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O que é arqueamento da haste? Causas, detecção e correção.

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Entendendo a curvatura do eixo em máquinas rotativas

Definição: O que é um arco de haste?

Arco de eixo (também chamado de curvatura do eixo, arqueamento do rotor ou simplesmente “arqueamento”) 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 das curvaturas temporárias. acabar Isso pode ser causado por um componente solto ou montagem excêntrica; a curvatura do eixo representa a deformação real do próprio material do eixo.

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

Tipos de arco de haste

A curvatura da haste pode ser categorizada com base em sua causa e duração:

1. Arco Mecânico Permanente

Trata-se de uma deformação plástica (permanente) do material do eixo causada por:

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

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

2. Arco Térmico (Transiente)

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

  • Fontes de calor assimétricas (fluido de processo quente de um lado, ar de resfriamento do outro)
  • O atrito do rolamento aquece um lado do eixo.
  • O atrito do rotor gera aquecimento localizado.
  • Aquecimento solar em equipamentos externos
  • Procedimentos inadequados de aquecimento para turbinas de grande porte

A curvatura térmica normalmente 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. Curvatura por Tensão Residual

Tensões residuais internas provenientes 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 de operação ou cargas mecânicas que causam alívio de tensão.

Causas da curvatura do eixo

Compreender as causas principais ajuda a prevenir o empenamento da haste e a orientar as ações corretivas:

Causas mecânicas

  • Sobrecarga: Operando com cargas que excedem os limites de projeto.
  • Armazenamento inadequado: Armazenar eixos na horizontal sem o suporte adequado causa deformação ao longo do tempo.
  • Manuseio inadequado: Içamento pelo eixo em vez de pontos de içamento designados
  • Acidente ou impacto: Danos causados por queda, colisão ou objetos estranhos
  • Apreensão de rolamento: Um rolamento travado pode fazer com que o eixo se dobre sob o torque de acionamento.

Causas térmicas

  • Aquecimento irregular: Distribuição não uniforme da temperatura ao redor da circunferência do eixo.
  • Mudanças rápidas de temperatura: Choque térmico durante a inicialização ou o desligamento.
  • Pontos de interesse: Aquecimento localizado devido a fricção, atrito ou condições do processo.
  • Aquecimento inadequado: Ligar turbinas frias ou máquinas de grande porte muito rapidamente
  • Procedimentos de desligamento: Permitir que um eixo quente pare de girar antes de esfriar (deformação térmica)

Causas materiais e de fabricação

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

Como a curvatura do eixo causa vibração

Um eixo curvado cria vibração por meio de dois mecanismos:

1. Desequilíbrio geométrico

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

2. Carregamento de Momento em Mancais

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

Detecção de arco de eixo

Diferenciar a curvatura do eixo do desequilíbrio de massa real é crucial para uma resolução de problemas eficaz:

Comparação de sintomas: arqueamento vs. desequilíbrio

Característica Desequilíbrio Arco de eixo
Frequência de vibração Velocidade de corrida 1X Velocidade de corrida 1X
Relação de Fase Consistente, sempre igual. 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 por balanceamento correto Melhora mínima ou nenhuma; pode piorar.
Sensibilidade Térmica Relativamente estável com a temperatura. Alterações significativas durante o aquecimento/desaquecimento.
Medição de excentricidade Baixo quando o rotor está em repouso Alto desvio mesmo em repouso (curvatura permanente)

Testes de Diagnóstico

1. Medição de Rolamento Lento

Gire o eixo muito lentamente (normalmente entre 5 e 10% de velocidade de operação) e meça. acabar Com uma sonda de proximidade ou um indicador de mostrador. Um alto desvio radial em baixa rotação indica curvatura do eixo ou desvio radial mecânico, e não desbalanceamento (que produz força proporcional ao quadrado da velocidade).

2. Deslocamento da fase de desligamento

Monitorar vibração ângulo de fase À medida que a máquina é desligada, o desbalanceamento verdadeiro mantém a fase constante, independentemente da velocidade. Um eixo empenado pode apresentar alterações de fase, principalmente durante o resfriamento.

3. Teste de arco térmico

Em casos de suspeita de empenamento térmico, monitore a vibração durante a inicialização e o aquecimento. O empenamento térmico normalmente apresenta um aumento na vibração à medida que a máquina aquece, podendo estabilizar ou diminuir quando 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 presença de empenamento permanente.

