Detecção de falha em compressor de parafuso através da análise de vibrações 1 - INTRODUÇÃO A globalização hoje se estende no mundo em todos os seus setores e mais do que nunca na indústria mundial, seja do ramo madeireiro, metalúrgico ou qualquer outra atividade industrial. A industria que for competitiva sobrevive nessa selva da globalização e acaba se agigantando a frente daquelas que não conseguiram por algum motivo se adaptar a esse processo mundial. Então o papel da manutenção chega a ser em muitos casos fator decisivo para o fortalecimento de uma industria. Entramos então na era da manutenção moderna, onde não se é tolerada a parada de um processo de forma não programada ou não tem-se que diminuir os custos de manutenção. Diante disso alguns equipamentos são considerados primordiais numa indústria. Hoje quase todo processo industrial é essencial a geração de ar comprimido, portanto o compressor é um equipamento vital para industria moderna. O monitoramento de um compressor pode ser realizado através de vários métodos e tecnologias, dentre essas formas de monitoramento pode se citar como a mais importante e fundamental o monitoramento através da análise de vibrações. A analise de vibrações devido a qualidade de sua resposta e as possibilidades de aplicações, foi uma das técnicas que teve grande evolução nos últimos tempos, suportada por processadores cada vez mais rápidos. Embora a analise de vibrações esteja bastante desenvolvida é fundamental ter em mente que o objetivo final é identificar as condições do equipamento e por isso devemos estar atentos para todos os detalhes que cercam o maquinário. Se faz necessário entender o que é o fenômeno da vibração para se fazer uma análise ou entendimento correto da situação de falha durante o monitoramento. 1.1 Fundamentos da Vibração Podemos definir o fenômeno da vibração como uma oscilação de um corpo em torno de uma posição de referência. Ela é fenômeno que esta presente em nosso dia-a-dia, em nosso lar,em nosso trabalho, nas viagens e em praticamente todos os lugares. Freqüentemente a vibração é um processo destrutivo, gerando falhas causando fadiga de vários componentes de máquina. O movimento vibratório é a resposta de um equipamento às forças dinâmicas que a excitam. As vibrações em um equipamento ocorrem em várias freqüências distintas e se propagam para todo o equipamento. Os sistemas mecânicos contem três componentes que interagem entre si e são responsáveis pelo comportamento dinâmico. Mola (rigidez ou flexibilidade), amortecedor (dissipação de energia) e massa (inércia). Se submetermos esses componentes a forças constantes, eles reagem com deslocamento, velocidade e aceleração. Poderíamos de uma forma básica explanar o conceito de vibrações com o descrito acima, sendo que este é um tema extremamente complexo.
1.2 O que faz a análise de vibrações Toda máquina apresenta um determinado nível de ruído e vibração, devido a operação e as vibrações externas. Porém uma pequena parcela dessas vibrações e ruídos é causada por defeitos mecânicos, ou excitações secundárias perturbadoras. O acréscimo dessas vibrações é um primeiro sinal de uma falha. Cada máquina apresenta uma forma característica de vibrações, sinais específicos do equipamento. Cada elemento de máquina apresenta uma forma específica de vibração, o comportamento dinâmico da máquina é uma somatória das perturbações de todos seus componentes, defeitos e forças externas. Então a análise de vibrações deixa possível separar e identificar todos essas vibrações, separando esses sinais em freqüências e associando essas freqüências com sua respectiva origem. Portanto através desta técnica podemos descobrir a origem das vibrações em uma máquina e descobrir o que esta ocorrendo e onde esta ocorrendo. 2 - Caso Durante uma inspeção rotineira nos compressores de uma industria multinacional madeireira verificou-se uma anormalidade nos níveis vibracional no conjunto compressor. Na pré-análise realizada durante a aquisição dos dados somente pode notar-se a elevação das tendências e uma magnitude de pico sem o reconhecimento exato da falha. Após descarregar os dados pode-se começar a se fazer uma análise mais detalhada do ocorrido com o compressor. Para se obter uma maior precisão no diagnóstico a equipe deve que levantar vários dados que são imprescindíveis numa análise como esta. E muito importante frisar que a análise vibracional é um processo de averiguação das condições (saúde) do equipamento no qual devemos usar a metodologia de descarte, ou seja, devemos identificar os problemas que seguramente não estejam ocorrendo no momento, procurando identificar características que descartem essas possibilidades, restando portanto as causas mais prováveis. 