dell’accessibilità e della frequenza di monitoraggio richiesta.
- Modalità portatile: in questa modalità, i tecnici utilizzano un rilevatore a ultrasuoni portatile dotato di sonde intercambiabili (airborne o a contatto). È comunemente impiegata per ispezioni di routine su cuscinetti, valvole, sistemi a vapore, perdite di aria compressa o guasti elettrici. I dispositivi portatili consentono una rapida localizzazione dei guasti e permettono ai team di manutenzione di eseguire controlli flessibili quando il monitoraggio continuo non è disponibile. Durante l’ispezione, i tecnici possono ascoltare i segnali in tempo reale tramite cuffie e registrare misurazioni per analisi di trend o attività diagnostiche.
- Modalità con sonda fissa: in questa modalità, i sensori a ultrasuoni vengono installati permanentemente su asset critici per garantire un monitoraggio continuo. È tipicamente utilizzata su apparecchiature ad alta criticità o difficilmente accessibili, come linee pressurizzate, scaricatori di condensa, cuscinetti critici o sistemi elettrici chiusi. Questi sensori trasmettono i dati direttamente a una piattaforma di Manutenzione Predittiva (PdM) o tramite un sistema di monitoraggio intermedio. In entrambi i casi, l’acquisizione automatica dei dati consente il rilevamento precoce delle anomalie, riducendo la necessità di ispezioni manuali e garantendo interventi tempestivi quando si verificano deviazioni rispetto ai valori di riferimento.
Fase 2: Raccolta dei dati
L’Analisi a Ultrasuoni acquisisce onde sonore ad alta frequenza (tipicamente comprese tra 20 kHz e 100 kHz), che si trovano al di sopra della soglia dell’udito umano.
I dati vengono raccolti utilizzando sensori a ultrasuoni posizionati in prossimità di potenziali fonti di guasto. I sensori a contatto vengono applicati su alloggiamenti di cuscinetti, corpi valvola o superfici accessibili per rilevare attrito interno, turbolenze o impatti meccanici. I sensori airborne, inclusi microfoni direzionali o parabole, captano emissioni ultrasoniche provenienti da perdite di aria compressa, sistemi di gas o quadri elettrici.
Durante la misurazione, il dispositivo acquisisce ed elabora il segnale in tempo reale senza richiedere configurazioni complesse. In condizioni operative stabili, lo strumento registra ampiezza (generalmente espressa in dB), contenuto in frequenza e caratteristiche temporali come impulsi o ripetitività. Questi dati costituiscono la base per l’analisi successiva.
Fase 3: Trasformazione dei dati
I segnali ultrasonici grezzi sono ad altissima frequenza e non possono essere interpretati direttamente dall’orecchio umano. Per renderli utilizzabili, viene applicato un processo chiamato eterodinia, che sposta le frequenze ultrasoniche nel range udibile. Questo consente agli operatori di ascoltare il segnale in tempo reale tramite cuffie o altoparlanti, trasformando segnali impercettibili in informazioni acustiche comprensibili.
Allo stesso tempo, il dispositivo registra parametri chiave come livello in decibel, forma d’onda e caratteristiche sonore distintive. Tecniche avanzate come rilevamento dell’inviluppo o demodulazione vengono applicate per migliorare la chiarezza del segnale e isolare pattern di guasto nascosti nel rumore di fondo.
I dati trasformati vengono visualizzati nel dominio del tempo, sotto forma di forme d’onda o grafici di trend. Combinando valutazione qualitativa (ascolto del segnale) e analisi quantitativa (interpretazione dei dati), tecnici e ingegneri PdM possono identificare con precisione anomalie emergenti.
Fase 4: Confronto con il valore di riferimento
Ogni punto di misurazione a ultrasuoni viene assegnato a un profilo di riferimento che rappresenta il livello normale in decibel e le caratteristiche del segnale dell’asset in condizioni operative sane. Questi valori di riferimento vengono solitamente stabiliti durante la messa in servizio o in un periodo di funzionamento noto come “buono” e devono essere registrati nelle stesse condizioni di carico, velocità e ambiente per garantire l’accuratezza.
Quando vengono acquisite nuove misurazioni, esse vengono confrontate con il profilo di riferimento. L’analisi esamina i valori dB attuali, la ripetitività della forma d’onda e le variazioni nelle caratteristiche del suono per identificare eventuali cambiamenti anomali.
