Tratamento de falha nos mancais da turbina e redutor de um gerador de uma usina sucroalcooleira

Tratamento de falha nos mancais da turbina e redutor de um gerador de uma usina sucroalcooleira

1. INTRODUÇÃO
1.1. OBJETIVO
Este estudo tem por finalidade analisar as causas e propor ações preventivas para evitar reincidência das perdas ocorridas na pela falha localizada nos mancais axiais, radiais e colos de mancais da turbina e redutor do gerador 2 da usina de Leme.

1.2 TERMINOLOGIA
Falha É o término da capacidade ou habilidade de um bem em desempenhar sua função pela qual foi requisitada ou especificada. É o término da capacidade de um componente, peça ou máquina de desempenhar sua função durante um período de tempo, no qual o item deverá sofrer manutenção ou ser substituído. A falha leva o bem ao estado de indisponibilidade. Defeito É toda a alteração na função desempenha por um bem. Não causa paralisação, porém opera em condições anormais, ou seja, em modo degradado da função, apresentando perda. de produtividade, qualidade, entre outras perdas. Análise de falhas Exame lógico e sistemático de um item, equipamento ou de seu diagrama a fim de analisar as causas e conseqüências de falhas reais.

1.3. METODOLOGIA
1.3.1 – Diagrama de Ishikawa ou espinha de peixe
É também conhecido como Diagrama de Causa e Efeito permite estruturar hierarquicamente as causas de determinado problema ou oportunidade de melhoria. Os fatos estão distribuídos em grupos, abrangendo assim todo tipo provável de causa, seja ela interna ou externa ao equipamento.

2. OBJETO DE ESTUDO
2.1 Conjunto Turbo-gerador TG#2 Equipamento acionado…………………………………………………Gerador
Potencia nominal…………………………………………………………21450 kW
Rotação da turbina………………………………………………………8500 rpm
Rotação normal do gerador…………………………………………..1800 rpm
Pressão de admissão…………………………………………………..65 bar abs.
Temperatura de admissão…………………………………………….510 Graus Celsius
Pressão de extração…………………………………………………….2.5 bar abs.
Temperatura de extração………………………………………………141 Graus Celsius
Pressão de escape……………………………………………………….0.10 bar abs.
Temperatura de escape………………………………………………..45.8 Graus Celsius

Turbina
Modelo………………………………………………………………………..H2/630 S
Tipo…………………………………………………………………………….Condensacao
Numero de estágios……………………………………………………..12 Rateau (9+3)
Tipo do rotor………………………………………………………………..Integral
Tipo dos estágios…………………………………………………………Baixa reação
Rotação normal da turbina…………………………………………….8.500 rpm
Velocidade de trip…………………………………………………………9.350 rpm
Primeira velocidade critica……………………………………………..2.880 rpm
Segunda velocidade critica…………………………………………….11.600 rpm
Pressão normal óleo de controle…………………………………..30 kgf/cm2
Pressão normal óleo de lubrificação………………………..1.5 a 2 kgf/cm2

Redutor
Fabricante………………………………………………………………..Renk Zanini
Modelo…………………………………………………………………….TA-75n
Construcao………………………………………………………………Eixos paralelos simples redução
Rotação de entrada…………………………………………………..8.500 rpm
Rotação de saída………………………………………………………1.800 rpm
Relação de redução aproximada…………………………………1 : 4.72
Fator de serviço…………………………………………………………fs = 1.3
Norma de construção………………………………………………….AGMA

Sistema de lubrificação
1. Reservatório de óleo em aço carbono com visor de nível, respiro e dreno.
2. Trocador de calor duplo, casco-tubo, com válvula de mudança rápida.
3. Exaustor de nevoa.
4. Filtro de óleo duplex para o sistema de lubrificação com mudança rápida, 25 micra.
5. Filtro de óleo duplex para o sistema de controle com mudança rápida, 10 micra.
6. Bomba de óleo de lubrificação principal, do tipo fuso, acionada por motor elétrico CA.
7. Bomba de óleo de lubrificação auxiliar, do tipo fuso, acionada por motor elétrico CA.
8. Bomba de óleo de controle principal, do tipo engrenagem acionada por motor elétrico CA.
9. Bomba de óleo de controle reserva, do tipo engrenagem, acionada por motor elétrico CA.
10. Bomba de óleo de lubrificação para parada de emergência, do tipo centrifuga, acionada por turbina a vapor auxiliar.
11. Bomba de óleo de levantamento do rotor, do tipo engrenagem, acionada por motor elétrico CA.
12. Acumuladores hidráulicos.
13. Válvulas de controle de pressão, retenção, bloqueio, placa de orifício e visores de fluxo.
14. Tubulações de óleo em aço carbono.
15. Interligação hidráulica entre turbina e coluna de manômetros.
16. Visores de fluxo no retorno de óleo dos mancais do turbo-redutor.
OBS. Óleo de lubrificação utilizado para a turbina, redutor e gerador conforme ISO VG-46, porem esta sendo utilizado ISO VG-68.

