curso superior de tecnologia em manutenÇÃo industrial...
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CURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM MANUTENÇÃO
INDUSTRIAL
IGOR BERNARDES DE ABREU
JOCEIR DUARTE JUNIOR
MATHEUS MARTINS RAMOS
MANUTENÇÃO EM BICOS INJETORES DE TURBINAS A GÁS: com
ênfase em limpeza e seus efeitos
Campos dos Goytacazes/RJ
2018
IGOR BERNARDES DE ABREU
JOCEIR DUARTE JUNIOR
MATHEUS MARTINS RAMOS
MANUTENÇÃO EM BICOS INJETORES DE TURBINAS A GÁS: com
ênfase em limpeza e seus efeitos
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia
Fluminense como requisito parcial para
conclusão do Curso Superior de
Tecnologia em Manutenção Industrial
Orientador:
Prof. Edilson Peixoto Sobrinho
Campos dos Goytacazes/RJ
2018
IGOR BERNARDES DE ABREU
JOCEIR DUARTE JUNIOR
MATHEUS MARTINS RAMOS
MANUTENÇÃO EM BICOS INJETORES DE TURBINAS A GÁS: com ênfase em
limpeza e seus efeitos
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia
Fluminense como requisito parcial para
conclusão do Curso Superior de
Tecnologia em Manutenção Industrial
Aprovada em __ de ____________ de 2018
Banca Avaliadora:
___________________________________________________________________
Prof. Bel. Edilson Peixoto Sobrinho, (orientador)
Bacharel em Engenharia Mecânica
Instituto Federal Fluminense – IFF Campus Centro
___________________________________________________________________
Prof. DSc. Maycon de Almeida Gomes
Doutor em Engenharia e Ciência dos Materiais
Instituto Federal Fluminense – IFF Campus Centro
___________________________________________________________________
Prof. MSc. Elizeu de Farias de Oliveira
Mestre em Engenharia de Produção
Instituto Federal Fluminense – IFF Campus Centro
AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente a Deus, por chegarmos até aqui, com saúde, força
e superação de todos as dificuldades. Aos colegas pela convivência, aprendizado e
companheirismo, e os momentos felizes que tivemos juntos durante esses anos que
serão lembrados para sempre. Ao nosso professor orientador Edilson Peixoto, pelo
suporte, correções e incentivos. E a todos que de forma direta ou indiretamente, fizeram
parte da nossa formação. Fica aqui o nosso muito obrigado.
RESUMO
Este trabalho descreve a manutenção de bicos injetores de turbinas a gás com
ênfase no procedimento de limpeza, que inclui além da limpeza dos bicos propriamente
dita, seus testes de recebimento e aceitação, que visam avaliar a capacidade de fluxo
antes da limpeza e o resultado do procedimento, respectivamente. Este procedimento
visa restaurar a capacidade de fluxo de combustível dos bicos injetores, que se
encontrem prejudicados devido o acúmulo de carbono em suas vias. O trabalho aborda
também a limpeza de outros componetes da turbina a gás e a importância deste
procedimento para a realização de outras atividades como operação e inspeções. Além
de descrever os tipos de manutenção, o princípio de funcionamento e as partes
contrutivas de uma turbina a gás.
Palavras-chaves: Manutenção. Limpeza. Turbina a gás. Fluxo de combustivel. Bico
injetor
ABSTRACT
This work describes the maintenance of gas turbine injector nozzles with
emphasis on the cleaning procedure, which includes in addition to cleaning the nozzles
themselves, their receipt and acceptance tests, which aim to evaluate the flowability
before cleaning and the result of the cleaning. procedure, respectively. This procedure
aims to restore the fuel flow capacity of the injector nozzles, which are impaired due to
the accumulation of carbon in their pathways. The work also addresses the cleaning of
other components of the gas turbine and the importance of this procedure for other
activities such as operation and inspections. In addition to describing the types of
maintenance, the operating principle and the contructive parts of a gas turbine.
