Audyt sprężonego powietrza po rozbudowie hali – jak wykryć zbyt małe przekroje istniejących rurociągów?

Po rozbudowie hali produkcyjnej sprężarka pracuje dłużej, manometr przy stacji sprężarek pokazuje prawidłowe ciśnienie, a nowe maszyny mimo to zgłaszają błędy pneumatyki. Problem często tkwi nie w wydajności sprężarki, lecz w istniejącej instalacji sprężonego powietrza, która została zaprojektowana dla znacznie mniejszego poboru. Dodatkowe stanowiska, dłuższe odgałęzienia i jednoczesna praca kilku urządzeń zwiększają przepływ przez stare rurociągi. Jeżeli ich przekroje są zbyt małe, rosną opory przepływu, a ciśnienie przy odbiornikach spada właśnie wtedy, gdy jest najbardziej potrzebne.

Audyt sprężonego powietrza po rozbudowie hali powinien więc zaczynać się od sprawdzenia, gdzie powstają straty ciśnienia i przy jakim obciążeniu. Dopiero takie pomiary pozwalają rozstrzygnąć, czy trzeba wymienić fragment magistrali, przebudować odgałęzienie, czy szukać przyczyny w filtrach, armaturze albo przyłączach maszyn.

Jak rozpoznać zbyt mały przekrój rurociągu podczas pomiarów ciśnienia?

Najbardziej charakterystycznym objawem niedowymiarowanego przewodu jest spadek ciśnienia narastający wraz ze wzrostem przepływu. Przy niewielkim poborze instalacja działa poprawnie, ale uruchomienie kilku odbiorników jednocześnie powoduje problemy. Siłowniki pneumatyczne pracują wolniej, chwytaki tracą siłę, a maszyny mogą zatrzymywać cykl z powodu zbyt niskiego ciśnienia zasilania.

Sam odczyt ciśnienia w sprężarkowni niewiele wyjaśnia. Potrzebne są jednoczesne pomiary w kilku punktach instalacji:

• Bezpośrednio przed i za układem uzdatniania, obejmującym osuszacz i filtry.
• Na początku oraz na końcu istniejącej magistrali.
• Przed i za odgałęzieniem zasilającym nową część hali.
• Bezpośrednio przy odbiorniku, najlepiej również za jego zespołem przygotowania powietrza.

Pomiary należy prowadzić podczas rzeczywistego szczytu produkcyjnego i porównać z wynikami uzyskanymi przy małym obciążeniu. Rejestratory ciśnienia muszą pracować ze zsynchronizowanym czasem, ponieważ odczyty wykonane kolejno nie pozwalają wiarygodnie porównać krótkotrwałych spadków. Dla szybko działających zaworów i siłowników potrzebna jest odpowiednio wysoka częstotliwość rejestracji, a nie tylko zapis średniej z jednej minuty.

Rozważmy hipotetyczny przykład zakładu, który do istniejącej hali dobudował linię pakowania. Podczas równoczesnej pracy maszyn pomiary pokazują:

• Za układem uzdatniania: 7,0 bar.
• Na końcu starej magistrali: 6,8 bar.
• Za odgałęzieniem prowadzącym do nowej hali: 6,2 bar.
• Na wejściu do maszyny, za lokalnym przygotowaniem powietrza: 5,9 bar.

Różnica 0,6 bar na odgałęzieniu jest wyraźnym sygnałem do sprawdzenia tego odcinka. Nie stanowi jednak samodzielnego dowodu, że winna jest średnica rury. Podobny efekt może powodować przymknięty zawór, zabrudzony filtr lub element o zbyt małej przepustowości.

Jeżeli przy niewielkim obciążeniu spadek na tym samym odgałęzieniu zmniejsza się do 0,05 bar, podejrzenie nadmiernych oporów przepływu staje się mocniejsze.

Producent Atlas Copco wskazuje 0,1 bar jako zalecany maksymalny spadek ciśnienia w przewodach stałej sieci dystrybucyjnej. To kryterium projektowe, a nie uniwersalna granica awarii. Straty na osuszaczu, filtrach, wężach i innych elementach należy analizować oddzielnie.

Równolegle z ciśnieniem trzeba rejestrować przepływ powietrza i stan pracy sprężarek. Jeżeli ciśnienie spada już za stacją sprężarek, przyczyną może być niewystarczająca wydajność wytwarzania. Jeśli natomiast stacja utrzymuje ciśnienie, a duża różnica pojawia się na konkretnym odcinku sieci, priorytetem jest diagnostyka dystrybucji powietrza, nie zakup kolejnej sprężarki.

Średnica wewnętrzna, kolana i szybkozłącza – gdzie naprawdę powstają straty?