2.2 Descrição breve do processo e funcionamento da maquina
A unidade geradora completa e composta de uma turbina de condensação modelo H2/630 S com carcaça única e extração controlada, prevista para acionar um gerador de energia elétrica, através de um redutor de velocidades.
O conjunto turbo-gerador pode operar isoladamente ou em paralelo com o outro turbo gerador de condensação, ou ainda com a rede da concessionaria. O vapor e admitido na turbina, através de duas válvulas principais de parada e emergência (CSEV), passando através de quatro válvulas de controle, com abertura sequencial.

Parte do vapor que passa pela turbina e extraído, a uma pressão controlada, para o processo industrial, sendo o restante levado a um sistema de condensação, que inclui o condensador principal, sistema de vácuo, através de ejetores e condensador secundário de dois estágios, sistema de controle de nível e bombas de condensado.
Um sistema hidráulico, do tipo console de óleo, e previsto para o fornecimento de óleo de lubrificação da turbina, redutor e gerador e óleo de controle para o sistema de controle da turbina.
O sistema de lubrificação possui dispositivos para acionar a lubrificação auxiliar, em corrente alternada ou ainda a lubrificação de emergência, através de turbina a vapor auxiliar.
Também e previsto um dispositivo para desligamento da turbina em caso de falha do sistema de lubrificação.
O sistema de controle possui dispositivos para o desligamento da turbina em caso de falha de pressão de controle.
Todo o sistema de proteção do conjunto turbo-gerador, quando acionado, atua no sentido de aliviar a pressão do sistema de controle, o que provoca a parada da turbina.
Em qualquer situação de parada da turbina, o sistema de giro lento devera ser engatado, imediatamente após a parada da turbina e mantido ligado ate o completo resfriamento da mesma. O mesmo sistema devera ser engatado por ocasião da partida da maquina, sendo desligado automaticamente, quando a velocidade de rotação da turbina aumentar.
OBS. O sistema de lubrificação não possui filtro ou centrifuga para contramedidas no caso de entrada de agua no sistema.

3. ESTRATIFICACAO DAS PERDAS
Conforme orçamentos preliminares da RENK e NG, analisados ate a data da emissão deste relatório, as perdas decorrentes do reparo deste conjunto somam R$ 640.000,00.

5. COLETA DE DADOS E ANALISE E IDENTIFICACAO DE CAUSAS
Após finalização da safra 2017/18 foram iniciados os trabalhos de revisão parcial do conjunto turbinaredutor-gerador do conjunto TG#2. A revisão parcial destes conjuntos ficou sob responsabilidade da empresa NG (turbina), Renk (redutor) e WEG (gerador).
Após a abertura dos mancais para inspeção foi constatado desgaste abrasivo nos mancais axiais e radiais da turbina, redutor e gerador (em menor grau). Os eixos e colo de mancais também apresentaram desgaste abrasivo com presença de arranhaduras e riscos. Estes desgastes podem ser observados na figura 1.

Figura 1 – Fotos dos mancais, eixos e elemento filtrante do TG#2, evidenciando o desgaste abrasivo.

