Máquinas rotativas, como turbinas, bombas e compressores, estão continuamente sujeitas a grandes forças mecânicas. Como a maioria dessas máquinas é essencial para o processo, são implementados sistemas com funções de proteção e/ou monitoramento para evitar falhas. Neste artigo, destacamos algumas falhas comuns relacionadas à velocidade que podem ocorrer em máquinas rotativas.
Proteção contra velocidade
1. Sobre-velocidade
A construção das máquinas rotativas é projetada para suportar uma determinada velocidade de rotação, conhecida como velocidade de projeto. Quando ocorre sobre-velocidade, o eixo da máquina gira mais rápido do que a construção da máquina é capaz de suportar. As forças aumentam exponencialmente com a velocidade de rotação, o que pode fazer com que peças se soltem. Isso poderia ter um impacto catastrófico tanto no processo quanto no pessoal e no meio ambiente. As análises de risco, portanto, mostram que, na maioria dos casos, é obrigatório dispor de um sistema de proteção contra sobre-velocidade. Por meio de medições, é possível determinar a velocidade de rotação (RPM). Um sistema de proteção contra sobre-velocidade garante que a velocidade de rotação permaneça dentro de certos limites, para evitar danos à máquina. Se os valores-limite predefinidos forem excedidos, a máquina é desligada imediatamente (Figura 1). Essas desativações da máquina precisam ocorrer em um intervalo de tempo muito curto. De acordo com as diretrizes atuais para máquinas (API 670), os sistemas de proteção contra sobre-velocidade devem ter um tempo de resposta não superior a 40 ms.
O sobre-velocidade é o maior temor de qualquer operador de máquinas rotativas. A falta de resposta a tempo ou o mau funcionamento de um sistema de proteção contra sobre-velocidade pode fazer com que as pás da turbina ou peças do rotor se soltem. Na pior das hipóteses, essas peças atravessam a carcaça da turbina, comprometendo a segurança do pessoal e causando grandes danos ao equipamento acionado pela turbina.
2. Aceleração
A aceleração muito rápida de uma máquina rotativa pode fazer com que ela entre em sobre-velocidade, apesar do sistema de proteção contra sobre-velocidade presente, causando uma situação perigosa. Dependendo da velocidade de aceleração, a parada do acionador da máquina não levará imediatamente a uma diminuição na velocidade de rotação. Devido a forças significativas, a velocidade pode até aumentar logo após o acionador já ter sido parado. Quando um sistema de proteção contra sobre-velocidade é acionado ao atingir o valor limite de 110% da velocidade máxima de rotação tolerável, um certo grau de aceleração ainda pode fazer com que a velocidade acumulada exceda os 110% permitidos (Figura 2). Dessa forma, a máquina ainda atinge uma velocidade crítica de rotação, resultando em danos.
Durante a partida de uma máquina rotativa, dependendo da energia disponível, ela deve ser protegida contra aceleração. Ao contrário da proteção contra sobre-velocidade, a proteção contra aceleração não considera apenas as RPM, mas o aumento das RPM dentro de um intervalo de tempo predeterminado. Quando os sensores de velocidade detectam um aumento excessivo de aceleração, o sistema de proteção desligará a turbina.
Quando a máquina não está protegida contra aceleração, ela ainda entrará em sobre-velocidade. Um sistema de proteção contra sobre-velocidade não é capaz de parar a máquina a tempo durante um aumento excessivo da aceleração.
Monitoramento de velocidade
3. Rotação reversa
Pode ocorrer que a pressão do processo faça com que um compressor gire na direção errada enquanto a turbina que aciona esse compressor não estiver em operação. Isso é conhecido como rotação reversa. Essa pressão pode ocorrer porque a válvula de sucção não fecha corretamente, causando um vazamento. Quando a turbina é acionada durante essa condição do compressor, isso causará danos. A pressão acumulada como resultado da rotação reversa e a pressão da turbina se neutralizam mutuamente, o que pode, por exemplo, causar danos ao acoplamento. Isso geralmente envolve prejuízos financeiros, mas não representa um perigo direto para o pessoal e o meio ambiente.
4. Parada/deslocamento lento
É importante que a turbina esteja realmente parada antes do início dos trabalhos de revisão/manutenção. Afinal, a enorme massa de uma turbina pode causar situações perigosas se os trabalhos de manutenção forem iniciados enquanto a turbina ainda estiver girando lentamente. Para monitorar isso, as medições de velocidade devem ser feitas por um período mais longo do que as medições normais, pois a turbina está operando a uma velocidade muito baixa durante o processo de desligamento.
5. Velocidade insuficiente
A baixa rotação é o oposto da alta rotação, mas constitui uma falha menos crítica. Para manter um processo em funcionamento, uma instalação deve manter uma rotação mínima (RPM). O processo não pode mais ser conduzido com uma rotação inferior a essa. Embora a baixa rotação seja altamente indesejável devido à interrupção do processo de produção, ela não tem o mesmo impacto catastrófico que a alta rotação. É possível definir valores-limite para que um alarme seja acionado quando a RPM mínima necessária para manter o processo em funcionamento for atingida. Isso permite que o operador evite a ocorrência de baixa rotação. As medições de baixa rotação também podem ser usadas para indicar, por exemplo, que um motor de avanço lento pode ser ligado.
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Para testar e verificar sistemas de proteção contra sobre-velocidade, a Istec desenvolveu o Gerador de Frequência IST-101. Essa ferramenta simula sinais de velocidade, o que permite que a função de disparo de um sistema de proteção seja totalmente testada sem criar uma situação real de sobre-velocidade.