2.1 Periodicidade das medições A definição da periodicidade ideal para a análise de vibrações deve ter como base o intervalo entre duas manutenções preventivas. Tomamos esse intervalo e dividimos em 6 ou 8 partes, sendo esse valor tomado como ponto de partida para a periodicidade das tomadas dos dados. O motivo a se fazer deste modo é que teremos uma boa quantidade de leituras para traçarmos uma curva tendencial confiável. Sempre pode-se fazer ajustes na periodicidade das medições de acordo com peculiaridades do equipamento e da planta industrial. 2.2 Pontos de medições Normalmente é seguido o fluxo mecânico do equipamento, como Motor ponto 1H/1V, 2H/2V/2 A, e entrada do compressor com 3H/3V/3 A, e lado oposto a entrada (extremidade oposta ao eixo de entrada do compressor) 4H/4V/4 A e seguindo ao eixo movido com 5H/5V/5 A e passando a extremidade oposta deste eixo com pontos 6H/6V/6 A. As leituras são realizadas nas posições horizontal, vertical e axial porque o conjunto não apresenta a mesma rigidez mecânica em todas as direções, alem do que folgas axiais e radias são mais facilmente detectadas com a aquisição dos sinais nas direções em as folgas acontecem. Neste mesmo ponto devem ser coletados leituras com vários parâmetros distintos, exemplo, numa leitura no ponto 3H (horizontal) deve ter espectros de velocidade em (RMS) com resolução suficientemente boa para
se fazer uma analise em zoom se necessário. Neste mesmo ponto deve ser coletado um envelope de aceleração, também com numero de linhas suficiente. 2.3 Dados Técnicos Dados do Motor / Compressor Modelo: Compressor de parafuso ATLAS COPCO GA 45 Acionamento: Motor WEG 200L Rotação (entrada): 3560 rpm (nominal) Potencia: 65 KW Rolamento Motor: 6312 C3 / 6212 C3 Número de ranhuras: Rotor 72 / Estator 58 Numero de Lóbulos e Reentrâncias: 6 / 4 ( 7/8 ) Engrenagens ( 5/6 ): Motora z-37 Movida z-37 Rolamento Compressor: NU 211 ECP ( 2 ) / 2211 EC ( 4 ) / 308 EC ( 1 ) / 7309 BE CBP ( 3 ) Após o levantamento dos dados teve-se que avaliar de onde provinham essas vibrações severas que estariam danificando o conjunto. As vibrações de um compressor podem provir de várias fontes: Próprio trabalho do conjunto Fontes externas Defeitos ou desgaste dos componentes
Os níveis de vibração do compressor costumam variar de acordo com a operação tais com carga/alívio, temperatura ou influência de equipamentos próximos. Ao monitorar um compressor é fundamental que no ato medição sejam tomados dados adicionais do compressor, que indiquem algum valor para orientar nas possíveis alterações das vibrações. Dados que devem ser observados são: Horas trabalhadas; Horas em carga; Pressão do óleo; Temperatura do óleo; Indicadores das condições do filtro; Temperatura de entrada e saída da água; 3 - Verificando as origens das vibrações Motor - Acionamento Relacionando a freqüência fundamental do motor com seus componentes podemos avaliar se a origem dessa vibração excessiva é originada no motor. As freqüências de falha dos rolamentos do motor não coincidiam com os poucos picos observados no envelope de aceleração coletado no motor. Multiplicando o número de ranhuras x Freq. Fund. Podemos verificar se há roçamento entre o rotor e estator. Espectro de velocidade Motor Freqüência de rotação do motor 59,06 Hz Quanto a severidade na amplitude das vibrações, em alguns casos é comum o uso de tabelas que orientem na percepção da severidade na amplitude. Porém em uma opinião particular não utilize tal tabela. Explico que como foi comentado cada equipamento tem um sinal característico próprio, de acordo com várias particularidades como base, montagem, ajustes, erros ou diferenças de projetos. Portanto não se utiliza tabela, o que poderia dar uma confiabilidade maior é termos um numero de leituras suficiente para ajustar os parâmetros de alarme individuais, para cada ponto de medição. Assim teríamos uma curva tendencial muito próxima do ideal.
