Compreender o surge em compressores
Surge — frequentemente designado simplesmente por «surge no compressor» — é uma instabilidade aerodinâmica violenta que ocorre em compressores centrífugos e axiais, na qual todo o fluxo que atravessa a máquina inverte periodicamente a sua direção. O resultado é uma oscilação da pressão e do fluxo, geralmente a frequências de 0,5-10 Hz. Em cada ciclo de surge, o fluxo interrompe-se momentaneamente ou inverte-se, a pressão de descarga desce drasticamente, depois o fluxo para a frente retoma-se e a pressão volta a subir, e o ciclo repete-se. Estas inversões exercem enormes forças flutuantes sobre o rotor, produzindo graves vibração — especialmente no axial direção — um ruído estrondoso e a capacidade de destruir um compressor em poucos minutos, se não for imediatamente desligado.
O Surge é, no fundo, um sistema instabilidade que envolve o compressor, juntamente com a tubagem e o volume a ele ligados, não sendo uma característica exclusiva do compressor. Esta instabilidade surge quando a máquina é forçada a funcionar para além da sua capacidade de aumento de pressão em condições de baixo caudal, sendo que a sua prevenção requer um controlo anti-surgência que mantenha o caudal em segurança acima da linha de surgência.
1. O mecanismo de surge
O ciclo de surge
Um ciclo de surge típico decorre através de uma sequência repetitiva:
- Redução do caudal: A procura do sistema diminui, pelo que o caudal que passa pelo compressor diminui.
- Início do estol: A um caudal muito baixo, as pás entram em perda de sustentação e o fluxo separa-se das superfícies das pás.
- Colapso por pressão: O compressor em estol já não consegue manter a pressão de descarga.
- Inversão do fluxo: O gás a alta pressão retido na tubagem de descarga ou na câmara de distribuição é empurrado para trás através do compressor.
- Equalização de pressão: A pressão de descarga diminui à medida que o gás escapa para trás.
- O fluxo normal é retomado: Assim que a pressão baixar, o compressor pode voltar a impulsionar o gás.
- A pressão aumenta: O restabelecimento do fluxo para a frente restabelece a pressão de descarga.
- O ciclo repete-se: A alta pressão faz com que a máquina pare novamente, e o ciclo repete-se.
Frequência de surge
- Determinado pelo volume do sistema (tubagem, câmaras de distribuição, reservatórios) em conjunto com as características do compressor.
- Volumes maiores resultam numa menor frequência de surge.
- Intervalo típico: 0,5–10 Hz.
- Sistemas de pequena dimensão: aproximadamente 5–10 Hz.
- Sistemas de grande dimensão: aproximadamente 0,5–2 Hz.
- A frequência mantém-se relativamente constante num determinado sistema.
Esta frequência baixa, fixada pelo sistema, situa-se bem dentro da gama de funcionamento de um analisador portátil. Vale a pena referir que o Balanset-1A mede vibrações a partir de 5 Hz, pelo que os ciclos de surge de alta frequência dos sistemas de pequena dimensão se enquadram na sua banda; o diagnóstico fundamental, no entanto, reside menos na frequência exata e mais no padrão inconfundível de uma pulsação de baixa frequência, de grandes dimensões, instável e predominantemente axial, que surge repentinamente.
2. Condições que provocam surge
Operação para além da linha de surge
O mapa de desempenho de cada compressor inclui uma linha de surge que define o seu limite de estabilidade:
- Linha de surge: o limite operacional estável mais à esquerda no mapa.
- Funcionamento seguro: à direita da linha, em caudais mais elevados.
- Zona de surge: à esquerda da linha — território instável e proibido.
- Margem: As máquinas são normalmente operadas com uma margem de caudal de 10 a 20 % à direita da linha de surge.
Eventos desencadeantes
- Redução da procura: O processo consome menos, pelo que o fluxo desce em direção à linha de surge.
- Restrição de descarga: o fecho de uma válvula ou um bloqueio a jusante.
- Redução da velocidade: o compressor abranda sem que haja uma diminuição proporcional do caudal necessário.
- Alterações na densidade: variações no peso molecular do gás ou na temperatura que alteram a curva característica do compressor.
- Incrustação: depósitos de resíduos que, com o tempo, reduzem a capacidade da máquina.
3. Efeitos e consequências
Vibração
- Amplitude: pode atingir 25–50 mm/s (1–2 pol./s) ou mais.
- Componente axial: particularmente grave ao longo do eixo do veio.
- Baixa frequência: Pulsos de 0,5–10 Hz.
- Movimento de toda a máquina: Todo o conjunto do compressor balança e vibra.
Danos mecânicos
- Falha do rolamento: As cargas de choque podem destruir os rolamentos em poucas horas.
- Danos nos selos: O movimento axial e as inversões de pressão danificam as juntas.
- Danos no veio: tensões de flexão e torção resultantes das inversões de fluxo.
- Dano da lâmina: As cargas aerodinâmicas alternadas causam fadiga e pode provocar a libertação da lâmina.
