Compreendendo o arco do eixo em máquinas rotativas
Arco de eixo (também chamado de flexão do eixo, curvatura do rotor ou simplesmente “curvatura”) é uma condição em que um rotor O veio desenvolveu uma curvatura permanente ou semi-permanente, fazendo com que a sua linha central geométrica se desvie de uma linha reta entre os moentes de rolamento. Ao contrário da curvatura temporária batimento causada por um componente solto ou por uma montagem excêntrica, a curvatura do veio representa uma deformação real do próprio material do veio. Produz vibração sintomas que superficialmente se assemelham desequilíbrio - movimento forte, síncrono, uma vez por revolução - mas não pode ser curado por equilibragem. Reconhecer essa distinção numa fase inicial é o que separa uma reparação rápida de dias de equilibragem infrutífera num veio que nunca iria responder.
1. Definição: O que é realmente o arco de veio
Um rotor perfeitamente saudável tem um eixo de massa e um eixo geométrico que são ambos rectos e quase coincidentes. A curvatura do veio quebra esta imagem ao dobrar o eixo geométrico num arco. A curvatura pode ser pequena - alguns centésimos de milímetro são suficientes para ter importância numa máquina de alta velocidade - mas como a linha central curvada já não passa pelos centros dos rolamentos, o rotor é forçado a girar em torno de uma linha em que não quer naturalmente girar.
Vale a pena separar o arco dos seus parentes próximos. A veio curvado é essencialmente a mesma falha descrita do lado mecânico, enquanto excentricidade descreve um rotor cujo centro de massa é deslocado sem que o próprio eixo seja curvo. Verdadeiro batimento pode ser mecânico (um desvio geométrico real) ou elétrico (uma leitura falsa de um sonda de proximidade vendo material ou variação magnética). A curvatura do veio é especificamente uma deformação geométrica do corpo do veio, e é por isso que nenhuma quantidade de massa adicionada noutro local pode verdadeiramente “equilibrá-la”.
2. Tipos de arcos de veio
A melhor forma de classificar a curvatura do veio é pela sua causa e pelo tempo que persiste, porque cada tipo exige uma resposta diferente.
2.1 Arco mecânico permanente
Trata-se de uma deformação plástica (permanente) do material do veio - o metal cedeu e não recupera a forma original. As origens mais comuns incluem:
- Sobrecarga mecânica ou impacto
- Elevação ou manuseio inadequado durante a manutenção
- Queda do rotor
- Tensão de flexão excessiva durante a operação
- Defeitos de fabricação ou tratamento térmico inadequado
Uma vez que o veio cedeu, o arco permanece mesmo quando o veio está em repouso e todas as cargas externas foram removidas. Esta é a assinatura que separa o arco permanente do tipo térmico: está presente a frio e está presente na bancada.
2.2 Arco Térmico (Transiente)
Também chamado arco térmico ou arco quente, esta é uma condição temporária causada por um aquecimento desigual à volta da circunferência do veio. O lado mais quente expande-se mais do que o lado mais frio, forçando o veio a fazer uma curva com o lado quente na face convexa (exterior). Os factores de desencadeamento típicos são:
- Fontes de calor assimétricas (fluido de processo quente de um lado, ar de resfriamento do outro)
- Fricção do rolamento aquecendo um lado do eixo
- A fricção do rotor gera um aquecimento localizado
- Aquecimento solar em equipamentos externos
- Procedimentos inadequados de aquecimento para grandes turbinas
A curvatura térmica desaparece normalmente quando o veio arrefece uniformemente ou atinge o equilíbrio térmico. O mecanismo completo, a prevenção e a prática do mecanismo de rotação são abordados em pormenor em arco térmico. O cuidado importante aqui é que os ciclos repetidos de arco térmico podem eventualmente levar um veio a ultrapassar o seu ponto de cedência e deixar uma deformação permanente - assim, um problema “temporário” ignorado durante muito tempo torna-se permanente.
2.3 Arco de tensão residual
As tensões residuais internas deixadas pela soldadura, tratamento térmico ou maquinagem podem fazer com que um veio se curve lentamente ao longo do tempo, particularmente quando as temperaturas de serviço ou as cargas de funcionamento permitem que essas tensões bloqueadas relaxem. Este tipo de curvatura pode aparecer meses ou anos após a entrada em funcionamento, o que faz com que valha a pena efetuar verificações periódicas da retidão em rotores críticos.
