Diagnóstico Avançado: Vibração Subsíncrona Induzida por Roçamento “Rub” e Distorção Térmica em Turbinas a Vapor
Sumário
Vibração Subsíncrona Induzida por Roçamento e Distorção Térmica em Turbinas a Vapor
A análise de vibração em turbomáquinas de grande porte exige uma abordagem multidisciplinar que transcende a simples leitura de espectros.
Fatores operacionais, térmicos e geométricos interagem de maneiras complexas, criando sintomas que podem mascarar a verdadeira causa raiz.
Neste artigo, exploramos um estudo de caso complexo, detalhando o diagnóstico de uma vibração subsíncrona intermitente em uma turbina a vapor de condensação de 60 MW.
O caso ilustra como restrições na dilatação térmica da carcaça podem induzir roçamentos severos e instabilidades dinâmicas.
Contexto Operacional e Configuração do Equipamento
O ativo em análise é uma turbina a vapor de 22 estágios, com capacidade de 60 MW, operando em uma unidade de separação de ar.
O arranjo do trem de máquinas é central, com a turbina acionando simultaneamente:
Um compressor principal de ar (MAC) via acoplamento de engrenagens.
Um booster e um gerador síncrono.
Sistema de Suportação e Guias
A integridade do alinhamento interno da turbina depende de um sistema de suportação projetado para permitir a dilatação térmica controlada, conforme preconizado por normas como a API 612:
Admissão: Fixação por guia chavetada axial e pino guia central para expansão radial.
Descarga: Suportes laterais (“patas”) que permitem a expansão radial mantendo a centralização, além de guias no corpo do mancal posterior.
"Em turbinas de grande porte, o travamento de qualquer guia de expansão (conhecido como stick-slip ou travamento por atrito) resulta em forças de reação que distorcem a carcaça, alterando a posição relativa entre estator e rotor."
Confira o Vídeo sobre Vibração Subsíncrona e Falhas Térmicas em Turbinas a Vapor
O Evento Inicial e Sintomatologia
O histórico da máquina revela um evento crítico seis anos após o comissionamento: uma parada de emergência (provável blackout) onde o sistema de Giro Lento (Turning Gear) não foi acionado.
A tentativa subsequente de partida forçada com o rotor empenado (devido à estratificação térmica) resultou em roçamento interno e degradação imediata da eficiência por aumento das folgas de selagem. Entretanto, o problema crônico surgiu meses depois:
Sintoma: Vibração intermitente variando entre 200% e 300% acima do normal.
Frequência: Componente subsíncrona (abaixo de 1x a rotação), típica de instabilidades fluidodinâmicas ou roçamento.
Condição de Contorno: Ocorrência predominante em tardes quentes (>33°C). A aplicação de água (“chuva artificial”) sobre a carcaça de descarga mitigava a vibração instantaneamente.
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A Falácia da Instabilidade de Mancal
A presença de vibração subsíncrona frequentemente aponta para instabilidades de filme de óleo (oil whirl/whip).
No entanto, testes de campo e análises rotodinâmicas refutaram essa hipótese primária:
Análise do Fabricante (OEM): O sistema rotor-mancal provou-se estável em simulações de projeto.
Óleo de Levantamento (Jacking Oil): A pressurização dos mancais durante a operação trouxe benefícios marginais, mas não eliminou a sensibilidade à temperatura ambiente.
Comportamento Térmico: A correlação direta entre a temperatura externa e a vibração indicava que a expansão térmica diferencial da carcaça era o “gatilho” para o fenômeno.
"O travamento de suportes externos pode forçar a carcaça contra o rotor, criando condições de roçamento que reproduzem instabilidades de mancal."
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Diagnóstico Definitivo: Roçamento Induzido por Restrição Geométrica da Turbina a Vapor
Após tentativas infrutíferas de troca de rotor e ajustes de folgas, um overhaul completo em 2012, com escopo estendido para verificação de suportes, revelou a causa raiz.
Evidências Encontradas
Travamento Mecânico: O pino guia de centralização estava travado por corrosão e atrito. Ao ser removido, a carcaça “saltou”, liberando energia elástica armazenada.
Roçamento Severo: A bucha de selagem da descarga (metade inferior) foi encontrada drasticamente desgastada, indicando contato intenso com o rotor.
