MAPA DE FALHAS EM TURBOGERADORES - INSPEÇÕES PREVENTIVAS CAPAZES DE EVITAR GRANDES DANOS E INDISPONIBILIDADES FORÇADAS.

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1 MAPA DE FALHAS EM TURBOGERADORES - INSPEÇÕES PREVENTIVAS CAPAZES DE EVITAR GRANDES DANOS E INDISPONIBILIDADES FORÇADAS. André Schönardie Pasqual Tractebel Energia S.A. GDF Suez Jean Ribeiro Fernandes UFSC RESUMO Com o objetivo de auxiliar as equipes de manutenção das companhias geradoras de energia foi elaborado um mapa dos principais tipos de falhas em Turbogeradores. Este mapa de falhas apresenta ao todo dezoito (18) localizações das principais falhas nestes equipamentos, como cabeças de bobinas, mancais, rotor, buchas de alta tensão,..., etc, totalizando quarenta e oito (48) falhas mapeadas em um turbogerador. De forma a apresentar o mapa de falhas em formato de artigo técnico, todas as falhas serão expostas individualmente ao longo do trabalho. Para cada falha será apresentada a sua localização no turbogerador, sua causa raiz e medidas corretivas e/ou preventivas capazes de prevenir as mesmas e consequentemente evitar longos tempos de indisponibilidade forçada, custos de reparos emergenciais e lucro cessante. PALAVRAS-CHAVE Turbogerador, Manutenção Preventiva, Manutenção Corretiva, Manutenção Preditiva, Confiabilidade e Segurança operacional. 1. INTRODUÇÃO Um Turbogerador usualmente possui uma expectativa de vida por volta de 30 anos para o enrolamento estatórico e cerca de 20 anos para o enrolamento rotórico, segundo estatísticas realizadas pelo CIGRE e EPRI. Isto quando o turbogerador não foi exposto a condições impróprias de operação ou quando estes não possuem algum defeito oriundo de projeto ou de fabricação. Infelizmente, para muitas unidades geradoras estas exceções ocorrem com frequência. Inúmeros mecanismos de falhas, tanto mecânicos como elétricos, podem reduzir a vida útil dos enrolamentos de um turbogerador. É importante salientar que alarmes de proteções nunca ocorrem em momentos convenientes para a planta e a solução do problema nunca é simples e rápida quando de trata de geradores. Portanto, possuir equipes experientes que possam detectar falhas incipientes em geradores é fundamental do ponto de vista de confiabilidade e segurança operacional.

2 2. RESULTADOS Os resultados aqui apresentadas, são referentes a falhas que ocorreram em turboalternadores. Muito dos casos aqui apresentados, são falhas presenciadas pelas equipes de manutenção da Tractebel Energia, enquanto outras são provenientes das bibliografias presentes nesta área. A seguir serão apresentadas todas as falhas que compõem o Mapa de Falhas apresentando sua localização no equipamento. Cabeças de Bobinas Um curto circuito entre fases pode ocorrer devido a uma falha na isolação elétrica nas barras adjacentes de divisão de fase na região de curvatura das cabeças de bobinas (Fig. 22). Esta isolação pode ter sido prejudicada devido a um afrouxamento dos calços de sustentação da cabeça de bobinas, levando a perda de rigidez nas cabeças de bobinas e sua vibração excessiva (Fig. 23) Vibrações nas cabeças de bobinas levam ao surgimento de trincas na isolação do enrolamento estatórico, (Fig. 1) aumentando a possibilidade de um curto circuito para a massa (terra), além de fazer com que a mesma apresente vibrações em alta frequência e ocorra roçamento dos calços e amarrações na isolação elétrica para massa nas barras estatóricas acarretando em curtos-circuitos no gerador (Fig. 2). A Fig. 3 apresenta Descargas parciais (PD) entre as divisões de fases devido a proximidade e não uniformidade das cabeças de bobinas. Fig Curto-circuito entre fases na região de cabeça de bobina. Fig Afrouxamento dos calços de sustentação das cabeças de bobinas. Fig Anéis de ligação de cabeça de bobina. Fig. 1 - Trincas na isolação para massa no enrolamento estatórico. Fig. 2 Afrouxamento da amarração das cabeças de bobinas. Fig. 3 - Descargas parciais entre as divisões de fase. Anéis de ligação de cabeça de bobina A Falha na isolação elétrica nos anéis de ligação de cabeça de bobina acarreta em curtos-circuitos no enrolamento estatórico (Fig. 24). Vibrações e desgastes da isolação nos anéis de ligação do estator, onde em casos mais severos podem levar a curto circuitos(figura 25). Em ambos os casos a maquina torna-se inoperante até que medidas corretivas sejam adotadas. Figura 25 - Vibração e desgaste da isolação nos anéis de ligação do estator. Capas de Contenção Localizadas nos rotores, as capas de contenção ficam sobre as cabeças de bobinas do enrolamento de campo (enrolamento rotórico), mantendo esses enrolamentos no lugar contra a força Fig Falha estrutural (ruptura) das capas de contenção. 2/ 8