3. Causas da curvatura do veio
A compreensão da causa principal evita a recorrência e aponta para a correção correta. Os factores de mudança dividem-se em três famílias.
3.1 Causas mecânicas
- Sobrecarga: que funcionem com cargas que excedam os limites de projeto.
- Armazenamento incorreto: armazenar os veios horizontalmente sem um suporte adequado, permitindo a fluência ao longo do tempo - especialmente em rotores longos e finos deixados durante meses em dois suportes de extremidade.
- Manuseio incorreto: Elevação pelo eixo em vez de pontos de elevação designados
- Acidente ou impacto: queda, colisão ou danos causados por objectos estranhos.
- Gripagem do rolamento: Um rolamento travado pode fazer com que o eixo dobre sob o torque de acionamento
3.2 Causas térmicas
- Aquecimento irregular: Distribuição de temperatura não uniforme ao redor da circunferência do eixo
- Mudanças rápidas de temperatura: choque térmico durante o arranque ou a paragem.
- Pontos quentes: Aquecimento localizado por atrito, fricção ou condições de processo
- Aquecimento inadequado: Partida rápida demais de turbinas frias ou máquinas grandes
- Procedimentos de paragem: permitir que um veio quente deixe de rodar antes de arrefecer (afundamento térmico).
3.3 Material e causas de fabrico
- Má qualidade do material: inclusões, vazios ou inomogeneidades materiais.
- Tratamento térmico incorreto: tensões residuais resultantes da têmpera ou do revenido.
- Distorção de soldadura: soldadura assimétrica que cria tensões residuais.
- Tensões de maquinagem: tensões induzidas durante o fabrico que relaxam em serviço.
4. Como é que a curvatura do veio provoca a vibração
Um veio curvado gera vibração através de dois mecanismos distintos mas cooperantes.
4.1 Desequilíbrio geométrico
Quando um veio curvo roda, a sua linha central curva varre um cone ou outro caminho não circular. Mesmo que a distribuição da massa do rotor seja perfeitamente uniforme, a geometria curvada comporta-se como uma massa rotativa excêntrica: afasta o centro de gravidade do eixo de rotação e gera uma força centrífuga que aumenta com o quadrado da velocidade, produzindo uma forte vibração 1× a velocidade de funcionamento. É precisamente por isso que o arco se disfarça de desequilíbrio no espetro.
4.2 Momento de carga nas chumaceiras
A curvatura também impõe um momento de flexão estático e rotativo que é introduzido diretamente nos rolamentos, causando cargas flutuantes nos rolamentos e vibrações no assento. Em rotores maiores, este momento de carga é o que provoca o desgaste acelerado dos rolamentos e, em casos extremos, o contacto entre o rotor e os vedantes estacionários. Um rotor muito curvado, cujo arco se situa perto de um velocidade crítica pode produzir uma reação amplificada, por vezes alarmante, no arranque.
5. Deteção do arco do veio
Uma vez que o arco e o desequilíbrio de massa genuíno partilham a mesma assinatura 1×, a sua distinção é o ponto crucial do diagnóstico. O discriminador mais poderoso é o comportamento a muito baixa velocidade e durante a mudança de temperatura.
5.1 Comparação de sintomas: Arco vs Desequilíbrio
| Característica | Desequilíbrio | Arco de eixo |
|---|---|---|
| Frequência de vibração | 1× velocidade de rotação | 1× velocidade de rotação |
| Relação de Fase | Consistente, o mesmo em todos os momentos | Pode mudar durante o aquecimento |
| Vibração em rotação lenta | Presente (proporcional à velocidade²) | Presente e frequentemente significativo mesmo em velocidades muito baixas |
| Resposta à Equilibragem | Vibração reduzida pela equilibragem correta | Melhora mínima ou nenhuma; pode piorar |
| Sensibilidade Térmica | Relativamente estável com a temperatura | Muda significativamente durante o aquecimento/arrefecimento |
| Medição de excentricidade | Baixo quando o rotor está em repouso | Alto desvio mesmo em repouso (arco permanente) |
A linha mais reveladora é a linha de rotação lenta. A força de desequilíbrio colapsa em direção a zero à medida que a velocidade diminui, porque é proporcional ao quadrado da velocidade de rotação; um arco permanente, sendo um desvio geométrico fixo, continua a mostrar um desvio substancial e um movimento de 1× a um andamento lento. Este é o teste que quebra o empate.