I principali segnali di allarme includono aumenti significativi dei livelli in decibel, la comparsa di nuovi pattern di impatto o sottili variazioni nella struttura sonora che indicano un deterioramento progressivo dell’asset. Queste deviazioni sono forti indicatori di guasti in sviluppo come degrado dei cuscinetti, guasti degli steam traps o perdite, consentendo ai tecnici di intervenire prima che si verifichino rotture costose.
Fase 5: Mappatura delle firme di guasto
OUna volta rilevate le anomalie, i dati raccolti, trasformati e confrontati con il riferimento vengono interpretati analizzando specifici pattern sonori e caratteristiche del segnale in relazione a modalità di guasto note. Diverse tipologie di guasto generano firme ultrasoniche uniche, identificabili attraverso variazioni di ampiezza, forma d’onda, comportamento temporale e riproduzione eterodinata.
Nell’Ultrasound Analysis, le firme di guasto più comuni includono:
- Sibilo continuo ad alta frequenza, associato a perdite di aria o gas
- Scariche elettriche intermittenti o continue, come corona o arco elettrico
- Impulsi ritmici o clic periodici, collegati a difetti meccanici nei cuscinetti o negli ingranaggi
- Picchi improvvisi o transitori irregolari, legati a cavitazione, impatti o guasti delle valvole
Operatori esperti o sistemi diagnostici automatizzati confrontano le forme d’onda ultrasoniche e le loro caratteristiche (ampiezza, contenuto in frequenza e pattern di ripetizione) con librerie di guasti note, consentendo una classificazione accurata delle condizioni dell’asset e supportando interventi di manutenzione proattiva, spesso con l’ausilio di riproduzione audio e grafici di trend visivi.
Quali strumenti vengono utilizzati nell’Ultrasound Analysis?
Strumenti Hardware
Rilevatore Ultrasonico Portatile
Un Rilevatore Ultrasonico Portatile è ampiamente utilizzato per ispezioni basate su percorsi su asset meccanici, fluidici ed elettrici. Questo dispositivo portatile, spesso a forma di pistola, è dotato di display integrato, cuffie e funzionalità di registrazione dati.
La sua versatilità deriva da sonde intercambiabili, che consentono agli operatori di adattare il rilevatore a diverse applicazioni. Un sensore airborne viene tipicamente utilizzato per rilevare perdite e scariche elettriche, mentre una sonda a contatto viene applicata direttamente su componenti come cuscinetti, valvole o scaricatori di condensa per catturare segnali trasmessi per via strutturale. Per situazioni che richiedono ispezioni a distanza maggiore, come su tubazioni sopraelevate o quadri elettrici ad alta tensione, microfoni direzionali o accessori parabolici forniscono una rilevazione airborne potenziata. I modelli moderni, come SDT340 e SDT Flexible Airborne Sensor, sono esempi di apparecchiature ultrasoniche avanzate che combinano portabilità con funzionalità di rilevazione evolute, dimostrando come la tecnologia ultrasonica sia diventata indispensabile nei programmi di manutenzione predittiva.
Trasduttore Ultrasonico Fisso
Un Trasduttore Ultrasonico Fisso viene montato permanentemente su apparecchiature critiche per fornire continuous ultrasonic testing and monitoring of acoustic emissions. È tipicamente installato su componenti come alloggiamenti dei cuscinetti, riduttori o linee pressurizzate, dove il monitoraggio continuo è essenziale per rilevare precocemente segni di usura o perdite. Come altri strumenti di prova ultrasonica, questo trasduttore è generalmente collegato direttamente a sistemi di condition monitoring, consentendo streaming dei dati in tempo reale, avvisi automatici e analisi di trend a lungo termine. Garantendo un monitoraggio ininterrotto, riduce la dipendenza dalle ispezioni manuali e migliora l’affidabilità del rilevamento dei guasti. Un esempio ampiamente utilizzato sono i SDT CONMON Sense Sensors, che si integrano perfettamente con piattaforme di manutenzione predittiva per fornire insight acustici continui.
Strumenti software
Piattaforma di gestione e analisi dei dati a ultrasuoni
La piattaforma di gestione e analisi dei dati a ultrasuoni viene utilizzata per registrare, archiviare e visualizzare i dati di ispezione nel tempo, fornendo sia un contesto storico sia informazioni in tempo reale sullo stato degli asset.
