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Análise de Vibrações em Turbinas a Vapor: Diagnóstico e Soluções Técnicas

Entendendo a Análise de Vibrações em Turbinas a Vapor

As vibrações em turbinas a vapor são um desafio crítico na indústria, especialmente em equipamentos de alta potência como turbogeradores.

Essas vibrações podem comprometer a operação, reduzir a eficiência e até causar danos severos se não forem adequadamente diagnosticadas e corrigidas.

Neste artigo, exploramos um caso real de vibração em turbina a vapor, detalhando o diagnóstico de falhas, as causas subjacentes e as soluções técnicas disponíveis.

Nosso objetivo é fornecer um guia técnico completo, com nível máximo de especificidade, para profissionais de manutenção, engenheiros e gestores industriais.

Ao final, apresentamos como os serviços, cursos e treinamentos da TURBIVAP podem capacitar equipes para lidar com esses problemas de forma proativa.

"As vibrações em turbinas a vapor são um desafio crítico na indústria, especialmente em equipamentos de alta potência como turbogeradores."

Confira O Vídeo Teaser Sobre Essa Análise de Falhas em Turbina a Vapor

Contexto do Problema: Vibração Atípica em Turbina a Vapor

Imagine uma turbina a vapor de 15 MW, equipada com um redutor e operando a 6.805 rpm.

Após um overhaul, a máquina apresentou um comportamento incomum: vibrações atípicas durante a parada, com uma componente dominante de 0,9X (0,9 vezes a frequência nominal), e limitações para operar acima de 10 MW devido ao aumento das vibrações.

Esses sintomas indicam instabilidade dinâmica, um problema que exige análise detalhada para evitar danos ao equipamento.

A frequência de vibração observada, em torno de 0,4X durante a operação com carga e 0,9X na desaceleração, sugere a presença de componentes subsíncronas e instabilidades induzidas por fluidos, como o vapor.

Esses fenômenos são frequentemente associados a falhas de projeto, erros de montagem ou deterioração dos componentes do sistema, como mancais e acoplamentos.

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Diagnóstico Técnico: Monitoramento e Análise de Vibrações

Para entender a origem das vibrações em turbinas a vapor, foi necessário um monitoramento detalhado. Instrumentos temporários foram instalados, já que a máquina carecia de sensores fixos em pontos críticos, como o mancal do redutor (mancal 3).

A ausência de monitoramento contínuo é uma falha comum em turbogeradores com redutor, aumentando o risco de problemas não detectados.

Monitoramento dos Mancais

A análise focou três mancais principais:

Mancal 1: Lado oposto ao acoplamento da turbina.
Mancal 2: Lado acoplado à turbina.
Mancal 3: Mancal do redutor, sem instrumentação fixa.

Os dados foram coletados por meio de gráficos de cascata, que revelaram:

Durante a operação com carga, uma componente subsíncrona em 0,4X (aproximadamente 47 Hz), com amplitude de 21,5 µm no mancal 2, indicando instabilidade.

Na desaceleração, uma componente dominante em 0,9X, com amplitudes significativamente maiores, alcançando 210 µm no mancal 2 e 297 µm no mancal 3, valores acima dos limites de segurança.

Análise das Órbitas

As órbitas dos mancais, que mostram o movimento do eixo, confirmaram a gravidade do problema.

No mancal 2, as órbitas eram altamente elípticas, com pré-carga vertical excessiva, sugerindo desalinhamento ou folga reduzida.

No mancal 3, a órbita indicava instabilidade extrema, com amplitudes de até 400 µm, compatíveis com um mancal solto ou deformado.

Esses padrões apontam para erros de montagem, como telhas de mancal desalinhadas ou acoplamentos travados.

Principais Causas Identificadas

Após a análise, as seguintes causas foram confirmadas:

Mancais sobrecarregados e desalinhados: Folgas reduzidas e telhas deformadas comprometeram a estabilidade do rotor.
Acoplamento travado: O acoplamento entre turbina e redutor apresentava folgas seis vezes acima do nominal, resultando em transferência de vibrações dinâmicas.
Vazamento de vapor: Danos nos labirintos de selagem causaram contaminação do óleo com 2,7% de água, reduzindo suas propriedades lubrificantes.
Instabilidade induzida por fluido: O vapor, como fluido de processo, gerava excitações dinâmicas acima de 10 MW, agravadas pelo projeto hiperelíptico dos mancais.

