ANÁLISE DE CAUSA BÁSICA DE FALHA EM PALHETA DE TURBINA A VAPOR

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1 ANÁLISE DE CAUSA BÁSICA DE FALHA EM PALHETA DE TURBINA A VAPOR Eng. Luiz Otávio Amaral Affonso, Eng. Pedro Antonio Brambilla, Marcos Rodrigues e Willian Pinto de Almeida. Técnicos da Refinaria Presidente Bernardes-Cubatão Trabalho apresentado na 6ª COTEQ Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos 19 a 21 de Agosto de Salvador /BA As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade dos autores.

2 SINÓPSE Neste trabalho é identificada a causa básica da falha de uma palheta de turbina à vapor. Em paralelo é efetuada uma revisão nos conceitos de causa básica de uma falha, e nos mecanismos que podem levar um componente deste tipo a falha.

3 1. Introdução A turbina de acionamento de uma bomba de água de alta pressão saiu de operação automaticamente por vibração excessiva do conjunto. Quando da abertura do equipamento foi observado que uma das palhetas da penúltima roda da turbina havia se soltado. O desbalanceamento dinâmico da máquina provocado por esta falha também causou danos nos mancais do rotor, como mostrado na figura 01, exigindo a substituição total do conjunto. Figura 1 Fotografia da roda da turbina danificada ainda na carcaça, onde pode ser vista a palheta faltante e os danos resultantes no mancal da máquina. 2 Embasamento Teórico 2.1 Análise de Falha em uma Palheta A análise da falha em uma palheta deve sempre ter como meta a identificação da sua real causa básica fator primário gerador da falha. Isto é de extrema importância, uma vez que na grande maioria dos casos a causa básica é facilmente confundida com uma das consequencias desta e, caso isto aconteça, o problema não será eliminado em difinitivo. Permanecendo ainda ativa a causa básica o problema fatalmente irá se manifestar novamente, talvez até de maneira mais catastrófica do que em sua última manifestação. Normalmente a falha em uma palheta de turbina acontece devido a solicitações geradas por fatores externos a ela e não previstos, tais como: - manutenção indevida do equipamento, como por exemplo: o atrito ou roçamento das palhetas em outros componentes devido a deslocamentos indevidos do eixo resultantes de uma manutenção de má qualidade;

4 - especificação incorreta do equipamento para as condições de uso, como por exemplo, quando o equipamento instalado não é projetado para as exigências do processo, tais como: tipo de fluído a ser admitido, grau e natureza dos contaminantes ou temperatura de admissão, presença de condensado, etc... - operação do equipamento em condições diferentes das previstas no seu projeto, como por exemplo, quando variações no processo produtivo resultam em admissão de produto em temperaturas diferentes ou com graus de contaminantes ou condensação diferentes dos indicados nos dados operacionais de projeto; A análise da falha em uma palheta deve ser iniciada com a obtenção de informações técnicas multidisciplinares básicas, tais como: parâmetros de projeto; processo de fabricação e montagem; histórico de manutenções anteriores e, principalmente, quanto aos parâmetros operacionais a que a máquina foi e está sendo exposta. Estas informações técnicas associadas as informações especializadas colhidas na análise metalúrgica do componente que falhou irão permitir ao especialista a correta definição da causa básica da falha. 2.2 Palhetas de Turbinas á Vapor As palhetas das turbinas à vapor são os elementos que transformam a energia cinética do vapor admitido no torque resultante no eixo da máquina. Portanto, o fluxo do fluido com alta energia que incide sobre a palheta associado a rotação da máquina impõe solicitações especiais sobre estas. Palhetas, eixos e alguns outros componentes estruturais das turbinas são projetados para terem vida infinita, entanto, este objetivo somente será alcançado se os componentes forem corretamente construídos e os equipamentos adequadamente operados. Abaixo listamos as principais cargas dinâmicas que agem sobre as palheta de uma turbina à vapor em operação: a) Cargas devidas diretamente ao fluxo, resultado direto da transferência de energia; b) Cargas devidas indiretamente ao fluxo, como turbulência, ondas de pressão nas proximidades dos bocais e difusores, etc. Essas cargas são resultantes da ação do fluido que pode gerar vibração nas palhetas; c) Cargas cíclicas devidas à vibração da máquina, tais como as resultantes de desbalanceamentos dinâmicos naturais da máquina, freqüências de engrenamento de redutores, etc.; d) Força centrífuga resultante da rotação do rotor. Além das solicitações dinâmicas normais aos princípios de funcionamento das máquinas rotativas, as palhetas ainda podem ser expostas a solicitações de naturezas químicas, físicas e mecânicas que muitas vezes são de difícil previsão em projeto:

5 a) Erosão ou abrasão devido a existência de fluxo bifasico ou de partículas em suspensão no fluído; b) Corrosão, devido à ação direta do fluído, sua condensação ou de contaminantes nele contidos; c) Fluência, quando em operação em alta temperatura; d) Forças dinâmicas, devido à deposição de incrustações provenientes de contaminantes arrastados pelo fluído Mecanismos de Falha de uma Palheta de Turbina á Vapor: Os mecanismos de deterioração mais comuns que conduzem uma palheta de turbina à vapor a falha são apresentados a seguir: a) Danos por Corrosão - Problemas devido à corrosão em palhetas de turbinas à vapor não são comuns, entretanto, quando existentes são de solução complexa, pois normalmente estão ligados ao projeto do sistema ou ao seu mau uso. A corrosão pode ser decorrente de processo eletroquímico, que exigem a presença de eletrólito para a sua ocorrência. Este pode ser oriundo da condensação do vapor durante a operação da máquina ou infiltrado a esta em períodos de inatividade ou de manutenção, quando esta não é devidamente condicionada. A exposição das palhetas a alta temperatura também pode resultar na oxidação do material das palhetas. b) Danos por Desgaste Mecânico: A erosão é causada pela energia de impacto de um fluxo bifásico sobre a palheta da turbina, resultando em remoção do material, como por exemplo, o arraste de gotículas em alta velocidade em uma corrente de vapor. A abrasão é causada pelo impacto de partículas duras arrastadas pela corrente de vapor na superfície da palheta, resultando também em desgaste do material. Embora a abrasão das palhetas seja normalmente causada pelo arraste de partículas estranhas pelo fluído, diferenciamos aqui os caso onde temos o arraste de partículas relativamente grandes, aquelas que podem causar danos a máquina ao primeiro impacto. Partículas pesadas se movem com velocidade menor que a do fluído, sendo esta diferença maior quanto maior for a sua inércia. Isto pode fazer com que o ângulo de incidência das partículas seja totalmente diferente do ângulo de incidência do fluido, o que explica a ocorrência de danos por impacto, as vezes observados, no lado de trás de algumas palhetas. A intensidade dos danos por desgaste mecânico são diretamente proporcionais a energia transportada pelo produto (velocidade de impacto x massa da partícula), a

