Comprensione dell'arco termico nelle macchine rotanti

Dispositivi

Equilibratore portatile e analizzatore di vibrazioni Balanset-1A

$2,358.31

Parti di ricambio

Sensore di vibrazioni

$107.47

Parti di ricambio

Sensore ottico (tachimetro laser)

$148.07

Dispositivi

Balanset-4

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Parti di ricambio

Standard magnetico Insize-60-kgf

$54.93

Parti di ricambio

Nastro riflettente

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Dispositivi

Bilanciatore dinamico "Balanset-1A" OEM

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Definizione: Che cosa è l'arco termico?

Arco termico (chiamato anche arco caldo, curvatura termica o arco dell'albero indotto dalla temperatura) è una curvatura temporanea che si sviluppa in un rotore albero a causa della distribuzione non uniforme della temperatura lungo la circonferenza dell'albero. Quando un lato dell'albero è più caldo del lato opposto, la dilatazione termica fa sì che il lato caldo si allunghi, costringendo l'albero a piegarsi in una forma curva con il lato caldo sul lato convesso (esterno) della curva.

A differenza del permanente arco dell'asta da danni meccanici, l'arco termico è reversibile: scompare quando l'albero torna a una temperatura uniforme. Tuttavia, l'arco termico crea significativi vibrazione durante i periodi di riscaldamento e defaticamento e può causare danni permanenti se grave o ripetuto frequentemente.

Meccanismo fisico

Differenziale di espansione termica

La fisica alla base dell'arco termico è semplice:

• Il metallo si espande quando riscaldato (coefficiente di dilatazione termica in genere 10-15 µm/m/°C per l'acciaio)
• Se la temperatura è uniforme lungo la circonferenza, l'espansione è simmetrica (l'albero si allunga ma rimane dritto)
• Se un lato è più caldo, quel lato si espande più del lato freddo
• L'espansione differenziale provoca la curvatura
• L'ampiezza dell'arco è proporzionale alla differenza di temperatura e alla lunghezza dell'asta

Differenze di temperatura tipiche

• Una differenza di temperatura di 10-20°C attraverso il diametro può creare un arco misurabile
• Nelle turbine di grandi dimensioni, una differenza di 30-50°C può produrre forti vibrazioni
• L'effetto si accumula lungo la lunghezza dell'albero: gli alberi più lunghi sono più suscettibili

Cause comuni dell'arco termico

1. Condizioni di avvio (più comuni)

• Riscaldamento asimmetrico: Il vapore caldo, il gas o il fluido di processo entrano in contatto con la parte superiore dell'albero mentre la parte inferiore rimane più fredda
• Riscaldamento radiante: Calore proveniente da involucri caldi o tubazioni che riscaldano la parte superiore dell'albero
• Attrito del cuscinetto: Un cuscinetto che funziona più caldo degli altri riscalda la sezione locale dell'albero
• Avvio rapido: Un tempo di riscaldamento insufficiente consente lo sviluppo di gradienti termici

2. Condizioni di arresto (abbassamento termico)

• Arresto a caldo: L'albero smette di ruotare mentre è ancora caldo
• Abbassamento gravitazionale: Il calore sale, facendo sì che la parte superiore del pozzo orizzontale si raffreddi più velocemente di quella inferiore
• Arco termico Sag: Il lato inferiore rimane caldo più a lungo, l'albero si piega verso il basso
• Periodo critico: Prime ore dopo lo spegnimento

3. Cause operative

• Sfregamento rotore-statore: L'attrito da contatto genera un intenso riscaldamento locale
• Raffreddamento non uniforme: Flusso d'aria di raffreddamento asimmetrico o spruzzo d'acqua
• Riscaldamento solare: Attrezzatura da esterno con esposizione al sole su un lato
• Problemi di processo: Cambiamenti improvvisi di temperatura nel fluido di lavoro

Sintomi e rilevamento

Caratteristiche di vibrazione

L'arco termico produce modelli di vibrazione distintivi:

• Frequenza: 1× velocità di corsa (vibrazione sincrona)
• Tempistica: Elevato durante il riscaldamento, diminuisce al raggiungimento dell'equilibrio termico
• Cambiamenti di fase: angolo di fase può cambiare man mano che l'arco si sviluppa e si risolve
• Vibrazione a rotolamento lento: Elevate vibrazioni anche a velocità molto basse (a differenza sbilanciare)
• Aspetto: Simile allo squilibrio ma dipendente dalla temperatura

Distinguere l'arco termico dallo sbilanciamento

Caratteristica	Sbilanciare	Arco termico
Frequenza	1× velocità di corsa	1× velocità di corsa
Sensibilità alla temperatura	Relativamente stabile	Alto durante il riscaldamento/defaticamento
Rotolo lento (50-200 giri/min)	Ampiezza molto bassa	Alta ampiezza
Fase vs. Temperatura	Costante	Cambiamenti con lo sviluppo dell'arco
Persistenza	Costante in ogni momento	Temporaneo, si risolve all'equilibrio termico
Risposta al bilanciamento	Vibrazione ridotta	Miglioramento minimo o nullo

