Entendendo rotores trincados
A rotor rachado é um rotor ou veio rotativo que tenha desenvolvido uma fenda de fadiga - uma fratura que se propaga através do material sob tensão cíclica. É essencialmente o mesmo defeito que uma rachadura no eixo, O termo "rotor fissurado" é utilizado para designar o conjunto completo do rotor e não o elemento do veio. Os rotores rachados estão entre as falhas mais perigosas de todas as máquinas, porque uma rachadura pode crescer de uma falha pequena e indetetável para uma fratura catastrófica completa em dias ou semanas, uma vez que tenha atingido o estágio em que vibração A monitorização pode detectá-la. A assinatura de marca registada é uma 2× (segundo-harmónico) que cresce à medida que a fenda se propaga, produzida pela variação de duas vezes por rotação na rigidez do veio à medida que a fenda abre e fecha durante a rotação.
1. Definição e razão pela qual as fissuras são tão perigosas
Uma fenda de fadiga num veio rotativo tem um comportamento muito diferente de uma falha estática. Cada rotação aplica um ciclo completo de flexão tensão-compressão à secção fissurada, pelo que o rotor acumula danos ao mesmo ritmo que acumula rotações - milhares de ciclos de tensão por minuto. A parte traiçoeira é a cronologia: a fissura pode permanecer benigna e invisível durante anos, entrando depois numa fase de aceleração rápida em que a margem entre “detetável pela primeira vez de forma fiável” e “fracturado” é medida em dias. Esta janela de aviso comprimida é precisamente a razão pela qual uma fissura confirmada é normalmente tratada como motivo para uma fratura imediata encerramento, e porquê contínuo monitoramento de condições justifica-se em máquinas críticas.
2. Como se desenvolvem as fissuras nos rotores
Locais de Iniciação de Crack
As fissuras iniciam-se quase sempre numa concentração de tensões - uma caraterística geométrica ou metalúrgica em que a tensão local é amplificada muito acima do nível nominal:
- Chavetas: cantos afiados em extremidades de ranhuras de chaveta - o local de iniciação mais comum.
- Mudanças de diâmetro: ombros, passos e transições.
- Secções roscadas: raízes filamentosas que concentram o stress.
- Furos e perfurações transversais: passagens de óleo ou orifícios de montagem.
- Bordos de encaixe por pressão: ajustes de interferência que deixam tensão residual e convidam ao desgaste.
- Soldas: zonas afectadas pelo calor e dedos de solda.
- Poços de corrosão: defeitos de superfície de corrosão que actuam como iniciadores de crack prontos a usar.
- Marcas de maquinagem: marcas de ferramentas, especialmente quando orientadas perpendicularmente à tensão principal.
Processo de propagação de fissuras
- Formação de microfissuras: iniciada numa concentração de tensão, normalmente inferior a 1 mm.
- Propagação lenta: a fenda cresce gradualmente com cada ciclo de tensão - esta fase pode demorar anos.
- Aceleração: à medida que a fenda cresce, a intensidade da tensão aumenta e a taxa de crescimento acelera.
- Fase detetável: a cerca de 10-30% através do diâmetro, a vibração 2× torna-se aparente.
- Tamanho crítico: o ligamento restante já não consegue suportar a carga.
- Fratura catastrófica: falha súbita e completa do eixo.
A força motriz em cada fase é cíclica fadiga, Por isso, tudo o que reduza a tensão de flexão cíclica - bom equilíbrio, alinhamento preciso - atrasa diretamente o crescimento das fissuras.
3. A caraterística 2X Vibration Signature
Por que as rachaduras produzem vibração duas vezes maior?
O mecanismo é o chamado fenda respiratória:
- Fenda fechada (compressão): quando a região fendilhada roda para a compressão (o fundo de rotação de um veio horizontal), as faces da fenda pressionam-se e a rigidez do veio é maior.
- Crack open (tensão): quando a fenda roda em tensão (topo da rotação), abre-se e a rigidez do veio é menor.
- Duas vezes por rotação: a rigidez muda, portanto, duas vezes por rotação - uma vez que a fenda passa pela orientação ascendente e outra pela descendente.
- 2× forcing: esta variação de rigidez a duas vezes a velocidade de deslocação cria uma resposta de vibração 2×.
- Crescimento da amplitude: à medida que a fenda se aprofunda, a assimetria de rigidez aumenta e a amplitude 2× cresce com ela.
Características de vibração
- Indicador principal: um componente 2× que surge e cresce de forma constante ao longo do tempo.
- 1× mudanças: o 1× velocidade de funcionamento a vibração também pode aumentar, uma vez que a fenda induz uma curvatura residual no rotor.
- Harmónicos superiores: 3× e 4× harmônicos pode aparecer quando a fissura se torna grave.
- Fase comportamento: os ângulos de fase mudam durante o arranque e a desaceleração de forma diferente de um desequilíbrio resposta - um fator de discriminação fundamental.
- Sensibilidade à temperatura: a amplitude 2× pode variar com a temperatura do veio, o que afecta a rapidez com que a fenda se abre.