- Danos no acoplamento: Os choques de torção danificam os acoplamentos.
- Rolamento de encosto: um impulso axial que alterna rapidamente pode destruir o rolamento de impulso — frequentemente a primeira vítima de um surge.
Consequências do processo
- As oscilações de pressão e caudal propagam-se para o processo a jusante.
- As variações de temperatura resultam da compressão e expansão repetidas.
- Podem ocorrer perturbações no processo ou acionamentos dos sistemas de segurança.
- A qualidade do produto pode ser afetada por condições instáveis.
4. Deteção
Assinatura de vibração
- Início súbito de pulsação de baixa frequência e grande amplitude
- Frequência na faixa de 0,5 a 10 Hz.
- Forte vibração axial.
- Amplitude instável e em constante variação.
Essa assinatura é característica num espetro de vibração e num forma de onda temporal: uma súbita explosão de energia muito abaixo velocidade de funcionamento, dominante no canal axial, que cresce e encolhe em vez de se manter estável. Monitorização de vibração A medição da pressão no rolamento axial do compressor é uma das formas mais rápidas de detetar um fenómeno de oscilação em curso, uma vez que é aí que a pulsação axial se manifesta com maior intensidade.
Assinatura acústica
- Um som alto e estrondoso ou sibilante.
- Pulsação rítmica audível à frequência de surge.
- Distintivo e, para quem já o ouviu, inconfundível.
Indicadores de processo
- Pressão de descarga oscilante.
- Fluxo oscilante, que pode até mesmo inverter-se.
- Variações de temperatura.
- Flutuações na corrente do motor.
5. Prevenção: Controlo anti-surge
Componentes do sistema
Válvula de reciclagem. Uma válvula de ação rápida que redireciona o gás de descarga de volta para a sucção. Abre-se para aumentar o caudal à medida que o ponto de funcionamento se aproxima da linha de oscilação e é dimensionada para o caudal total do compressor, se necessário.
Medição de caudal e pressão. A monitorização contínua do caudal e do aumento de pressão permite localizar o ponto de funcionamento em tempo real no mapa do compressor e detetar qualquer aproximação à linha de surto.
Controlador. O controlador calcula a distância até à linha de surge, abre a válvula de reciclagem com uma margem de segurança à medida que se aproxima do surge e — em instalações modernas — utiliza algoritmos adaptativos. O tempo de resposta é fundamental, exigindo normalmente uma ação em menos de um segundo.
Procedimentos operacionais
- Nunca opere à esquerda da linha de surge.
- Mantenha uma margem de fluxo de 10 a 20 % em relação ao surge.
- Faça alterações na carga de forma gradual e evite quedas bruscas na procura.
- Verifique se o sistema anti-surge está a funcionar corretamente antes de cada arranque.
- Teste periodicamente o sistema anti-surge.
6. Resposta a emergências
Se ocorrer um surge
- Medidas imediatas: abra manualmente a válvula de reciclagem caso o sistema automático tenha falhado.
- Aumentar o caudal: abrir a descarga, reduzir a resistência ou ligar unidades em paralelo.
- Reduzir o aumento da pressão: reduza a velocidade do compressor, caso este seja de velocidade variável.
- Paragem de emergência: Se o surge não puder ser interrompido no prazo de 10 a 30 segundos, desligue a máquina.
- Não reiniciar: até que a causa tenha sido identificada e corrigida.
Inspeção pós-surge
- Verifique se a lâmina apresenta danos.
- Verifique o estado dos rolamentos.
- Verifique se a vedação está intacta.
- Inspecione o rolamento axial.
- Executar análise de vibração antes de colocar a máquina novamente em funcionamento — um espetro de referência revelará quaisquer novas desequilíbrio, desalinhamento ou danos nos rolamentos causados pelo incidente.
7. Surto vs. outras instabilidades
Surto vs. perda de sustentação rotativa
- Surge: uma oscilação do fluxo em todo o sistema a uma frequência muito baixa (0,5–10 Hz).
- Estol rotativo: células de estagnação localizadas que rodam em torno do anel com uma frequência mais elevada, normalmente entre 0,2 e 0,8 vezes a velocidade do rotor, o que as coloca entre as subsíncrono fenómenos.
- Severidade: O surto é o mais destrutivo dos dois; a perda de sustentação rotativa pode ser um precursor do surto.
Surto vs. recirculação
- Surge: uma inversão do fluxo específica do compressor e que abrange todo o sistema.
- Recirculação: pode ocorrer em bombas ou compressores, consiste numa inversão localizada do fluxo e é, geralmente, menos grave.
- Relação: A recirculação pode evoluir para um surto total nos compressores.
O surto é a condição de funcionamento mais perigosa para compressores centrífugos e axiais, podendo destruir o equipamento em poucos minutos. Compreender o mecanismo do surto, reconhecer o limite da linha de surto, implementar um controlo antissurto eficaz e manter margens de funcionamento adequadas são fatores absolutamente essenciais para o funcionamento seguro dos compressores em serviços de compressão de gás industrial.
