O que é Arco Térmico? Dobramento de Eixo Induzido por Temperatura • Balanceador portátil, analisador de vibração "Balanset" para balanceamento dinâmico de britadores, ventiladores, trituradores, brocas em colheitadeiras, eixos, centrífugas, turbinas e muitos outros rotores. O que é Arco Térmico? Dobramento de Eixo Induzido por Temperatura • Balanceador portátil, analisador de vibração "Balanset" para balanceamento dinâmico de britadores, ventiladores, trituradores, brocas em colheitadeiras, eixos, centrífugas, turbinas e muitos outros rotores.

O que é Arco Térmico? Flexão de Eixo Induzida por Temperatura

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Compreendendo o arco térmico em máquinas rotativas

Definição: O que é Arco Térmico?

Arco térmico (também chamado de curvatura quente, curvatura térmica ou curvatura de eixo induzida pela temperatura) é uma curvatura temporária que se desenvolve em um rotor eixo devido à distribuição desigual de temperatura ao redor da circunferência do eixo. Quando um lado do eixo está mais quente que o outro, a expansão térmica faz com que o lado quente se torne mais longo, forçando o eixo a se curvar em uma forma curva, com o lado quente no lado convexo (externo) da curva.

Ao contrário do permanente arco de eixo de danos mecânicos, a curvatura térmica é reversível — desaparece quando o eixo retorna à temperatura uniforme. No entanto, a curvatura térmica cria vibração durante os períodos de aquecimento e resfriamento e pode causar danos permanentes se for grave ou repetido com frequência.

Mecanismo Físico

Diferencial de Expansão Térmica

A física por trás do arco térmico é simples:

  • O metal se expande quando aquecido (coeficiente de expansão térmica tipicamente 10-15 µm/m/°C para aço)
  • Se a temperatura for uniforme ao redor da circunferência, a expansão será simétrica (o eixo se alonga, mas permanece reto)
  • Se um lado estiver mais quente, esse lado se expande mais do que o lado frio
  • A expansão diferencial causa curvatura
  • Magnitude do arco proporcional à diferença de temperatura e ao comprimento do eixo

Diferenças típicas de temperatura

  • Diferença de temperatura de 10-20°C no diâmetro pode criar arco mensurável
  • Em grandes turbinas, uma diferença de 30-50°C pode produzir vibração severa
  • O efeito acumula-se ao longo do comprimento do eixo — eixos mais longos são mais suscetíveis

Causas comuns de arco térmico

1. Condições de inicialização (mais comuns)

  • Aquecimento assimétrico: Vapor quente, gás ou fluido de processo entra em contato com a parte superior do eixo enquanto a parte inferior permanece mais fria
  • Aquecimento radiante: Calor de revestimentos ou tubulações quentes aquecendo a parte superior do eixo
  • Atrito do rolamento: Um rolamento mais quente que os outros aquece a seção local do eixo
  • Inicialização rápida: Tempo de aquecimento insuficiente permite o desenvolvimento de gradientes térmicos

2. Condições de desligamento (queda térmica)

  • Desligamento a quente: O eixo para de girar enquanto ainda está quente
  • Inclinação gravitacional: O calor sobe, fazendo com que a parte superior do eixo horizontal esfrie mais rápido do que a parte inferior
  • Arco térmico arqueado: A parte inferior permanece quente por mais tempo, o eixo se curva para baixo
  • Período crítico: Primeiras horas após o desligamento

3. Causas Operacionais

  • Esfregar Rotor-Estator: O atrito do contato gera aquecimento local intenso
  • Resfriamento irregular: Fluxo de ar de resfriamento assimétrico ou spray de água
  • Aquecimento solar: Equipamentos para áreas externas com exposição solar de um lado
  • Perturbações do processo: Mudanças repentinas de temperatura no fluido de trabalho

Sintomas e Detecção

Características de vibração

O arco térmico produz padrões de vibração distintos:

  • Freqüência: 1× velocidade de execução (vibração síncrona)
  • Tempo: Alto durante o aquecimento, diminui à medida que o equilíbrio térmico é alcançado
  • Mudanças de fase: Ângulo de fase pode mudar conforme o arco se desenvolve e se resolve
  • Vibração de rolamento lento: Alta vibração mesmo em velocidades muito baixas (ao contrário desequilíbrio)
  • Aparência: Semelhante ao desequilíbrio, mas dependente da temperatura