Key-words: Maintenance. Cleaning. Gas turbine. Flow of fuel. Nozzle nozzle
LISTA DE SIGLAS E TERMOS
DUPLEX NOZZLE - Bocal Duplo
EPI – Equipamento de proteção individual
EXHAUTST TEMPERATURE SPREAD - Diferença de temperatura na exaustão
ON-CRANCK - Modo de Limpeza do compressor com o sistema de partida
ON-LINE – Modo de limpeza do compressor em operação
PxV - Pressão por Velocidade
SIMPLEX NOZZLE - Bocal Simples
SPREAD - Diferença entre valores e medidas
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – O “brinquedo” de Hero ................................................................................................. 22
Figura 2 – O mecanismo de Leonardo Da Vinci ...................................................................... 23
Figura 3 – Turbina a gás construída por Stolze ....................................................................... 24
Figura 4 – Frank Whittle .................................................................................................................... 25
Figura 5 - Ciclo Otto .......................................................................................................................... 28
Figura 6 – Ciclo Brayton ..................................................................................................................... 28
Figura 7 – Comparação do ciclo de funcionamento de uma turbina e um motor de
combustão interna ................................................................................................................................ 29
Figura 8 – Esquema Construtivo de uma turbina a gás ....................................................... 30
Figura 9 – Diagrama Pressão e velocidade do compressor ............................................... 31
Figura 10 – Compressor de alta pressão ................................................................................... 32
Figura 11 – Tipos de câmaras de combustão .......................................................................... 33
Figura 12 – Bico injetor Mono-combustível ............................................................................... 34
Figura 13 – Bico injetor Bi-combustível........................................................................................ 35
Figura 14 – Bico injetor do tipo simplex nozzle ........................................................................ 36
Figura 15 – Padrão de spray duplex nozzle ............................................................................... 37
Figura 16 – Bico injetor do tipo duplex nozzle ........................................................................... 37
Figura 17 – Leitura de temperatura dos gases de exaustão ideal x
desbalanceamento de fluxo de combustível ............................................................................. 45
Figura 18 – Análise do redemoinho .............................................................................................. 46
Figura 19 – Limpeza com hidrojato .............................................................................................. 48
SÚMARIO
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................................. 11
1.1 APRESENTAÇÃO ........................................................................................................................ 11
1.2 OBJETIVO ....................................................................................................................................... 12
1.3 JUSTIFICATIVA ............................................................................................................................ 12
1.4 METODOLOGIA ............................................................................................................................ 12
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO ................................................................................................ 13
2 MANUTENÇÃO ................................................................................................................................. 14
2.1 HISTÓRIA DA MANUTENÇÃO ............................................................................................... 14
2.1.1 Primeira Geração ..................................................................................................................... 15
2.1.2 Segunda Geração .................................................................................................................... 15
2.1.3 Terceira Geração ...................................................................................................................... 16
2.1.4 Quarta Geração ........................................................................................................................17
2.2 TIPOS DE MANUTENÇÃO ...................................................................................................... 18
2.2.1 Manutenção Corretiva ............................................................................................................ 18
2.2.1.1 Manutenção Corretiva Não Planejada ......................................................................... 18
2.2.1.2 Manutenção Corretiva Planejada ................................................................................... 19
2.2.2 Manutenção Preventiva .......................................................................................................... 19
2.2.3 Manutenção Preditiva .............................................................................................................. 20
2.2.4 Manutenção Detectiva ............................................................................................................. 21
2.2.5 Engenharia De Manutenção ................................................................................................. 21
3 TURBINAS .......................................................................................................................................... 22
3.1 HISTÓRIA DA TURBINA A GÁS ............................................................................................ 22
