J.P.C. GUTIERREZ - MANUTENÇÃO INDUSTRIAL/MANUTENÇÃO DA TURBINA 01 DA UTILIDADES 03: O.S. Nº 008238577
O atrito nos labirintos ou diafragmas, causado por folgas insuficientes, interrompe a vedação final do rotor. Essa situação geralmente ocorre quando o rotor de alta massa em velocidade operacional entra em contato com uma superfície estacionária, normalmente causada por uma folga muito pequena entre o labirinto ou as vedações da gaxeta do diafragma e o rotor. Secundariamente, pode haver um aumento localizado de temperatura no ponto de contato, causando aumento da temperatura do metal no ponto de contato devido ao atrito.
As forças produzidas pelo impacto da grande massa rotativa do rotor com as vedações estacionárias com mau funcionamento muitas vezes imprimem uma camada de metal na superfície do rotor. A fricção pode causar deformação elástica do rotor no ponto de impacto e flexão temporária do eixo do rotor. A flexão do eixo geralmente causa aumento dos níveis de vibração.
O resfriamento desigual do rotor, principalmente após o desligamento, também faz com que o rotor entre em contato com partes estacionárias. Depois que uma unidade é desligada, o rotor de temperatura relativamente alta pode dobrar apenas devido à massa do rotor e à distância entre os suportes do mancal, se deixado em uma posição estacionária para esfriar. Esta situação pode causar flexão permanente do eixo.
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| Verificação do empeno do eixo da turbina |
Além disso, o aquecimento desigual do eixo causado pelo atrito entre as partes rotativas e estacionárias pode causar mais flexão do eixo na mesma direção do arco existente e causar contato adicional com as partes estacionárias, aumentando as temperaturas e, portanto, causando mais flexão. O efeito em cascata se for permitido continuar. Se a flexão continuar, é possível que o limite de escoamento do metal seja excedido, causando uma deformação permanente do eixo. A flexão permitida em turbinas de 3.000 rpm é de até 0,02–0,03 mm em cada seção. Ao girar a engrenagem, o limite é de 0,05 mm.
Para evitar que o rotor empene durante o resfriamento, os fornecedores de turbinas fornecem instruções muito específicas sobre a taxa de resfriamento permitida. Por exemplo, a turbina deve permanecer girando até que a temperatura do cilindro de alta pressão (HP) esteja abaixo de 150°C e a temperatura do óleo esteja abaixo de 75°C. O fornecedor da turbina também define a velocidade de rotação da engrenagem de giro.
O desalinhamento do acoplamento entre dois eixos ou entre um eixo e rolamento pode causar empenamento no sistema. O desalinhamento entre dois eixos de um rotor integrado pode causar uma excentricidade do centro de massa do rotor, e essa excentricidade em alta velocidade rotacional produzirá uma força centrífuga na direção radial, causando o empenamento do rotor. O desalinhamento entre o eixo de rotação e o eixo do eixo também pode causar empenamento no rotor. Existem seis fatores principais que podem causar desalinhamento.
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| Alinhamento do eixo com relógio comparador |
Merece atenção também à estrutura da fundação - incluindo parafusos, chaves e almofadas - para que seja possível o movimento livre das superfícies de apoio, principalmente durante a inicialização e mudanças de carga. A extensão dos centros de furos de expansão térmica longitudinal e lateral dos cilindros e o deslocamento das pastilhas devem ser registrados para futuras comparações. Este processo deve fazer parte das inspeções de equipamentos de manutenção de rotina.
