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Estudo de Engenharia aplicado à Usina de Açúcar e Álcool reduz perdas diretas na produção da fábrica em 35%

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Em uma Usina de Açúcar e Álcool do Estado de São Paulo, foram instalados três Geradores de Vapor novos, cada Gerador possui dois VTI - Ventiladores Tiragem Induzida de Gases, totalizando seis conjuntos. Desde o início de operação, os seis ventiladores apresentaram vibração elevada nos mancais e falhas no eixo do rotor, por empenamento, trinca e ou quebra. As perdas consequentes eram paradas corretivas de emergência, custos adicionais de manutenção, queda de pressão de vapor com redução adicional da produção e redução da rotação dos ventiladores. Um Estudo de Engenharia de abrangência sistêmica sobre toda a instalação foi realizado para se encontrar a causa raiz e definir as ações de correção para normalização, atingindo uma redução total de 35% das perdas.

1. INTRODUÇÃO 

Caracterização do problema principal: falhas no eixo do rotor 

Para cada VTI existe um Lavador de Gases Via Úmida; a lavagem dos gases é feita por jatos de água formados por "Spray Ball" (esferas de aço inoxidável diâmetro 6", entrada lateral tubo inox diâm ¾", furo inferior de saída diâm ¾"); cada esfera forma um leque cônico de água de ~90 graus, lavando os gases em corrente a favor. A função da lavagem é umedecer e coletar material particulado presente nos gases, retirando-os antes de passarem pelas pás do rotor do ventilador. Neste caso, o combustível que queima na fornalha do Gerador de Vapor é o bagaço de cana, então os gases a serem lavados contém fuligem do bagaço queimado e areia (sílica) originada na colheita em campo e que se agrega ao bagaço. O Lavador de Gases é instalado entre a saída do Pré Aquecedor de Ar via gases quentes da fornalha e a entrada do VTI. Um Decantador de Fuligem único recebe a água suja dos seis Lavadores de Gases, faz a separação do material sólido, devolve água tratada limpa para o sistema de lavagem de gases (spray ball), mantendo circuito fechado.
Gases entrada do Lavador é em torno de 150 graus Celsius e saída de ~100 graus Celsius.

Vista do Lavador de Gases e conexão com VTI
Vista do VTI – Ventilador de Tiragem Induzida
Nesta vista se observa o Mancal LOA – Lado Oposto ao Acionamento do conjunto rotor do ventilador, rolamento tipo "CARB" que permite deslocamento axial do eixo principalmente por dilatação térmica. O Mancal LA – Lado Acionamento contém rolamento dupla carreira de rolos, deve funcionar como ponto fixo do conjunto rotor para a direção axial.

O rotor do ventilador é montado entre mancais, mas o centro de massa do rotor, fica deslocado para o lado LA. Desta forma, o centro geométrico entre mancais LA e LOA não coincide com o centro de massa do rotor, ficando o centro do rotor mais próximo de LA.
A aspiração de gases é unilateral, pelo lado do Mancal LOA.

Ilustração típica acima (sem o redutor), Mancal LOA à esquerda e Mancal LA à direita

 2. ESTRATÉGIA DO ESTUDO DE ENGENHARIA

O cenário local era de forte tendência de classificar o caso como sendo problema de projeto do eixo, sob suspeita de trabalhar dentro de região crítica com frequência natural excitada e combinação avançada com o fabricante para aumentar o diâmetro do eixo do conjunto rotor do ventilador.
Adotamos a estratégia de conduzir o Estudo de Engenharia sob abrangência sistêmica, analisando todas as variáveis relevantes que pudessem contribuir para a ocorrência das falhas observadas, incluindo:

• Análise de vibrações em condição de plena carga.
• Ensaio estático de ressonância, localização de frequências naturais do conjunto rotor do ventilador.
• Ensaio dinâmico de ressonância, técnica de partida e parada do equipamento, confirmando a localização de frequências naturais do conjunto rotor do ventilador.
• Estudo das frequências naturais do conjunto rotor utilizando técnica de multicorpos em computador.
• Inspeção detalhada das condições de montagem e ajustes mecânicos no conjunto rotor do ventilador.
• Estudo do histórico de ocorrências no ventilador, lavador de gases e decantador de fuligem. Análise de Falha, Iskikawa, Matriz de Comparação, Árvore de Falha.
• Inspeção detalhada das condições físicas internas do ventilador, lavador de gases e decandador de fuligem.
• Estudo do histórico de ocorrências e controle operacional do gerador de vapor, fluxo de gases, trocador de calor pré-ar, dutos de condução de gases, sistema de água dos lavadores de gases e decantador de fuligem.

