Espaço Tecnológico: Monitoramento Eficaz de Vibrações

Por Prognost Systems

Os compressores alternativos apresentam o maior número de danos, apesar de serem críticos para o processo. Isso se deve, em parte, ao maior número de máquinas centrífugas em comparação com os compressores alternativos , e ao fato de os operadores não temerem danos graves devido à menor energia cinética dessas máquinas, que operam em rotações relativamente lentas. Além disso, princípios insuficientes de proteção e monitoramento de condição ainda são aplicados em algumas máquinas alternativas.

Proteção inadequada das máquinas

Em todos os momentos, as operadoras, as empresas de engenharia, aquisição e construção (EPCs) e os fabricantes de equipamentos originais (OEMs) seguiram as diretrizes e normas aplicáveis existentes durante a fase final de engenharia.

No entanto, ao analisar a idade do parque de compressores alternativos , percebe-se que, em muitos casos, essas máquinas grandes e críticas nunca foram substituídas e estão em operação desde sua data de inicialização, há muitas décadas .

Para entender por que, mesmo após inúmeras falhas catastróficas, ainda encontramos proteção inadequada em muitas dessas máquinas, uma análise da história das normas aplicáveis pode ajudar a esclarecer a situação.

Aceleração da travessa como parâmetro de desligamento de segurança

A quinta edição da norma API 670, lançada em novembro de 2014, oferece informações e orientações valiosas sobre como proteger eficazmente os compressores alternativos.

Usuários e fornecedores de sistemas de proteção de máquinas concordaram com a inclusão da aceleração da travessa como um parâmetro de desligamento de segurança, o que é uma decisão crucial.

A norma API 670 é o documento central para a proteção de máquinas de compressores alternativos. A medição da posição da haste do pistão como uma segunda camada de proteção confiável também é recomendada.

Vibrações da estrutura medidas em termos de velocidade e medição da posição da haste do pistão.

Numerosos compressores alternativos são equipados com sistemas de proteção de máquinas originalmente projetados para máquinas centrífugas. Duas das abordagens mais comuns em máquinas alternativas mais antigas são a medição da velocidade das vibrações da estrutura e a medição da posição da haste do pistão.

Muitos operadores de compressores confirmam a inadequação desses sistemas obsoletos para proteger contra os danos mais temidos, como quebra de hastes de pistão, travamento de pinos de pistão e outras falhas que, em alguns casos, envolvem perda de contenção. Embora os sistemas antigos frequentemente não detectem o desenvolvimento de danos catastróficos a tempo, ou sequer os detectem, os usuários relatam regularmente um histórico de desligamentos indevidos devido a picos transitórios do processo ou impactos isolados e não críticos.

Consequentemente, os operadores muitas vezes consideram desativar seus sistemas de proteção obsoletos e confiar em práticas de manutenção comprovadas, além de se apoiarem no projeto robusto da máquina. É importante compreender a diferença entre um movimento rotativo uniforme do eixo de uma turbina e um movimento alternativo. Máquinas com rotação uniforme normalmente apresentam deflexão do eixo por ciclo praticamente nula, juntamente com uma conexão sólida e rígida com o solo e vibração da estrutura praticamente imperceptível.

Em contraste, um compressor alternativo apresenta um comportamento muito diferente, exigindo uma abordagem de monitoramento distinta. Os pistões são acionados para frente e para trás por engrenagens tipo cruzeta, o que envolve a inversão da força da haste do pistão, de tensão para compressão, fazendo com que toda a estrutura, com todos os seus componentes, vibre e se dobre consideravelmente. As válvulas de sucção e descarga criam impactos de abertura e fechamento, gerando amplitudes de vibração em toda a máquina – e chamamos isso de condição normal de operação.

Ao comparar os princípios de funcionamento de um compressor alternativo com os de uma máquina centrífuga, torna-se evidente que uma unidade alternativa requer uma abordagem de monitoramento mais dedicada, projetada para lidar com todos os desafios específicos que as máquinas alternativas apresentam.

Analisando o princípio de funcionamento das máquinas alternativas, a cruzeta é claramente o ponto central. Nela, o movimento rotativo do virabrequim é transformado em um movimento alternativo (linear) da haste do pistão. É o componente central onde todas as forças principais são transferidas, através do sofisticado pino da cruzeta/pino de articulação, para a haste do pistão. Para direcionar essas forças na direção correta, uma guia de cruzeta robusta é parte integrante de cada compressor alternativo. A guia de cruzeta é a conexão mais direta do conjunto de transmissão móvel à estrutura e o melhor local para instalar sensores de vibração.

Um compressor alternativo requer uma abordagem de monitoramento diferente.

Conforme ilustrado na Figura 2, máquinas de movimento alternativo tipicamente apresentam características de aceleração da travessa muito suaves, com dois impactos distintos em torno dos dois pontos de inversão da carga na haste. Alterações na assinatura e na amplitude da aceleração indicam imediatamente um comportamento mecânico diferente.

Isso permite que os sistemas modernos de proteção de máquinas detectem falhas típicas, como falha do pino do pistão da cruzeta, aumento da folga do mancal da cruzeta, conexões soltas entre a cruzeta, a haste do pistão e o pistão, aumento da folga do mancal da biela, falha da porca do pistão e vazamentos de líquido, eliminando os danos consequentes.

Ao instalar o sensor na guia da cruzeta, é importante considerar o sentido de rotação (horário/anti-horário) do virabrequim. Para melhores resultados, recomenda-se que o sensor seja instalado na parte superior para sapatas da cruzeta com movimento ascendente e na parte inferior para sapatas com movimento descendente, de forma a ficar alinhado com a direção efetiva das forças transmitidas à cruzeta.