5.2 Testes de diagnóstico
5.2.1 Medição em rotação lenta
Rodar o veio muito lentamente - tipicamente 5-10% da velocidade de funcionamento - e medir batimento com um sonda de proximidade ou um relógio comparador. Um elevado run-out em rotação lenta indica uma curvatura do veio ou um run-out mecânico em vez de desequilíbrio, cuja força centrífuga é negligenciável a uma velocidade tão baixa. O vetor de rotação lenta também é registado para que possa ser subtraído dos dados de vibração em funcionamento, isolando a verdadeira resposta dinâmica da componente de curvatura estática.
5.2.2 Desvio de fase na paragem
Monitorizar a vibração ângulo de fase à medida que a máquina desacelera por inércia. O desequilíbrio verdadeiro mantém uma constante fase independentemente da velocidade (longe da ressonância). Um veio termicamente curvado tende a mostrar uma fase que se desvia à medida que o rotor arrefece, e traçando a amplitude e a fase em conjunto numa Diagrama de Bode ou diagrama polar torna a diferença muito mais fácil de ler do que os números em bruto.
5.2.3 Ensaio de arco térmico
Para uma suspeita de arco térmico, monitorizar a vibração durante o arranque e o aquecimento. O arco térmico mostra tipicamente vibração crescente à medida que a máquina aquece, estabilizando ou diminuindo quando o equilíbrio térmico é atingido - a imagem espelhada de uma avaria que aumenta apenas com a velocidade.
5.2.4 Verificação da excentricidade (run-out) fora da máquina
Retire o rotor, apoie-o em blocos em V ou entre os centros do torno e rode-o lentamente enquanto mede a excentricidade radial com um relógio comparador. Um desvio significativo - normalmente superior a 0,001 in (25 µm) - confirma uma curvatura permanente. Esta verificação em banco de ensaio é a prova definitiva, uma vez que um veio que se lê direito na máquina mas dobrado nos blocos em V conta uma história muito diferente de um que está dobrado em ambos.
5.2.5 Inspeção visual
Em veios de grandes dimensões, a observação ao longo do comprimento do veio ou a utilização de métodos ópticos como alinhamento do laser O equipamento pode revelar uma curvatura óbvia que pode passar despercebida a olho nu.
6. Métodos de correção
A correção correta depende da severidade e do tipo do arco. Não existe uma correção única que se adapte a todos os casos.
6.1 Para Arco Mecânico Permanente
6.1.1 Endireitamento de veios
Para uma curvatura ligeira a moderada - normalmente inferior a 0,005 pol. (125 µm) - o veio pode, por vezes, ser endireitado a frio ou a quente com prensas hidráulicas. O veio é suportado e cuidadosamente dobrado para que se deforme plasticamente e volte a ficar direito, um processo que exige equipamento especializado, técnicos qualificados e paciência, uma vez que a correção excessiva cria simplesmente uma curvatura na direção oposta.
6.1.2 Alívio das tensões térmicas
O tratamento térmico do veio para aliviar as tensões residuais pode reduzir ou eliminar a curvatura originada por tensões de fabrico ou de soldadura bloqueadas. Para tal, é necessário equipamento de forno adequado e um controlo rigoroso do processo para evitar a introdução de novas distorções.
6.1.3 Substituição do veio
Para curvas severas, ou em serviço crítico, a substituição é frequentemente a resposta mais fiável. O custo de um veio novo tem de ser ponderado em relação ao tempo de inatividade e ao risco real de uma tentativa de endireitamento falhar ou voltar a relaxar com o tempo.
6.1.4 “Equilíbrio em torno do arco”
Nalguns casos, nomeadamente nas grandes turbinas pesos de correção pode ser calculado e ajustado para neutralizar o efeito do arco à velocidade de funcionamento. Isto não endireita o veio, apenas anula a força 1× que o arco produz. É uma medida limitada, geralmente temporária, e deixa um rotor cuja desequilíbrio residual só parece aceitável a uma velocidade e temperatura específicas.