"A frequência de vibração observada, em torno de 0,4X durante a operação com carga e 0,9X na desaceleração, sugere a presença de componentes subsíncronas e instabilidades induzidas por fluidos, como o vapor. "

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Suzano - MA

Diamante Energia - SC

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Suzano - MS

MAN ENERGY - RJ

Soluções Contra Vibrações em Turbinas a Vapor

Resolver vibrações em turbinas a vapor exige uma abordagem integrada, combinando correções mecânicas, ajustes de projeto e monitoramento avançado.

É natural e esperado que elas vibrem, no entanto, dentro dos padrões aceitáveis pelo OEM e normas relacionadas.

Abaixo, detalhamos as principais soluções, suas vantagens e limitações.

1. Redesenho dos Mancais

Funcionamento: Substituir mancais com folgas inadequadas por projetos otimizados, como mancais elípticos com folga vertical reduzida, melhora a estabilidade do rotor.

Vantagens: Reduz instabilidades induzidas por fluidos e aumenta a capacidade de carga.

Limitações: Exige precisão na fabricação e instalação, além de custos elevados. Erros de montagem podem anular os benefícios.

Manutenção: Inspeções regulares das folgas e alinhamento são essenciais para evitar desgaste prematuro.

2. Reparo ou Substituição do Acoplamento

Funcionamento: Acoplamentos flexíveis, como os de engrenagem, devem ser reparados ou substituídos para restaurar a flexibilidade e evitar a transmissão de vibrações.

Vantagens: Solução relativamente rápida, com impacto direto na redução de vibrações dinâmicas.

Limitações: Acoplamentos mal dimensionados podem reintroduzir problemas. A manutenção inadequada pode levar a desgaste rápido.

Manutenção: Polimento, retificação e ajuste das folgas devem ser realizados periodicamente.

3. Melhoria do Sistema de Lubrificação

Funcionamento: A contaminação do óleo por água ou partículas deve ser eliminada por meio de sistemas de filtragem avançados e monitoramento da qualidade do óleo.

Vantagens: Melhora a lubricidade, reduzindo o atrito e as vibrações.

Limitações: Requer investimento em equipamentos de filtragem e treinamento da equipe.

Manutenção: Análises químicas regulares do óleo são necessárias para detectar contaminação precoce.

4. Implementação de Monitoramento Contínuo

Funcionamento: Sensores de vibração fixos, como acelerômetros e proximeters, devem ser instalados em todos os mancais, com integração a sistemas de diagnóstico em tempo real.

Vantagens: Permite a detecção precoce de anomalias, reduzindo o risco de falhas catastróficas.

Limitações: Alto custo inicial e necessidade de treinamento para interpretação dos dados.

Manutenção: Calibração periódica dos sensores é essencial para garantir precisão.

Comparação das Soluções

Solução	Ponto Forte	Ponto Fraco	Custo
Redesenho dos Mancais	Alta estabilidade do rotor	Alto custo e complexidade	Alto
Reparo do Acoplamento	Rápida implementação	Risco de falhas se mal dimensionado	Moderado
Melhoria da Lubrificação	Prevenção de desgaste	Dependência de monitoramento contínuo	Moderado
Monitoramento Contínuo	Detecção precoce de falhas	Investimento inicial elevado	Alto

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Perguntas Frequentes sobre Vibrações em Turbinas a Vapor

O que causa vibrações subsíncronas em turbinas a vapor?
Vibrações subsíncronas, como as de 0,4X ou 0,9X, são geralmente causadas por instabilidades induzidas por fluidos, folgas inadequadas nos mancais ou acoplamentos desalinhados.
Como identificar um mancal desalinhado?
Órbitas elípticas com pré-carga vertical excessiva e amplitudes de vibração elevadas (acima de 100 µm) são sinais claros de desalinhamento.
Qual é o limite seguro de vibração em uma turbina a vapor?
Para uma turbina operando a 6.800 rpm, amplitudes acima de 120 µm são consideradas críticas e podem exigir parada imediata.
Por que o monitoramento contínuo é importante?
Sensores fixos detectam anomalias em tempo real, permitindo intervenções antes que pequenas vibrações evoluam para falhas graves.
Como evitar contaminação do óleo?
Utilize sistemas de filtragem avançados e realize análises químicas regulares para manter a qualidade do lubrificante.
O que é um acoplamento travado?
Um acoplamento travado perde flexibilidade devido a folgas excessivas ou danos, transferindo vibrações dinâmicas entre a turbina e o redutor.

Conclusão

As vibrações em turbinas a vapor são um problema complexo, mas solucionável com diagnóstico preciso e intervenções bem planejadas.

Desde o redesenho de mancais até a implementação de monitoramento contínuo, as soluções apresentadas neste artigo oferecem caminhos para restaurar a estabilidade e prolongar a vida útil do equipamento.

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Sobre o Autor

Henrique Menezes

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