Envelope de aceleração Motor - Não apresenta magnitude elevada. Sem picos que caracterizem falha de rolamentos no motor. 4 - Verificando as origens das vibrações Elemento Compressor - Lóbulos Calculando as freqüências dos lóbulos conseguimos avaliar em que condições estão estes componentes. Lóbulo Macho 355,2 Hz Lóbulo Fêmea 236,8 Hz. Freqüência Lóbulo - Fêmea Freqüência Lóbulo - Macho Foi possível verificar uma falha no rolamento NU 2211 ECP de entrada do elemento compressor, teve suas freqüências de falha de gaiola (FTF) e pista interna (BPFI) coincidindo com os picos adquiridos no envelope em amplitude bastante alta. Essas falhas nos componentes do rolamento geram vibrações que excitam o compressor em suas freqüências naturais e passagem desses elementos pela pista do rolamento. E importante salientar que nem sempre quando temos uma evolução nas tendências de falha é motivo para intervenção do equipamento, é extremamente importante que seja realizada uma analise de precisão. Se ao realizar a analise dos espectros e envelopes e associar as freqüências a seus defeitos concluirmos que existe alguma anormalidade em algum componente do equipamento, desta forma poderíamos de uma maneira confiável recomendar uma intervenção por parte da manutenção. A análise de precisão consiste em identificar as freqüências e amplitudes irregulares, associando estas a suas origens. Desta forma podemos com convicção detectar qual componente esta apresentando uma falha.
Também é possível em grande parte dos casos além de saber o elemento que estas danificadas, que tipo de falha esta ocorrendo com este componente. Por exemplo, neste caso conseguimos saber com exatidão que o rolamento 2211 estava com sua gaiola bastante comprometida, é claro que esta falha vai acarretar em danos nas pistas e esferas do rolamento. Defeito de gaiola no rolamento 2211. Freqüência de falha e harmônicos. As tendências de falha em aceleração também estavam elevadas. Essas vibrações severas colocavam em risco a integridade do compressor, podendo propagar os defeitos para outros componentes aumentando assim o custo e o tempo de reparo e também o que poderia ser pior, termos uma parada indesejada do processo elevando o custo do processo. Tendências de falha em aceleração. Aumento da severidade da falha confirmado.
Após a análise e diagnóstico do Técnico de preditiva foi programada a intervenção no compressor para a primeira oportunidade em que o equipamento estivesse disponível, eliminando o risco de parada no processo. Após a desmontagem para reparos confirmou-se o diagnóstico e sua severidade. O rolamento NU 2211 ECP estava com fraturas na gaiola e na pista interna. Pista interna do rolamento NU 2211 trinca e escamamento na superfície da pista. Trincas e marcas na gaiola, a mesma estava rompida.
Escamamento na pista externa Gaiola rompida marcas fraturas no separador.