3 centrífuga que são submetidas. Segundo EPRI, o anel de retenção é o componente mais estressado em um gerador síncrono, sendo que mais de 60% da carga imposta é proveniente de sua própria massa e os 40% restantes provenientes da força do enrolamento sobre a capa de contenção. Unido destas informações e sabendo que em rotações síncronas estas capas adquirem grande energia cinética, é notório a dimensão do problema se um componente deste apresentar falhas estruturais. A Fig. 26 apresenta o dano causado por uma falha estrutural na capa de contenção, levando a perda completa do gerador e ainda, podendo levar ao desprendimento de materiais e estes serem arremessados pela casa de máquinas. Uma das medidas de prevenção é a inspeção das capas de contenção através do ensaio com liquido penetrante, ultra som e Eddy Current. Conforme apresentado na Fig. 27, este ensaio revela se existem trincas no material, as quais devem ser devidamente contidas ou ser cogitada a possibilidade de troca das capas, visto seu ao risco em potencial. Núcleo magnético do estator Um Curto-Circuito monofásico poderá resultar em danos ao núcleo magnético, este ocasionado pela falha na isolação elétrica para massa na região reta das barras, com circulação de corrente pelo núcleo e sublimação das chapas do núcleo gerando pontos quentes e curto-circuito (Fig. 28). A falha de isolação interlaminar no núcleo magnético pode levar ao surgimento de pontos quentes levando a degradação das isolações das barras estatóricas que em consequência irão gerar curtos-circuitos (Fig 29). O afrouxamento das cunhas estatóricas faz com que as barras estatóricas vibrem no interior das ranhuras do núcleo, levando a descargas parciais e em caso de garante ocorrerá curtos-circuitos fase terra (Fig. 30). Contaminação interna do núcleo bobinado por óleo de lubrificação fará com que os calços e amarrações das cabeças de bobinas se afrouxem, além de prejudicar na refrigeração do gerador(fig. 31). Fig Trincas na capa de contenção. Fig Curto-Circuito monofásico com danos ao núcleo magnético. Fig 29 - Falha de isolação interlaminar no núcleo magnético. Ligação série das barras estatóricas O afrouxamento da amarração ocasionará o surgimento de vibrações cominando para o rompimento da ligação série das Fig. 4 - Rompimento Fig. 5 - Obstrução dos barras da ligação série das condutores de estatóricas (Fig. barras estatóricas. refrigeração das 4). A obstrução barras estatóricas. dos condutores de refrigeração das barras estatóricas em função da corrosão interna do cobre ocasionará em aquecimentos localizados das barras podendo ocasionar um curto-circuito (Fig. 5). Fig Afrouxamento das cunhas estatóricas. Fig Contaminação interna do núcleo por óleo de lubrificação 3/ 8