3.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO..................................................................................... 26
3.3 COMPONENTES CONSTRUTIVOS ..................................................................................... 29
3.3.1 Admissão de Ar ......................................................................................................................... 30
3.3.2 Compressor ................................................................................................................................. 30
3.3.3 Difusor de Descarga do Compressor ............................................................................... 32
3.3.4 Câmara de Combustão .......................................................................................................... 32
3.3.5 Bicos Injetores ............................................................................................................................ 33
3.3.5.1 Bocal Simples (Simplex Nozzle) ..................................................................................... 35
3.3.5.2 Bocal Duplo (Duplex Nozzle) ........................................................................................... 36
3.3.6 Turbina Geradora De Gás ..................................................................................................... 38
3.3.7 Turbina de Potência ................................................................................................................ 38
3.3.8 Exaustor ....................................................................................................................................... 38
4 LIMPEZA EM TURBINAS ............................................................................................................. 39
4.1 DECAPAGEM QUÍMICA DAS LINHAS DE PROCESSO ............................................ 39
4.2 LIMPEZA DO SISTEMA DE ÓLEO LUBRIFICANTE ..................................................... 40
4.3 LIMPEZA NO COMPRESSOR DE AR DA TURBINA .................................................... 41
4.3.1 Métodos de Limpeza do Compressor de Ar da Turbina ............................................ 42
4.3.1.1 Lavagem com Água .............................................................................................................. 42
4.3.1.2 Lavagem com Detergente .................................................................................................. 42
4.3.1.3 Lavagem Sólida ...................................................................................................................... 42
4.3.2 Modos de Lavagem do Compressor ................................................................................. 43
4.3.2.1 Com o Sistema de Partida (On-Crank) ......................................................................... 43
4.3.2.2 Em Operação (On-Line) ..................................................................................................... 43
4.4 LIMPEZA DE FILTROS .............................................................................................................. 43
5 LIMPEZA DE BICOS INJETORES ........................................................................................... 44
5.1 PROCEDIMENTO DO TESTE DE RECEBIMENTO DOS BICOS INJETORES..47
5.2 PROCEDIMENTO DE LIMPEZA DE BICOS INJETORES .......................................... 48
5.3 TESTE DE ACEITAÇÃO ........................................................................................................... 49
6 CONCLUSÃO ................................................................................................................................... 50
REFERÊNCIAS .................................................................................................................................... 51
11
1 INTRODUÇÃO
1.1 APRESENTAÇÃO
A manutenção é uma atividade vital no mundo moderno, onde existem
milhares de máquinas, sistemas e equipamentos que demandam serviços de
manutenção diariamente. A manutenção hoje em dia, tem a missão de não apenas
consertar falhas, como também aprender com elas, evitando que falhas futuras
ocorram, garantindo assim uma maior qualidade nos serviços. Mas a manutenção
não funciona sozinha, ela trabalha em conjunto com diversas outras atividades
dentre essas atividades temos a limpeza.
A limpeza é essencial para a vida humana, estando presente desde o início
da vida em sociedade. A limpeza é o ato de retirar impurezas de um corpo, local ou
objeto, portanto, está intimamente relacionado com a saúde e qualidade. A medida
que o homem foi desenvolvendo novas atividades, a limpeza ia ganhando novas
aplicações e finalidades, não estando somente relacionada com a higiene humana.
O homem observou que a limpeza era uma característica essencial para a qualidade
da maioria dos serviços que executava.
Apesar de sua importância a limpeza é muita das vezes pouco valorizada,
tanto no contexto industrial quanto no contexto geral, é comum dar pouco valor ao
ato de limpeza, porém, quando o mesmo se torna ausente, torna-se visível a sua
importância diante as consequências do acúmulo de sujeiras.
No meio industrial a limpeza é uma atividade de rotina, pois a maioria dos
serviços necessitam de um ambiente limpo para serem executados, porém em
alguns casos a limpeza é mais que uma atividade de rotina e sim faz parte de outros
processos como na manutenção. Onde a limpeza pode ser uma medida de
manutenção preventiva afim de prevenir falhas que possam ocorrer devido acúmulo
de sujeiras.
A limpeza de uma turbina a gás é um processo essencial para o bom
funcionamento da mesma, pois assegura que a sujeira e os contaminantes não
prejudiquem o seu desempenho ou provoque danos ainda maiores que podem levar
12
até mesmo a quebra ou falha de algum componente. Além disso a limpeza é um
procedimento básico para a realização de outros procedimentos como inspeções,
manutenções, transporte e estocagem. A limpeza nos bicos injetores de uma turbina,
a gás é responsável por restaurar a capacidade de fluxo do combustível, através de
sua desobstrução, retirando impurezas como o carbono, que se acumula impedindo
a passagem de combustível, prejudicando a performance da turbina a gás.