6 forma e a dureza da partícula e o seu ângulo de incidência. O desgaste é mais intenso para ângulos de incidência do fluxo entre 30 0 e 45 0 com a superfície da peça. c) Danos Térmicos Falhas por fluência não são comuns em palhetas de turbinas à vapor. Entretanto, estas podem ocorrer quando da admissão de fluído em temperatura superior a prevista, fator este que, associado a tensões resultantes da força centrifuga que atua sobre as palhetas, pode levar a manifestação de danos de fluência. A fadiga térmica ocorre pelo descontrole de vazão ou temperatura do vapor de resfriamento do rotor. A utilização de uma vazão muito alta de vapor de resfriamento causa resfriamento muito rápido e altas tensões térmicas nas palhetas durante a parada da máquina, tensões estas que podem gerar a nucleação de trincas e as falhas, principalmente quando este fenômeno se repete ciclicamente. Fenômeno semelhante acontece quando da admissão de fluído muito frio na turbina. A admissão de água em uma turbinas a vapor pode causar sérios danos as palhetas. Além da sobrecarga, gotas de condensado no interior de uma turbina à vapor também geram choques térmicos nas palhetas que operam alto em altas temperaturas. Quando as gotas de líquido atinge a palheta aquecida extraem calor delas para a sua vaporização, isto resulta em gradientes térmicos localizados e de grande magnitude, que poderão nuclear trincas superficiais nas palhetas (em forma de estrela). d) Danos por Fadiga: Este é o mecanismo de falha o mais significativo para os componentes de máquinas dinâmicas e consequentemente para as palhetas de turbinas à vapor também. A fratura por fadiga resulta da nucleação e do progressivo desenvolvimento de uma trinca sob influência da ação de tensões cíclicas, com a particularidade desta tensão poder ser inferior à necessária para romper a peça sob carga estática. Um processo típico de ruptura por fadiga apresenta três estágios: O 1 o estágio corresponde à nucleação da trinca devido à acumulação de danos no material causada por deformações plásticas localizadas. Neste estágio o dano não é visível a olho nu pois a fratura se estende por uns poucos grãos. Essa fase pode corresponder a até 90% do número total de ciclos necessários para a fratura da peça. A presença de concentradores de tensões (entalhes) reduz a duração deste estágio ou até mesmo elimina-lo.

7 No 2 o estágio ocorre o crescimento da trinca de fadiga em um plano perpendicular ao da principal tensão de tração. A face da fratura neste estágio é característica, sendo possível observar a olho nu as marcas de progressão da trinca ( marcas de praia ). Este estágio normalmente cobre a maior parte da área da superfície fratura. Entretanto, pode não corresponder ao maior número de ciclos de carga (maior tempo). No 3 o estágio ocorre o rompimento brusco final da peça. Esse estágio acontece quando a trinca atinge o seu tamanho crítico e então ocorre a sua propagação instável. Esta região normalmente tem aspecto fibroso e a sua extensão é proporcional à tensão aplicada ao componente. O aspecto macroscópico mais característico de uma fratura de fadiga são as marcas de praia. Essas marcas são produzidas pelas alterações no ciclo de carga, seja na freqüência ou na magnitude das tensões, sendo normalmente visíveis a olho nu. As marcas de praia não devem ser confundidas com as estrias de fadiga, visíveis somente ao microscópio eletrônico e correspondentes a cada posição da frente de propagação da trinca nos vários ciclo de tensão. Figura 2 Aspecto típico de uma fratura por fadiga, onde podem ser vistas as caracerísticas marcas de praia convergindo para a região de início da fratura,no lado direito da fotografia. Também é nítida a região de aspecto fibroso, típica de final de ruptura, no lado esquerdo da peça A visualização de múltiplas trincas paralelas na superfície de um componente também é uma indicação típica da manifestação de danos por fadiga. Como normalmente as trincas se nucleiam em planos diferentes e se unem durante a propagação, vão resultar diversos degraus decorrentes das diversas associações de pequenas trincas. Esses degraus são conhecidos por marcas de catraca ( ratchet marks ). O número de ciclos a que uma peça resiste antes de romper por fadiga depende de uma série de fatores, a começar pela natureza do material, ambiente de trabalho e magnitude

8 da tensão. Os materiais metálicos resistem a uma maior número de ciclo quando a tensão atuante é menor, conforme mostrado na figura abaixo. Também pode ser visto que ligas ferrosas, quando trabalhando em ambiente controlado, possuem um limite de resistência à fadiga abaixo do qual a fratura não ocorre os projetos das palhetas de turbinas à vapor se situam nesta região, prevendo-se assim a vida infinita para as mesmas. Palhetas de turbinas à vapor somente irão falhar por fadiga se solicitações anormais, não previstas em seu projeto, atuarem sobre a mesma. Figura 3 Gráfico representativo da resistência à fadiga do aço e do alumínio em função da carga aplicada e do número de ciclos a que o material será submetido. Em alguns casos as palhetas são conectadas em grupos através do uso de cintas para promover a redução da magnitude da vibração unitária de cada palheta, pois tornando os conjuntos mais rígidos é obtido o amortecimento das vibrações. Assim, os modos de vibração das palhetas são grandemente atenuados e modificados. Alguns exemplos são ilustrados abaixo:

9 figura 4 Ilustração do modo de vibrar de um grupo de palhetas A eventual falha na fixação de uma destas cintas irá resultar na perda rigidez da palheta livre do conjunto, resultando em oscilações de grande magnitude e na provável falha da palheta por fadiga. 3 Análise da falha da Palheta Análise dos dados de Projeto e Histórico Operacional da Turbina. Esta é uma turbina de condensação que foi instalada em 1972 e opera a 3600 RPM, com a admissão de 10,5 toneladas/hora de vapor superaquecido a C e a pressão de 42 kgf/cm 2, gerando a potência nominal de 2150 HP, para o acionamento de uma bomba de água de alta pressão. No histórico de manutenção do equipamento não existe nenhum registro de ocorrência semelhantes a esta em análise e nem eventos que pudessem ser a ela correlacionadas. Na última manutenção desta máquina, em 1992, foi instalado um rotor reserva, que era novo. O histórico operacional recente do sistema desta máquina indica que o condensador da turbina apresentou problemas de eficiência em um período anterior ao da falha. Observação: A perda de eficiência no condensador aumenta a contra-pressão na descarga da turbina propiciando a formação de condensado nos seus últimos estágios Análise Metalúrgica da Falha da Palheta da Turbina a) Inspeção Visual da Palheta Rompida.

10 A observação visual da palheta rompida indicou que a fratura se deu junto a base de fixação da palheta com a roda da turbina, em um ponto com potencial concentração de tensões. Figura 5 Fotografia mostrando uma palheta integra e a palheta rompida junto a base de fixação à roda. A análise da superfície da fraturada ficou prejudicada pela limpeza mecânica aplicada na peça, como visto abaixo. Entretanto pode-se nela observar que a fratura se deu a 90 0 com o eixo da peça. A superfície da fratura é aproximadamente plana, entretanto, observando-se com maior atenção podem ser vistos deníveis na superfície (degraus), junto a borda côncava da palheta. Estes desníveis tem as características típicas de marcas de catraca. Na região intermediária da superfície da fratura podem ser vistas indicações tênues típicas de marcas de praia e, na borda convexa da peça, uma região de aspecto fibroso, típico de fratura frágil. Figura 6 Superfície da fraturada da palheta. Na região posterior da palheta, próxima à cabeça de fixação à cinta (pino), é observado severo ataque com significativa perda de material. Este ataque ocorreu, inclusive, na

11 região interna do pescoço do pino de fixação da cinta que, teoricamente, devia estar coberta por esta (figura 7). Figura 7 Detalhe do severo ataque localizado na região posterior da palheta, inclusive na região interna do pino. A inspeção das faces das cinco palhetas do conjunto propulsor pertencentes a seção da cinta que falhou, indicou a presença de perda de material em forma de tuberculos dispersos em todas elas, sendo este mais pronunciado na face posterior das palhetas. A fotografia à esquerda da figura 8 mostra o ataque na superfície posterior de uma palheta. Observa-se que este só ocorre nas faces laterais da palheta quando o fluído forma um determinado ângulo de incidência com a sua superfície. A figura a direita mostra em detalhe um destes tubérculos, que apresenta aspecto típico de danos por erosão. Figura 8 Detalhes da deterioração de leve intensidade observado na face posterior de algumas palhetas.