4 Anéis coletores Um curto-circuito para terra pode ocorrer nos anéis coletores ocasionado pela falha na isolação elétrica (Fig. 32). Um mau desempenho do sistema de porta escovas e escovas do gerador levando a indisponibilidade da máquina podendo levar a necessidade de substituição completa deste sistema (Fig. 33). Tubo condutor do gerador Fig Curto-circuito para terra nos anéis coletores. Um curto-circuito para terra pode acontecer no tubo condutor do gerador ocasionado por falha na isolação elétrica, levando a indisponibilidade do gerador (Fig. 34). Ventilador do rotor Pode ocorrer a ruptura das pás do ventilador do rotor do gerador, onde ela será arremessada para as cabeças de bobinas do estator, levando a graves danos e curto circuitos no gerador (Fig. 35). Parafuso do tubo condutor Fig Mal desempenho do sistema de porta escovas e escovas do gerador. Uma falha na conexão elétrica entre os parafusos do tubo condutor pode ocasionar um curto-circuito para massa ou abertura (circuito aberto) do enrolamento de campo do gerador, além de uma falha na vedação de H2 no parafuso do tubo condutor levando ao vazamento de H2 na região do porta escovas do gerador (Fig. 36). Cordoalhas de saída de fase e neutro do gerador O Afrouxamento dos parafusos das cordoalhas de saída de fase do gerador fará com que apareçam pontos quentes localizados em função das altas correntes elétricas. Este ponto quente leva a sublimação do material, ocasionando um curto circuito para massa no gerador (Fig. 6). Fig Curto-circuito para terra no tubo condutor do gerador. Buchas isolantes do gerador Uma Falha de isolação nas buchas isolantes do gerador (fase/neutro) ocasionará um curto-circuito fase terra nas buchas isolantes, inutilizando a mesma necessitando sua substituição (Fig. 7). Uma Falha na selagem de hidrogênio nas buchas isolantes do gerador fará com que ocorram vazamentos de hidrogênio nas buchas, sendo necessária sua substituição (Fig. 8). Fig. 6 - Afrouxamento dos parafusos das cordoalhas. Fig. 7 - Falha de isolação nas buchas isolantes do gerador (fase/neutro). Fig Ruptura das pás do ventilador do rotor do gerador. Fig. 8 - Falha na selagem de hidrogênio nas buchas isolantes Fig Falha no tuno do gerador conector. 4/ 8

5 Afrouxamento dos calços da cabeça de bobina do rotor O Afrouxamento dos calços e consequente movimentação das espiras/bobinas da cabeça de bobina pode levar a curto-circuito para massa ou entre espiras ou entre bobinas do enrolamento de campo (Fig. 37). Uma falha na isolação elétrica do campo do gerador leva ao curto-circuito para massa no enrolamento rotórico (Fig. 38). A Quebra na brasagem de ligação entre os pólos causará a abertura do enrolamento de campo do gerador(fig. 39). A Migração da isolação entre espiras poderá levar ao surgimento de um curto entre espiras no enrolamento de campo do gerador (Fig. 40). Fig Movimentação das espiras/bobinas da cabeça de bobina. Corpo do rotor A obstrução dos canais de refrigeração do rotor fará surgir um aquecimento localizado do rotor, levando a desbalanceamento e possíveis curtos-circuitos para massa (Fig. 41).Um curto-circuito entre espiras no isolamento rotórico poderá acontecer, desbalanceando o gerador. Este tipo de falha evolui para um curtocircuito para massa (Fig. 9). A Motorização do gerador fará com que circule no rotor uma alta corrente de sequência negativa, superaquecendo o rotor e causando danos severos (Fig.10). Uma falha na calha isolante das ranhuras do rotor pode levar ao curtocircuito para massa (Fig. 11). Fig Curto-circuto para massa no enrolamento rotórico. Fig. 9 - Curto-circuito entre espiras rotóricos. Fig.10 - Motorização do gerador. Fig Falha na calha isolante das ranhuras. Fig Quebra na brasagem de ligação entre os pólos. Uma falha catastrófica no eixo do rotor leva a perda completa do gerador e pode ocorrer quebras/desprendimento de materiais que são arremessados pela casa de máquinas levando riscos as estruturas e pessoas (Fig. 12). Uma falha catastrófica no acoplamento do gerador leva a quebra/desprendimento de materiais que são arremessados pela casa de máquinas levando riscos as estruturas e pessoas (Fig. 13). O Afrouxamento das cunhas rotóricas leva as bobinas a se deformarem devido as dilatações e esforços que o enrolamento é submetido, podendo ocasionar curto circuitos para massa (Fig. 14). Fig Migração da isolação entre espira. 5/ 8

