Análise de ODS (Operating Deflection Shape) com o objetivo de identificar a causa raiz do problema.

Problema:

• Vibração excessiva em Turbina a Vapor desde Start up;

Objetivo:

• Análise de ODS (Operating Deflection Shape) com o objetivo de identificar a causa raiz do problema.

O que é ODS?

• É uma técnica de vibração que consiste em visualizar através de vídeos o modo de deflexão de um sistema, sendo útil para entender o comportamento dinâmico do mesmo.
• Caso queira conhecer o passo a passo para realizar uma análise de ODS, acesse nosso artigo à https://ensus.com.br/operating-deflection-shape/

Descritivo:

A primeira etapa do trabalho consiste em levantar o desenho 3D dos equipamentos analisados, considerando o layout e dimensões de referência para posteriormente representarem o modo de operação da máquina através dos vídeos.

Os desenhos 3D foram realizados no software Solidworks, contemplando todo o conjunto acoplado a Turbina a Vapor, conforme imagem abaixo:

Figura 1 - desenho 3D do conjunto

• Rotação Turbina – 4930rpm (82,16Hz)
• Rotação Gerador – 1800rpm (30Hz)

Posteriormente foram definidos os pontos de medição de vibração, conforme as imagens abaixo:

• Doze pontos na estrutura civil, próximo aos equipamentos do conjunto:

Figura 2 - pontos de medição na estrutura civil

• Vinte e seis pontos na Turbina a Vapor, contemplando a base metálica, mancais e tubulação de admissão/saída de vapor:

Figura 3 - pontos na Turbina a Vapor

• Vinte pontos no redutor, contemplando a base e mancais:

Figura 4 - pontos no redutor

• Quatorze pontos no Gerador, contemplando base e mancais:

Figura 5 - pontos no Gerador

Antes da coleta de dados para o ODS, foi realizado uma medição de vibração convencional nos mancais da Turbina a Vapor, que pelo histórico apresentava as maiores amplitudes do conjunto. Os resultados são sumarizados na tabela abaixo:

Legenda:

• V – Vertical
• H – Horizontal
• A – Axial
• LA – Lado Acionado
• LOA – Lado Oposto ao Acionado

As características de vibração a partir da análise de vibração inicial são destacadas abaixo:

• As máximas amplitudes de vibração ocorrem nos mancais LOA da Turbina;
• A frequência predominante é a de 82Hz (1x rotação nominal da Turbina);

A coleta de dados, processamento de sinais e concepção dos vídeos são realizadas através do software Modal View pertencente a National Instruments.

A técnica utilizada para o ODS é a FRF (Frequency Response Function), onde 01 acelerômetro é posicionado de maneira fixa em determinado local do equipamento, e outro acelerômetro é alterado de um ponto para outro para realizar a coleta de dados. (para maiores informações desse processo, acesse nosso artigo à https://ensus.com.br/operating-deflection-shape/ )

A FRF é calculada com base na relação entre o sinal de um acelerômetro e outro, fornecendo resultados com base na amplitude e fase dos sinais. Na imagem abaixo, é mostrado o resultado de uma FRF, sendo apresentado na parte superior a amplitude e na parte inferior a fase entre um sinal e outro.

Figura 6 - resultados de uma FRF

Esse mesmo processo deve ser realizado para todos os pontos definidos nas etapas anteriores, de modo que as características de vibração devem ser conhecidas.

Por último, foi realizado a correlação entre os resultados de vibração com o desenho 3D do conjunto, para a concepção dos vídeos. Considerando que as maiores amplitudes de vibração ocorrem em 82Hz, os vídeos foram gerados para esta frequência:

O vídeo de todo o conjunto, mostra claramente que as vibrações elevadas estão localizadas apenas na Turbina a Vapor.

Dessa maneira, foram realizados outros vídeos da Turbina em detalhe:

• Os vídeos acima, mostram que as maiores amplitudes estão localizadas no mancal LOA e na Tubulação de Admissão.
• Na vista superior do vídeo, percebe-se que a Turbina apresenta um modo característico de uma força existente no tubo de admissão, que acaba forçando o mancal LOA.

Outra análise realizada, foi a comparação do modo de operação de uma Turbina a Vapor de mesma marca e mesmo modelo, com a Turbina que apresenta vibrações elevadas. Considerando que o projeto é o mesmo, os modos operacionais das Turbinas em condições ideais devem ser iguais.

Note que o modo de vibração é diferente da amplitude de vibração, ou seja, é possível que existam 02 equipamentos que possuam modos de vibração iguais com amplitudes diferentes.

Dessa maneira, foi realizado um ODS para a Turbina que apresentava amplitudes baixas, e realizado uma comparação do modo de vibração através da ferramenta MAC.

O MAC (modal assurance criteria) é utilizado para comparar modos de vibração, sendo que seu valor varia de 0 a 1, sendo que o valor de 0 mostra que não existe nenhuma correlação entre um modo e outro, e o valor de 1 mostra que existe total correlação entre um modo e outro.

O comparativo do ODS entre uma Turbina e outra, considerando as mesmas escalas de vibração é mostrado abaixo:

Notavelmente as amplitudes de vibração são muito diferentes, sendo que a Turbina G1 apresenta baixa vibração e a Turbina G2 apresenta alta vibração (como já visto anteriormente).

As correlações entre os modos de vibração são mostradas no gráfico abaixo:

Figura 7 - MAC entre a Turbina G1 e G2

• Os dois eixos localizados no plano inferior do gráfico apresentam as frequências dos modos de vibração de cada Turbina.
• O eixo na vertical apresenta o valor de MAC, variando de 0 a 1 como já explicado anteriormente.
• Fazendo a comparação entre as frequências de 82Hz, pode-se verificar que a correlação é muito baixa, apresentando valores inferior a 0,2.
• Dessa maneira pode-se concluir que o modo de vibração entre a Turbina G1 não é o mesmo da Turbina G2.
• Isso evidencia, que existe alguma característica na estrutura que está alterando a massa ou rigidez da Turbina G1, resultando em vibrações elevadas.

Conclusões Gerais:

• Pela vibração alta estar localizada no tubo de admissão da turbina, combinado ao comportamento variável ao longo do tempo, a vibração ocasionada na turbina está relacionada a efeitos térmico e não puramente mecânico (ex. desbalanceamento, desalinhamento, folgas, etc);
• Os problemas mecânicos podem aparecer ao longo do tempo pela vibração excessiva, entretanto não são a causa raiz da vibração;
• Os efeitos térmicos são ocasionados pela força de dilatação existente na Tubulação de Admissão, elevando as amplitude de vibração;

Recomendações:

• Realizar projeto de flexibilidade de tubulação, adicionando ancoragens em locais estratégicos, para que a dilatação da tubulação não force a Turbina a Vapor.