Na starych instalacjach często można znaleźć przewody oznaczone tą samą średnicą nominalną, które mają różne średnice wewnętrzne. Wynika to z materiału, grubości ścianki i zastosowanego systemu rurowego. Do obliczeń hydraulicznych potrzebna jest rzeczywista średnica wewnętrzna, a nie sam napis DN na dokumentacji.

To istotne, ponieważ pole przekroju przewodu zależy od kwadratu jego średnicy. Przykładowo rura o średnicy wewnętrznej 40 mm ma pole przekroju około 1257 mm², natomiast przy 50 mm wynosi ono około 1963 mm². Różnica to ponad 56%. Przy identycznym przepływie większy przewód zapewnia znacznie mniejszą prędkość powietrza, co zwykle ogranicza straty ciśnienia.

Nie oznacza to, że każdy rurociąg należy wymieniać na największy dostępny. Dobór średnicy zależy od przepływu, ciśnienia roboczego, długości trasy i dopuszczalnej straty ciśnienia. Nadmierne przewymiarowanie podnosi koszt materiału, podpór i montażu, nie zawsze zapewniając uzasadnione korzyści.

Drugim częstym błędem jest obliczanie strat wyłącznie dla prostych odcinków rur. W rzeczywistej instalacji występują dodatkowe opory powodowane przez kolana, trójniki, zawory, redukcje i złącza. Ich wpływ można uwzględnić za pomocą długości zastępczych, dodawanych do długości geometrycznej przewodów, albo współczynników oporu miejscowego.

Przykładowo odgałęzienie ma 60 m prostej rury, ale zawiera kilka kolan, zawory i redukcje. Suma długości zastępczych tych elementów może sprawić, że obliczeniowo trasa będzie odpowiadać znacznie dłuższemu przewodowi. Konkretne wartości trzeba przyjąć z danych technicznych zastosowanej armatury, ponieważ różnice konstrukcyjne są istotne.

W audycie należy sprawdzić szczególnie:

• Szybkozłącza – ich nominalny rozmiar przyłącza nie gwarantuje odpowiedniego przelotu i przepustowości.
• Węże elastyczne – zbyt mała średnica wewnętrzna i nadmierna długość mogą powodować duży spadek ciśnienia.
• Filtry – zabrudzony wkład zwiększa opory, dlatego trzeba zmierzyć różnicę ciśnień przed i za filtrem oraz porównać ją z dokumentacją producenta.
• Zawory i reduktory – szczególnie elementy o niedostatecznej przepustowości lub pozostawione częściowo zamknięte.

Praktyczny przykład dotyczy stanowiska wyposażonego w duży siłownik, do którego doprowadzono powietrze przez długi, wąski wąż zakończony szybkozłączem o niewielkim przelocie. Wymiana kilkudziesięciu metrów magistrali niczego nie poprawi, jeśli największe dławienie znajduje się na ostatnich dwóch metrach przed maszyną.

Dlatego najpierw lokalizuje się stratę ciśnienia, a dopiero później wyznacza zakres wymiany. Modernizacja całej sieci na podstawie samego wieku rurociągów bywa kosztowna i niepotrzebna. Z drugiej strony pozostawienie wąskiego odcinka wspólnej magistrali, przez który przepływa powietrze do wszystkich nowych maszyn, może zniweczyć efekt wymiany samych przyłączy.

Modernizacja magistrali czy sieć pierścieniowa – które rozwiązanie wybrać?

Po potwierdzeniu nadmiernych strat ciśnienia trzeba zdecydować, jak zmienić instalację bez niepotrzebnego zatrzymywania produkcji. W praktyce rozpatruje się trzy możliwości: wymianę niedowymiarowanego odcinka, budowę dodatkowej drogi zasilania albo zastosowanie lokalnego zbiornika buforowego. Każda rozwiązuje inny problem.

Jeżeli pomiary pokazują, że największa strata występuje na jednej gałęzi prowadzącej do nowej linii, najprościej przeprojektować właśnie tę gałąź. Nową średnicę dobiera się na podstawie maksymalnego jednoczesnego poboru, ciśnienia wymaganego przy maszynie, długości trasy i charakterystyki armatury. Trzeba również uwzględnić planowane zwiększenie produkcji, ale bez zakładania nieograniczonej rozbudowy.

Sieć pierścieniowa ma sens, gdy wiele odbiorników znajduje się w różnych częściach rozległej hali. Połączenie magistrali w zamkniętą pętlę umożliwia dopływ powietrza z dwóch kierunków. Zmniejsza to obciążenie poszczególnych odcinków i może ograniczyć straty ciśnienia.