3. HISTÓRICO DE FATOS RELEVANTES 

Dados que se repetem com maior ou menor relevância, em todos os ventiladores e lavadores de gases.

 3.1 A folga axial no rolamento autocompessador de rolos, lado LA, que deveria ser "0,0" (absolutamente zero), se encontrava com folga de 0,7 mm. Este ajuste se refere a manter a pista externa do rolamento axiamente sem movimento, em relação ao mancal que prende o rolamento. 


 3.2 A cada duas semanas ocorriam limpeza interna nos rotores dos ventiladores e eram retirados em média cerca de 35 kg de fuligem que estavam agregadas aos rotores dos ventiladores. Este fato é absolutamente anormal neste tipo de equipamento, pois não deve existir material dos gases agregado ao rotor.

 3.3 As vibrações de nível global medidas em velocidade sob plena carga eram:

Mancal LA Radial Horizontal: 8,50 mm/s RMS
Mancal LA Radial Vertical: 7,00 mm/s RMS
Mancal LA Axial: 20,00 mm/s RMS

Mancal LOA Radial Horizontal: 7,00 mm/s RMS
Mancal LOA Radial Vertical: 5,50 mm/s RMS
Mancal LOA Axial: 11,00 mm/s RMS

Das vibrações observadas, o componente predominante é na direção axial. Este fato é muito relevante, em se tratando de um rotor cujo centro de massa, não coincide com o centro geométrico entre mancais do conjunto. As freqüências predominantes nos espectros do Mancal LA Axial são de 1 x rpm (11,89 mm/s), 2 x rpm (7,6 mm/s) e 3 x rpm (11,41 mm/s), o que indica força axial elevada, pulsante e amplificada devido a folga expressiva na direção axial, consequência da folga axial rolamento LA de 0,7mm onde deveria ser 0,0mm.

3.4 O serviço de balanceamento dinâmico dos rotores dos ventiladores, era realizado no campo por profissional técnico da própria Usina. Devido a colagem de fuligem sobre o rotor e corrosão nas chapas do rotor, a vibração aumentava muito e o rebalanceamento era solicitado a cada parada para limpeza do rotor. Questionamos sobre a técnica utilizada para execução dos balanceamentos, e recebemos a resposta que todos os balanceamentos eram realizados sob a técnica de dois planos, ou seja, utilizando o Plano 1 e o Plano 2 de cada rotor, para fazer as compensações de massa. Inspecionando este aspecto no local, notamos que só haviam massas de correção instaladas no Plano 2 e nenhuma massa no Plano 1. Notamos que não havia acesso facilitado (porta lateral de inspeção na carcaça do ventilador) para permitir adicionar ou retirar massa de balanceamento no Plano 1. De fato então os balanceamentos de manutenção estavam sendo realizados sistematicamente sob conceito de apenas um plano de correção, o Plano 2.

3.5 Ao inspecionar a parte interna da carcaça do rotor do ventilador, observamos com surpresa, que o cone unilateral de direcionamento dos gases havia se desintegrado por corrosão e seus pedaços foram expelidos pela chaminé. Este fato agrava os impulsos axiais sobre o rotor do ventilador, pela turbulência dos gases na entrada do rotor.

3.6 Na inspeção visual da saída dos gases pela chaminé de cada Gerador de Vapor, se percebe que a "fumaça" permanece extremamente branca durante todo o dia. O normal é que a condensação do gás ocorra até por volta de 9:00h a 10:00h da manhã, em se tratando do Estado de São Paulo, mas conforme a temperatura ambiente aumente durante o dia, a condensação não ser mais perceptível a olho nu. Temos assim excesso de água no lavador de gases, baixa eficiência do lavador que não retém material particulado presente nos gases (efeito de colagem de fuligem no rotor), baixa capacidade de retenção de gotas de água dentro do lavador após lavagem (são emitidas para a atmosfera).

