Açık deniz rüzgar enerji sektörü büyüdükçe, bunları destekleyen gemilerin bakımı da giderek daha önemli hale geliyor. Bu çalışma, titreşim tabanlı yapısal sağlık izleme ile Mürettebat Transfer Gemisi (CTV)’ndeki dişli kutusunu izlemeye odaklanıyor. Dewesoft tabanlı uzun vadeli bir sistem, kritik verileri yakalayarak önleyici bakım sağlıyor ve zorlu deniz koşullarında geminin güvenilirliğini garanti ediyor.
Açık deniz rüzgar türbinlerinin birbirlerinden uzak konumları ve zorlu hava koşulları nedeniyle santrallerin bakımlarını yapmak oldukça zordur. Teknisyenleri ve yükleri bu açık deniz konumlarına taşımak için Mürettebat Transfer Gemilerinin (CTV) önemi burada ortaya çıkmaktadır. Hız ve çeviklik için özel olarak tasarlanan CTV’ler, hızlı manevralar yapabilir ve yüksek hızlara ulaşabilir.
Teknisyenlerin türbinlere güvenli ve verimli bir şekilde transfer edilebilmesi için CTV’ler, türbin yapılarına karşı iterek sabit bir konumda kalacak şekilde tasarlanmıştır. Ancak, dalgalar belirli bir yüksekliği aştığında bu konum bozulur ve bu durum sık sık meydana gelebilir, bu da transferleri güvenli hale getirmenize engel olur. Sonuç olarak, operatörler genellikle elverişsiz hava koşulları nedeniyle seferleri iptal etmek zorunda kalırlar.
Uygun koşullar sağlandığında CTV operasyonlarına olan talep artmaktadır. Bu yoğun kullanım, CTV’nin ana bileşenlerinin, özellikle ana motorlar ve pervaneler arasındaki dişli kutularının normal beklentilerin ötesinde aşınmasına neden olur. Durum bazlı bakım stratejisi, Titreşim Bazlı Yapısal Sağlık İzleme (VBSHM) sayesinde CTV’nin kullanılabilirliğini sağlamak için uygun bir çözümdür.
Titreşim Tabanlı Yapısal Sağlık İzleme (VBSHM)
Dişli kutularını hedefleyen sağlam bir titreşim tabanlı yapısal sağlık izleme işlemi, sistemi geliştirmeyi amaçlarken, yeterli bir veri tabanı kullanmak çok önemlidir. Bu nedenle, Dewesoft veri toplama sistemini kullanarak uzun vadeli bir izleme sağlanmıştır.
İzlemenin amacı, mevsimsel değişiklikler ve operasyonel değişkenlikler altında ve ideal olarak da dişli kutularındaki bozulmanın ilerlemesi sırasında dişli kutularının titreşim tepkisini ölçmektir. Bunu yakalamak için, izlemenin en az bir yıl ve tercihen daha uzun süre devam etmesi planlanmıştır. Bu amaçla, izleme yaklaşık on aydır devam etmektedir.
Görsel 1. Dewesoft sisteminin kurulduğu CTV (Mürettebat Transfer Gemisi)
Görsel 2. Rüzgar santralinde CTV çalışma anı
Yapısal Sağlık İzleme (SHM) sisteminin temel kavramı, bir yapıya monte edilmiş sensörlerden sürekli olarak veri toplamak ve analiz etmek suretiyle, belirlenen referans durumdan sapmaları tespit etmektir. Bu tür anomalileri tespit etmek, potansiyel hasarı gösterebilir ve kritik bir düzeye ulaşmadan erken teşhis yapılmasını sağlar. Ancak, değişken operasyonel ve çevresel koşullar referans durumunu değiştirebilir ve hasar tespiti daha zor hale gelebilir. Sağlam ve güvenilir bir Yapısal Sağlık İzleme (SHM) sistemi elde etmek için, bu değişkenliği hesaba katmak çok önemlidir.
Bu değişkenlik, çok çeşitli çevresel ve operasyonel koşullar altında sensör verilerinin toplanmasını gerektirir. Bu amaçla, uzun vadeli izleme için özel olarak tasarlanmış bir veri toplama sistemi Temmuz 2024’te bir CTV’ye kuruldu ve aktif olarak veri toplamaya devam ediyor.