Outro fator diz respeito à dificuldade de montagem do mancal dianteiro da turbina HP. Enquanto o eixo está girando em seu mancal, o eixo empurra o óleo da parte inferior do mancal, fazendo com que a espessura do filme de óleo mude. Quando isso acontece, a linha central do eixo se move para cima e para o lado. Para contabilizar esse movimento do eixo, o rolamento segmentado deve se ajustar automaticamente e a superfície de contato do mancal permanecerá em uma boa posição. Se houver muita superfície de contato, o atrito aumentará na superfície do mancal, causando maior fricção e corrosão da superfície do mancal e aumentando a vibração e a excentricidade do rotor. O resultado será vazamento de óleo do rolamento e fricção nas gaxetas de vedação. Por outro lado, se a área de contato do rolamento diminuir,
O eixo deve permanecer centralizado. A realocação do centro do eixo em um mancal segmentado durante a rotação pode causar vibração.
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Não negligenciar a concentricidade do rotor com os furos e acoplamentos. O alinhamento correto do rotor é perdido quando o eixo de um rotor não é contínuo com o rotor na carcaça seguinte, em turbinas a vapor de carcaça múltipla. As linhas de transmissão conectadas individualmente devem operar como uma linha de transmissão longa e contínua, porém flexível. Após uma grande manutenção da turbina a vapor, é importante confirmar o alinhamento do rotor com os acoplamentos, bem como quaisquer outros fatores que possam causar alterações nas posições primárias de carcaças, mancais e rotores individuais. Durante a manutenção, caso seja observado atrito na vedação final ou intermediária do rotor ou excentricidade de acoplamentos, é necessário realinhar a linha motriz para evitar alta vibração da turbina, contato e atrito de gaxetas ou vedações labirínticas, etc.
Alinhar corretamente os diafragmas. Os diafragmas devem ser cuidadosamente alinhados à linha central do eixo dentro da carcaça para evitar contato com as pás do rotor.
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Lembrar de que o eixo do centro do furo da gaxeta deve coincidir com o eixo do rotor da turbina durante as temperaturas normais experimentadas durante a operação da turbina. Além disso, é essencial identificar rapidamente qualquer perda nas folgas de vedação durante o aquecimento da turbina a vapor. Podem ocorrer mudanças na folga durante o aquecimento que podem causar o entortamento dos cilindros devido a temperaturas diferenciais entre as seções superior e inferior do cilindro.
Finalmente, prestar muita atenção à possibilidade de fricção de contato das pontas das palhetas nas paredes do cilindro em estágios reativos. A fricção pode causar aumento da vibração na flexão da lâmina, geralmente na raiz da lâmina.
A curvatura do eixo também muda o eixo de rotação do eixo movendo o centro de massa do rotor, criando vibração. Essa vibração afeta as lâminas de três maneiras significativas.
Primeiro, a vibração causa problemas estruturais na lâmina. As forças centrífugas encontradas durante a operação são significativas, causando um aumento das forças de tração na seção transversal da pá e, se o centro de massa não estiver na linha radial, também ocorrem tensões de flexão. Além disso, tensões de flexão são criadas nas juntas das pás sob os efeitos da pressão do vapor HP que flui axialmente através do cilindro da turbina. A magnitude dessas tensões depende da taxa de fluxo de vapor, da queda de temperatura no estágio da pá, da velocidade de rotação das pás e do peso da pá. A temperatura do vapor, superaquecido na primeira etapa e saturado na etapa final, terá efeito nas propriedades mecânicas e na corrosão dos materiais das palhetas.
A corrosão causa desequilíbrio. A falha deste estágio de controle do rotor de alta pressão foi causada pela distribuição desigual do vapor devido à corrosão.
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Em segundo lugar, a vibração da pá pode ser estimulada por meios externos, como um equilíbrio dinâmico insatisfatório do rotor, não conformidade das passagens do diafragma, desvio no passo da pá, junta montada incorretamente entre dois meios-diafragmas ou corrosão da borda eterna do lâminas fixas.
Em terceiro lugar, o tamanho das pás rotativas e seu método de instalação nos rotores podem ser diferentes. Após uma revisão de manutenção, o mesmo peso e materiais de todas as lâminas devem ser cuidadosamente mantidos, especialmente quando apenas algumas lâminas são substituídas. Mesmo uma pequena alteração no peso da pá ou no centro de gravidade pode causar desequilíbrio e vibração no rotor.