3.7 Em inspeção interna no lavador de gases, encontramos as esferas (spray ball) furadas (próximas da porta de inspeção do lavador). Quando fura uma esfera, furam todas, porque a água é a mesma para todas as esferas. A esfera fura por presença de areia na água proveniente do decantador de fuligem. Em poucos dias de operação com presença de areia na água (acima de 0,5% em volume), todas as esferas estarão furadas pelo trabalho de abrasão contínua da sílica presente na areia, em um ponto concentrado da esfera. Temos assim ineficiência grave do Decantador de Fuligem que é único, afetando a operação dos seis lavadores de gases. Esfera furada não forma o leque de água de lavagem para baixo como projetado e emite um jato de água para cima pela região furada. Em torno da esfera furada se cria um fluxo preferencial de passagem dos gases devido ausência do leque de lavagem. Os gases não lavados carregam material particulado que será umedecido pelo jato de água da esfera furada e pelas gotas de água presentes após a seção de lavagem e vai provocar a "colagem" de material particulado umedecido, nos dutos e rotor do ventilador de gases. Em função de que tem se encontrado muitos quilos de material particulado (~35 kg) colado no rotor de cada ventilador, é de se supor que o sistema está operando com esferas furadas o tempo todo. Uma condição normal de operação não deve provocar colagem de mais de mais de 100g de fuligem no rotor a cada inspeção. A conseqüência deste efeito no rotor do ventilador é o desbalanceamento do mesmo com alto grau de risco, agravando a vibração transmitida aos mancais do rotor. A solução deste problema está em manter controle (por turno) da água proveniente do decantador de fuligem em termos de presença de sólidos (abaixo de 0,5% em volume) e PH (7,6 a 8,4). Isso permite também algumas providências no caso em períodos pós chuva (elevação da presença de areia no sistema de tratamento em circuito fechado), como aumentar a reposição de água limpa no decantador e descartar a água usada equivalente, mantendo sob controle o

índice de areia (sílica) na água enviada para o lavador. A corrosão interna observada no ventilador confirma a acidez elevada da água.

Esferas furadas a 180 graus da abertura para leque de água, por abrasão interna

3.8 Não encontramos evidências de controle operacional sistematizado aplicado ao controle dos lavadores de gases (seis) e decantador de fuligem (único), tendo em vista se tratar de circuito fechado da água de lavagem dos gases. Controles do tipo: PH da água antes e após lavagem; teor de sólidos na água para entrada e saída do decantador; pressão e vazão de água na entrada do lavador de gases; teor de material particulado na entrada do lavador, saída do lavador e saída do ventilador (controle ao menos trimestral); volume por dia de reposição da água limpa no decantador; temperatura dos gases na saída do pré-ar, saída do lavador e saída do ventilador; etc.

3.9 O peso do duto entre a saída do lavador de gases e a entrada do ventilador é de ~10.761 kg, dos quais ~8.455 kg fica em balanço, pois o duto está sustentado apenas na parte superior do lavador. Este duto aquecido durante a operação de lavagem dos gases dilata ~8,0 mm na vertical para baixo (parte é compensada pela dilatação do corpo do lavador) e ~6,0 mm na horizontal direção axial do exaustor. A ausência de suporte de sustentação inferior para o duto, provoca acréscimo de esforços e tensões indesejáveis na carcaça do ventilador e pedestais dos mancais.