Vale a pena sublinhar que um 2× alto, por si só, não prova a existência de uma fissura - desalinhamento e algumas formas de folga também aumentam os 2×. As caraterísticas distintivas são a estabilidade crescimento ao longo do tempo e o comportamento invulgar das fases através da ressonância, razão pela qual são utilizados os ensaios de tendências e de transientes.
4. Detecção e diagnóstico
Monitorização de vibração
Tendência do rácio 2X/1X
O indicador de campo mais prático é a relação entre a amplitude 2× e a amplitude 1×, observada ao longo do tempo através de tendência:
- Máquinas normais: 2×/1× abaixo de cerca de 0,2-0,3.
- Suspeita de fissura: 2×/1× acima de 0,5 e a aumentar.
- Fissura confirmada: 2×/1× aproximando-se ou excedendo 1,0
- Emergência: 2×/1× acima de 2,0 - recomenda-se o encerramento imediato.
Testes transitórios
- Diagramas de Bode registados durante o arranque e a desaceleração.
- Um rotor fissurado apresenta um comportamento 2× anómalo quando passa pela ressonância.
- Podem aparecer dois picos a metade de cada velocidade crítica, porque o forçamento 2× excita a ressonância a metade da velocidade normal.
- As mudanças de fase diferem da resposta normal de desequilíbrio.
Exame não destrutivo
A vibração diz-nos para olhar; ensaios não destrutivos confirma e dimensiona a fenda:
- Inspeção por partículas magnéticas (MPI): detecta fissuras superficiais e próximas da superfície.
- Penetrante de corantes: deteção visual de fissuras de rutura de superfície.
- Ensaio por ultra-sons (UT): detecta fissuras internas e mede a sua profundidade.
- Corrente de Foucault: deteção de fissuras superficiais sem contacto.
- Radiografia: deteção de fissuras internas em componentes críticos.
5. Resposta de emergência
Após a deteção de uma suspeita de fissura
- Reforçar a monitorização: de mensal para diário ou para contínuo.
- Reduzir a severidade do funcionamento: velocidade ou carga inferiores, sempre que possível.
- Planear uma inspeção imediata: marcar o exame NDT na primeira oportunidade.
- Preparar o encerramento: encomendar um veio de substituição e planear o procedimento de reparação.
- Avaliação dos riscos: estimar o tempo até à falha potencial a partir da taxa de crescimento observada.
Se a fissura for confirmada
- Encerramento imediato - a menos que uma avaliação formal dos riscos demonstre que é seguro continuar a funcionar durante um período definido e limitado.
- Sem reinício até que o veio seja substituído ou reparado.
- Substituição do veio é a solução mais fiável.
- Análise da causa raiz para determinar a razão pela qual a fissura se desenvolveu e prevenir a sua recorrência.
6. Estratégias de prevenção
Projeto
- Eliminar ou minimizar as concentrações de tensão.
- Utilizar raios de filete generosos (uma regra prática útil é R superior a 0,1 × diâmetro).
- Evitar ranhuras de chaveta sempre que possível; privilegiar os encaixes por interferência.
- Especificar o material e o tratamento térmico adequados.
- Aplicar tratamentos de superfície, como a granalhagem ou a nitruração, para melhorar a resistência à fadiga.
Operação
- Manter bom equilíbrio de qualidade para minimizar as tensões de flexão cíclicas.
- Manter a precisão alinhamento do eixo para reduzir os momentos flectores.
- Evitar o funcionamento contínuo a velocidades críticas.
- Prevenir eventos de excesso de velocidade.
- Controlar o stress térmico através de um aquecimento e arrefecimento adequados.
Manutenção
- Monitorização de rotina das vibrações com tendências explícitas de 2×.
- Inspeção periódica NDT - anualmente, ou conforme ditado pela avaliação de riscos.
- Prevenir a corrosão, que protege contra a fissuração iniciada por poços.
- Manter a vibração baixa para reduzir o stress cíclico.
O bom equilíbrio merece aqui uma menção especial, pois é a única medida de prevenção que uma equipa de manutenção pode aplicar no terreno. Um analisador portátil de dois canais, como o Balanset-1A mede a amplitude e a fase 1× nos próprios rolamentos da máquina e orienta a correção num ou em dois planos com um peso de teste, conduzindo o desequilíbrio residual para o seu objetivo ISO 21940-11. Forças 1× mais baixas significam menor tensão de flexão cíclica em cada rasgo de chaveta e ombro - prolongando diretamente a vida de fadiga que uma fenda consumiria de outra forma. O mesmo instrumento é inestimável para captar os dados de amplitude e fase do arranque e da desaceleração que distinguem uma fenda de respiração de um desequilíbrio normal.
Rotores fissurados representam um dos modos de falha mais críticos em máquinas rotativas. A combinação da monitorização da vibração - detectando o crescimento caraterístico da assinatura 2× - com o exame não destrutivo periódico proporciona uma proteção essencial, permitindo a deteção antes de uma falha catastrófica e permitindo uma substituição planeada do veio que evita danos secundários extensos e riscos de segurança graves.
