Análise de partidas e paradas: como ler diagramas de Bode e polar

Em regime permanente, uma turbomáquina gira em rotação praticamente constante e só enxergamos uma "foto" do seu comportamento dinâmico. Numa partida ou numa parada, ao contrário, o rotor percorre toda a faixa de rotação e passa pelas suas ressonâncias. É nesse momento que a máquina mostra onde estão suas velocidades críticas, quanto amortecimento ela tem e se algo mudou desde o último transiente.

As duas ferramentas clássicas para ler um transiente são o diagrama de Bode e o diagrama polar. Neste artigo explicamos como interpretá-los, o que é o fator de amplificação, por que compensar o slow roll e como comparar partidas sucessivas para pegar problemas cedo.

O ponto de partida: o vetor 1X filtrado

Os dois gráficos mostram a mesma coisa: o vetor 1X filtrado, a componente de vibração que ocorre uma vez por volta, com sua amplitude e sua fase. Para obtê-lo são necessários:

• Sensores de proximidade X e Y em cada mancal, que medem o movimento relativo do eixo em µm pp ou mils pp.
• Uma referência de fase (Keyphasor), com um pulso por volta. A fase é o ângulo entre esse pulso e o pico positivo do sinal filtrado em 1X, normalmente expressa como atraso de fase.

Um filtro de rastreamento acompanha a rotação, então a cada rpm temos um par amplitude/fase. Esse conjunto ordenado de vetores é a matéria-prima de tudo o que vem a seguir. Para relembrar como X e Y se combinam, veja como interpretar órbitas do eixo.

Como ler um diagrama de Bode

O Bode são dois gráficos empilhados com a rotação no eixo horizontal: em cima a amplitude 1X e embaixo a fase 1X.

Identificando uma velocidade crítica

Uma ressonância do rotor tem duas assinaturas que precisam aparecer juntas:

1. Um pico de amplitude em 1X, que sobe ao se aproximar da crítica e cai depois de passá-la.
2. Uma mudança de fase na mesma faixa de rotação. Num modo simples e bem definido, o atraso de fase aumenta cerca de 90° na ressonância e se aproxima de 180° no total, de bem abaixo até bem acima dela.

A regra prática: pico sem mudança de fase não é ressonância do rotor. Pode ser uma ressonância estrutural, um efeito de processo ou ruído. E um giro de fase nítido com pico discreto costuma indicar um modo bem amortecido.

Alguns detalhes importantes:

• Quando a rigidez do mancal é diferente na horizontal e na vertical, X e Y podem mostrar a crítica em rotações um pouco diferentes (críticas "divididas"). Confira as duas.
• O valor absoluto da fase depende do instrumento e da convenção adotada. O que importa é quanto ela gira e onde.
• Patamares de aquecimento geram regiões com muitos pontos no Bode. Não são ressonâncias.

Fator de amplificação e margem de separação

O fator de amplificação (AF) mede o quão aguda é a ressonância e, portanto, quanto amortecimento o modo tem. A API 684 descreve o método da meia potência: identificam-se as rotações dos dois lados do pico onde a amplitude cai para 0,707 do máximo, e o AF é a velocidade crítica dividida pela diferença entre elas. Pico alto e estreito, AF alto; pico largo e suave, AF baixo.

O AF alimenta a margem de separação, isto é, a distância mínima entre a crítica e a faixa de operação. A API 617 e a API 684 relacionam os dois conceitos: modos suficientemente amortecidos (AF abaixo de 2,5) são considerados criticamente amortecidos e dispensam margem, enquanto os mais agudos exigem. As equações exatas dependem da edição, então vale consultar a norma vigente ao qualificar uma máquina.

Em campo, o AF medido serve principalmente para comparar: se ele aumenta ao longo do tempo, o amortecimento está caindo.

Como ler um diagrama polar

O polar mostra os mesmos dados em coordenadas polares. Cada ponto é a ponta do vetor 1X, com a amplitude como distância ao centro e a fase como ângulo, ligados em ordem de rotação.

O que procurar:

• Uma ressonância aparece como um laço. A crítica fica perto do ponto mais distante da origem, com cerca de 90° de giro em relação à fase em baixa rotação.
• Vários laços indicam vários modos; um laço deformado pode revelar uma ressonância estrutural.
• A curva não começa na origem. Esse ponto inicial é o vetor de slow roll.

A grande vantagem do polar é mostrar de relance modos bem amortecidos e, sobretudo, mudanças de vetor entre transientes. Também é o gráfico natural para balanceamento, já que as massas de teste são pensadas em termos de vetores.