6 Fig Falha catastrófica no eixo. Fig Falha no acoplamento do gerador. Fig. 14 Afrouxamento das cunhas rotóricas. O Rompimento da conexão flexível entre o tubo condutor e enrolamento rotórico, levará o campo do gerador a um circuito em aberto (Fig. 15). A Circulação de Corrente de sequência negativa causará danos por sobreaquecimento nas ranhuras e nos alívios de tensão do corpo do rotor (Fig. 16). Trincas no eixo na região de interferência com as capas de contenção Top Tooth Cracking causam perda de rigidez e devem ser eliminadas. Em casos mais graves é necessário mudar o projeto e região de interferência com a capa de contenção para se eliminar as trincas (Fig. 17). Trincas no eixo na região do rabo de andorinha e cunhas do gerador poderão acontecer em função do alto stress e elevados esforços entre as peças (Fig. 42 e Fig. 43). Fig Rompimento da conexão flexível. Fig Corrente de sequência negativa. Fig Trincas no "Top-Tooth". Fig Obstrução dos canais de refrigeração. Fig Trincas no eixo na região rabo de andorinha. Fig Trincas nas cunhas metálicas do rotor. Tirantes de compactação do núcleo magnético O afrouxamento dos tirantes de compactação do núcleo magnético acarretará no surgimento de ruídos anormais causando a perda da eficiência e o aparecimento de pontos quentes (Fig. 44). Carcaça do gerador As trincas na carcaça interna e externa do gerador podem levar a desbalanceamentos e vibrações no gerador pela perda de rigidez mecânica (Fig. 45). Óleo no interior da carcaça contribui para contaminação do enrolamento estatórico e rotórico (Fig. 46). Fig Afrouxamento dos tirantes de compactação do núcleo. Água de refrigeração Fig Trincas na carcaça. 6/ 8

7 O rompimento da mangueira de água de refrigeração do estator irá causar um vazamento de água no gerador que pode levar a curto circuitos (Fig. 18). O vazamento de água na junção da conexão série e tubulação de água de refrigeração irá causar um vazamento de água no gerador que pode levar a curto circuitos (Fig. 19). Fig Óleo no interior da carcaça. Fig Rompimento da mangueira de água de refrigeração do estator. Fig Vazamento de água na junção da conexão série. Desprendimento de materiais magnéticos O desprendimento das tampas e parafusos das câmaras do sistema de refrigeração de H2 os quais irão ser magnetizados para o enrolamento estatórico levando a falhas de isolamento elétrico para massa e consequente curto circuito (Fig. 47). Mancais do gerador A falha de isolação nos mancais ocasionando a circulação de corrente pelo eixo da máquina. Isto leva a incidência de marcas de "pittings" nos mancais, munhões, anéis de selagem levando a danos estruturais a estes componentes. Em casos mais graves temos a perda completa dos mancais (Fig. 48). Vazamento de H2 pelas tampas, flanges, selagens acarretando em queda de pressão e aumento do consumo diário de hidrogênio, causando danos ao equipamento, possibilitando a formação de chamas no gerador Fig. 20). Falhas nos anéis de selagem de hidrogênio podendo levar ao arraste do eixo, danificando o mesmo e também o ingresso de óleo no interior da máquina (Fig 21). Fig Vazamento de H2 pelas tampas, flanges, selagens. Fig 21 - Falhas nos anéis de selagem de hidrogênio. Fig Desprendimento das tampas e parafusos das câmaras do sistema de refrigeração de H2. Fig Falha de isolação elétrica. 7/ 8

8 3. CONCLUSÕES A confiabilidade de um equipamento está ligada diretamente as manutenções realizadas neste. É fundamental que tais manutenções sejam realizadas de forma correta e eficiente. Em função disto, este trabalho apresentou diversas falhas conhecidas em turboalternadores. Estas falhas foram agrupadas de modo a construir-se um MAPA DE FALHAS EM TURBOALTERNADORES cujo principal objetivo é indicar em que pontos do equipamento inspeções preventivas devem ser tomadas de modo a evitar grandes danos e indisponibilidades forçadas. O mapa é apresentado abaixo. 4. REFERÊNCIAS [1] MAUGHAN, C. V. Combined Cycle Journal Generator condition monitor critical to avoiding catastrophic loss [2] LANTHORN, G. EPRI, Fiel Guide: Visual Inspection of Steam Turbine Generators [3] STAIN, J. EPRI Generator Stator Endwinding Vibration Guide: Tutorial / 8