Inicialmente, após as primeiras inspeções nos mancais, houve a suspeita do desgaste observado no conjunto, ser consequência da deterioração do óleo lubrificante, proveniente de uma possível formação de verniz no reservatório de óleo e tubulações. Para uma analise detalhada e confirmação ou não do problema de verniz no óleo foi solicitado apoio a Engenharia da Mobil. Esta analise concluiu que o desgaste apresentado nos mancais era decorrente de abrasão por contaminantes sólidos e descartou totalmente a presença de verniz no sistema. Segue abaixo conclusão do relatório, relativo ao verniz.
A presença de verniz não foi detectada nos componentes dos dois TGs da Usina Leme durante inspeções visuais, incluindo também inspeções nas tubulações e válvulas (sem registro fotográfico). Fonte – relatório de Engenharia Mobil.
Neste ponto da analise, foi feita uma reunião para discutir as prováveis causas com a equipe técnica da NG em Piracicaba. Nesta reunião foi levantada a suspeita de falha operacional na limpeza do elemento filtrante, fato este já constatado em outros clientes da NG. Após esta reunião ficou a pendencia de se executar um treinamento com a equipe de operadores Biosev a ser ministrado pelo técnico de campo da NG presente na usina para as manutenções nos conjuntos. Nesta oportunidade seria verificado o nível de conhecimento dos operadores na tarefa, bem como eventuais duvidas seriam dirimidas.
Outra pendencia desta reunião foi levantar todos os dados operacionais e de preditiva do equipamento para discutir com a engenharia da Renk as causas da falha, visto que havia ocorrido a troca dos mancais do redutor (de lóbulos por offset) na ultima entressafra (2016/17). Segue abaixo todos os dados operacionais levantados para a reunião com a Engenharia da Renk.

5.1 Dados de coleta de vibração executados com acelerômetro (medições na carcaça).

Figura 2 – Espectros de vibração e gráficos de tendência da turbina e redutor do gerador TG#2.

As analises de vibração executadas internamente pela equipe de preditiva da usina, não apresentaram fortes alterações nos níveis de vibração durante toda a safra, porem ficou evidenciado nas analises que o mancal offset trabalha com níveis de vibração superiores ao mancal de lóbulos, com valores globais médios anteriores a mudança de 2 mm/s RMS e 3.8 mm/s RMS após a mudança para o mancal offset no redutor.
De acordo com norma VDI 2056, grupo T, os limites de alarme para este tipo de equipamento são os seguintes,
Vefetiva <= 2,8 mm/s RMS (normal)
Vefetiva = 7,0 mm/s RMS (alarme)
Vefetiva = 18,0 mm/s RMS (parar)
Os níveis de vibração em carcaça estavam trabalhando na faixa entre 2,8 e 7,0 mm/s RMS, portanto em alarme, fato este que foi alertado a Renk durante a safra.
Após estas analises dos dados de vibração em carcaça, foram analisados os dados de vibração e temperatura dos mancais no painel, coletados de forma on-line com proximetros e sensores de temperatura que estão instalados permanentemente no conjunto. Estas informações, do período de toda a safra 2017/18 estão apresentadas na Figura 3 e 4 abaixo, bem como o diferencial de pressão do filtro de óleo dos mancais (óleo de lubrificação).
Foi apurado que os níveis de vibração monitorados de forma on-line também estavam dentro dos padrões estabelecidos pela norma VDI 2059, tanto para turbina quanto para redutor. Segue abaixo os limites estabelecidos como set point de desarme (trip), conforme Tabela 1.

Tabela 1 – Valores de vibração monitorados com proximetro em relação ao nível de vibração projetado para desarme no período safra 2017/18.
Tabela 1 – Valores de vibração monitorados com proximetro em relação ao nível de vibração projetado para desarme no período safra 2017/18.
Figura 3 – Gráficos de rotação e pressão diferencial do filtro de óleo TG#2 (período safra 2017/18)

A analise dos dados acima mostra que após a partida da turbina em 01/03/2017 ate a data de 04/03/2017, ocorreram diversos eventos de saturação dos filtros de óleo de lubrificação (figura 5a), com valores diferenciais de pressão atingindo na partida 2.5 Kgf/cm2 (fundo da escala) o que indica claramente um alto nível de sujidade do óleo, mesmo após a limpeza feita pela empresa terceira Trilub feita em 06/02/2017. Também foi verificado que não ocorreu operação sem os filtros.
Esta operação de limpeza do óleo com o próprio sistema de filtragem foi feita com a turbina em giro lento (aproximadamente 90 rpm), o que e não e recomendado. Isto fez com que as impurezas e incrustações fossem transportadas para todo o sistema (turbina, redutor e gerador).
Durante a safra foram feitas analises de óleo com a empresa Purilub, estas analises indicaram que o nível de sujidade do óleo estava elevado (NAS 10 a 12), porem não indicaram a presença de agua, devido a ausência do ensaio Karl Fischer para identificar agua, sendo que estavam sendo aplicados somente os ensaios de agua por crepitação e destilação.
A figura 4 abaixo mostra que o histórico do nível de sujidade do óleo de lubrificação de ambos os geradores, pela escala NAS. E nítido que ambos os sistemas vem operando com óleo extremamente sujo desde 2014.