Falhas podem ser causadas por má manutenção. Essa retirada do disco do rotor foi feita de forma incorreta, causando arranhões profundos no eixo. O reparo exigirá retrabalho e rebalanceamento do eixo para evitar um desequilíbrio que pode causar vibração.
O vapor pode contornar os parafusos. Grandes parafusos inseridos nos orifícios são usados para prender firmemente o grande flange da junta horizontal neste cilindro de alta pressão. Os orifícios dos parafusos são locais onde um vazamento de jato de vapor pode se formar devido à deformação do cilindro e à alteração das pressões do duto.
Há muitas maneiras pelas quais as flutuações de temperatura do revestimento podem causar vibração na turbina a vapor. Problemas de revestimento podem causar desalinhamento de muitas maneiras diferentes, principalmente relacionados à expansão e contração devido a flutuações de temperatura.
Primeiro, o cilindro da turbina pode ter estratificação de temperatura causada por isolamento térmico insuficiente da carcaça e/ou isolamento fraco em outras áreas. A perda de isolamento térmico pode ser causada por um isolamento deficiente nas conexões entre as juntas e tubos para as carcaças, geralmente na parte inferior da turbina. O isolamento deficiente da carcaça na parte inferior, por exemplo, pode causar um gradiente de temperatura de cima para baixo da carcaça, o que pode levar à distorção da carcaça e à flexão elástica do rotor. O fornecedor definirá o gradiente de temperatura aceitável do revestimento. Em nossa experiência, o gradiente não deve ser superior a 60°C. As novas turbinas HP são particularmente sensíveis aos gradientes térmicos da carcaça.
Em seguida, se a turbina for iniciada a partir de uma condição quente antes de retornar aos limites de curvatura, as pás rotativas e os diafragmas estacionários podem se esfregar e causar danos às vedações e às glândulas do diafragma. À medida que os pesos do eixo aumentam, também aumentam as dimensões do rotor da turbina, do cilindro da turbina e da inércia térmica do eixo. O efeito é exigir períodos de tempo mais longos entre as partidas (e na engrenagem de giro) para que qualquer curvatura do rotor seja removida antes da próxima partida.
A curvatura do cilindro pode ser estimada com conhecimento de suas dimensões e materiais de construção. A curvatura do cilindro (mm) pode ser encontrada pela expressão α Δt L 2 /8D, onde Δt é a diferença de temperatura entre a parte superior e inferior do cilindro (C), L é o comprimento do cilindro (mm), D é o diâmetro externo do invólucro calculado em todo o seu comprimento (m), e α é o coeficiente de expansão térmica linear, geralmente cerca de 13,6 mm/mm-C, ou qualquer outro conjunto consistente de unidades. A quantidade de curvatura permitida do cilindro é determinada pela tolerância mais rígida entre o diafragma e os bucins finais. Por exemplo, se as dimensões do cilindro HP forem l = 3.620 mm e D = 1.840 mm, e a tolerância mais rígida do bucim do diafragma for de 0,6 mm, a diferença de temperatura permitida de cima para baixo do cilindro é de 50°C.
O efeito da flexão térmica de um rotor no invólucro também pode ser determinado. Quando a parte superior do invólucro está mais quente que a parte inferior, o invólucro tende a se curvar. Se o gradiente de temperatura for constante do topo do revestimento para o fundo e ao longo de seu comprimento, então a tensão máxima de flexão ocorre no meio do revestimento verticalmente e entre os suportes do revestimento horizontalmente. A flexão ou deflexão nessas condições pode ser determinada como α Δt (LZ – Z 2 ) x 10 3 /2D, onde L é o comprimento do revestimento entre os suportes (m), Z é a distância do suporte do revestimento frontal até o local de interesse ( m), e as demais variáveis permanecem como definidas acima. Assumindo que o ponto médio do comprimento do revestimento é usado, L/2 pode substituir Z para encontrar a deflexão máxima.