1.2 OBJETIVO
O objetivo desta monografia é mostrar a importância da manutenção dos
bicos injetores de turbinas a gás, através de sua limpeza, descrevendo o
procedimento de limpeza de bicos injetores, mostrando a importância dessa
atividade, de modo a restaurar da capacidade de fluxo do bico. Pretende-se também
contribuir com a literatura deste assunto, pois existe uma enorme carência de
bibliografias e materiais de estudo para esse assunto em específico.
1.3 JUSTIFICATIVA
Esta monografia se justifica pela importância da manutenção dos bicos
injetores das turbinas a gás para um correto balanceamento de combustível,
prevenindo assim falhas ocasionadas devido a desbalanceamento de fluxo de
combustível.
1.4 METODOLOGIA
A metodologia desta monografia é dissertativa. O material de pesquisa foi obtido
através de apostilas de treinamento e estudos, livros e manuais de fabricantes.
13
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO
2º capítulo: Descreve a história da manutenção através de suas gerações, e
os tipos de manutenções.
3º capítulo: Trata sobre a turbina a gás, abordando sua história, seu princípio
de funcionamento e suas principais partes construtivas.
4º capítulo: Relata sobre a limpeza de uma turbina a gás, abordando sua
importância e em quais situações se faz necessária. Retratando também os tipos de
limpezas para as partes construtivas.
5º capítulo: Descreve os processos de limpeza de um bico injetor, teste de
recebimento e teste de aceitação.
6º Bibliografia: Consta os sites, livros, apostilas e manuais que serviram
como material de pesquisa para este trabalho.
14
2 MANUTENÇÃO
2.1 HISTÓRIA DA MANUTENÇÃO
Ao longo da história, o homem desenvolveu instrumentos e máquinas para
produção de bens de consumo, e com isso surgiu também a manutenção que foi
ganhando espaço de acordo com as necessidades de reparos dos mais diversos
instrumentos e máquinas que iam surgindo. Sendo assim a manutenção acompanhou
todo o desenvolvimento industrial e evoluiu conforme a necessidade do mercado.
A manutenção começou a ser conhecida, com o surgimento do relógio
mecânico na Europa durante no século XVI, com técnicos de montagem e assistência.
No fim do século XIX, com a Revolução Industrial, as máquinas estavam se tornando
mecânicas e com isso iria surgir a necessidade dos reparos. (MORO; AURAS, 2007)
Até o ano de 1914 a manutenção era uma atividade secundária, sendo
executada pelos próprios operadores, contudo com o surgimento da produção em
série, iniciado por Ford, se estabeleceu nas fábricas um programa mínimo de
produção e com isso, surgiu a necessidade de se formar uma equipe com a
finalidade apenas de efetuar reparo nas máquinas de produção no menor tempo
possível, esta equipe executava apenas Manutenção Corretiva, e era órgão
subordinado a operação. (NETO,2017)
De acordo com os autores Kardec e Nascif (2009), em seu livro intitulado
“Manutenção Função Estratégica”. A manutenção evoluiu a partir da década de
1930, através de gerações, sendo quatro gerações no total.
15
2.1.1 Primeira Geração
Moubray (1997) afirma que a primeira geração ocorreu no período anterior à
Segunda Guerra Mundial, onde a manutenção era corretiva não planejada, pois
naquela época os equipamentos eram poucos mecanizados e bastante simples e em
sua maioria eram superdimensionados, além do fato de que a visão econômica
daquela época não priorizava a produção.
O executante efetuava além é claro de reparos após as quebras, tarefas
simples como limpeza e lubrificação, sendo a sua capacidade de efetuar o reparo
necessário a qualidade que as empresas buscavam em seus funcionários.