Questa soluzione software può archiviare ogni ispezione come file digitale, mostrando risultati quali grafici di trend, forme d’onda temporali, riproduzione audio eterodinata, spettrogrammi e persino imaging acustico, consentendo un’analisi approfondita ben oltre ciò che è possibile sul campo. Consente inoltre ai tecnici di confrontare nuove misurazioni con soglie di riferimento e di generare automaticamente report dettagliati per i registri di manutenzione. Molte piattaforme supportano un’integrazione fluida con i sistemi di Manutenzione Predittiva, i CMMS o gli strumenti EAM, spesso sfruttando la connettività IoT per garantire che le anomalie rilevate dai sensori a ultrasuoni siano direttamente collegate a flussi di lavoro di manutenzione azionabili all’interno di un programma di monitoraggio strutturato. Un esempio chiave è la SDT Ultranalysis Suite (UAS), che combina capacità di analisi avanzate con una piena integrazione nei programmi di affidabilità.
Come si integra l’Ultrasound Analysis con una piattaforma di Manutenzione Predittiva?
I dati dell’Ultrasound Analysis, sia acquisiti tramite rilevatori portatili durante ispezioni basate su percorsi sia trasmessi continuamente da sensori ultrasonici IoT, confluiscono nella piattaforma PdM (ad esempio, I-see software).
Una volta caricati sulla piattaforma PdM, i dataset acustici vengono normalizzati e automaticamente associati ai metadati pertinenti dell’asset. La piattaforma elabora quindi i segnali ultrasonici attraverso un flusso strutturato di analisi che comprende:
- Creazione di grafici e analisi di trend per ogni lettura e pattern acustico rispetto ai valori di riferimento storici, confrontando misurazioni attuali come l’aumento dei livelli dB o cambiamenti nella qualità dell’audio eterodinato.
- Applicazione di regole di rilevamento anomalie o modelli di machine learning per identificare firme emergenti di attrito, perdite o scariche elettriche.
- Classificazione delle anomalie ultrasoniche per tipologia di guasto, inclusi usura dei cuscinetti, guasto degli scaricatori di condensa, perdite di aria o gas, deterioramento dei motori e archi elettrici.
- Attivazione di avvisi quando vengono superate soglie o regole di deviazione dai pattern, garantendo una notifica precoce dei problemi in sviluppo.
- Suggerimento di azioni correttive o generazione di ordini di lavoro nei sistemi CMMS o ERP per consentire interventi tempestivi e prioritizzati all’interno dei flussi di manutenzione standard.
Quali sono i vantaggi dell’Ultrasound Analysis?
Rivelando anomalie acustiche altrimenti non rilevabili in modo immediato e affidabile, l’Ultrasound condition monitoring si distingue per quattro vantaggi chiave.
Il primo è la sua capacità di individuare perdite microscopiche in sistemi di aria compressa, vuoto, vapore o gas con una sensibilità senza pari. Questo la rende uno strumento potente per ridurre le perdite energetiche e migliorare l’efficienza complessiva del sistema e della produzione.
Un altro grande punto di forza di questa tecnologia è la sua efficacia in ambienti estremamente rumorosi. A differenza di metodi come l’Analisi delle Vibrazioni o il monitoraggio convenzionale del livello sonoro, che possono essere influenzati dal rumore ambientale e richiedono un buon accoppiamento meccanico, l’Ultrasound Analysis isola i segnali ad alta frequenza, consentendo di rilevare anomalie anche in condizioni industriali difficili.
L’Ultrasound Analysis fornisce inoltre un feedback audio immediato e in tempo reale. Ascoltando i segnali eterodinati tramite cuffie, gli ispettori possono confermare e localizzare i guasti istantaneamente su macchine critiche, accelerando le ispezioni.
Infine, l’ultrasound eccelle nel rilevare scariche elettriche in fase iniziale come corona e tracking, oltre a eventi più gravi come l’arco elettrico, insieme ad anomalie da attrito in cuscinetti, alberi motore e altri componenti rotanti. Questi problemi spesso rimangono invisibili all’Analisi delle Vibrazioni e vengono solitamente rilevati troppo tardi dalla Termografia a Infrarossi, conferendo all’Ultrasound Analysis un vantaggio decisivo nel rilevamento precoce dei guasti e rendendola uno strumento prezioso in un programma di manutenzione predittiva.
Quante anomalie nascoste stanno drenando i vostri asset senza essere notate?
Perdite d’aria, guasti degli scaricatori di condensa, attrito nei cuscinetti o scariche elettriche spesso rimangono inosservati finché non causano sprechi energetici, degrado delle apparecchiature o costosi fermi non pianificati.
