analise de falha paleta turbina a vapor

Sair6 Conferncia sobre Tecnologia de Equipamentos

ANLISE DE CAUSA BSICA DE FALHA EM PALHETA DE TURBINA A VAPOR

Eng. Luiz Otvio Amaral Affonso, Eng. Pedro Antonio Brambilla, Marcos Rodrigues e Willian Pinto de Almeida. Tcnicos da Refinaria Presidente Bernardes-Cubato

Trabalho apresentado na 6 COTEQ Conferncia sobre Tecnologia de Equipamentos 19 a 21 de Agosto de 2002 - Salvador /BA

As informaes e opinies responsabilidade dos autores.

contidas

neste

trabalho

so

de

exclusiva


SINPSE Neste trabalho identificada a causa bsica da falha de uma palheta de turbina vapor. Em paralelo efetuada uma reviso nos conceitos de causa bsica de uma falha, e nos mecanismos que podem levar um componente deste tipo a falha.


1. Introduo A turbina de acionamento de uma bomba de gua de alta presso saiu de operao automaticamente por vibrao excessiva do conjunto. Quando da abertura do equipamento foi observado que uma das palhetas da penltima roda da turbina havia se soltado. O desbalanceamento dinmico da mquina provocado por esta falha tambm causou danos nos mancais do rotor, como mostrado na figura 01, exigindo a substituio total do conjunto.

Figura 1 Fotografia da roda da turbina danificada ainda na carcaa, onde pode ser vista a palheta faltante e os danos resultantes no mancal da mquina.

2 Embasamento Terico 2.1 Anlise de Falha em uma Palheta A anlise da falha em uma palheta deve sempre ter como meta a identificao da sua real causa bsica fator primrio gerador da falha. Isto de extrema importncia, uma vez que na grande maioria dos casos a causa bsica facilmente confundida com uma das consequencias desta e, caso isto acontea, o problema no ser eliminado em difinitivo. Permanecendo ainda ativa a causa bsica o problema fatalmente ir se manifestar novamente, talvez at de maneira mais catastrfica do que em sua ltima manifestao. Normalmente a falha em uma palheta de turbina acontece devido a solicitaes geradas por fatores externos a ela e no previstos, tais como: manuteno indevida do equipamento, como por exemplo: o atrito ou roamento das palhetas em outros componentes devido a deslocamentos indevidos do eixo resultantes de uma manuteno de m qualidade;


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especificao incorreta do equipamento para as condies de uso, como por exemplo, quando o equipamento instalado no projetado para as exigncias do processo, tais como: tipo de fludo a ser admitido, grau e natureza dos contaminantes ou temperatura de admisso, presena de condensado , etc... operao do equipamento em condies diferentes das previstas no seu projeto, como por exemplo, quando variaes no processo produtivo resultam em admisso de produto em temperaturas diferentes ou com graus de contaminantes ou condensao diferentes dos indicados nos dados operacionais de projeto;

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A anlise da falha em uma palheta deve ser iniciada com a obteno de informaes tcnicas multidisciplinares bsicas, tais como: parmetros de projeto; processo de fabricao e montagem; histrico de manutenes anteriores e, principalmente, quanto aos parmetros operacionais a que a mquina foi e est sendo exposta. Estas informaes tcnicas associadas as informaes especializadas colhidas na anlise metalrgica do componente que falhou iro permitir ao especialista a correta definio da causa bsica da falha. 2.2 Palhetas de Turbinas Vapor As palhetas das turbinas vapor so os elementos que transformam a energia cintica do vapor admitido no torque resultante no eixo da mquina. Portanto, o fluxo do fluido com alta energia que incide sobre a palheta associado a rotao da mquina impe solicitaes especiais sobre estas. Palhetas, eixos e alguns outros componentes estruturais das turbinas so projetados para terem vida infinita, entanto, este objetivo somente ser alcanado se os componentes forem corretamente construdos e os equipamentos adequadamente operados. Abaixo listamos as principais cargas dinmicas que agem sobre as palheta de uma turbina vapor em operao: a) Cargas devidas diretamente ao fluxo, resultado direto da transferncia de energia; b) Cargas devidas indiretamente ao fluxo, como turbulncia, ondas de presso nas proximidades dos bocais e difusores, etc. Essas cargas so resultantes da ao do fluido que pode gerar vibrao nas palhetas; c) Cargas cclicas devidas vibrao da mquina, tais como as resultantes de desbalanceamentos dinmicos naturais da mquina, freqncias de engrenamento de redutores, etc.; d) Fora centrfuga resultante da rotao do rotor. Alm das solicitaes dinmicas normais aos princpios de funcionamento das mquinas rotativas, as palhetas ainda podem ser expostas a solicitaes de naturezas qumicas, fsicas e mecnicas que muitas vezes so de difcil previso em projeto:


a) Eroso ou abraso devido a existncia de fluxo bifasico ou de partculas em suspenso no fludo; b) Corroso, devido ao direta do fludo, sua condensao ou de contaminantes nele contidos; c) Fluncia, quando em operao em alta temperatura; d) Foras dinmicas, devido deposio de incrustaes provenientes de contaminantes arrastados pelo fludo. 2.3 - Mecanismos de Falha de uma Palheta de Turbina Vapor: Os mecanismos de deteriorao mais comuns que conduzem uma palheta de turbina vapor a falha so apresentados a seguir: a) Danos por Corroso - Problemas devido corroso em palhetas de turbinas vapor no so comuns, entretanto, quando existentes so de soluo complexa, pois normalmente esto ligados ao projeto do sistema ou ao seu mau uso. A corroso pode ser decorrente de processo eletroqumico, que exigem a presena de eletrlito para a sua ocorrncia. Este pode ser oriundo da condensao do vapor durante a operao da mquina ou infiltrado a esta em perodos de inatividade ou de manuteno, quando esta no devidamente condicionada. A exposio das palhetas a alta temperatura tambm pode resultar na oxidao do material das palhetas. b) Danos por Desgaste Mecnico: A eroso causada pela energia de impacto de um fluxo bifsico sobre a palheta da turbina, resultando em remoo do material, como por exemplo, o arraste de gotculas em alta velocidade em uma corrente de vapor. A abraso causada pelo impacto de partculas duras arrastadas pela corrente de vapor na superfcie da palheta, resultando tambm em desgaste do material. Embora a abraso das palhetas seja normalmente causada pelo arraste de partculas estranhas pelo fludo, diferenciamos aqui os caso onde temos o arraste de partculas relativamente grandes, aquelas que podem causar danos a mquina ao primeiro impacto. Partculas pesadas se movem com velocidade menor que a do fludo, sendo esta diferena maior quanto maior for a sua inrcia. Isto pode fazer com que o ngulo de incidncia das partculas seja totalmente diferente do ngulo de incidncia do fluido, o que explica a ocorrncia de danos por impacto, as vezes observados, no lado de trs de algumas palhetas. A intensidade dos danos por desgaste mecnico so diretamente proporcionais a energia transportada pelo produto (velocidade de impacto x massa da partcula), a


forma e a dureza da partcula e o seu ngulo de incidncia. O desgaste mais intenso para ngulos de incidncia do fluxo entre 300 e 450 com a superfcie da pea.