Compensação de runout (slow roll)

Em baixa rotação o rotor praticamente não tem resposta dinâmica, mas o sensor continua lendo algo: imperfeições mecânicas da superfície, runout elétrico do material do eixo e qualquer empenamento. Esse é o vetor de slow roll, que se soma à resposta real em todas as rotações. Para compensar:

1. Escolha uma rotação baixa, sem resposta dinâmica relevante e com amplitude e fase estáveis.
2. Use o vetor 1X nessa rotação como referência.
3. Subtraia-o como vetor (não só em amplitude) de cada ponto do Bode e do polar.

Com isso, o laço polar começa na origem e o Bode mostra a resposta dinâmica real. Além disso, o slow roll é um dado de diagnóstico por si só: se muda de uma partida para outra, pode indicar empenamento térmico ou mecânico do eixo.

A cascata como complemento

Bode e polar só enxergam 1X. Para ver o espectro completo durante o transiente, usa-se a cascata (waterfall): espectros empilhados por rotação. Nela aparecem as linhas de ordem (1X, 2X, 3X), ressonâncias de frequência fixa que "acendem" quando uma linha de ordem as cruza e componentes subsíncronas típicas de instabilidade do filme de óleo.

Por exemplo, um corte da cascata em que 2X cresce de forma anormal perto da metade da primeira crítica merece investigação:

Comparando partidas sucessivas

Um Bode isolado diz como a máquina é; dois sobrepostos dizem o que mudou. Por isso vale guardar um transiente de referência (após um overhaul ou um comissionamento saudável) e sobrepor cada nova partida ou parada.

Mudança observada	Causa possível	O que verificar
A crítica cai de rotação	Perda de rigidez: folga de mancal, suporte solto, trinca no eixo	Folgas, linha de centro, 2X
A crítica sobe ou o pico achata	Roçamento que adiciona rigidez no contato	Órbita, harmônicos, fase 1X
AF maior	Menos amortecimento	Mancais, temperatura e pressão do óleo
Slow roll muda	Empenamento térmico ou mecânico	Tempo de giro lento, histórico de paradas
Ressonância 2X na metade da crítica	Possível trinca transversal	Tendência de 1X e 2X

Várias dessas causas evoluem devagar, então a tendência ao longo de vários transientes pesa mais do que qualquer comparação isolada. Para encaixar esses achados no quadro geral, veja como detectar falhas em turbocompressores.

Que dados capturar

• Sensores X e Y em todos os mancais e a referência de fase, sincronizados.
• Amostragem por incremento de rotação, não só por tempo, para ter resolução perto das críticas, onde tudo muda rápido.
• A faixa de slow roll completa, no começo da partida ou no fim da parada.
• Formas de onda, não só valores 1X, para reconstruir órbitas e cascatas depois.
• Contexto: temperatura e pressão do óleo, carga, tempo de giro lento e se a partida foi a frio ou a quente.

Boas práticas

• Usar a parada (coastdown) como referência sempre que possível. Ela costuma ser mais repetível, porque o rotor desacelera sem influência do acionador.
• Comparar em condições equivalentes: partida a frio com partida a frio, a quente com a quente.
• Analisar sempre amplitude e fase juntas. Muitas falhas aparecem primeiro na fase.
• Registrar cada transiente com data, motivo da parada (trip ou programada) e qualquer intervenção.

Como a RotorMetrics faz

Captamos o sinal do sistema de proteção existente (por exemplo, um Bently Nevada 3500) sem intervir nele, então cada partida e cada parada ficam registradas com formas de onda e referência de fase, mesmo quando ninguém está olhando. Nossos especialistas comparam cada transiente com a referência da máquina e avisam se a crítica se deslocou, se o slow roll mudou ou se surgiu algo novo, com uma recomendação concreta.

Fontes

• API RP 684, Rotordynamic Tutorial: Lateral Critical Speeds, Unbalance Response, Stability, Train Torsionals, and Rotor Balancing. American Petroleum Institute.
• API Standard 617, Axial and Centrifugal Compressors and Expander-compressors. American Petroleum Institute.
• Bently, D. E. e Hatch, C. T. Fundamentals of Rotating Machinery Diagnostics. Bently Pressurized Bearing Press, 2002.
• Eisenmann, R. C. Sr. e Eisenmann, R. C. Jr. Machinery Malfunction Diagnosis and Correction. Prentice Hall, 1998.
• Vance, J. M., Zeidan, F. Y. e Murphy, B. Machinery Vibration and Rotordynamics. Wiley, 2010.