Con i servizi di Ultrasound Analysis di I-care, queste anomalie nascoste vengono rilevate precocemente, sia tramite ispezioni portatili sia tramite monitoraggio IoT continuo, consentendo ai team di manutenzione di intervenire prima che si verifichino guasti e si accumulino perdite energetiche.
Trasformate anomalie impercettibili in informazioni azionabili.
Quali sono le limitazioni dell’Ultrasound Analysis?
Sebbene l’Ultrasound Analysis sia uno strumento prezioso per applicazioni meccaniche, fluidiche ed elettriche, presenta alcune limitazioni che possono influenzare l’accuratezza diagnostica:
- Rileva solo guasti che emettono suoni ad alta frequenza, rendendo la tecnica inefficace per problemi silenziosi o a bassa frequenza.
- Dipende fortemente dalle competenze dell’operatore, poiché la corretta distinzione tra segnali ultrasonici normali e anomali richiede formazione ed esperienza.
- Offre una profondità di penetrazione limitata, riducendo l’efficacia nel rilevamento di guasti meccanici interni profondi.
- Richiede linea di vista diretta o percorsi acustici liberi, poiché barriere solide o asset fortemente incapsulati riducono significativamente le prestazioni.
Esempio reale di utilizzo
In un impianto di processo chimico, rilevatori ultrasonici portatili sono stati utilizzati per il test a ultrasuoni di scaricatori di condensa all’interno di una rete di scambiatori di calore. Utilizzando sonde a contatto, i tecnici sono stati in grado di misurare impulsi irregolari, tipica firma di perdite di vapore da scaricatori che non ciclavano correttamente.
Le registrazioni sono state caricate nella piattaforma PdM, dove l’analisi dei trend ha confrontato i livelli in decibel e i pattern sonori con i valori storici di riferimento. Il sistema ha automaticamente segnalato l’anomalia, indicando scaricatori bloccati in posizione aperta che disperdevano vapore vivo. I team di manutenzione hanno potuto pianificare un fermo mirato per sostituire gli scaricatori difettosi prima che causassero costosi tempi di inattività. Il rilevamento precoce in questa fase ha eliminato perdite energetiche inutili, identificato perdite su una valvola del compressore, prevenuto colpi d’ariete nel sistema di tubazioni e ripristinato le prestazioni ottimali di scambiatori di calore e motori, salvaguardando la salute delle apparecchiature e la stabilità dell’impianto.
Competenze e formazione necessarie
L’Ultrasound Analysis richiede un insieme di competenze che va dalle ispezioni acustiche di base fino a un’interpretazione avanzata del segnale, a seconda della profondità dell’applicazione.
Competenze richieste
L’Ultrasound Analysis richiede un livello di competenza da base a intermedio, a seconda che l’obiettivo sia l’ispezione di routine o la diagnostica avanzata. A livello base, gli ispettori devono avere una solida comprensione dei principi acustici, del comportamento del segnale e dell’uso corretto dei rilevatori ultrasonici, sia con sensori airborne per perdite e scariche elettriche sia con sonde a contatto per cuscinetti, valvole e scaricatori di condensa.
Devono essere in grado di eseguire misurazioni coerenti, ascoltare segnali eterodinati tramite cuffie e combinare i risultati con un’ispezione visiva quando necessario per riconoscere suoni di guasto comuni come perdite, archi elettrici o attrito nei cuscinetti. Con questa base, i tecnici possono svolgere in modo affidabile attività come rilevamento perdite, test degli scaricatori di condensa e valutazioni di base delle condizioni dopo aver completato una formazione introduttiva.
Le analisi e le diagnosi più avanzate richiedono una conoscenza approfondita delle onde ultrasoniche e del loro comportamento, delle tecniche di rilevamento dell’inviluppo e dell’andamento dei livelli dB con variazioni di velocità (RPM). Gli analisti qualificati devono distinguere tra profili normali e anomali, correlare pattern specifici ai tipi di guasto e utilizzare software specializzati per interpretare forme d’onda e spettrogrammi. A questo livello, una diagnosi efficace si basa non solo su competenze tecniche ma anche sulla consapevolezza contestuale delle condizioni operative degli asset. Per raggiungere tale competenza, i professionisti necessitano di certificazioni formali e ampia esperienza sul campo su diverse tipologie di apparecchiature.
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