La Versatilità Della Termografia Nell'Industria Mineria

L'Infrarosso È Uno Strumento Di Monitoraggio Di Vitale Importanza In Ogni Fase Del Processo Estrattivo

In un settore in cui le condizioni atmosferiche e ambientali avverse sono la norma per molte migliaia di lavoratori, la termocamera si è dimostrata uno strumento affidabile per limitare i tempi di inattività non programmati, migliorare la sicurezza sul luogo di lavoro e risparmiare milioni di dollari in mancata produttività. Questa nota applicativa esplora il valore dell’integrazione di termocamere nel monitoraggio delle condizioni di “processo” (processo di estrazione del minerale dal minerale grezzo) e nei programmi di manutenzione predittiva per sistemi elettrici e meccanici di siti minerari. La nota accenna anche alle nuove applicazioni che si stanno diffondendo nell’industria mineraria.

La sfida

Per molti aspetti, un sito minerario è come una città in miniatura. È dotato di utility, strade, attrezzature di processo specializzate, norme e regolamenti di sicurezza, e di una forza lavoro dedicata e qualificata. L’attività in miniera prosegue ininterrottamente 24 ore al giorno, 365 giorni l’anno. Una complessa infrastruttura fornisce energia elettrica dalle sottostazioni interne, immette aria refrigerata in profondità nel sottosuolo ed estrae l’acqua per evitare allagamenti. Camion da 400 tonnellate, potenti pale (a gas ed elettriche), frantoi, mulini e impianti di lavorazione estraggono metalli preziosi o altri materiali utili dal minerale grezzo proveniente da chilometri di gallerie sotterranee o da centinaia di ettari di miniere a cielo aperto.

Le miniere hanno un consumo elettrico consistente, supportato da ottostazioni interne.

Il costo dei tempi di inattività

Il potenziale di reddito di una miniera è direttamente correlato alla produttività, che a sua volta è determinata dal corretto funzionamento di tutti i sistemi e dall’assenza di interruzioni impreviste. Un esempio pratico di questa equazione è il progetto Gold Bar, si stima che la nuova miniera avrà una produzione di 62.800 once d’oro l’anno, che se suddivise su 365 giorni l’anno di funzionamento ininterrotto, corrispondono a poco più di 172 once (4,9 kg) al giorno o 7,17 once (0,2 kg) l’ora. Ipotizzando il prezzo dell’oro a $1.200 per oncia, la perdita di profitto oraria causata da inattività sarebbe di $8.628. A questo ritmo, in meno di una settimana la miniera perderebbe un milione di dollari. Ovviamente l’entità della perdita dipende dalla capacità produttiva della miniera e dai costi operativi che certamente emergono dall’interruzione dell’attività.

La durata e la manutenzione delle attrezzature incidono pesantemente sui costi operativi di una miniera. Gran parte dell’attrezzatura è realizzata su specifica ed è talmente specializzata che una sostituzione è proibitiva in termini di costo. Con un costo per veicolo che può raggiungere anche milioni di dollari, le compagnie minerarie devono sfruttare al massimo i propri camion, pale e attrezzature di percolazione.

Manutenzione predittiva per l’industria mineraria

Per contrastare eventi di portata catastrofica come tempi di inattività o la rottura permanente di attrezzature, ridurre i premi assicurativi e migliorare la sicurezza dei lavoratori, le compagnie minerarie gestiscono programmi di manutenzione predittiva articolati, volti a garantire la fornitura ininterrotta di energia e la continuità operativa. Il numero di componenti delle squadre dedicate ai programmi di manutenzione dipende dall’estensione del sito minerario. Data la complessità dei sistemi elettrici e meccanici coinvolti nelle attività estrattive, queste squadre devono essere adeguatamente formate e conoscere profondamente le attrezzature minerarie, i sistemi di movimentazione e le infrastrutture elettriche. Per le compagnie minerarie è pratica comune esternalizzare alcune attività, mentre è economicamente più vantaggioso monitorare e manutenere le attrezzature con la forza lavoro interna. Indipendentemente da chi esegue la manutenzione predittiva, si dovranno affrontare alcune sfide specifiche per l’industria mineraria, tra cui:

Condizioni ambientali: Il lavoro nelle ore notturne, sottoterra e in condizioni di estremo caldo o freddo, o forte umidità, sono solo alcune delle sfide da affrontare durante il monitoraggio e la manutenzione delle attrezzature 24 ore su 24.

• Polvere: Il sito minerario, per sua natura, è un ambiente sporco. Ma alcune miniere sono peggio di altre. Ad esempio, nelle miniere di carbone sotterranee il problema delle polveri è più critico rispetto alle miniere di rame a cielo aperto o alle miniere d’oro.
  
