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Tratamento e Prevenção de Formação de Verniz em Turbomáquinas

Hoje vamos falar um pouco sobre a necessidade de realizar o tratamento e prevenção de formação de verniz em turbomáquina.

As condições operacionais cada vez mais severas das turbinas tanto a vapor como a gás, incluindo variações de temperatura mais amplas devido à operação cíclica de parada/partida, que conforme veremos, favorece em alguns casos na formação de verniz nas superfícies críticas dos componentes da turbina.

A variação de temperatura no óleo da turbina pode resultar em oxidação e degradação térmica inicialmente causada por temperaturas elevadas do óleo, seguidas pela deposição de verniz, resultando em problemas principalmente, mas não exclusivamente em válvulas críticas à medida que o óleo esfria.

Como você deve imaginar, as válvulas emperradas, por sua vez, podem causar paradas não programadas, custos adicionais de manutenção e menor produtividade. Ou até mesmo causa de falhas mais sérias associadas com a segurança da turbina.

Obviamente, já sabemos que o óleo deve refrigerar os sistemas, inibir adequadamente a formação de ferrugem e corrosão, separar a água rapidamente, possuir propriedades antiespumantes e ser facilmente filtrável entre outros objetivos.

Esses requisitos operacionais desafiadores e o desejo de prolongar a vida útil do óleo da turbina exigem uma tecnologia específica e robusta em combinação com um bom programa de conservação e manutenção do óleo de turbinas.

As formulações de óleo de turbina devem possuir propriedades muito específicas para que o óleo forneça proteção adequada para ela. Para evitar o contato de metal com metal, os óleos precisam ter a viscosidade correta para uma determinada aplicação, a fim de fornecer um bom filme de óleo para os mancais.

Os óleos devem liberar proporções de ar rapidamente para ajudar a prevenir a cavitação, mas também não devem causar espuma excessiva. A inibição de ferrugem e corrosão é uma necessidade básica para garantir que todos os principais componentes da turbina sejam protegidos.

Principalmente em turbinas a vapor onde a contaminação da água é uma preocupação recorrente, o óleo da turbina deve ser capaz de separar de forma eficaz e muito rápida a presença de água.

Se a água não puder ser separada do óleo, pode se formar uma emulsão de óleo em água que vai interferir na película de óleo necessária para as cargas suportadas pelos mancais.

Características dos Óleos de Turbinas a Vapor

Ao contrário dos conhecidos óleos de motor, que podem conter de 20 a 30% de aditivos, as formulações típicas do óleo para turbina contêm aproximadamente 99% de óleo base e apenas 1% de aditivo.

Embora pequeno em quantidade, o aditivo usado em óleos de turbina tem um grande trabalho a realizar. Os sistemas aditivos de óleo de turbina são projetados para minimizar a espuma, fornecer proteção contra ferrugem e corrosão e ajudar a separar a água muito rapidamente para que ela possa ser removida.

Como se espera que os óleos de turbina durem bastante tempo, em média mais de 7 anos para turbinas a gás e até mais de 20 anos para turbinas a vapor. O aditivo deve conter um sistema antioxidante robusto.

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Tanto o óleo básico quanto o aditivo desempenham papéis muito importantes no desempenho do lubrificante. O aditivo em si realiza um equilíbrio minucioso de antioxidantes, inibidores de ferrugem e corrosão, desemulsificantes, antiespumantes e redutores de ponto de fluidez.

No caso de sistemas de turbinas com redutores e giro lento, geralmente também está presente um aditivo antidesgaste. A combinação certa de aditivos e óleo base é fundamental para minimizar o impacto da oxidação e degradação térmica que pode levar à formação de borra e verniz, também chamado de “lodo”.

Os lubrificantes mais comuns usados atualmente em turbinas são baseados em formulações que utilizam óleos minerais em combinação com um sistema aditivo.

As características de desempenho recomendadas do óleo de turbina variam de acordo com a aplicação das turbinas, se é a vapor ou a gás e ainda para serviços extremos.

Um óleo de turbina a vapor bem conservado com taxas de reposição moderadas pode durar de 20 até 30 anos.