Distinguindo o arco térmico do desequilíbrio

Característica Desequilíbrio Arco Térmico
Freqüência 1× velocidade de corrida 1× velocidade de corrida
Sensibilidade à temperatura Relativamente estável Alto durante o aquecimento/relaxamento
Rolagem lenta (50-200 RPM) Amplitude muito baixa Alta amplitude
Fase vs. Temperatura Constante Mudanças à medida que o arco se desenvolve
Persistência Constante em todos os momentos Temporário, resolve-se no equilíbrio térmico
Resposta ao Balanceamento Vibração reduzida Melhoria mínima ou nenhuma

Testes de Diagnóstico

1. Teste de vibração de rolamento lento

  • Gire o eixo a 5-10% de velocidade operacional
  • Medir vibração e acabar
  • Alta vibração de rolamento lento indica curvatura térmica ou mecânica, não desequilíbrio

2. Monitoramento de temperatura

  • Monitore as temperaturas do eixo ou do rolamento durante a inicialização
  • Medir a temperatura em vários locais ao redor da circunferência do rolamento
  • Correlacionar mudanças de vibração com gradientes de temperatura

3. Tendência de vibração de inicialização

  • Plotar a amplitude da vibração em função do tempo durante o aquecimento
  • Arco térmico: alto inicialmente, diminui à medida que o equilíbrio se aproxima
  • Desequilíbrio: aumenta com a velocidade, independente da temperatura

Estratégias de Prevenção

Procedimentos Operacionais

1. Procedimentos adequados de aquecimento

  • Aumento gradual da temperatura: Deixe o eixo aquecer uniformemente
  • Tempo de aquecimento estendido: Turbinas grandes podem exigir de 2 a 4 horas
  • Monitoramento de temperatura: Temperaturas dos rolamentos e do revestimento da esteira
  • Monitoramento de vibração: Monitore durante o aquecimento, atrase o aumento da velocidade se a vibração for alta

2. Operação da engrenagem de giro

  • Para turbinas grandes, opere a engrenagem de giro (rotação lenta, ~3-10 RPM) durante o aquecimento e o resfriamento
  • A rotação contínua evita a curvatura térmica ao distribuir o calor uniformemente
  • Padrão da indústria para turbinas a vapor > 50 MW
  • Pode operar o equipamento de giro por 8 a 24 horas durante o resfriamento

3. Procedimentos de desligamento

  • Resfriamento gradual: Reduza a carga e a temperatura lentamente antes do desligamento
  • Engrenagem de giro estendida: Mantenha o rotor girando enquanto esfria
  • Evite desligamentos bruscos: Paradas de emergência deixam o eixo quente e propenso a ceder a proa

Medidas de Design

  • Isolamento térmico: Isole os invólucros para manter a temperatura uniforme
  • Jaquetas de aquecimento: Aquecedores externos para pré-aquecimento uniforme
  • Drenagem: Evitar a acumulação de condensado quente na parte inferior do eixo
  • Ventilação: Garanta um fluxo de ar de resfriamento simétrico

Consequências do Arco Térmico

Efeitos imediatos

  • Alta vibração: Pode atingir níveis 5-10× normais durante o aquecimento
  • Carga do rolamento: O arco assimétrico aumenta as cargas de suporte
  • Esfregaços para vedar: A deflexão do eixo pode causar contato com vedações ou peças estacionárias
  • Atrasos na inicialização: É necessário esperar que a vibração diminua antes de aumentar a velocidade

Danos a longo prazo

  • Desgaste do rolamento: A vibração alta repetida acelera a deterioração do rolamento
  • Danos no selo: Esfregaços repetidos destroem os componentes da vedação
  • Fadiga: As tensões de flexão cíclicas durante cada inicialização contribuem para a fadiga
  • Conjunto Permanente: A curvatura térmica severa ou repetida pode causar deformação plástica permanente

Correção e Mitigação

Para arco térmico ativo

  • Dê tempo: Aguarde o equilíbrio térmico antes de aumentar a velocidade
  • Rolagem lenta: Gire lentamente para distribuir o calor, se possível
  • Não tente equilibrar: O balanceamento não pode corrigir a curvatura térmica e será ineficaz
  • Endereço da fonte de calor: Identificar e eliminar aquecimento assimétrico

Para arco térmico (após desligamento)

  • Engrenagem de giro: Mantenha o rotor girando lentamente durante o resfriamento
  • Tempo de rolagem estendido: Pode precisar de 12 a 24 horas de operação da engrenagem giratória
  • Monitoramento de temperatura: Continue até que a temperatura do eixo fique uniforme
  • Reinicialização atrasada: Se o arco tiver se desenvolvido, espere o endireitamento natural antes de reiniciar