Deslocamento de Linha de Centro: Monitoramento via sensores de proximidade mostrou que, durante os eventos térmicos, a linha de centro do eixo descia cerca de 100 micra (0,10 mm) em relação ao mancal, uma magnitude inaceitável para mancais hidrodinâmicos.
O Mecanismo da Falha
A combinação de uma instalação ao tempo (sem proteção adequada contra intempéries) e falta de lubrificação nas guias deslizantes causou o travamento da carcaça.
Quando a temperatura ambiente subia, a carcaça tentava expandir mas encontrava restrição. Isso gerava uma distorção física (empenamento da carcaça) que desalinhava os selos estacionários contra o rotor em rotação.
O contato resultante gerava o roçamento (rubbing), que por sua vez excitava a vibração subsíncrona observada.
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Ações Corretivas e Lições Aprendidas
Para solucionar o problema, foi necessário restaurar a liberdade de movimento da máquina e corrigir os danos secundários:
Restauração das Guias: Limpeza, polimento e lubrificação de todas as chavetas e superfícies de deslizamento dos suportes.
Usinagem Corretiva: Readequação das folgas da bucha de selagem e usinagem de excêntrico para compensar deformações residuais.
Gestão Térmica: Substituição completa do isolamento térmico e instalação de uma cobertura (telhado) sobre o trem de máquinas para evitar incidência direta de sol e chuva.
Perguntas Frequentes sobre Vibração Subsíncrona e Falhas Térmicas
1. O que pode causar vibração subsíncrona em turbinas a vapor além da instabilidade de óleo? Embora a instabilidade de filme de óleo (oil whirl/whip) seja uma suspeita comum, o roçamento (rubbing) entre o rotor e as partes estacionárias é uma causa frequente de vibração subsíncrona. No caso estudado, o roçamento na selagem da descarga foi identificado como a causa raiz, gerando frequências instáveis que mimetizavam problemas de mancal.
2. Por que a temperatura ambiente externa afetava a vibração da turbina neste caso? A turbina estava instalada ao tempo e sujeita a variações climáticas. O calor excessivo (acima de 33°C) causava a dilatação da carcaça. Como os suportes e guias de dilatação estavam travados por corrosão e atrito, a carcaça não expandia uniformemente, deformando-se e forçando o contato contra o rotor. A “chuva artificial” (sprinklers) resfriava a carcaça, aliviando essa distorção e eliminando a vibração temporariamente.
3. Como diferenciar um problema de instabilidade hidrodinâmica de um roçamento térmico? A diferenciação exige análise cruzada de dados. A instabilidade de óleo geralmente está ligada à velocidade de rotação e carga, enquanto o problema térmico neste caso correlacionava-se diretamente com a temperatura ambiente, independentemente da carga ou rotação. Além disso, análises rotodinâmicas e testes com óleo de levantamento (jacking oil) comprovaram que o sistema de mancais era estável, isolando a causa como um fator geométrico/térmico externo.
4. O que é o travamento de guias de dilatação e quais os riscos? O travamento ocorre quando pinos guias, chavetas ou superfícies deslizantes dos pedestais da turbina ficam presos devido à corrosão ou falta de lubrificação. Isso impede a expansão térmica natural da máquina. O risco principal é a distorção da carcaça, que altera a linha de centro do eixo (neste caso, houve um deslocamento de quase 100 micra), levando a roçamentos severos, perda de eficiência e danos às selagens.
5. Quais foram as soluções definitivas aplicadas para resolver a vibração subsíncrona neste equipamento? A solução envolveu restaurar a liberdade de movimento da carcaça e reduzir a sensibilidade térmica. As ações incluíram: limpeza e lubrificação de todas as guias e chavetas , reajuste dos calços e distribuição de peso , usinagem das buchas de selagem para corrigir folgas e a instalação de um telhado e novo isolamento térmico para proteger o equipamento das intempéries.
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Conclusão
Este caso reforça que a vibração subsíncrona não é exclusiva de instabilidades de óleo ou aerodinâmicas.
Em turbinas a vapor, especialmente as instaladas ao tempo, a interação térmica carcaça-rotor deve ser investigada.
O travamento de suportes externos pode forçar a carcaça contra o rotor, criando condições de roçamento que mimetizam instabilidades de mancal.
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