• La svolta verso il digitale: L’industria mineraria sta scoprendo i vantaggi del digitale. Come in ogni settore, una maggiore velocità di accesso ai dati migliora rendimento e produttività. Servono soluzioni di monitoraggio digitale che producano dati in tempo reale su cui basare il processo decisionale, per massimizzare il ritorno sull’investimento (ROI).
  

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La soluzione

Più di 20 anni fa, Per Fostvedt, fondatore di Infrared Systems a Ogden in Utah, ha iniziato a promuovere l’imaging termico nelle attività estrattive come mezzo per migliorare i programmi di manutenzione predittiva e le lavorazioni. “Quando ho iniziato a contattare le compagnie minerarie per promuovere l’infrarosso, oltre 20 anni fa, la risposta è stata prevalentemente negativa. Infatti, a quel tempo, la filosofia di queste aziende era di sfruttare costantemente le attrezzature fino a una rottura, poi ripararle o sostituirle”, racconta Fostvedt.

Ma, nel corso degli anni, questa filosofia è stata superata. Una programmazione regolare degli interventi di manutenzione predittiva migliora la sicurezza dei lavoratori e consente di risparmiare tempo e denaro. Le termocamere sono divenute uno strumento di manutenzione predittiva di vitale importanza, soprattutto per i sistemi elettrici e meccanici, ma anche per il monitoraggio di molte attività di lavorazione e di percolazione.

La sicurezza dei lavoratori è una delle principali priorità dell’industria mineraria. Le compagnie minerarie sono in genere ben disposte a investire in soluzioni che migliorano la sicurezza.

Molte miniere dispongono di proprie termocamere e programmi applicativi, e i dipendenti sono tenuti a frequentare corsi di formazione sull’infrarosso per approfondire le sue applicazioni e apprendere il funzionamento delle termocamere. Infatti, a dimostrazione di quanto sia cambiata l’opinione dell’industria mineraria sull’importanza della termografia, da quando Fostvedt ha fondato la Infrared Systems, nel 2018 le compagnie minerarie di Elko nel Nevada hanno programmato e partecipato a tre corsi di certificazione termografica. Grazie al successo di questi eventi, per il 2019 le compagnie minerarie degli Stati Uniti sud-occidentali intendono proseguire ed eventualmente intensificare queste attività formative.

Le compagnie minerarie si avvalgono anche di professionisti esterni specializzati che devono essere in grado di raccogliere dati termografici di qualità, eseguire misurazioni accurate di temperatura e fornire informazioni tempestive sulle condizioni delle attrezzature in base all’analisi dei fenomeni di trasferimento di calore, con l’ausilio di analisi termografiche qualitative e quantitative. I consulenti esterni devono essere provvisti di opportune certificazioni rilasciate dalla Mining Safety and Health Administration (MSHA), aver conseguito formazione sui rischi e sulla sicurezza on site e fornire adeguate referenze. Gli operatori termografici esterni applicano procedure di ispezione idonee a interpretare particolari casistiche termiche, che talvolta si manifestano solo nel tempo.

ROI elettrico

Figura 1. Regolatore di tensione prossimo a guastarsi nella sottostazione di una miniera.

Le attività minerarie dipendono fortemente dall’energia elettrica per l’estrazione, il trasporto e la lavorazione del minerale, in quanto più efficiente, economica e più rispettosa dell’ambiente rispetto ai combustibili fossili (diesel). Rispetto alla maggior parte delle industrie, i siti minerari richiedono maggiore energia e tensioni più elevate. Infatti nel 2017 la U.S. Energy Information Administration ha collocato l’industria mineraria al terzo posto nella classifica sul consumo energetico, preceduta solo dalle industrie chimiche e di raffinazione.

L’energia elettrica viene distribuita in tutto il sito minerario a partire dalle sottostazioni, attraverso le linee di trasmissione ad alta tensione, fino alle sottostazioni mobili e ai trasformatori. L’immagine termica in Figura 1 mostra una terminazione del regolatore di tensione di una sottostazione prossimo a guastarsi. Questa sottostazione alimenta operazioni di vitale importanza, e un suo guasto avrebbe costretto a un fermo dell’impianto non pianificato, con perdite economiche quantificabili anche in milioni di dollari.

Figura 2. Terminazione di un contattore prossimo a guastarsi che alimenta un motore VFD.

La Figura 2 testimonia la rilevazione di una terminazione del contattore a 480 V in un quadro di comando motore (MCC - Motor Control Center) prossima a guastarsi, durante un’ispezione condotta da Fostvedt in un sito minerario. Il quadro MCC alimenta un motore VFD, il cui inaspettato guasto avrebbe potuto causare fino a 100.000 dollari di perdita per mancata produzione.