3.10 O desenho que nos fora fornecido de número A0 07 271 024 R0, trata sobre os componentes internos do lavador de gases e especifica a quantia de 32 esferas por lavador. Na oportunidade de inspeção, notamos que existem muitas áreas sem cobertura por esferas "Spray Ball" na seção de lavagem, devido a distancia inadequada entre algumas esferas. De qualquer forma não existem mais do que 20 esferas instaladas por lavador. A consequência deste problema para o rotor do ventilador é a indução da colagem de fuligem, devido a passagem preferencial dos gases por setores deficientes de spray, provocando efeito semelhante ao de esferas furadas, ou seja, a manter esta condição, mesmo com as esferas em ordem, haverá colagem de fuligem úmida no rotor do ventilador. Observamos também que com 32 esferas distribuídas conforme desenho se obtém uma cobertura de 0,787 m2/esfera, ao nosso ver insuficiente para um lavador com apenas uma seção de lavagem. Recomendamos a aplicação de 0,502 m2/esfera (raio de cobertura 400,0 mm), o que resulta em instalar cerca de 50 esferas por lavador. 

 3.11 O tipo de lavador de gases utilizado tem algumas características que não contribuem para um eventual "desaforo" na formação dos gases com material proveniente junto com o bagaço de cana (areia e fuligem):

• A seção de lavagem é única, não temos outra chance de lavar os gases a não ser nesta única região projetada.
• A seção do lavador é única para o setor de lavagem e para condução do gás lavado após passar pelos jatos de lavagem (não permite expansão de área para reduzir a velocidade do gás e provocar a decantação de partículas úmidas).
• Para a capacidade máxima do exaustor de 4.333,3 m3/min, temperatura 900, tem-se uma velocidade dos gases após a seção de lavagem de 2,83 m/s. Mesmo para uma produção de 80,0% a velocidade dos gases será em torno de 2,26 m/s. O recomendado para área de expansão ou condução da saída dos gases é não ultrapassar a 1,5 m/s para promover o efeito de decantação de e coleta de partículas úmidas, antes que passem pelo rotor do ventilador.
• De qualquer forma, após a seção de lavagem dos gases só tem-se ~3,0 m de comprimento linear com fluxo de gases "lavados", sendo a entrada de gases no lavador do tipo tangencial, é esperado um fluxo de gases preferencial e certa turbulência dentro do lavador, o que prejudica a eficácia de captação de material particulado tanto para lavar, quanto para captar gotas após a lavagem.
• Existe um eliminador de gotas instalado no topo do lavador, com um sistema de chuveiro para limpeza do próprio eliminador de gotas. O chuveiro está regulado para operar a cada hora durante cerca de 20 s. Este chuveiro está instalado muito próximo da região de transição entre o corpo do lavador e o duto condutor de saída dos gases, de forma que qualquer anomalia que provoque turbulência nos gases dentro do lavador, pode arrastar a água do chuveiro junto com os gases de saída, favorecendo arraste de água para o exaustor.

4. ESTUDO DE ENGENHARIA VIA MULTICORPOS

Do ponto de vista de vibração, o fato de estar havendo falhas graves no eixo do conjunto rotor do ventilador (ver "local preferencial de ocorrência de tricas e quebras no eixo", na ilustração do item 1.), e conforme comentado no item 2: 

"O cenário local era de forte tendência de classificar o caso como sendo problema de projeto do eixo , e combinação avançada com o fabricante para aumentar o diâmetro do eixo do conjunto rotor do ventilador", então conduzimos o estudo de vibrações no sentido de verificar se havia influência de eventuais frequências naturais de ressonância do eixo, que pudessem provocar os efeitos observados. Bem como, entender e explicar as causas principais das falhas e propor soluções.

4.1 Estudo por elementos finitos via Multicorpos e localização das frequências naturais principais do conjunto rotor do ventilador:

• O material agregado ao rotor na forma de colagem de fuligem, não altera significativamente as frequências naturais principais (<2,0%), mesmo nas quantidades observadas, porém, aumentam significativamente a amplitude de vibrações e tensão no eixo.