12 Também é observado que este ataque ocorre na borda superior de algumas palhetas, junto a sua ligação com a cinta, sendo que em alguns casos o ataque foi também observado no material da cinta. Figura 9 Detalhe do ataque erosivo na borda superior a palheta, junto a sua ligação com a cinta. Conforme visto na figura 10, somente uma das palhetas do rotor é que falhou e esta é a segunda palheta em um conjunto de cinco peças presas a uma mesma seção de cinta. Observa-se que em um dos lados da falha a cinta sofreu severa abrasão por atrito com a carcaça da máquina e que no lado oposto, a cinta rompeu-se com aspecto dútil. Figura 10 Detalhes das superfícies de ruptura da cinta de fixação das palhetas no local da falha (detalhe da figura 01). Analisando-se com o auxílio de telelupa observa-se um desgaste localizado na borda frontal da cinta do conjunto de palhetas que falhou, bem como na borda da cinta do

13 conjunto seguinte. Este desgaste apresenta o aspecto típico remoção de material por de erosão. 4 Comentários sobre a falha da palheta. A seguir são analisadas em paralela as observações colhidas na análise metalúrgica da falha, as informações teóricas dos mecanismos potenciais de falha e as informações colhidas nos históricos operacionais e de manutenção da máquina. a) A análise da superfície rompida da palheta mostra indicações típicas de um processo de fadiga mecânica (figura 6). b) Palhetas de turbinas à vapor são projetadas para operação sob regime de fadiga, sendo que no cálculo das tensões atuantes é considerada a atenuação proporcionada pela cinta que liga o conjunto de palhetas (figura 04). c) A palheta rompida apresentou severa perda de material por erosão na sua face posterior, junto a borda superior, inclusive na região interna ao pescoço do pino de fixação da cinta (figura 7). d) A inspeção na roda de palhetas indicou que outras palhetas também sofreram deterioração, porém de menor intensidade, com características semelhantes as vistas na peça que falhou (figuras 8 e 9). As evidências indicam que a ruptura da palheta se deu por fadiga mecânica decorrente do aumento da intensidade da vibração da palheta, muito provavelmente devida a perda da sua ligação com a cinta. A deterioração observada na região de fixação da palheta com a cinta, inclusive na região interna ao pino, o desenvolvimento de um processo de erosão que consumiu progressivamente o material da palheta e da cinta. Como a perda progressiva da sua fixação com a cinta, a palheta passou a vibrar com maior liberdade até ocorrer a sua ruptura por fadiga junto a base, no ponto de máxima tensão (figura 5). Posteriormente a este evento é que ocorreu a ruptura da cinta que, pela ação da força centrífuga da massa da palheta, se deslocou e atritou com a carcaça da máquina até o seu rompimento. O desmembramento final da palheta com um trecho da cinta se deu por arrancamento (figuras 1 e 10). A erosão na região de fixação da palheta com a cinta, inclusive na região interna ao pino (figura 7), foi devida a presença de pesadas gotas de condensado no interior da turbina. A presença de líquido naquela região foi devida a deficiência no sistema condensador de vapor da turbina, como registrado no histórico operacional da máquina. O ataque erosivo mais intenso observado na face posterior das palhetas indica que as gotas de condensado eram de volume significativo e se deslocavam a velocidade menor do que a do vapor,

14 fazendo com que a gota de líquido fosse atingida pela face posterior da palheta, que se movia em maior velocidade. O fato da erosão ser mais acentuada na região limite superior da palheta é explicada pela ação da força centrifuga que tende a expulsar as gotas de condensado para a periferia do conjunto (figura 9). Deve ser ainda salientado que vibrações de pequena magnitude, como as geradas pelo afrouxamento progressivo da ligação palheta/cinta, não são detectadas pelos processos de monitoração normalmente instalados em equipamentos desta natureza, sendo que estes descontroles operacionais devem ser monitorados pelo acompanhamento contínuo dos parâmetros operacionais do processo. 5 Conclusão. A causa básica da falha da palheta da turbina foi a perda de eficiência do sistema de condensação do vapor, fato este que colocou a turbina em condições de operação diferentes das previstas no seu projeto.