O gradiente de temperatura ao longo das pás e diafragmas também deve ser considerado durante uma partida a quente. Em uma partida de turbina quente, se o vapor estiver relativamente frio, as temperaturas do diafragma e do metal da pá serão mais frias do que o rotor. Nesse caso, o diâmetro dos orifícios do diafragma aumentará mais rapidamente do que o diâmetro do rotor, produzindo frouxidão radial e diminuindo as folgas da lâmina e do diafragma. Usando um coeficiente típico de expansão térmica linear, um diâmetro de vedação do diafragma de 500 mm aumentará 0,3 mm para cada diferença de temperatura de 100°C entre o rotor e o diafragma.
Portanto, se um rotor tiver uma curvatura maior do que a faixa normal e se a regulação do caminho do fluxo de vapor não tiver sido feita com cuidado durante uma partida a quente, deve-se esperar atrito.
Os cálculos usando essas fórmulas e a experiência de aplicação nos dizem que a diferença de temperatura entre a parte superior e inferior do cilindro HP não deve ultrapassar um limite normal definido durante a inicialização da turbina a vapor. Se esse limite de diferença de temperatura for excedido, as distâncias radiais na sobreposta frontal diminuirão consideravelmente, causando atrito, seguido de flexão do rotor próximo ao estágio de controle.
A experiência de muitas empresas de reparos de turbinas a vapor é que o motivo da curvatura do cilindro HP é a condensação do vapor dentro do cilindro quente da turbina quando parado. A transferência de calor em alta temperatura para vaporizar esse condensado esfria o fundo do cilindro enquanto o topo do cilindro permanece relativamente quente. Como resultado, o cilindro se curvará enquanto a parte superior da carcaça permanecerá reta, na maioria dos casos.
Além disso, folgas insatisfatórias nas estruturas dos cilindros de baixa pressão (LP) e pressão intermediária (IP) em turbinas multicilíndricas podem ocorrer quando os parafusos espaçadores e as arruelas são instalados incorretamente. Parafusos de distância são usados para fixar as estruturas de revestimento LP e IP à fundação. No momento da operação e carga nominal, se a pressão do condensador (vácuo) e a temperatura do condensado estiverem dentro da faixa normal, a folga deve ser a projetada. Mas se a pressão (vácuo) do condensador estiver anormal e a temperatura do condensado estiver alta, então o cilindro de LP fica mais quente que o limite permitido, causando mais expansão de volume no condensador. O resultado é que a folga do parafuso de distância diminui ou chega a zero. Se as folgas de projeto não forem observadas, a vibração da turbina pode aumentar e a carga da turbina deve ser reduzida.
Em seguida, não se esqueça dos parafusos, pinos e outras juntas da caixa. Carcaças para turbinas HP possuem paredes grossas, bem como grandes flanges de junta horizontal que requerem parafusos e pinos. Há momentos em que as cargas da turbina mudam rapidamente ou o flange e as paredes da carcaça são aquecidos de forma desigual durante a inicialização ou desligamento de uma unidade. Uma diferença de temperatura entre a parte superior e inferior das carcaças HP e IP (geralmente 50C a 70C) e os pinos do flange (máximo de 15C a 25C) pode causar vazamento de vapor pela junta horizontal da carcaça.
Finalmente, o movimento descompensado dos tubos de vapor conectados à carcaça pode causar movimentos da carcaça e vibração do rotor. Isto é particularmente verdadeiro para tubos de grande diâmetro com paredes espessas. Quando a turbina está operando, o rotor tem movimento axial, assim como a carcaça da turbina. A expansão térmica do sistema é considerada no projeto da turbina. As forças e momentos que esses grandes tubos aplicam ao revestimento também são considerados durante o projeto da turbina. Cargas excessivas de conexão de tubo podem causar deformação do revestimento, e os momentos de flexão aplicados aos flanges do revestimento também podem causar deslocamento e movimento do cilindro dentro do revestimento, o que pode aumentar a vibração do rotor.
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