• Localização teórica das principais frequências naturais por elementos finitos:
Radial Horizontal: 13,5 Hz; 28,4 Hz; 71,5 Hz.
Radial Vertical: 13,7 Hz; 35,3 Hz; 82,0 Hz.
Axial: 14,7 Hz; 152,0 Hz.
Modo teórico 1 Radial Horizontal 13,465Hz
Modo teórico 2 Radial Horizontal 28,400Hz
Modo teórico 3 Radial Horizontal 71,500Hz
Modo teórico 1 Radial Vertical 13,676Hz
Modo teórico 2 Radial Vertical 35,300Hz
Modo teórico 3 Radial Vertical 82,000Hz
Modo teórico 1 Axial 14,700Hz
Modo teórico 2 Axial 152,000Hz

O cálculo teórico dá uma boa noção da localização das frequências naturais, mas é preciso confirmar isso nos ensaios práticos no campo, devido a variação das condições teóricas versus condições práticas, principalmente da rigidez "K" do engastamento nos mancais.

4.2 Ensaios de ressonância estático e dinâmico no campo:

Para confirmação dos valores calculados foram realizadas as análises a seguir.

Ensaios Estáticos de Ressonância – Bump Test

Foram realizados Ensaios Estáticos de Ressonância no rotor do Ventilador e foram identificadas as seguintes frequências naturais principais:

Radial Horizontal = 13,79 Hz; 29,25 Hz e 72,75 Hz

Vertical = 14,25 Hz, 34,5 Hz, 80,25 Hz e 232,50 Hz

Axial = 14,25 Hz, 87,00 Hz e 149,25 Hz

Ensaios Estáticos de Ressonância Direção Radial Horizontal realizados no eixo do rotor
Ensaios Estáticos de Ressonância Direção Radial Vertical realizados no eixo do rotor
Ensaios Estáticos de Ressonância Direção Axial realizados na chapa lateral do rotor

 Ensaios Dinâmicos de Ressonância

Foram realizados Ensaios Dinâmicos de Ressonância no Ventilador VTI, direção axial e foram identificados dois momentos de aumento na amplitude de vibração com excitação em 11,26 Hz e outra em 13,082 Hz quando por se aproximarem da frequência de 14,25 Hz que é a frequência natural encontrada no ensaio estático de ressonância.

Espectro de velocidade destacando 1x, 2x e 3xRPM

 Medições e análises relativas ao exaustor numero 1 da Caldeira 1, após realização dos ensaios de ressonância, estando o equipamento em operação de rotina.

Nas medições realizadas nos mancais encontramos vibração elevada principalmente na direção axial do Ventilador 01 que atingiu níveis na ordem de 19,29 mm/s RMS de nível global.

As freqüências predominantes nos espectros são de 1xRPM (11,89 mm/s RMS), 2xRPM (7,60 mm/s RMS) e 3xRPM (11,41 mm/s RMS) respectivamente, o que nos indica uma folga no mancal que também compromete o desalinhamento do eixo.

No espectro de envelope temos 1xRPM e seus harmônicos que também comprova a folga.

Espectro de velocidade destacando 1x, 2x e 3xRPM
Espectro de Envelope destacando 1x RPM e seus harmônicos

 4.3 IDENTIFICAÇÃO DAS CAUSAS E SOLUÇÕES

4.3.1 Os ensaios práticos de ressonância no local confirmam a proximidade das frequências naturais calculadas por elementos finitos (diferenças entre 0,0% e max 3,3%).

O ventilador opera a maior parte do tempo em 85% (10,90 Hz) da sua rotação máxima 100% (12,8 Hz). A 85% de rotação opera cerca de 30,7% distante da

primeira frequência natural de ressonância do conjunto rotor do ventilador. A 100% de rotação opera cerca de 11,3% distante da primeira frequência natural de ressonância. Como de fato foi comentado nas medições com carga a 100%, houve uma leve tendência de elevação da vibração devido aproximação com a primeira rotação crítica do rotor em 14,25 Hz, porém, até este ponto a vibração máxima na axial chegou a 19,3 mm/s RMS, por problemas mecânicos sem influência de qualquer frequência natural sobre este valor que é muito elevado.Portanto, estamos diante da condição de um conjunto rotor rígido (não se trata de rotor flexível), cuja rotação de operação não passa por nenhuma de suas frequências naturais, desde a primeira ordem até ordens superiores.

Portanto, não há necessidade de alterar o diâmetro do eixo ou qualquer outra parte do conjunto rotor do exaustor, com objetivo de alterar sua frequência natural, porque as falhas não têm causas relacionadas com esta variável.