6.2 Para arco térmico
6.2.1 Alterações do procedimento operacional
- Implementar procedimentos de aquecimento lentos e faseados.
- Manter a operação contínua do mecanismo de giro durante o desligamento para evitar afundamento térmico
- Controle a admissão de vapor ou as temperaturas do fluido do processo com mais cuidado
- Assegurar um aquecimento e um arrefecimento simétricos.
6.2.2 Alterações de conceção
- Adicionar isolamento para reduzir os gradientes térmicos.
- Instalar mantas de aquecimento para um aquecimento uniforme.
- Melhorar o sistema de arrefecimento para uniformizar a distribuição da temperatura.
6.2.3 Funcionamento dos órgãos de rotação
Nas turbinas de grandes dimensões, o funcionamento do dispositivo de rotação (um acionamento rotativo de baixa velocidade) durante o aquecimento e o arrefecimento mantém o veio a rodar, de modo a que o calor seja distribuído uniformemente pela circunferência, evitando o gradiente que, de outro modo, curvaria o rotor.
7. Verificação do rotor no campo
Depois de um veio ter sido endireitado, substituído ou considerado suficientemente direito para funcionar, o rotor tem ainda de ser verificado dinamicamente nas suas próprias chumaceiras - a excentricidade em banco de ensaio, por si só, não prova que funcionará sem problemas em velocidade. Um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A torna isto prático no local: capta o vetor de rolamento lento e mede 1× amplitude e fase através da gama de velocidades para que um engenheiro possa separar qualquer componente de curvatura remanescente de um desequilíbrio de massa genuíno. Só depois de a rodagem lenta confirmar que o veio está aceitavelmente direito é que faz sentido proceder a uma afinação equilíbrio - altura em que o mesmo instrumento calcula o coeficientes de influência e verifica o resultado final com um ISO 21940-11 grau de equilíbrio. É possível pré-calcular esse valor residual admissível com o Calculadora de desequilíbrio residual (ISO 21940-11) antes de começar.
8. Estratégias de prevenção
Prevenir a curvatura do veio é muito mais barato e rápido do que corrigi-la.
8.1 Conceção e fabrico
- Utilizar procedimentos de tratamento térmico adequados para minimizar as tensões residuais.
- Projetar rigidez de eixo adequada para a aplicação
- Especificar materiais adaptados ao ambiente térmico.
8.2 Instalação e manutenção
- Sempre levante os rotores usando os pontos de elevação designados, nunca pelo eixo
- Armazenar os rotores sobresselentes com um suporte adequado para evitar a queda - idealmente rodados periodicamente ou apoiados perto dos moentes.
- Evitar choques mecânicos durante o manuseamento.
- Verificar periodicamente a retidão do veio (anualmente ou de acordo com o programa do fabricante).
8.3 Funcionamento
- Siga os procedimentos de aquecimento e paragem indicados pelo fabricante.
- Evitar mudanças rápidas de temperatura.
- Monitorizar os sinais de curvatura térmica durante os arranques.
- Investigar prontamente qualquer alteração inexplicável da fase de vibração.
9. Impacto nos procedimentos de equilibragem
Tentar equilibrar um veio curvado é geralmente inútil e pode ser ativamente contraproducente:
- Correcções ineficazes: os pesos calculados para o desequilíbrio de massa não podem corrigir uma curvatura geométrica.
- Mascarar o problema: A equilibragem parcialmente “bem sucedida” de um veio curvado pode reduzir a vibração por um curto período de tempo, deixando o verdadeiro defeito — e a carga sobre as chumaceiras que lhe está associada — intacto.
- Tempo perdido: Os ensaios de equilibragem repetidos que se recusam a convergir são, por si só, um sinal de alerta para a curvatura do veio.
- Danos potenciais: empilhar grandes pesos de correção num veio curvo aumenta as tensões e pode provocar mais danos ou mesmo fissuras por fadiga.
Melhores práticas: verifique sempre a curvatura do veio antes de começar a efetuar o equilíbrio, especialmente se o rotor tiver um historial de manuseamento incorreto, eventos térmicos ou vibrações que ninguém tenha conseguido explicar. Uma verificação de rolagem lenta de dois minutos pode poupar uma tarde perdida e um veio danificado.