Quando o óleo da turbina falha precocemente devido à oxidação, geralmente é devido à contaminação por água. Mas não somente por ela.

Os fatores mais importantes que afetam a vida útil de um óleo lubrificante de turbina são as condições de operação dentro do sistema. Ar (oxigênio), temperaturas operacionais elevadas, metais e água (umidade) estão sempre presentes até certo ponto nesses sistemas de óleo.

Durante a operação típica de uma turbina a vapor, quantidades variáveis de água serão constantemente introduzidas nos sistemas de lubrificação da turbina a vapor através do vazamento de vapor da selagem. Por melhor que seja o sistema, a atmosfera envolta da turbina, por si só, pode apresentar elevada umidade.

Como o eixo da turbina passa pela carcaça dela, são necessárias vedações de vapor de baixa pressão para minimizar o vazamento de vapor ou entrada de ar no condensador prejudicando o vácuo.

A água ou o vapor condensado geralmente são canalizados para fora do sistema de lubrificação, mas, inevitavelmente, um pouco de água sempre penetra na carcaça e entra no sistema de lubrificação. A condição de vedação de vapor, a pressão do vapor de vedação e a condição da extração de condensado da selagem, afetarão a quantidade de água introduzida no sistema de lubrificação de forma direta ou indireta.

Normalmente, os sistemas de vedação de vapor e o fluxo de óleo decorrente de alta velocidade criam um vácuo que pode levar o vapor pelas vedações do eixo para o mancal e por consequência para o sistema de lubrificação.

O que é o Verniz?

O intenso atrito, calor e entrada de ar no sistema durante a operação de turbinas provocam a oxidação do óleo utilizado, o que resulta na formação de ácidos, polímeros e outros depósitos insolúveis, estes, por sua vez, formam o verniz nas superfícies metálicas como mancais radiais e de empuxo, válvulas de regulagem, sistemas de controle, filtros, tanque, tubulações e trocadores de calor, conforme veremos a frente.

O verniz é uma espécie de película pegajosa com aparência e consistência de cola, que prende ainda mais outras partículas no sistema da turbina e que se acumulam com o tempo podendo reduzir a eficiência operacional ou até mesmo paralisar as turbinas e consequentemente a geração de energia, que obviamente pode custar caro, necessitar manutenção, substituição e tempo de inatividade que a depender da planta de geração, pode gerar prejuízos na casa dos milhões de reais.

Meu objetivo com essa série de vídeos é obviamente falar sobre o verniz, o que é o verniz, sua formação, problemas decorrentes e outros aspectos. Mas mais do que isso, é tentar auxiliar você no sentido de compreender que você não precisa apenas monitorar, mas que também pode e talvez deveria resolver completamente o problema de acúmulo de verniz e eu vou te mostrar como ao longo dos vídeos dessa série..

A existência do verniz no sistema pode interromper a transferência de calor do sistema de lubrificação, levando ao aumento das temperaturas dos componentes mencionados e que podem causar tempo de inatividade e menor produtividade seja por meio de trip, paradas não programadas ou falha total da turbina.

A temperatura desempenha um papel significativo na formação do verniz. Quando a temperatura de operação aumenta, também aumenta a taxa de oxidação e degradação térmica do óleo da turbina, isso significa que as condições de formação do verniz evoluem exponencialmente em função do tempo e gravidade em temperaturas mais altas.

Como uma regra geral, estudos revelam que para cada aumento de 10°C na temperatura, a taxa de oxidação dobra. Lei de Arrhenius.

Tratamento e Prevenção de Formação de Verniz em Turbomáquina

A temperatura do óleo afeta diretamente as solubilidades de todas as espécies nele dissolvidas. À medida que a temperatura diminui, também diminui a solubilidade do verniz e seus precursores. Aqui uma ilustração para evidenciar o que estou falando.

No vídeo à esquerda, o fluido não contém contaminação por verniz solúvel, o fluido à direita sim.