Test diagnostici

1. Test di vibrazione a rotolamento lento

• Ruotare l'albero a 5-10% della velocità operativa
• Misurare le vibrazioni e esaurire
• Una vibrazione elevata e lenta indica un arco termico o meccanico, non uno squilibrio

2. Monitoraggio della temperatura

• Monitorare le temperature dell'albero o dei cuscinetti durante l'avvio
• Misurare la temperatura in più punti attorno alla circonferenza del cuscinetto
• Correlare i cambiamenti di vibrazione con i gradienti di temperatura

3. Tendenza delle vibrazioni di avvio

• Tracciare l'ampiezza della vibrazione in funzione del tempo durante il riscaldamento
• Arco termico: inizialmente elevato, diminuisce man mano che ci si avvicina all'equilibrio
• Squilibrio: aumenta con la velocità, indipendentemente dalla temperatura

Strategie di prevenzione

Procedure operative

1. Procedure di riscaldamento adeguate

• Aumento graduale della temperatura: Lasciare che l'albero si riscaldi uniformemente
• Tempo di riscaldamento prolungato: Le turbine di grandi dimensioni potrebbero richiedere dalle 2 alle 4 ore
• Monitoraggio della temperatura: Temperature dei cuscinetti e delle carcasse
• Monitoraggio delle vibrazioni: Monitorare durante il riscaldamento, ritardare l'aumento della velocità se le vibrazioni sono elevate

2. Funzionamento dell'ingranaggio di tornitura

• Per le turbine di grandi dimensioni, azionare l'ingranaggio di rotazione (rotazione lenta, ~3-10 giri/min) durante il riscaldamento e il raffreddamento
• La rotazione continua previene l'incurvamento termico distribuendo il calore in modo uniforme
• Standard industriale per turbine a vapore > 50 MW
• Può azionare l'attrezzatura di tornitura per 8-24 ore durante il raffreddamento

3. Procedure di spegnimento

• Raffreddamento graduale: Ridurre lentamente il carico e la temperatura prima dello spegnimento
• Ingranaggio di tornitura esteso: Mantenere il rotore in rotazione mentre si raffredda
• Evitare arresti a caldo: Gli arresti di emergenza lasciano l'albero caldo e soggetto a cedimento della prua

Misure di progettazione

• Isolamento termico: Isolare gli involucri per mantenere una temperatura uniforme
• Giacche riscaldanti: Riscaldatori esterni per un preriscaldamento uniforme
• Drenaggio: Prevenire l'accumulo di condensa calda sul fondo dell'albero
• Ventilazione: Assicurare un flusso d'aria di raffreddamento simmetrico

Conseguenze dell'arco termico

Effetti immediati

• Alta vibrazione: Può raggiungere livelli 5-10 volte superiori a quelli normali durante il riscaldamento
• Carico del cuscinetto: L'arco asimmetrico aumenta i carichi portanti
• Sfregamenti delle foche: La flessione dell'albero può causare il contatto con guarnizioni o parti fisse
• Ritardi all'avvio: Bisogna attendere che la vibrazione diminuisca prima di aumentare la velocità

Danni a lungo termine

• Usura dei cuscinetti: Le vibrazioni elevate ripetute accelerano il deterioramento dei cuscinetti
• Danni alla guarnizione: Gli sfregamenti ripetuti distruggono i componenti della guarnizione
• Fatica: Le sollecitazioni di flessione cicliche durante ogni avvio contribuiscono alla fatica
• Set permanente: Un arco termico grave o ripetuto può causare una deformazione plastica permanente

Correzione e mitigazione

Per arco termico attivo

• Concediti del tempo: Attendere l'equilibrio termico prima di aumentare la velocità
• Rotolo lento: Ruotare lentamente per distribuire il calore, se possibile
• Non tentare di bilanciare: Il bilanciamento non può correggere l'arco termico e sarà inefficace
• Indirizzo Fonte di Calore: Identificare ed eliminare il riscaldamento asimmetrico

Per arco termico sag (dopo lo spegnimento)

• Ingranaggio di tornitura: Mantenere il rotore in rotazione lenta durante il raffreddamento
• Tempo di rollaggio esteso: Potrebbero essere necessarie 12-24 ore di funzionamento del meccanismo di rotazione
• Monitoraggio della temperatura: Continuare fino a quando la temperatura dell'albero non diventa uniforme
• Riavvio ritardato: Se si è sviluppato un arco, attendere il raddrizzamento naturale prima di ricominciare