4.3.2 A vibração excessiva na direção axial observada no mancal LA - Lado Acoplamento do conjunto rotor do ventilador, é o sintoma que esclarece o local e a forma como falha o eixo. O eixo está trabalhando com uma sobrecarga elevadíssima na direção axial causada por três fontes principais:

A primeira causa é o esforço axial induzido pelo processo de execução de balanceamento no campo, por adição de massa de correção concentrada apenas no plano 2 do rotor. Este fato provoca a redução da vibração nas direções radiais, mas aumenta muito a vibração na direção axial. A maioria dos técnicos que executam balanceamento dinâmico no local, não têm noção deste fenômeno. Pensam que reduzir as vibrações na direção radial horizontal e radial vertical, significa que o "rotor dorme". Cometem erro básico de não medir como estavam as vibrações nos dois mancais nas três direções, antes do balanceamento e como ficaram depois. A eliminação definitiva está em mudar o procedimento de balanceamento para obrigatoriamente ser feito sob técnica de dois planos, colocando massa nos dois planos (no rotor lado LOA plano 2 e no rotor lado do mancal LA plano 1), medindo durante todo o balanceamento as vibrações nos dois mancais LA e LOA e nas três direções. Este tipo de rotor, cujo centro é montado deslocado do centro entre os mancais, nunca pode ser balanceado apenas em um plano, sob risco de criar um "par desbalanceado" e provocar vibrações axiais e tensões excessivas quando entra em trabalho dinâmico. Para que o balanceamento em dois planos seja possível de ser realizado, é necessário abrir uma janela removível na lateral do rotor, lado LA,para se ter acesso ao plano 1 para adição e remoção de massas.

A segunda causa é devido a folga axial residual de montagem do rolamento LA - lado acoplamento. Como citado, esta folga axial deve ser absolutamente zero, sem permissão para deslocamento axial do rotor, pois o mesmo já tem um rolamento tipo "Carb" do lado LOA que está projetado para absorver a dilatação axial se e quando ocorrer. Poucos décimos de folga nesta direção faz com que as forças de impacto se multipliquem por dezenas de vezes causando vibrações axiais com alto poder de destruição. Essa cultura de manutenção frequentemente é observada mediante casos crônicos relacionados a vibração excessiva. Infelizmente alcança o endosso de profissionais experientes tanto do cliente como de fornecedores de rolamentos e fabricantes de equipamentos. Em 29 anos de trabalho de solução de problemas de vibração, este tipo de paradigma é o campeão de audiência em discussões técnicas.

A terceira causa está relacionada ao problema de colagem de fuligem sobre o rotor do ventilador, fato que não se dá de forma homogênea e provoca desbalanceamento adicional ao conjunto rotor, aumentando as amplitudes de vibrações e consequente energia destrutiva. A solução deste problema se encontra citada na descrição de causas e efeitos sobre o lavador de gases e decantador de fuligem. Executar as sugestões de solução propostas.

A quarta causa se refere ao esforço axial induzido pelo peso e dilatação do duto da saída do lavador de gases até a entrada do ventilador, que por falta de suporte, descarrega carga adicional sobre a carcaça do ventilador e pedestais que sustentam os mancais do rotor. A solução para este problema é a instalação de um suporte que elimine as cargas adicionais indesejáveis sobre o ventilador.

A quinta causa se refere a todas as causas sobre itens de falhas operacionais, de manutenção e de projeto, relacionadas aos sistemas de lavador de gases e decantador de fuligem. Executar as sugestões de solução propostas.

​5. CONCLUSÃO

 Não há necessidade de se modificar o eixo ou qualquer parte rotativa do ventilador e seus internos, os quais não têm correlação alguma com as falhas observadas no eixo do conjunto rotor dos ventiladores. Executar as soluções propostas neste estudo.

Durante a entressafra que se seguiu, a Usina providenciou a execução da maioria dos itens propostos, reduzindo em 35%s perdas e passando a operar sem as falhas observadas desde o início de operação nos equipamentos novos.

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