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O que é Shaft Bow? Causas, Detecção e Correção

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Compreendendo o arco do eixo em máquinas rotativas

Definição: O que é Shaft Bow?

Arco de eixo (também chamado de flexão do eixo, curvatura do rotor ou simplesmente “curvatura”) é uma condição em que um rotor o eixo desenvolveu uma curvatura permanente ou semipermanente, fazendo com que se desvie de uma linha central reta. Ao contrário da curvatura temporária acabar que pode ser causado por um componente solto ou montagem excêntrica, o arco do eixo representa a deformação real do próprio material do eixo.

O arco do eixo produz vibração sintomas que superficialmente se assemelham desequilíbrio, mas não pode ser corrigido por métodos convencionais equilíbrio procedimentos. Isso torna o diagnóstico correto essencial para evitar perda de tempo tentando equilibrar um eixo arqueado.

Tipos de arco de eixo

O arco do eixo pode ser categorizado com base em sua causa e duração:

1. Arco Mecânico Permanente

Esta é uma deformação plástica (permanente) do material do eixo causada por:

  • Sobrecarga mecânica ou impacto
  • Elevação ou manuseio inadequado durante a manutenção
  • Soltando o rotor
  • Tensão de flexão excessiva durante a operação
  • Defeitos de fabricação ou tratamento térmico inadequado

Uma vez que o eixo tenha cedido (permanentemente deformado), o arco permanece nivelado quando o eixo está em repouso e todas as cargas são removidas.

2. Arco Térmico (Transitório)

Também chamado arco térmico ou arco quente, esta é uma condição temporária causada pelo aquecimento desigual do eixo. O lado aquecido se expande mais que o lado frio, criando uma curva temporária. As causas incluem:

  • Fontes de calor assimétricas (fluido de processo quente de um lado, ar de resfriamento do outro)
  • Fricção do rolamento aquecendo um lado do eixo
  • Rotor esfrega gerando aquecimento localizado
  • Aquecimento solar em equipamentos externos
  • Procedimentos inadequados de aquecimento para grandes turbinas

A curvatura térmica geralmente desaparece quando o eixo esfria uniformemente ou quando o equilíbrio térmico é atingido. No entanto, ciclos repetidos de curvatura térmica podem eventualmente causar deformação permanente.

3. Arco de Estresse Residual

Tensões residuais internas de soldagem, tratamento térmico ou processos de fabricação podem fazer com que um eixo se curve lentamente ao longo do tempo, principalmente quando submetido a temperaturas operacionais ou cargas mecânicas que causam alívio de tensão.

Causas do arco do eixo

Entender as causas raiz ajuda a prevenir a curvatura do eixo e orientar ações corretivas:

Causas Mecânicas

  • Sobrecarga: Operando com cargas que excedem os limites de projeto
  • Armazenamento inadequado: Armazenar eixos horizontalmente sem suporte adequado, causando flacidez ao longo do tempo
  • Manuseio incorreto: Elevação pelo eixo em vez de pontos de elevação designados
  • Acidente ou Impacto: Queda, colisão ou danos causados por objetos estranhos
  • Apreensão do rolamento: Um rolamento travado pode fazer com que o eixo dobre sob o torque de acionamento

Causas Térmicas

  • Aquecimento desigual: Distribuição de temperatura não uniforme ao redor da circunferência do eixo
  • Mudanças rápidas de temperatura: Choque térmico durante a inicialização ou desligamento
  • Pontos quentes: Aquecimento localizado por atrito, fricção ou condições de processo
  • Aquecimento inadequado: Partida rápida demais de turbinas frias ou máquinas grandes
  • Procedimentos de desligamento: Permitir que um eixo quente pare de girar antes de esfriar (afundamento térmico)

Causas materiais e de fabricação

  • Má qualidade do material: Inclusões, vazios ou inomogeneidades materiais
  • Tratamento térmico inadequado: Tensões residuais de têmpera ou revenimento
  • Distorção de soldagem: Soldagem assimétrica criando tensões residuais
  • Tensões de usinagem: Tensões induzidas durante a fabricação

Como o arco do eixo causa vibração

Um eixo arqueado cria vibração por meio de dois mecanismos:

1. Desequilíbrio geométrico

Quando um eixo arqueado gira, sua linha central curva traça um cone ou outro caminho não circular. Mesmo que a distribuição de massa do rotor esteja perfeitamente equilibrada, a geometria arqueada cria uma massa rotativa excêntrica que gera forças centrífugas, produzindo vibração 1X (vibração na frequência de rotação do eixo).

2. Carga de momento em rolamentos

A curvatura cria momentos de flexão que são transmitidos aos rolamentos, causando cargas flutuantes e vibração.

Detectando o arco do eixo

Distinguir o arco do eixo do verdadeiro desequilíbrio de massa é crucial para uma solução de problemas eficaz:

Comparação de sintomas: arco vs. desequilíbrio

Característica Desequilíbrio Arco de eixo
Frequência de vibração 1X velocidade de corrida 1X velocidade de corrida
Relação de Fase Consistente, o mesmo em todos os momentos Pode mudar durante o aquecimento
Vibração de rolamento lento Presente (proporcional à velocidade²) Presente e frequentemente significativo mesmo em velocidades muito baixas
Resposta ao Balanceamento Vibração reduzida pelo balanceamento correto Melhora mínima ou nenhuma; pode piorar
Sensibilidade Térmica Relativamente estável com a temperatura Muda significativamente durante o aquecimento/relaxamento
Medição de excentricidade Baixo quando o rotor está em repouso Alto desvio mesmo em repouso (arco permanente)

Testes de Diagnóstico

1. Medição de rotação lenta

Gire o eixo muito lentamente (normalmente 5-10% de velocidade operacional) e meça acabar com uma sonda de proximidade ou um relógio comparador. Um desvio alto em rotação lenta indica arqueamento do eixo ou desvio mecânico, não desequilíbrio (que produz uma força proporcional à velocidade ao quadrado).