ROI meccanico

Secondo la Gates Corporation, i tempi di inattività non pianificati in un sito minerario si traducono in una perdita per mancata produzione di fino a 180.000 dollari per evento. Una delle attrezzature più costose che può incidere notevolmente sui costi è la pala a fune. La pala a fune è l’elemento fondamentale dell’attività mineraria. In caso di malfunzionamenti imprevisti, le conseguenze si ripercuotono sull’intero processo estrattivo. Difficilmente un sito minerario è equipaggiato con parti di ricambio per questa macchina e, a seconda del problema e dell’età della pala, il pezzo potrebbe anche non essere in produzione.

Figura 3. Il cilindro del braccio sinistro di questa pala a fune inizia a riscaldarsi per mancanza di lubrificazione.

I tempi di inattività possono protrarsi per giorni, motivo per cui è così importante una manutenzione programmata e regolare, che comprenda anche l’imaging termico. La manutenzione predittiva viene generalmente svolta una volta al mese in un turno di 12 ore. La possibilità di individuare un problema nel corso di un intervento di manutenzione programmata prima che si trasformi in un guasto serio, come ad esempio il surriscaldamento dei cilindri del braccio (figura 3), può fare la differenza tra un intervento correttivo eseguito durante un turno di 12 ore o la perdita oraria di 180.000 dollari per mancata produzione e l’acquisto di una nuova pala a fune elettrica da 7200 V per diversi milioni di dollari.

Altre applicazioni nel settore minerario

Le applicazioni dell’imaging termico nell’industria mineraria vanno ben oltre la manutenzione predittiva elettrica e meccanica, e si diversificano in base alla tipologia di attività estrattiva nei seguenti casi applicativi:

• Monitoraggio delle condizioni: Le termocamere fisse o montate su veicoli forniscono immagini e dati in tempo reale a una stazione di monitoraggio, che raccoglie informazioni sull’intero sito, dai gradienti di temperatura, agli armadi elettrici e alle sottostazioni. Nelle miniere in cui i processi sono gestiti in digitale, è possibile analizzare l’andamento nel tempo dei dati forniti dalle immagini termiche per prevedere i guasti con maggiore accuratezza, programmare finestre di manutenzione più brevi e ridurre al minimo i tempi di inattività della produzione.
• Protezione. Estensione del sito, accessibilità e sicurezza sono fattori che possono complicare il pattugliamento fisico dei perimetri di un sito minerario. L’installazione di termocamere e telecamere a colori ad alta definizione PTZ, combinate con moderne reti, applicazioni software e funzioni di analisi in cloud, consentono al centro di comando della miniera di monitorare l’intero sito da un’unica postazione
  
• Sicurezza. Le termocamere consentono di monitorare l’integrità delle pareti di una miniera e integrano i dati sulla stabilità necessari per stabilire se una zona è sicura e se i lavoratori possono accedervi.
  
• Finestre di ispezione IR: Gran parte delle nuove attrezzature per siti minerari devono essere dotate di finestre IR per agevolare e rendere più sicure le ispezioni termiche, in particolare per le apparecchiature elettriche. In numerose miniere si sta procedendo al retrofit delle vecchie attrezzature con l’installazione di finestre di ispezione IR.
  
• Droni: Il monitoraggio dall’alto con droni fornisce una prospettiva completa della distribuzione del calore, invisibile a occhio nudo, nei sistemi di trasmissione elettrica e nell’intero sito minerario.
  

Contribuire alla produttività e alla sicurezza in miniera

Le attrezzature per i siti minerari devono essere robuste. Anche se le termocamere vedono attraverso la polvere, un accumulo di polvere sull’obiettivo può comprometterne il funzionamento. Gli specialisti di implementazione di FLIR Systems, come Infrared Systems, utilizzano sistemi di soffiaggio permanenti per rimuovere la polvere dalle lenti delle termocamere IR fisse. Per le termocamere portatili, gli operatori spesso eseguono le ispezioni sigillando le termocamere in buste di plastica trasparente.

Indipendentemente dal metodo adottato, la termografia è diventata una risorsa affidabile per la manutenzione predittiva nell’industria mineraria. Fostvedt afferma: “L’IR è uno strumento fondamentale per monitorare i trasformatori che alimentano i sistemi di pompaggio dell’acqua, di refrigerazione, i processi, gli MCC e le sottostazioni, di superficie e sotterranee”.

La termografia è una tecnologia di differenziazione strategica, che aiuta le compagnie minerarie a svolgere il proprio lavoro con successo: seguire una vena ovunque si spinga, perché non si può mai prevedere il risultato di un carotaggio.