Considerazioni specifiche del settore

Turbine a vapore

• Più suscettibile all'arco termico a causa delle alte temperature e dei rotori massicci
• Procedure elaborate di riscaldamento e defaticamento sono prassi standard
• Dispositivo di svolta obbligatorio per unità > 50 MW
• Potrebbe richiedere 2-4 ore di riscaldamento, 12-24 ore di raffreddamento con attrezzatura girevole

Turbine a gas

• Risposta termica più rapida grazie alla massa più piccola
• Arco termico durante l'avvio meno comune ma comunque possibile
• Il riscaldamento lato combustione può creare asimmetrie
• Cicli di riscaldamento tipicamente più rapidi rispetto alle turbine a vapore

Grandi motori elettrici e generatori

• Curva termica dovuta al calore dell'avvolgimento del rotore o all'attrito del cuscinetto
• Installazioni esterne soggette a riscaldamento solare
• Potrebbe essere necessario girarlo o riscaldarlo prima dell'avvio

Monitoraggio e allarme

Parametri di monitoraggio chiave

• Vibrazione a rotolamento lento: Misurare a bassa velocità prima dell'avvio normale
• Differenziale di temperatura del cuscinetto: Confronta le temperature in alto e in basso
• Vibrazione vs. Temperatura: Tracciare l'ampiezza della vibrazione in funzione della temperatura del cuscinetto
• Angolo di fase: Cambiamenti di fase della traccia che indicano lo sviluppo dell'arco

Criteri di allarme

• Vibrazione lenta del rollio > 2× linea di base attiva l'allarme
• Una differenza di temperatura > 15-20°C indica uno squilibrio termico
• Rapidi cambiamenti di fase (> 30° in 10 minuti) suggeriscono lo sviluppo di arco
• Vibrazione che aumenta durante il riscaldamento anziché diminuire

Strategie di avvio avanzate

Accelerazione controllata

1. Rotolo lento iniziale: Verificare vibrazioni accettabili a 100-200 giri/min
2. Accelerazione graduale: Aumentare a velocità intermedie (ad esempio, 30%, 50%, 70% normale) con prese
3. Periodi di immersione termica: Mantenere una velocità costante per 15-30 minuti in ogni fase
4. Verifica delle vibrazioni: In ogni fase, confermare la diminuzione delle vibrazioni prima di procedere
5. Monitoraggio della temperatura: Assicurare la riduzione dei gradienti termici durante tutto il processo

Sistemi di avvio automatizzati

I moderni sistemi di controllo possono automatizzare la gestione dell'arco termico:

• Sequenze di riscaldamento programmabili
• Periodi di attesa automatici se vengono superati i limiti di vibrazione o temperatura
• Calcolo in tempo reale dell'entità dell'arco termico da vibrazioni e temperatura
• Profili di velocità adattivi basati sulle condizioni misurate

Relazione con altri fenomeni

Arco termico vs. arco permanente

• Arco termico: Temporaneo, scompare all'equilibrio termico
• Arco permanente: Deformazione plastica, rimane anche a freddo
• Rischio: Un arco termico ripetuto e grave può alla fine causare un cedimento permanente

Arco termico e bilanciamento

• Tentando di bilancia durante l'arco termico è inutile
• I pesi di correzione calcolati per la condizione di arco termico saranno errati una volta raggiunto l'equilibrio
• Consentire sempre la stabilizzazione termica prima del bilanciamento
• L'arco termico può mascherare la vera condizione di squilibrio

Migliori pratiche di prevenzione

Per nuove installazioni

• Progettare sistemi di riscaldamento e raffreddamento simmetrici
• Installare un dispositivo di rotazione per apparecchiature > 100 kW o > 2 metri di lunghezza dell'albero
• Fornire un drenaggio adeguato per prevenire l'accumulo di liquidi caldi
• Isolare per ridurre al minimo il trasferimento di calore radiante

Per le apparecchiature esistenti

• Sviluppare e seguire rigorosamente le procedure di riscaldamento scritte
• Addestrare gli operatori sui rischi e i sintomi dell'arco termico
• Installare il monitoraggio della temperatura in più posizioni
• Utilizzare l'andamento delle vibrazioni durante gli avviamenti per identificare i problemi termici
• Documentare i dati storici per ottimizzare le procedure

Pratiche di manutenzione

• Verificare il funzionamento del meccanismo di rotazione prima di ogni spegnimento
• Controllare la calibrazione dei sensori di temperatura dei cuscinetti
• Ispezionare i sistemi di drenaggio per individuare eventuali ostruzioni
• Verificare l'integrità dell'isolamento
• Controllare ed eliminare eventuali fonti di riscaldamento asimmetrico

L'incurvamento termico, sebbene temporaneo e reversibile, rappresenta una sfida operativa significativa per i macchinari rotanti di grandi dimensioni. Comprenderne le cause, riconoscerne i sintomi e implementare adeguate procedure di riscaldamento e raffreddamento sono essenziali per il funzionamento affidabile di turbine a vapore, turbine a gas e altre apparecchiature rotanti ad alta temperatura.

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