2. Mudança de fase de desligamento

Monitorar vibração ângulo de fase conforme a máquina desliga. O desequilíbrio verdadeiro mantém a fase constante, independentemente da velocidade. Um eixo arqueado pode apresentar mudanças de fase, principalmente à medida que esfria.

3. Teste de arco térmico

Em caso de suspeita de arco térmico, monitore a vibração durante a inicialização e o aquecimento. O arco térmico normalmente apresenta vibração crescente à medida que a máquina aquece, podendo então se estabilizar ou diminuir à medida que o equilíbrio térmico é atingido.

4. Verificação de excentricidade fora da máquina

Remova o rotor, apoie-o em blocos em V ou em um torno e gire-o lentamente enquanto mede a excentricidade radial com um relógio comparador. Uma excentricidade significativa (tipicamente > 0,001" ou 25 µm) confirma a curvatura permanente.

5. Inspeção visual

Para eixos grandes, a observação visual ao longo do eixo ou o uso de métodos ópticos (alinhamento a laser) pode revelar uma proa óbvia.

Métodos de correção

A correção apropriada depende da gravidade e do tipo do arco:

Para arco mecânico permanente

1. Endireitamento do eixo

Para arco leve a moderado (tipicamente < 0,005" ou 125 µm), o eixo pode, às vezes, ser endireitado a frio ou a quente usando prensas hidráulicas. Isso requer equipamentos especializados e técnicos qualificados. O eixo é apoiado e cuidadosamente carregado para deformá-lo plasticamente de volta à posição reta.

2. Alívio do estresse térmico

Trate termicamente o eixo para aliviar tensões residuais, potencialmente reduzindo ou eliminando o arco devido a causas relacionadas a tensões. Isso requer equipamento de fornalha adequado e controle de processo.

3. Substituição do eixo

Para arcos severos ou em aplicações críticas, a substituição costuma ser a solução mais confiável. O custo de um novo eixo deve ser ponderado em relação ao tempo de inatividade e ao risco de tentativas de endireitamento fracassarem.

4. “Equilibrando-se em torno do arco”

Em alguns casos, especialmente para turbinas de grande porte, pesos de correção podem ser calculados e instalados para neutralizar o efeito da proa. Isso não fixa a proa, mas minimiza a vibração. Essa abordagem tem limitações e normalmente é uma solução temporária.

Para arco térmico

1. Alterações no Procedimento Operacional

  • Implementar procedimentos de aquecimento lento
  • 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
  • Garantir aquecimento/resfriamento simétrico

2. Modificações de design

  • Adicione isolamento para reduzir gradientes térmicos
  • Instale jaquetas de aquecimento para aquecimento uniforme
  • Melhore o sistema de resfriamento para garantir uma distribuição uniforme da temperatura

3. Operação da engrenagem de giro

Para turbinas grandes, opere a engrenagem de giro (acionamento rotacional de baixa velocidade) durante o aquecimento e o resfriamento para girar o eixo e evitar o desenvolvimento de arco térmico.

Estratégias de Prevenção

Prevenir a curvatura do eixo é muito mais fácil do que corrigi-la:

Design e Fabricação

  • Use procedimentos adequados de tratamento térmico para minimizar tensões residuais
  • Projetar rigidez de eixo adequada para a aplicação
  • Especificar materiais apropriados para o ambiente térmico

Instalação e Manutenção

  • Sempre levante os rotores usando os pontos de elevação designados, nunca pelo eixo
  • Armazene os rotores sobressalentes com suporte adequado para evitar flacidez
  • Evite choques mecânicos durante o manuseio
  • Verifique a retidão do eixo periodicamente (anualmente ou conforme cronograma do fabricante)

Operação

  • Siga os procedimentos de aquecimento e desligamento do fabricante
  • Evite mudanças bruscas de temperatura
  • Monitore sinais de curvatura térmica durante inicializações
  • Investigar quaisquer mudanças inexplicáveis na fase de vibração

Impacto nos procedimentos de balanceamento

Tentar equilibrar um eixo arqueado geralmente é inútil e pode ser contraproducente:

  • Correções ineficazes: Pesos de equilíbrio calculados para desequilíbrio de massa não corrigem o arco geométrico
  • Mascarando o problema: O “balanceamento” parcialmente bem-sucedido de um eixo arqueado pode reduzir a vibração temporariamente, mas deixar o problema subjacente sem solução
  • Tempo perdido: Várias iterações de balanceamento sem sucesso indicam a necessidade de verificar o arco
  • Danos potenciais: Adicionar grandes pesos de correção a um eixo arqueado pode aumentar as tensões e causar mais danos

Melhores práticas: Sempre verifique se o eixo está arqueado antes de iniciar os procedimentos de balanceamento, principalmente se o rotor tiver um histórico de manuseio, eventos térmicos ou problemas de vibração inexplicáveis.

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