Veri Toplama Sistemi ve Sensörler
- Uygun bir veri toplama sistemi seçerken birkaç parametre göz önünde bulundurulmuştur. En önemlilerinden biri, gerekli sensör türlerini ve bunlara karşılık gelen özellikleri belirlemektir. Bu durumda, üç tür sensör seçilmiştir: Titreşim tepkisini ölçmek için ivmeölçerler, ivmeölçerin çevresindeki ortam sıcaklığını ölçmek için sıcaklık sensörleri ve CTV’nin hareketini ölçmek için bir jiroskop (gyroscope).
- Piezoelektrik üç eksenli ivmeölçerler: Titreşim tepkisini ölçmek için piezoelektrik üç eksenli ivmeölçerler (MMF KS943B100) seçilmiştir ve her iki dişli kutusuna birer tane monte edilmiştir (Görsel 3). Bu sensörler üç gereksinimi karşılamaktadır. İlk olarak, sensörün çalışma sıcaklığı aralığı beklenen çalışma sıcaklığı aralığından daha geniştir. İkincisi, sensörün ölçüm aralığı 60g (pozitif/negatif) iken, beklenen aralık 50g (pozitif/negatif) ‘dir. Üçüncüsü, frekans bant genişliği, dişli kutusunun çalışma sırasında beklenen frekans içeriğinden daha geniştir.
- K tipi termokupl sıcaklık sensörü: Her bir ivmeölçerin yakınındaki ortam sıcaklığını ölçmek için K tipi termokupl sıcaklık sensörü seçilmiştir (Görsel 3).
- DS-GYRO1 atalet ölçüm ünitesi: Çalışma sırasında CTV’nin hareketini, ivme aralığı ve frekans bant genişliği açısından gemi hareketini ölçmek için yeterli olan MEMS tabanlı bir Atalet Ölçüm Ünitesi (IMU) olan DS-GYRO1 kullanarak ölçülmüştür (Görsel 4).
Ardından, DS-GYRO1 sensörünün zaman damgalarını senkronize ederken, ivmeölçerlerden ve sıcaklık sensöründen veri toplamak için bir veri toplama ünitesi gerekli olmuştur. Burada, çok yönlü 8 adet evrensel analog kanallı bir veri toplama sistemi olan DEWE-43A seçilmiştir (Görsel 5).
Bu ünite, DS-GYRO1’den gelen verileri senkronize ederken uygun bir örnekleme hızıyla sensör verilerini toplamada oldukça yeteneklidir. Ayrıca, sekiz dijital kanal ve iki CAN bus hattı kullanılmamakta ve gerektiğinde genişletme için kullanılabilir durumdadır.
Görsel 3. İvmeölçer ve sıcaklık sensörünün dişli kutusuna montajı
Görsel 4. Çalışma sırasında CTV’nin hareketini ölçmek için yerleştirilmiş DS-GYRO1
Görsel 5. DEWE-43A ünitesi
Kurulum
İvmeölçerler ve DS-GYRO1 sensörleri, yaklaşık 150 °C’ye kadar olan sıcaklıklarda mukavemetini koruyan özel bir epoksi yapıştırıcı kullanılarak monte edilmiştir. Buna karşılık, dişli kutularının yüzey sıcaklığı genellikle 50-60 °C’nin altında kalır. Sertleştiğinde, yapıştırıcının kayda değer bir sönümleme yaratmayacağı varsayılır. Tüm kablo bağlantıları, zamanla gevşemeyi önlemek için Loctite 243 ile sabitlenir.
Son olarak, titreşim kaynaklı hareketleri önlemek ve mürettebatın gerçekleştirdiği görevleri engellememelerini sağlamak için tüm kablolar makine dairesindeki çerçeve yapısına sağlam bir şekilde sabitlenmiştir. Sıcaklık sensörleri, Görsel 3’te görüldüğü gibi her bir ivmeölçere yakın bir yere takılmıştır.
DEWE-43A ünitesi, ek donanımla birlikte kapaklı plastik bir kutu içine yerleştirilmiştir. Ek donanım, Kesintisiz Güç Kaynağı (UPS), bir dizüstü bilgisayar ve harici 16 TB sabit diskten oluşur. UPS ünitesi, CTV’nin kıyı gücü ile jeneratör arasında geçiş yaparken ve tersi durumda güç kayıplarını azaltır.