Considerações específicas do setor

Turbinas a vapor

  • Mais suscetível à curvatura térmica devido às altas temperaturas e aos rotores enormes
  • Elaborar procedimentos de aquecimento e relaxamento como prática padrão
  • Engrenagem de giro obrigatória para unidades > 50 MW
  • Pode exigir de 2 a 4 horas de aquecimento e de 12 a 24 horas de resfriamento com equipamento giratório

Turbinas a gás

  • Resposta térmica mais rápida devido à massa menor
  • Curvatura térmica durante a inicialização é menos comum, mas ainda possível
  • O aquecimento do lado da combustão pode criar assimetrias
  • Ciclos de aquecimento geralmente mais rápidos do que turbinas a vapor

Grandes motores e geradores elétricos

  • Curvatura térmica devido ao calor do enrolamento do rotor ou atrito do mancal
  • Instalações externas sujeitas a aquecimento solar
  • Pode exigir pré-inicialização ou aquecimento

Monitoramento e Alarme

Parâmetros-chave de monitoramento

  • Vibração de rolamento lento: Medir em baixa velocidade antes da inicialização normal
  • Diferencial de temperatura do rolamento: Compare as temperaturas na parte superior e inferior
  • Vibração vs. Temperatura: Amplitude de vibração do gráfico versus temperatura do rolamento
  • Ângulo de fase: Mudanças de fase da trilha indicando desenvolvimento do arco

Critérios de alarme

  • Vibração de rotação lenta > 2× linha de base aciona alarme
  • Diferença de temperatura > 15-20°C indica desequilíbrio térmico
  • Mudanças rápidas de fase (> 30° em 10 minutos) sugerem desenvolvimento de arco
  • Vibração aumentando durante o aquecimento em vez de diminuir

Estratégias avançadas de startups

Aceleração Controlada

  1. Rolagem Lenta Inicial: Verifique a vibração aceitável em 100-200 RPM
  2. Aceleração em estágios: Aumente para velocidades intermediárias (por exemplo, 30%, 50%, 70% do normal) com retenções
  3. Períodos de imersão térmica: Mantenha a velocidade constante por 15 a 30 minutos em cada estágio
  4. Verificação de vibração: Em cada estágio, confirme a diminuição da vibração antes de prosseguir
  5. Monitoramento de temperatura: Garantir a redução dos gradientes térmicos ao longo do processo

Sistemas de inicialização automatizados

Sistemas de controle modernos podem automatizar o gerenciamento do arco térmico:

  • Sequências de aquecimento programáveis
  • Períodos de espera automáticos se os limites de vibração ou temperatura forem excedidos
  • Cálculo em tempo real da magnitude do arco térmico a partir da vibração e da temperatura
  • Perfis de velocidade adaptativos baseados em condições medidas

Relação com outros fenômenos

Arco térmico vs. arco permanente

  • Arco térmico: Temporário, desaparece no equilíbrio térmico
  • Arco Permanente: Deformação plástica, permanece mesmo quando fria
  • Risco: A curvatura térmica repetida e severa pode eventualmente causar um conjunto permanente

Arco Térmico e Balanceamento

  • Tentando equilíbrio durante a curvatura térmica é inútil
  • Os pesos de correção calculados para a condição do arco térmico estarão errados quando o equilíbrio for atingido
  • Sempre permita a estabilização térmica antes do balanceamento
  • O arco térmico pode mascarar uma verdadeira condição de desequilíbrio

Melhores práticas de prevenção

Para novas instalações

  • Projetar sistemas de aquecimento e resfriamento simétricos
  • Instalar engrenagem de giro para equipamentos > 100 kW ou > 2 metros de comprimento de eixo
  • Fornecer drenagem adequada para evitar acúmulo de fluido quente
  • Isole para minimizar a transferência de calor radiante

Para equipamentos existentes

  • Desenvolver e seguir rigorosamente procedimentos de aquecimento escritos
  • Treinar operadores sobre riscos e sintomas de arco térmico
  • Instalar monitoramento de temperatura em vários locais
  • Use tendências de vibração durante inicializações para identificar problemas térmicos
  • Documentar dados históricos para otimizar procedimentos

Práticas de Manutenção

  • Verifique a operação do mecanismo de giro antes de cada desligamento
  • Verifique a calibração dos sensores de temperatura dos mancais
  • Inspecionar sistemas de drenagem para detectar bloqueios
  • Verifique a integridade do isolamento
  • Verifique e elimine quaisquer fontes de aquecimento assimétrico

A curvatura térmica, embora temporária e reversível, representa um desafio operacional significativo para grandes máquinas rotativas. Compreender suas causas, reconhecer seus sintomas e implementar procedimentos adequados de aquecimento e resfriamento são essenciais para a operação confiável de turbinas a vapor, turbinas a gás e outros equipamentos rotativos de alta temperatura.

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