5 - Conclusão Quando se tem um monitoramento por análise de vibrações estruturada, com pessoas aptas e equipamentos confiáveis podem-se reduzir muito os níveis de parada de processo bem como diminuir o custo do processo, aumentando assim os ganhos e garantindo a disponibilidade do equipamento. A analise de vibrações não é uma ferramenta milagrosa que por si só vai fazer que com uma indústria tenha resultados prodigiosos. E fundamental ter-se toda uma estrutura enraizada, uma cultura de preditiva implantada e implementada em todo o processo seja na manutenção ou na produção. Neste caso em específico foi obtido através da manutenção preditiva um retorno muito significativo tanto em confiabilidade quanto para o processo e a empresa como um todo. A parte mais essencial e dificultosa para o analista de vibrações é obter todas as informações técnicas sobre o maquinário, definir os níveis de alarme e estabelecer parâmetros ideais de coleta e análise dos sinais. A analise de vibrações é acionada por condições do equipamento. Ao invés de se basear em dados estatísticos como tempo médio entre uma falha e outra, para programar as intervenções da manutenção pode-se ter como base as condições reais do equipamento. Um sistema de analise de vibrações pode minimizar o numero de quebras de todos equipamentos mecânicos de uma planta industrial e assegurar que os equipamentos reparados estejam em condições mecânicas aceitáveis. Podendo identificar problemas mecânicos antes que se tornem mais sérios, já que a maioria dos problemas mecânicos pode ser minimizada se detectados com antecedência. Porém devemos ter em mente que nem sempre os resultados da analise de vibrações é imediato, deve-se ter um analista experiente e capacitado a utilizar o sistema. O desenvolvimento pleno desta técnica esta acondicionado ao bom gerenciamento e ao uso de instrumentos e software atualizados. Neste caso singular (compressor), porém não o único que pode-se relatar a importância da preditiva na indùstria. Num raciocínio rápido poderíamos levantar em cifras os benefícios da preditiva.observem: Para a manutenção corretiva desse compressor necessitaríamos no mínimo de 10 horas de parada do processo, tempo de desmontagem e troca dos componentes danificados. Dependendo da situação da indústria esse fator poderia ser fundamental para o sucesso desta. 6 Tabela Ilustrando em cifras as vantagens da Análise de Vibrações. Custos Manutenção Corretiva COMPRESSOR GA 45 (Caso de Pane) Descrição Quantidade Valor Unitário Subtotal Troca de Óleo 30,00 LT R$ 9,50 R$ 285,00 Rolamento NU 2211 ECP 1,00 PÇ R$ 380,00 R$ 380,00 Vedações 4,00 PÇ R$ 85,00 R$ 340,00 Mão-de-obra x 10 horas 3,00 MEC R$ 25,00 R$ 750,00 Parada do Processo x 10 horas 18,00 h R$ 8.125,00 R$ 81.250,00 TOTAL CORRETIVA R$ 83.005,00
Custos Manutenção Preditiva / Preventiva COMPRESSOR GA 45 Descrição Quantidade Valor Unitário Subtotal Troca de Óleo 30,00 LT R$ 9,50 R$ 285,00 Rolamento NU 2211 ECP 1,00 PÇ R$ 380,00 R$ 380,00 Vedações 4,00 PÇ R$ 85,00 R$ 340,00 Mão-de-obra x 10 horas 3,00 MEC R$ 25,00 / h R$ 750,00 TOTAL PREDITIVA R$ 1.755,00 Se fizéssemos o cálculo (manutenção corretiva$ manutenção preventiva$) teríamos uma cifra que realmente poderia salvar ou garantir o sucesso de uma indústria em seu ramo de atividade. Além do custo podese otimizar o setor de manutenção, empregando o tempo do pessoal de manutenção em outras atividades como melhorias na planta. DIFERENÇA OBTIDA NESSE CASO ($) (Corretiva Preditiva) Custo Total Manutenção Corretiva R$ 83.005,00 Custo Total Manutenção Preditiva/Preventiva R$ 1.755,00 Diferença Obtida R$ 81.250,00 Edson Jaime Michalak Preditec Engenharia de Manutenção