Como detectar falhas em turbocompressores com análise de vibração

Um turbocompressor quase nunca falha "do nada". Semanas antes do trip, a vibração do eixo já está contando o que acontece: um desbalanceamento que cresce, um alinhamento que muda com a temperatura, um selo que começa a roçar. O problema é que essa informação costuma ficar presa no sistema de proteção, que só verifica se um limite de alarme ou de trip foi ultrapassado.

Neste artigo vemos o que a instrumentação de um turbocompressor mede, quais ferramentas de diagnóstico usar e como aparece cada falha típica.

O que se mede em um turbocompressor

A maioria dos turbocompressores críticos tem mancais hidrodinâmicos (de filme de óleo) e é instrumentada conforme a API 670 com:

• Sensores de proximidade (dois por mancal, a 90° entre si, chamados X e Y). Medem o movimento do eixo em relação ao mancal, em micrômetros pico a pico (µm pp) ou mils.
• Sensores de posição axial, que vigiam o desgaste do mancal de escora.
• Referência de fase (Keyphasor): uma marca no eixo que gera um pulso por volta. Sem ela não há fase, e sem fase o diagnóstico fica pela metade.
• Em alguns casos, acelerômetros na carcaça da caixa de engrenagens.

O sistema de proteção (por exemplo, um Bently Nevada 3500) compara o valor global com os pontos de alarme e trip. Esse é o trabalho dele, e ele o faz bem, mas um valor global não diz o que está acontecendo, apenas quanto.

As ferramentas de diagnóstico

Com as formas de onda dos sensores são construídos os gráficos que realmente explicam a máquina:

Ferramenta	O que mostra	Para que serve
Espectro	Amplitude por frequência (1X, 2X, subsíncronas)	Separar falhas que somam o mesmo valor global
Órbita	Trajetória do centro do eixo (X contra Y)	Ver a forma do movimento: elíptica, achatada, com laços
Linha de centro do eixo	Posição média do eixo dentro do mancal	Detectar pré-cargas, desgaste e mudanças de carga
Bode e polar	Amplitude e fase 1X contra velocidade	Encontrar ressonâncias em partidas e paradas
Tendências	Evolução em dias ou semanas	Saber se algo está mudando e em que ritmo

A regra de ouro: o que importa é a mudança. Uma máquina que sempre vibrou 40 µm e continua em 40 µm preocupa menos que uma que passou de 20 para 35 µm em duas semanas, mesmo que nenhuma tenha chegado ao alarme.

A assinatura de cada falha

Experimente: escolha uma falha e veja como a órbita e o espectro mudam.

DesbalanceamentoDesalinhamentoRoçamentoInstabilidade

Desbalanceamento

• Predomina a componente 1X (uma vez por volta).
• A fase 1X é estável e a órbita é elíptica, com um ponto de Keyphasor por volta.
• A amplitude cresce com a velocidade, principalmente perto das velocidades críticas.

Uma mudança de 1X em amplitude ou em fase com velocidade e carga constantes indica que algo mudou no rotor: depósitos que se soltam, erosão de palhetas ou uma peça solta.

Desalinhamento e pré-cargas

• Aparece 2X junto com 1X, e a órbita fica achatada ou em forma de "banana" ou de oito.
• A linha de centro do eixo sai da posição normal: o eixo fica empurrado para um lado do mancal.
• Costuma mudar com a temperatura, então aparece diferente a frio e a quente.

Roçamento

• A órbita fica truncada ou cortada, com mudanças bruscas de direção.
• Aparecem harmônicos (2X, 3X…) e às vezes componentes de 1/2X.
• A fase 1X pode girar lentamente, porque o roçamento aquece um lado do eixo e o empena.

Instabilidade por fluido (whirl e whip)

• Aparece uma componente subsíncrona, tipicamente entre 0,40X e 0,48X.
• A órbita mostra laços internos e a precessão é para frente.
• Pode surgir de um dia para o outro com uma mudança de pressão de óleo, temperatura ou carga. Se a frequência "trava" na primeira crítica (whip), a amplitude pode crescer muito rápido.

É a falha em que as horas de antecedência valem mais: a proteção só vê o valor global, que pode subir pouco no início mesmo com um mecanismo perigoso.

Mancal de escora

• A posição axial se desloca lentamente para um lado.
• Costuma acompanhar mudanças de processo (razão de compressão, incrustação) ou desgaste do mancal.

Do dado à decisão

Ter os sensores não basta. O que evita uma parada é este ciclo:

1. Capturar as formas de onda continuamente, não só o valor global.
2. Definir uma linha de base da máquina saudável: como vibra em cada velocidade e carga.
3. Vigiar as mudanças em 1X (amplitude e fase), 2X, subsíncronas, linha de centro e posição axial.
4. Diagnosticar e recomendar: o que está acontecendo, com que rapidez avança e o que fazer na próxima janela de manutenção.

Como fazemos na RotorMetrics

Pegamos o sinal do seu sistema de proteção existente (por exemplo, um Bently Nevada 3500) sem intervir nele, com autorização e acompanhamento da sua planta. A partir daí, nossos especialistas em vibração analisam tendências, espectros e órbitas e avisam com antecedência quando algo muda, com uma recomendação concreta e não apenas um alarme.

Se você tem turbocompressores ou turbogeradores críticos e quer ver como os monitoraríamos, fale conosco.