Załóżmy, że istniejąca magistrala biegnie wzdłuż jednej ściany hali, a nowe maszyny umieszczono na jej końcu. Zbudowanie drugiego przewodu i zamknięcie pierścienia może poprawić warunki zasilania. Rezultat zależy jednak od średnic i długości obu dróg przepływu. Samo wykonanie pętli nie gwarantuje równomiernego podziału strumienia.

W niewielkiej hali z jedną odległą maszyną budowa pełnego pierścienia może być nieuzasadniona ekonomicznie. Lepszym rozwiązaniem bywa osobna magistrala doprowadzona do odbiornika o dużym zapotrzebowaniu. W obu wariantach trzeba uwzględnić rozmieszczenie zaworów odcinających, dostęp serwisowy i możliwość prowadzenia prac etapami.

Inaczej należy traktować zbiorniki lokalne. Zbiornik sprężonego powietrza przy maszynie pomaga przy krótkich, intensywnych poborach, np. podczas jednoczesnego uruchomienia kilku siłowników. Jego zadaniem jest chwilowe dostarczenie zgromadzonego powietrza, a następnie uzupełnienie zapasu w okresie mniejszego zapotrzebowania.

Orientacyjna ilość dostępnego powietrza swobodnego z odbiornika o pojemności 500 l, przy spadku ciśnienia z 7 do 6 bar, wynosi około 500 litrów, przy założeniu podobnej temperatury i odniesienia do ciśnienia atmosferycznego około 1 bar. Rzeczywista ilość dostępna dla maszyny zależy również od minimalnego wymaganego ciśnienia, strat na przyłączach i przebiegu poboru. Zbiornik musi zostać odpowiednio dobrany i zabezpieczony jako urządzenie ciśnieniowe.

Jeżeli niedobór trwa przez całą zmianę, zbiornik nie naprawi zbyt małego przekroju magistrali. Po opróżnieniu jego użytecznego zapasu ciśnienie ponownie spadnie, ponieważ ograniczony rurociąg nadal nie dostarczy wymaganej ilości powietrza.

Podobnie ostrożnie należy podchodzić do zwiększania nastawy ciśnienia sprężarki. Wyższe ciśnienie oznacza większe zużycie energii i może nasilić straty na nieszczelnościach. Skalę tego wzrostu trzeba ocenić dla konkretnej sprężarki, ciśnienia i sposobu sterowania.

Zanim zostanie zatwierdzony projekt przebudowy, potrzebne jest porównanie strat ciśnienia, kosztu montażu, koniecznych przestojów i możliwości przyszłej rozbudowy. Istotne są też ograniczenia techniczne: wysokość prowadzenia rur, istniejące instalacje pod stropem, odporność materiałów na warunki pracy oraz wymagania dotyczące jakości sprężonego powietrza.

FAQ – najczęstsze pytania o audyt instalacji po rozbudowie hali

Czy prawidłowe ciśnienie przy sprężarce oznacza, że magistrala ma wystarczający przekrój?
Nie. Przy dużym poborze ciśnienie przy odbiorniku może być znacznie niższe. Konieczny jest jednoczesny pomiar na początku i końcu badanych odcinków.

Czy spadek ciśnienia zawsze oznacza za małą średnicę rury?
Nie. Podobne objawy wywołują zabrudzone filtry, wąskie szybkozłącza, niewłaściwe reduktory oraz częściowo zamknięte zawory.

Czy pomiary wystarczy wykonać podczas postoju części maszyn?
Nie. Audyt musi obejmować maksymalny reprezentatywny pobór oraz okresy małego obciążenia. Bez tego trudno ustalić, jak straty zależą od przepływu.

Kiedy opłaca się wykonać sieć pierścieniową?
Przede wszystkim w rozległych halach z wieloma odbiornikami i zmiennym zapotrzebowaniem. Dla pojedynczego odległego stanowiska często korzystniejszy jest odpowiednio dobrany przewód zasilający.

Czy dodatkowy zbiornik zastąpi wymianę zbyt wąskiego rurociągu?
Nie przy stałym niedoborze przepływu. Zbiornik może wspomagać krótkie szczyty poboru, jeśli instalacja ma możliwość odtworzenia zapasu między nimi.

Od czego zacząć audyt przed zakupem większej sprężarki?
Od rejestracji ciśnienia i przepływu podczas szczytowego obciążenia: za uzdatnianiem, na magistrali, na problematycznym odgałęzieniu i przy odbiorniku. Następnie trzeba porównać wyniki z pomiarami przy niskim poborze. Pierwszym wydatkiem powinno być ustalenie miejsca strat, nie zakup większej sprężarki.

Więcej informacji na: https://www.marcom-serwis.pl