Figura 4 – Tabela com valores históricos de sujidade do óleo dos geradores pela escala NAS
Figura 4 – Tabela com valores históricos de sujidade do óleo dos geradores pela escala NAS.

O departamento de Engenharia da Renk, informou em reunião que o padrão de limpeza para o mancal offset e de NAS 8 ou inferior. O sistema como um todo requer nível de limpeza entre NAS 7 e 8. A analise anterior à modificação do mancal deveria ter sido feita, levando-se em conta que o conjunto (turbina-redutor-gerador) em nenhum momento operou com nível de sujidade abaixo de NAS 9.
Historicamente, os mancais destes conjuntos têm sofrido desgaste abrasivo (em maior ou menor grau de severidade), o que confirma ainda mais a necessidade de melhorar o sistema de filtragem do óleo de lubrificação do conjunto, ver Figura 5 abaixo.

Figura 5 – Condição dos mancais com desgaste abrasivo, entressafra 2015/16.

Devido à deficiência e inconsistência observada nas analises de óleo da empresa Purilub, foi feita nova coleta de óleo de forma a buscar um laudo de outro laboratório isento (não envolvido nos trabalhos). O resultado destas analises encontram-se abaixo, nas Figura 6,7 e 8.

Figura 6 – Analise de óleo feita com a condição do óleo no fim da safra, indicando recomendações para retirada de agua e partículas
Figura 6 – Analise de óleo feita com a condição do óleo no fim da safra, indicando recomendações para retirada de agua e partículas.
Figura 7 – Analise de óleo feita com a condição do óleo no fim da safra, indicando alta concentração de agua 29.187,1 ppm e NAS 10
Figura 7 – Analise de óleo feita com a condição do óleo no fim da safra, indicando alta concentração de agua 29.187,1 ppm e NAS 10.
Figura 8 – Fotos da ferrografia analítica, indicando alta concentração de ferro e partículas geradas pela esfoliação
Figura 8 – Fotos da ferrografia analítica, indicando alta concentração de ferro e partículas geradas pela esfoliação.

Uma vez confirmada a presença de agua no sistema, restava identificar sua origem, sendo que havia 3 possibilidades de entrada de agua, conforme abaixo.
1. Sistema de exaustão de nevoa deficiente gerando formação de condensado no interior do tanque. Esta hipótese foi descartada após teste de funcionamento nos dois conjuntos.
2. Vedações de vapor deficientes permitindo entrada de vapor para os mancais. Esta hipótese foi descartada, pois as vedações estavam em bom estado.
3. Trocador de calor com vazamento de agua para o óleo. Esta hipótese foi confirmada após testes de estanqueidade. Ver Anexo I.

4. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
As análises indicaram que os danos ocorridos nos mancais foram por abrasão devido a contaminantes sólidos presentes no óleo de lubrificação antes da partida do gerador 2, portanto já estavam presentes no conjunto turbina-redutor-gerador e tubulação.
Foi feita operação de limpeza do óleo com o próprio sistema de filtragem do sistema, com a turbina em giro lento (aproximadamente 90 rpm), durante o tempo aproximado de 21 horas, o que e não e recomendado. Isto fez com que as impurezas e incrustações fossem transportadas para todo o sistema (turbina, redutor e gerador). Lembrando que em rotações baixas o filme de óleo e menor do que na rotação nominal, portanto mais sensível a impurezas.
Houve falha na analise de que era possível a operação na safra 2017/18 com o trocador de calor atual ate a chegada dos novos trocadores, haja vista a contaminação severa de agua ocorrida para todo o sistema. Esta condição de agua no óleo potencializou ainda mais a severidade desta falha, pois a agua prejudica a formação do filme de óleo e promove o aparecimento de pontos de corrosão por todo o sistema.
A agua não foi identificada nas analises em função de utilização de pontos de coleta de óleo incorretos e de falta de aplicação de ensaios mais precisos para identificação de agua (Karl Fischer).
Houve falha na avaliação do histórico de analise de óleo (nível de sujidade) e do sistema de filtragem como um todo, antes da alteração do mancal para o tipo offset, pois o mesmo requer um nível de limpeza (NAS 8), jamais obtido historicamente neste equipamento.
Segue abaixo a Figura 8 com a arvore de falha do evento.