À medida que o fluido esfria, a solubilidade dos contaminantes do verniz diminui, fazendo com que eles se tornem insolúveis e saiam da solução. Este mesmo processo é responsável pela precipitação de depósitos de verniz em regiões mais frias do sistema de circulação de lubrificante de uma turbina.

Como os metais são mais polares do que a base do lubrificante, ou seja, apresentam resposta magnética quando expostos a um campo magnético, os vernizes polares precipitados preferem aderir ao metal e formar depósitos potencialmente prejudiciais.

Quando o nível de precursores de verniz em um lubrificante está próximo do ponto de saturação do fluido, é muito provável que ocorra envernizamento em regiões mais frias.

Formação do Verniz no Óleo de Turbomáquinas

O assunto sobre formação de depósitos e verniz em óleos de turbinas não é novo, e como o projeto e as características operacionais das turbinas evoluem a níveis cada vez mais críticos, esses óleos enfrentam níveis crescentes de estresse que pode levar a um resultado de início de formação do verniz mais cedo do que o esperado.

Vários fatores já foram identificados como indutores para a formação de verniz em turbinas.

Estudos recentes revelaram que o envernizamento do óleo é geralmente o resultado de uma cadeia complexa de eventos. Para iniciar nesta cadeia de eventos, as moléculas de óleo devem ser quebradas. Os mecanismos responsáveis por quebrarem as moléculas de óleo se enquadram nessas categorias gerais: química, mecânica e térmica.

Talvez a principal razão como já abordamos seja a temperatura de degradação e oxidação de óleos pelo calor dissipado em função do vapor superaquecido em uma turbina a vapor ou a combustão de gases em uma turbina a gás por exemplo

Como todas as outras reações químicas, a taxa de oxidação é limitada por uma regra já estudada e conhecida, que afirma que para cada aumento de 10°C na temperatura operacional acima de 60°C, a taxa de oxidação dobra. Equação de Arrhenius

Em aplicações de turbinas a vapor é comum encontrar temperaturas médias de mancal de até 100°C e nos tanques temperaturas médias do óleo lubrificante de 80ºC.

Um óleo mineral convencional e comum em turbinas a vapor como um VG 32, 46 e até o 68 começará a oxidar rapidamente em temperaturas acima de 82ºC.

Antioxidantes de alta qualidade podem retardar a oxidação térmica. Mas por aí já percebemos o motivo das turbinas serem propícias a apresentarem a formação de verniz. Seja pela presença de vapor, umidade e alta temperatura no sistema.

A degradação também pode ocorrer pela compressão de bolhas de ar arrastada no óleo (microdieseling), e descarga eletrostática levando a pontos quentes localizados no óleo e, portanto, favorecendo sua decomposição.

Como também já falamos, o verniz é composto principalmente de resíduos orgânicos e não é facilmente removido com a limpeza mecânica ou química.

É mais comumente definido pela intensidade da cor que pode ser marrom avermelhado a preto dependendo do fator originário, outros apelidam de “cor de ouro”

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Teste de Formação de Verniz no Óleo

Como resultado do potencial de dispendioso tempo de inatividade da turbina associado ao envernizamento, é importante que a propensão de um lubrificante para formar depósitos de verniz seja determinada.

Então o primeiro passo para tratar sobre o assunto de verniz na sua turbina é saber qual a taxa ou fase de propensão para a formação de verniz no seu óleo.

Você já tem esse indicativo?

A maioria dos usuários de turbinas testa seus lubrificantes quanto ao potencial de verniz usando técnicas amplamente adotadas, incluindo a análise de espectrofotometria quantitativa, que a grosso modo consiste em medir o quanto uma substância química absorve a luz através da medição da intensidade de passagem de um feixe de luz entre o óleo e o teste padronizado MPC Análise Colorimétrica de Membrana (ASTM 7843), que mede a presença de verniz, classificando em 4 possíveis faixas de acordo com uma escala de cor “colorimetria”:.

Essa escala sugere a existência de verniz nos níveis Normal, Cuidado, Alerta e Crítico. Baseado nessa análise será indicado o tratamento mais adequado.