5. Inspeção visual

Para flechas de grande diâmetro, a inspeção visual ao longo do seu comprimento ou o uso de métodos ópticos (alinhamento a laser) podem revelar curvaturas evidentes.

Métodos de correção

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

Para arco mecânico permanente

1. Endireitamento do eixo

Para arcos leves a moderados (normalmente < 0,005" ou 125 µm), o eixo pode, por vezes, ser endireitado a frio ou a quente utilizando prensas hidráulicas. Este processo requer equipamento especializado e técnicos qualificados. O eixo é apoiado e cuidadosamente submetido a uma carga que o deforma plasticamente, levando-o de volta à sua forma original.

2. Alívio do Estresse Térmico

O tratamento térmico do eixo visa aliviar as tensões residuais, reduzindo ou eliminando potencialmente a curvatura causada por tensões residuais. Isso requer equipamentos de forno adequados e controle rigoroso do processo.

3. Substituição do eixo

Em casos de curvatura severa ou aplicações críticas, a substituição costuma ser a solução mais confiável. O custo de uma nova haste deve ser ponderado em relação ao tempo de inatividade e ao risco de falhas nas tentativas de endireitamento.

4. “Equilibrando-se em torno da proa”

Em alguns casos, principalmente em turbinas de grande porte, podem ser calculados e instalados pesos de correção para neutralizar o efeito de curvatura. Isso não corrige o problema da curvatura, mas minimiza a vibração. Essa abordagem tem limitações e geralmente é uma solução temporária.

Para arco térmico

1. Alterações nos Procedimentos Operacionais

  • Implemente procedimentos de aquecimento lento.
  • Mantenha o funcionamento contínuo do mecanismo de rotação durante a parada para evitar a deformação térmica.
  • Controle com mais cuidado a admissão de vapor ou as temperaturas do fluido de processo.
  • Garantir aquecimento/resfriamento simétrico

2. Modificações de projeto

  • Adicione isolamento para reduzir os gradientes térmicos.
  • Instalar jaquetas de aquecimento para um aquecimento uniforme.
  • Melhore o sistema de refrigeração para garantir uma distribuição uniforme da temperatura.

3. Operação do mecanismo de giro

Para turbinas de grande porte, acione o mecanismo de giro (acionamento rotativo de baixa velocidade) durante o aquecimento e o resfriamento para girar o eixo e evitar o desenvolvimento de curvatura térmica.

Estratégias de Prevenção

Prevenir o arqueamento da flecha é muito mais fácil do que corrigi-lo:

Design e Fabricação

  • Utilize procedimentos adequados de tratamento térmico para minimizar as tensões residuais.
  • Projete a rigidez adequada do eixo para a aplicação.
  • Especifique os materiais adequados para o ambiente térmico.

Instalação e Manutenção

  • Levante sempre os rotores utilizando os pontos de elevação designados, nunca pelo eixo.
  • Armazene os discos de freio sobressalentes com suporte adequado para evitar que cedam.
  • Evite choques mecânicos durante o manuseio.
  • Verifique periodicamente (anualmente ou conforme o cronograma do fabricante) o alinhamento do eixo.

Operação

  • Siga os procedimentos de aquecimento e desligamento do fabricante.
  • Evite mudanças bruscas de temperatura.
  • Fique atento a sinais de curvatura térmica durante as partidas.
  • Investigue quaisquer alterações inexplicáveis na fase de vibração.

Impacto nos procedimentos de balanceamento

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

  • Correções ineficazes: Os contrapesos calculados para compensar o desequilíbrio de massa não corrigem a curvatura geométrica.
  • Mascarando o problema: O "balanceamento" parcial de um eixo empenado pode reduzir a vibração temporariamente, mas deixa o problema subjacente sem solução.
  • Tempo perdido: Várias tentativas de balanceamento sem sucesso indicam a necessidade de verificar o arco.
  • Danos potenciais: Adicionar contrapesos de grande porte a um eixo arqueado pode aumentar as tensões e causar danos adicionais.

Melhores práticas: Sempre verifique se há empenamento do eixo antes de iniciar os procedimentos de balanceamento, principalmente se o rotor tiver histórico de manuseio inadequado, eventos térmicos ou problemas inexplicáveis de vibração.

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