c) Danos Trmicos Falhas por fluncia no so comuns em palhetas de turbinas vapor. Entretanto, estas podem ocorrer quando da admisso de fludo em temperatura superior a prevista, fator este que, associado a tenses resultantes da fora centrifuga que atua sobre as palhetas, pode levar a manifestao de danos de fluncia. A fadiga trmica ocorre pelo descontrole de vazo ou temperatura do vapor de resfriamento do rotor. A utilizao de uma vazo muito alta de vapor de resfriamento causa resfriamento muito rpido e altas tenses trmicas nas palhetas durante a parada da mquina, tenses estas que podem gerar a nucleao de trincas e as falhas, principalmente quando este fenmeno se repete ciclicamente. Fenmeno semelhante acontece quando da admisso de fludo muito frio na turbina. A admisso de gua em uma turbinas a vapor pode causar srios danos as palhetas. Alm da sobrecarga, gotas de condensado no interior de uma turbina vapor tambm geram choques trmicos nas palhetas que operam alto em altas temperaturas. Quando as gotas de lquido atinge a palheta aquecida extraem calor delas para a sua vaporizao, isto resulta em gradientes trmicos localizados e de grande magnitude, que podero nuclear trincas superficiais nas palhetas (em forma de estrela). d) Danos por Fadiga: Este o mecanismo de falha o mais significativo para os componentes de mquinas dinmicas e consequentemente para as palhetas de turbinas vapor tambm. A fratura por fadiga resulta da nucleao e do progressivo desenvolvimento de uma trinca sob influncia da ao de tenses cclicas, com a particularidade desta tenso poder ser inferior necessria para romper a pea sob carga esttica. Um processo tpico de ruptura por fadiga apresenta trs estgios: O 1o estgio corresponde nucleao da trinca devido acumulao de danos no material causada por deformaes plsticas localizadas. Neste estgio o dano no visvel a olho nu pois a fratura se estende por uns poucos gros. Essa fase pode corresponder a at 90% do nmero total de ciclos necessrios para a fratura da pea. A presena de concentradores de tenses (entalhes) reduz a durao deste estgio ou at mesmo elimina-lo.


No 2o estgio ocorre o crescimento da trinca de fadiga em um plano perpendicular ao da principal tenso de trao. A face da fratura neste estgio caracterstica, sendo possvel observar a olho nu as marcas de progresso da trinca ( marcas de praia ). Este estgio normalmente cobre a maior parte da rea da superfcie fratura. Entretanto, pode no corresponder ao maior nmero de ciclos de carga (maior tempo). No 3o estgio ocorre o rompimento brusco final da pea. Esse estgio acontece quando a trinca atinge o seu tamanho crtico e ento ocorre a sua propagao instvel. Esta regio normalmente tem aspecto fibroso e a sua extenso proporcional tenso aplicada ao componente.

O aspecto macroscpico mais caracterstico de uma fratura de fadiga so as marcas de praia. Essas marcas so produzidas pelas alteraes no ciclo de carga, seja na freqncia ou na magnitude das tenses, sendo normalmente visveis a olho nu. As marcas de praia no devem ser confundidas com as estrias de fadiga, visveis somente ao microscpio eletrnico e correspondentes a cada posio da frente de propagao da trinca nos vrios ciclo de tenso.

Figura 2 Aspecto tpico de uma fratura por fadiga, onde podem ser vistas as caracersticas marcas de praia convergindo para a regio de incio da fratura,no lado direito da fotografia. Tambm ntida a regio de aspecto fibroso, tpica de final de ruptura, no lado esquerdo da pea

A visualizao de mltiplas trincas paralelas na superfcie de um componente tambm uma indicao tpica da manifestao de danos por fadiga. Como normalmente as trincas se nucleiam em planos diferentes e se unem durante a propagao, vo resultar diversos degraus decorrentes das diversas associaes de pequenas trincas. Esses degraus so conhecidos por marcas de catraca (ratchet marks). O nmero de ciclos a que uma pea resiste antes de romper por fadiga depende de uma srie de fatores, a comear pela natureza do material, ambiente de trabalho e magnitude


da tenso. Os materiais metlicos resistem a uma maior nmero de ciclo quando a tenso atuante menor, conforme mostrado na figura abaixo. Tambm pode ser visto que ligas ferrosas, quando trabalhando em ambiente controlado, possuem um limite de resistncia fadiga abaixo do qual a fratura no ocorre os projetos das palhetas de turbinas vapor se situam nesta regio, prevendo-se assim a vida infinita para as mesmas. Palhetas de turbinas vapor somente iro falhar por fadiga se solicitaes anormais, no previstas em seu projeto, atuarem sobre a mesma.