Bilgisayar, DewesoftX yazılımını çalıştırırken, elde edilen verileri harici sabit diske kaydeder. Her ikisi de dış titreşimlerin etkisini sınırlamak için köpük üzerine monte edilmiştir. Plastik kutu, Görsel 6’da gösterildiği gibi, çalışma sırasında içini havalandırmak için küçük bir fan ile donatılmıştır.
Görsel 6. DEWE-43A ünitesi, UPS ünitesi, bilgisayar ve harici sabit disk içeren kutu
DewesoftX Kurulumu
DewesoftX veri toplama ve sinyal işleme yazılımında, hem depolama seçenekleri hem de sensörler için ayarları kolayca belirtilebilir. İlk olarak, ivmeölçerler ve sıcaklık sensörleri dahil olmak üzere DEWE-43A ünitesinin ayarları yapılandırılır.
İvmeölçerler, iç yatakların ve dişlilerin frekans imzalarının temel özellikler olduğu dişli kutularının titreşim tepkisini ölçer. Bu nedenle, Nyquist örnekleme teoremi uyarınca örnekleme frekansı, beklenen en yüksek frekans bileşeninin en az iki katı olmalıdır.
Tercihen, dişli mesafesi frekansının çoklu harmoniklerle de ilgili olabileceğinden, örnekleme frekansını daha da yüksek ayarlanmıştır. Ancak, aşırı yüksek örnekleme frekansı, büyük miktarda depolanan veriye yol açabilir. Sonuç olarak, ivmeölçerler için örnekleme frekansını 5000 Hz olarak ayarlanmıştır. Son olarak, Görsel 7’de gösterildiği gibi, ivmeölçerlerin her bir ekseninin kalibre edilmiş hassasiyetleri uygun şekilde eklenmiştir.
İki sıcaklık sensörünün örnekleme frekansı, dişli kutularının ve çevrenin yüksek termal ataleti nedeniyle sıcaklık değişikliklerinin kademeli olarak meydana gelmesi nedeniyle nispeten düşük, 10 Hz olarak ayarlanmıştır.
Görsel 7. DEWE-43A’da Analog Kanal Ayarları
CTV 24 saat boyunca çalışmaz. Genellikle CTV sabah limandan ayrılır ve akşam geri döner. Ayrıca, hava koşulları elverişsizse CTV limanda kalır. Bu dönemlerde motorlar çalışmaz. Bu nedenle, motorlar kapalıyken veri toplama işleminin devam etmesi istenmez. Bu ayar DewesoftX yazılımında tetikleyiciler aracılığıyla uygulanmıştır.
Bu durumda, yazılım iki ivmeölçer tarafından dikey yönde ölçülen ortalama ivmeyi hesaplar (bkz. Şekil 8) ve bunu veri toplama için tetikleyici olarak kullanır.
Görsel 8. Tetikleyicileri ayarlamak için formül yazımı
Başlangıç ve durdurma tetikleyicilerini ayarlamak için dikey yönde hesaplanan ortalama ivme kullanılmıştır. Değer 0,5 m/s²’yi aşarsa, veri toplama 10 saniyelik bir ön süre ile başlar. Değer 0,5 m/s²’nin altına düştüğünde, veri toplama 10 saniyelik bir son süre ile durur (Bkz.Görsel 9)
Aksi takdirde, depolamayı doğrudan harici sabit diske kaydetmek için ayarlamalar yapılmıştır. Yazılım, her 15 dakikada bir harici sabit diskte yeni bir dosya oluşturur. Bu depolama, veri toplama veya bilgisayar arızaları durumunda veri kaybını en aza indirir. Şekil 9 bu ayarları göstermektedir.
Görsel 9. Başlatma ve durdurma tetikleyicileri uygulanmış depolama kurulumu
DewesoftX yazılımında veri toplama ayarlarını belirledikten sonra, yazılım veri toplamaya hazır hale gelir. Tetikleme koşulu karşılandığında, yazılım durdurma tetikleme koşullarına ulaşana kadar veri toplamaya başlar.