Uma breve análise dos princípios básicos da física explica por que muitos operadores hoje em dia consideram a aceleração do cursor da travessa como o principal parâmetro de proteção da máquina.

Para explicar por que a aceleração deve sempre ser o primeiro parâmetro detectável, vamos usar este exemplo como ilustração: Um carro se desloca do ponto A para o ponto B. No ponto de partida A, você começa a acelerar a massa do seu veículo por tempo suficiente (aceleração, [m/s²]) até atingir a velocidade desejada (velocidade, [m/s]) para finalmente percorrer a distância necessária (deslocamento [ml]) até o ponto B. Observe que, antes que qualquer velocidade possa ser registrada, a aceleração deve ser aplicada às massas.

Contudo, queremos enfatizar que a vibração da estrutura (velocidade) e, especialmente, a medição da posição da haste (deslocamento) oferecem informações valiosas quando aplicadas e avaliadas corretamente.

Medição da posição da haste do pistão

A velocidade de vibração da estrutura pode revelar problemas de fundação que se desenvolvem lentamente, bem como modos de falha que envolvem um grande número de impactos de alta energia, agitando o equipamento em sua faixa de frequência natural, o que pode gerar uma taxa perigosa de movimento mecânico. A instalação de transdutores de vibração na estrutura geralmente envolve esquemas de votação (ou seja, dois de três) para reduzir desligamentos indesejados, com dois grupos de três transdutores de velocidade montados na extremidade de acionamento e na extremidade oposta à de acionamento da estrutura.

A construção robusta de um compressor alternativo, incluindo sua base pesada, exige uma enorme quantidade de energia cinética, fornecida ao longo de múltiplos impactos fortes, para atingir os limites críticos de velocidade. Os transdutores de velocidade são normalmente instalados longe de componentes com alta probabilidade de falha, onde a velocidade da estrutura é um parâmetro impreciso. Isso deve ser considerado apenas como uma segunda camada de proteção. Observe que os sistemas de monitoramento modernos têm a capacidade de integrar matematicamente o sinal de aceleração ao longo do tempo, fornecendo uma análise de velocidade para cada sensor de aceleração. Isso, em última análise, reduz a necessidade de adicionar transdutores de velocidade da estrutura a um sistema de monitoramento.

Durante os seus estágios iniciais de implementação, a medição da posição da haste do pistão podia ser considerada tão significativa quanto as medições da posição do eixo em uma máquina centrífuga, utilizando o mesmo hardware e a mesma lógica de análise de sinal. A principal diferença e o desafio de monitoramento que levaram à má reputação duradoura da "queda da haste" reside no simples fato de que a função da haste do pistão não é girar, mas sim empurrar e puxar o pistão, o que pode resultar em curvaturas significativas da haste e variações devido a diferentes níveis de carga.

Compressores alternativos antigos podem ser modernizados com um sistema de monitoramento moderno.

Esses efeitos não são conhecidos no monitoramento de máquinas centrífugas com esse nível de detalhamento. Para o propósito pretendido – a detecção do desgaste da correia guia – o sinal deve ser sincronizado e analisado corretamente para evitar a flexão da haste sob diferentes condições de carga. A análise da componente dinâmica do sinal de posição da haste para proteção da máquina apresenta ainda maior valor.

A análise segmentada de sinais (segmentando o ângulo de rotação de 360° da manivela em porções de graus menores) – como, por exemplo, uma análise de oito segmentos que determina os efeitos críticos de flexão da haste do pistão em situações de segurança – provou ser altamente confiável na detecção de conexões soltas na transmissão, como as conexões entre a haste do pistão e a cruzeta, e entre a haste do pistão e o cilindro, bem como rachaduras iminentes na haste do pistão antes que ela falhe completamente.

Conforme descrito anteriormente, a haste do pistão normalmente se move e se dobra mesmo durante a operação normal, mas, em caso de desenvolvimento de danos mecânicos e fissuras, o comportamento da haste do pistão muda significativamente. Essas mudanças podem ser detectadas usando uma análise de oito segmentos baseada no sinal de posição dinâmica da haste, conforme mostrado na Figura 3.

Em muitos casos, compressores alternativos antigos podem ser modernizados com um sistema de monitoramento atual em vez de serem substituídos, seja por questões de segurança, reclassificação da máquina ou aumento das condições de carga.

Em conclusão, olhando para o desenvolvimento das normas API a partir da década de 70, é compreensível a origem de algumas das normas atuais. A abordagem de monitoramento de última geração, então utilizada em máquinas centrífugas, foi adotada e aplicada em máquinas alternativas. Foi nessa época que o monitoramento da vibração da carcaça e o monitoramento da posição da haste passaram a fazer parte das normas de monitoramento de compressores alternativos. No entanto, a experiência demonstrou que as normas anteriores não produziam o efeito desejado no monitoramento de máquinas alternativas, o que acabou levando ao desenvolvimento da abordagem de monitoramento moderna que utilizamos hoje.

Um dos principais aspectos é aproveitar o princípio de funcionamento de um compressor alternativo e focar na guia da cruzeta para detectar falhas em desenvolvimento de forma precoce e confiável. A medição da vibração da estrutura está muito distante dos principais componentes funcionais, e a medição da velocidade leva à perda de detecção. Mesmo assim, a velocidade da estrutura oferece algum valor – embora muito limitado – para a proteção da máquina quando se consideram as falhas comuns em compressores alternativos.

Com base na experiência de mais de 1500 máquinas críticas equipadas, recomenda-se o uso da aceleração do cursor da travessa como principal parâmetro de proteção. Além disso, recomenda-se também a aplicação da medição dinâmica da posição da haste do pistão como uma segunda camada de proteção confiável.