Figura 3 Grfico representativo da resistncia fadiga do ao e do alumnio em funo da carga aplicada e do nmero de ciclos a que o material ser submetido.

Em alguns casos as palhetas so conectadas em grupos atravs do uso de cintas para promover a reduo da magnitude da vibrao unitria de cada palheta, pois tornando os conjuntos mais rgidos obtido o amortecimento das vibraes. Assim, os modos de vibrao das palhetas so grandemente atenuados e modificados. Alguns exemplos so ilustrados abaixo:


figura 4 Ilustrao do modo de vibrar de um grupo de palhetas

A eventual falha na fixao de uma destas cintas ir resultar na perda rigidez da palheta livre do conjunto, resultando em oscilaes de grande magnitude e na provvel falha da palheta por fadiga.

3 Anlise da falha da Palheta 3.1 - Anlise dos dados de Projeto e Histrico Operacional da Turbina. Esta uma turbina de condensao que foi instalada em 1972 e opera a 3600 RPM, com a admisso de 10,5 toneladas/hora de vapor superaquecido a 3400C e a presso de 42 kgf/cm2, gerando a potncia nominal de 2150 HP, para o acionamento de uma bomba de gua de alta presso. No histrico de manuteno do equipamento no existe nenhum registro de ocorrncia semelhantes a esta em anlise e nem eventos que pudessem ser a ela correlacionadas. Na ltima manuteno desta mquina, em 1992, foi instalado um rotor reserva, que era novo. O histrico operacional recente do sistema desta mquina indica que o condensador da turbina apresentou problemas de eficincia em um perodo anterior ao da falha. Observao: A perda de eficincia no condensador aumenta a contra-presso na descarga da turbina propiciando a formao de condensado nos seus ltimos estgios.

3.2 - Anlise Metalrgica da Falha da Palheta da Turbina a) Inspeo Visual da Palheta Rompida.


A observao visual da palheta rompida indicou que a fratura se deu junto a base de fixao da palheta com a roda da turbina, em um ponto com potencial concentrao de tenses.

Figura 5 Fotografia mostrando uma palheta integra e a palheta rompida junto a base de fixao roda.

A anlise da superfcie da fraturada ficou prejudicada pela limpeza mecnica aplicada na pea, como visto abaixo. Entretanto pode-se nela observar que a fratura se deu a 900 com o eixo da pea. A superfcie da fratura aproximadamente plana, entretanto, observando-se com maior ateno podem ser vistos denveis na superfcie (degraus), junto a borda cncava da palheta. Estes desnveis tem as caractersticas tpicas de marcas de catraca. Na regio intermediria da superfcie da fratura podem ser vistas indicaes tnues tpicas de marcas de praia e, na borda convexa da pea, uma regio de aspecto fibroso, tpico de fratura frgil.

Figura 6 Superfcie da fraturada da palheta.

Na regio posterior da palheta, prxima cabea de fixao cinta (pino), observado severo ataque com significativa perda de material. Este ataque ocorreu, inclusive, na


regio interna do pescoo do pino de fixao da cinta que, teoricamente, devia estar coberta por esta (figura 7).

Figura 7 Detalhe do severo ataque localizado na regio posterior da palheta, inclusive na regio interna do pino.

A inspeo das faces das cinco palhetas do conjunto propulsor pertencentes a seo da cinta que falhou, indicou a presena de perda de material em forma de tuberculos dispersos em todas elas, sendo este mais pronunciado na face posterior das palhetas. A fotografia esquerda da figura 8 mostra o ataque na superfcie posterior de uma palheta. Observa-se que este s ocorre nas faces laterais da palheta quando o fludo forma um determinado ngulo de incidncia com a sua superfcie. A figura a direita mostra em detalhe um destes tubrculos, que apresenta aspecto tpico de danos por eroso.

Figura 8 Detalhes da deteriorao de leve intensidade observado na face posterior de algumas palhetas.