Métodos de teste de verniz proprietários (não padronizados) não são recomendados, pois não são amplamente utilizados e não podem ser prontamente corroborados.

Ambos esses métodos de medição de verniz podem produzir resultados que variam significativamente, dependendo do período de tempo durante o qual a amostra de óleo foi “envelhecida”. De fato, períodos mais longos de envelhecimento da amostra produzem valores de MPC mais altos, sugerindo que a degradação dos lubrificantes continua no frasco da amostra.

Por esse motivo, o método do MPC requer preparo correto. A norma sugere que todas as amostras sejam incubadas em temperatura ambiente por 72 horas após serem aquecidas a 60°C por 24 horas. Esse tempo de envelhecimento bem definido e padronizado forneceu consistência interlaboratorial e melhor repetibilidade.

O MPC se destaca devido sua praticidade, portabilidade, velocidade e facilidade de realização. Como eu disse, não devemos confundir a velocidade da amostra com a leitura da amostra.

Tratamento e Prevenção de Formação de Verniz em Turbomáquina

Atrás de um problema, geralmente vem uma solução. Nesse sentido algumas soluções para problemas de verniz surgiram.

Uma grande quantidade de esforço foi colocado no desenvolvimento de melhores tecnologias de monitoramento de condições do óleo.

Tradicionalmente, a condição de um óleo e sua propensão para a formação de depósitos incluindo a formação do verniz pode ser facilmente prevista rastreando parâmetros relacionados à oxidação, como controle do número de acidez e viscosidade do óleo em serviço.

No entanto, com o maior disponibilidade de óleos básicos do grupo II, que permitem tempos de vida de oxidação até uma ordem de grandeza maior do que possível com óleos básicos grupo I, a formação de depósitos pode ocorrer antes de qualquer alteração perceptível na viscosidade e no número de acidez perfil.

Confira no vídeo um pouco mais de detalhes sobre Formação de Verniz em Turbinas a Vapor

Os atuais métodos de monitoramento de condições, como o MPC (Membrane Patch Colorimetry) ASTM D7843 oferecem a capacidade de prever a formação de verniz de forma confiável, acessivel e financeiramente viável.

Melhores procedimentos de manutenção também têm sido defendidos que podem incluir até estudos e mudanças de traçado de “calor” em tubulações para minimizar quedas bruscas de temperatura e, portanto, minimizar precipitação por resfriamento repentino, uso de filtração avançada sistemas com materiais filtrantes otimizados, uso de precipitadores eletrostáticos e tecnologias de troca iônica em conjunto com monitoramento de condições apropriados tiveram sucesso em reduzir o tempo de inatividade relacionado ao verniz para usuários finais de turbinas.

Conforme já dissemos nos episódios anteriores, a maioria dos lubrificantes modernos para turbinas é feito com óleo mineral do Grupo II, que contém um pacote de aditivos antioxidantes. A química dos óleos básicos do Grupo II os torna mais estáveis à oxidação do que os óleos básicos tradicionais do Grupo I, motivo da aplicação desses óleos com base no Grupo II terem ganhando espaço em aplicações de óleo de turbina.

Antioxidantes geralmente são adicionados ao lubrificante como uma estratégia de mitigação de verniz integrada.

Esses aditivos geralmente são compostos por classes de produtos químicos e embora ambos tenham atividade antioxidante por conta própria, eles funcionam de forma mais eficiente em conjunto.

Embora as identidades e quantidades específicas dos antioxidantes empregados varia com diferentes formulações de lubrificantes, o mecanismo pelo qual eles aumentam a vida útil do fluido permanece o mesmo.

Esses aditivos químicos são sacrificados e oxidam mais facilmente do que o estoque básico de óleo lubrificante.

Como resultado, a taxa de oxidação do próprio óleo diminui enquanto os antioxidantes estão presentes.

Infelizmente, esses aditivos são consumidos à medida que se oxidam e uma vez consumidos, a taxa de degradação do óleo acelera..

Os antioxidantes limitam a taxa de degradação oxidativa, portanto, retardam o envernizamento, mas não podem evitá-lo.

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