Figura 9 – Arvore de falha do evento da falha dos mancais da turbina e redutor do gerador 2
Figura 9 – Arvore de falha do evento da falha dos mancais da turbina e redutor do gerador 2.

Ações corretivas e recomendações:
1. Melhorar a inspeção do conjunto turbina, redutor, gerador e tubulações quanto à limpeza (contaminantes sólidos) após atividades de manutenção, tanto na oficina dos fornecedores quanto na usina.
2. Nunca ligar a turbina durante atividades de limpeza de óleo utilizando o próprio sistema de lubrificação e filtragem, mesmo em giro lento, pois em giro lento o filme de óleo e mais fino e requer maior nível de limpeza.
3. Fazer a limpeza de óleo pos-manutencao com a turbina desligada, sem a parte de cima dos mancais e com inspeção constante do diferencial de pressão. Instalar telas de proteção durante flushing nas tubulações que chegam aos mancais.
4. Instalar filtro absoluto na linha de pressão (filtragem escalonada) para garantir obtenção de NAS <8.
5. Instalar filtro Y na tubulação de entrada de agua dos trocadores de calor, de forma a evitar a entrada de sujeira e incrustações no mesmo.
6. Instalar pontos de coleta de óleo com minimess, nos seguintes locais: – Antes do filtro de óleo. – Após o filtro de óleo. – Na linha de retorno. – No meio do reservatório (com tubo prolongador e tomador de pressão).
7. Instalar sensor de nível no reservatório de óleo com indicador no COE.
8. Comprar analisador portátil de agua no óleo para uso interno da equipe de preditiva.
9. Comprar e instalar uma centrifuga para retirada de agua do reservatório de óleo dos geradores quando necessário.
10. Mudar laboratório de analise de óleo (trocar empresa fornecedora do serviço). Usar escopo padrão corporativo para analise de óleo (incluir ferrografia analítica e agua por Karl Fischer).
11. Fazer analise de óleo semestral da carga do óleo dos dois geradores (ensaios específicos para identificar possível formação de verniz).
12. Não executar alterações no projeto original do equipamento sem analise de engenharia anterior (alterações de tipo de mancal, tipo de óleo etc).

Anexo I – Teste de estanqueidade dos trocadores de calor
Principio de funcionamento.
O trocador de calor no circuito de lubrificação do turbo-gerador é responsável pelo resfriamento do óleo, trabalhando em um circuito fechado (conforme visto na figura 1), o óleo entra e sai pelo casco ao mesmo tempo em que a água entra e sai pelo tubo trocando calor com o óleo.

Figura 10 - Circuito, trocador de calor
Figura 10 - Circuito, trocador de calor.

Conforme visto na figura 11, água e óleo não podem entrar em contato em hipótese alguma, caso isto ocorra, a água pode contaminar o óleo ou vise e versa.

Figura 11 - Separação água e óleo
Figura 11 - Separação água e óleo

Caso ocorra um vazamento nos tubos de água conforme exemplificado na figura 12, todo o óleo é contaminado.

Figura 12 - Detalhe, mangueira de água
Figura 12 - Detalhe, mangueira de água.

Teste trocador Com o trocador fora da base, através da entrada de óleo foi instalada uma mangueira de agua a fim de encher o trocador pelo casco, conforme visto na figura 13.

Figura 13 - Detalhe, mangueira de água
Figura 13 - Detalhe, mangueira de água.

Ao encher completamente o casco do trocador, foram analisados todos os bocais de saída do feixe de tubos com o intuito de encontrar possíveis vazamentos entre casco e feixe. Retirando a tampa lateral do trocador (figura 14) foi encontrado um grande vazamento de água através dos tubos e do espelho do feixe.

Figura 14 -Detalhe, vazamento de água pelos tubos
Figura 14 -Detalhe, vazamento de água pelos tubos.

Também foi evidenciado um grande nível de degradação do espelho do feixe com a presença de impurezas (figura 15).

Figura 15 - Detalhe, degradação do espelho
Figura 15 - Detalhe, degradação do espelho.

Conclusão
Com a análise feita, conclui-se que a agua estava contaminando o óleo de lubrificação no caso através de um vazamento nos tubos em função da degradação e desgaste do trocador de calor.

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