Tambm observado que este ataque ocorre na borda superior de algumas palhetas, junto a sua ligao com a cinta, sendo que em alguns casos o ataque foi tambm observado no material da cinta.

Figura 9 Detalhe do ataque erosivo na borda superior a palheta, junto a sua ligao com a cinta.

Conforme visto na figura 10, somente uma das palhetas do rotor que falhou e esta a segunda palheta em um conjunto de cinco peas presas a uma mesma seo de cinta. Observa-se que em um dos lados da falha a cinta sofreu severa abraso por atrito com a carcaa da mquina e que no lado oposto, a cinta rompeu-se com aspecto dtil.

Figura 10 Detalhes das superfcies de ruptura da cinta de fixao das palhetas no local da falha (detalhe da figura 01).

Analisando-se com o auxlio 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


conjunto seguinte. Este desgaste apresenta o aspecto tpico remoo de material por de eroso. 4 Comentrios sobre a falha da palheta. A seguir so analisadas em paralela as observaes colhidas na anlise metalrgica da falha, as informaes tericas dos mecanismos potenciais de falha e as informaes colhidas nos histricos operacionais e de manuteno da mquina. a) A anlise da superfcie rompida da palheta mostra indicaes tpicas de um processo de fadiga mecnica (figura 6). b) Palhetas de turbinas vapor so projetadas para operao sob regime de fadiga, sendo que no clculo das tenses atuantes considerada a atenuao proporcionada pela cinta que liga o conjunto de palhetas (figura 04). c) A palheta rompida apresentou severa perda de material por eroso na sua face posterior, junto a borda superior, inclusive na regio interna ao pescoo do pino de fixao da cinta (figura 7). d) A inspeo na roda de palhetas indicou que outras palhetas tambm sofreram deteriorao, porm de menor intensidade, com caractersticas semelhantes as vistas na pea que falhou (figuras 8 e 9). As evidncias indicam que a ruptura da palheta se deu por fadiga mecnica decorrente do aumento da intensidade da vibrao da palheta, muito provavelmente devida a perda da sua ligao com a cinta. A deteriorao observada na regio de fixao da palheta com a cinta, inclusive na regio interna ao pino, o desenvolvimento de um processo de eroso que consumiu progressivamente o material da palheta e da cinta. Como a perda progressiva da sua fixao com a cinta, a palheta passou a vibrar com maior liberdade at ocorrer a sua ruptura por fadiga junto a base, no ponto de mxima tenso (figura 5). Posteriormente a este evento que ocorreu a ruptura da cinta que, pela ao da fora centrfuga da massa da palheta, se deslocou e atritou com a carcaa da mquina at o seu rompimento. O desmembramento final da palheta com um trecho da cinta se deu por arrancamento (figuras 1 e 10). A eroso na regio de fixao da palheta com a cinta, inclusive na regio interna ao pino (figura 7), foi devida a presena de pesadas gotas de condensado no interior da turbina. A presena de lquido naquela regio foi devida a deficincia no sistema condensador de vapor da turbina, como registrado no histrico operacional da mquina. 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,


fazendo com que a gota de lquido fosse atingida pela face posterior da palheta, que se movia em maior velocidade. O fato da eroso ser mais acentuada na regio limite superior da palheta explicada pela ao da fora centrifuga que tende a expulsar as gotas de condensado para a periferia do conjunto (figura 9). Deve ser ainda salientado que vibraes de pequena magnitude, como as geradas pelo afrouxamento progressivo da ligao palheta/cinta, no so detectadas pelos processos de monitorao normalmente instalados em equipamentos desta natureza, sendo que estes descontroles operacionais devem ser monitorados pelo acompanhamento contnuo dos parmetros operacionais do processo.

5 Concluso. A causa bsica da falha da palheta da turbina foi a perda de eficincia do sistema de condensao do vapor, fato este que colocou a turbina em condies de operao diferentes das previstas no seu projeto.

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