Harici sabit diskin belleği, veri toplama işleminin aylarca sürmesini sağlar. Ancak, her şeyin beklendiği gibi çalıştığından emin olmak için sistem düzenli olarak kontrol edilmelidir. Ayrıca, inceleme sırasında harici sabit diskten veriler çıkartılmıştır.
Ölçümler
Veri toplama sisteminin incelenmesi sırasında, harici sabit diskten verileri çıkartılmıştır. Bu sayede bazı veriler analiz edilmiştir. Bu analiz, sistemin beklendiği gibi çalışıp çalışmadığını belirlemeye yardımcı olur.
İki ivmeölçerden elde edilen ham zaman serileri, iki sıcaklık sensöründen elde edilen verilerle birlikte yaklaşık beş saatlik bir süre için Görsel 10’da gösterilmektedir. Ayrıca, Görsel 10’da jiroskop tarafından ölçülen yön, eğim ve yuvarlanma değerleri de gösterilmektedir. Görsel, sistemdeki her kanalın makul bir çıktı sağladığını göstermektedir.
Görsel 10. Veri toplama sisteminde toplanan yaklaşık beş saatlik ham veriler
DewesoftX yazılımı, zaman içinde FFT analizine kolay erişim sağlar. Frekans içeriğinin analizi, veri kalitesinin pratik bir değerlendirmesini sağlar. FFT analizinde, dişliler ve dönme hızı gibi mekanik sistemden gelen frekans imzaları baskın olmalıdır (bkz. Görsel 11), burada çeşitli frekans tepe noktaları görülebilir. Sensörde gevşek bağlantılar veya başka sorunlar olursa, sinyal çoğunlukla gürültü olur ve frekans tepe noktaları olmaz.
Görsel 11. İvmeölçer 1’in Z ekseninin FFT analizi
İzlemede Yaşanılan Zorluklar
İzleme esnasında, sistemin düzenli denetimleri sırasında birkaç sorun tespit edilmiştir. Bu sorunlar veri toplama işlemini kesintiye uğrattı ve sürekli örnekleme bölümlerine neden oldu. Sistem tarafından çalışma süreleri ölçülmemiş olsa da, bu durum mevcut verilerin kullanılabilirliğini etkilememektedir. Her ne kadar aşağıda belirtilen sorunlar Dewesoft kaynaklı olmasa da benzer uygulamalara tavsiye niteliğinde bilgiler sizler için paylaşılmaktadır. Şimdiye kadar karşılaşılan sorunlar şunlardır:
- Ara sıra bilgisayarın yeniden başlatılması: Bunu önlemek için tüm ayarlar yapılmasına rağmen bilgisayar ara sıra yeniden başlatılmaktadır. Kullanılan bilgisayar normal bir dizüstü bilgisayardır, oysa veri toplama amacıyla özel olarak tasarlanmış bir bilgisayar tercih etmek daha sorunsuz bir veri toplama işlemi gerçekleştirmemizi sağlayacaktır.
- Sıkışmış bağlantılar: DEWE-43A ve DS-GYRO1’den bilgisayara giden USB bağlantıları, çalışma sırasında hafif hareketlere maruz kalmış ve bu da birkaç kez bilgisayarla bağlantının kesilmesine neden olmuştur. Şu anda, dizüstü bilgisayar, aşırı titreşimi önlemek için köpük pedlerle sabitlenmiştir.
- Arızalı bağlantı parçaları: Özel epoksi yapıştırıcı kullanılan sensör bağlantı parçası birkaç kez arızalanmıştır.
- Hasarlı sensör kablosu: Sensör ve kablo yakınında yapılan bir bakım çalışması sırasında sensör kablosu hasar görmüştür.
- Hasarlı ivmeölçer: Bir bakım çalışması sırasında ivmeölçerlerden biri de hasar görmüştür.
Her bir sorun tespit edilir edilmez ele alınmıştır; ancak, bu sorunların operasyonel bir ortamda veri toplama sistemi kurulduğunda da devam edebileceği bilinmelidir. Bu nedenle sistem kurulurken ya bu olumsuzlukları minimize edecek şekilde önlemler alınmalı ya da mümkünse belirli aralıklarla denetimler gerçekleştirilmelidir.