2.1.2 Segunda Geração
Ainda segundo Kardec e Nascif (2009), a segunda geração abrange as
décadas de 50 a 70, após a Segunda Guerra Mundial. Como efeito da guerra, a
necessidade dos mais variados produtos aumentou, porém em contrapartida o
contingente de mão de obra industrial diminuiu. Esses dois fatores resultaram em
uma maior mecanização das máquinas, e complexidade das plantas industriais.
Durantes esse período, a indústria estava muito dependente de um bom
funcionamento das máquinas, ou seja, uma maior produtividade, e
consequentemente uma maior confiabilidade e disponibilidade dos equipamentos.
Sendo assim começou a se difundir a ideia de que as falhas deveriam ser evitadas o
máximo possível, resultando no surgimento da manutenção preventiva.
Segundo Moubray (1997) durante a década de 60 a manutenção preventiva
era realizada com intervalos de tempo fixos. Neste período o gasto com manutenção
cresceu muito mais do que as outras atividades operacionais, e isso resultou nos
sistemas de planejamento e controle de manutenção, o qual é importante até hoje.
Durante esse período a manutenção também começou a buscar aumentar a vida útil
dos equipamentos, pois seu custo com eles também havia aumentado.
16
2.1.3 Terceira Geração
De acordo com Kardec e Nascif (2009) a terceira geração iniciou a partir da
década de 70 e durou até a década de 90, neste período a preocupação com a
parada de produção aumentou, pois, as empresas começaram a tomar consciência
que as paradas resultavam em perdas de produtividade, aumento de custo e
diminuição na qualidade dos produtos. Além disso, neste período também aumentou
a automatização e a mecanização das máquinas, e com isso aumentou ainda mais a
preocupação com confiabilidade e disponibilidade.
Essas preocupações aplicavam-se nos mais diversos meios produtivos, seja
bens de consumo ou serviços, e com uma maior automatização, a taxa de falhas
passou a influênciar bastante na capacidade de manter os padrões de qualidades
estabelecidos. Um exemplo claro disso é a falha de equipamentos como um
condicionador de ar que controla o clima no interior de edifícios como hotéis,
afetando a qualidade do serviço prestado ao cliente.
Segundo Moubray (1997) a maior preocupação com as falhas se dava
também, ao fato de que as falhas estavam tendo sérias consequências para a
segurança e meio ambiente, áreas que no momento estavam recebendo grande
atenção, e seus padrões estavam ficando cada vez mais exigentes. A força dessas
áreas era tão grande que caso uma empresa não cumprisse com os padrões
estabelecidos perdiam a permissão para funcionar.
Durante Terceira Geração o conceito de manutenção preditiva ganhou ainda
mais força. Surgiram também softwares para planejamento, controle e
acompanhamento de manutenção. A confiabilidade durante essa geração ficou com
bastante destaque, porém nessa época existia uma falta de interação entre áreas de
engenharia, manutenção e operação, que ocasionava em taxa de falhas prematuras
elevadas.
17
2.1.4 Quarta Geração
Segundo Kardec e Nascif (2009) a quarta geração é a atual geração, e nesta
geração alguns conceitos e parâmetros ganharam grande importância para a
manutenção, como a disponibilidade, a confiabilidade e a manutenibidade, ou seja, o
profissional de manutenção tinha a tarefa de fazer e manter não só os equipamentos
funcionando por mais tempo, como também garantir que apresente o rendimento
esperado durante esse tempo. Ao comparar com a visão que o profissional de
manutenção tinha na primeira geração por exemplo, onde o profissional deveria
apenas consertar os equipamentos quando eles quebrassem, podemos observar
uma grande evolução através das gerações. Nesta geração a manutenção tinha
preocupação em minimizar as falhas prematuras, além de colocar em prática a
análise de falhas para aumentar a performance dos equipamentos.
Surgiu a ideia que a manutenção deve intervir cada vez menos na planta,
atuando cada vez mais por meio de técnicas de manutenção preditiva e
monitoramento dos equipamentos, reduzindo a taxa de manutenção preventiva e
corretiva planejada, com isso à empresa tem uma maior disponibilidade e
consequentemente uma maior produtividade. A manutenção corretiva não planejada,
quando ocorria, porém, possuía outro significado, o que a Manutenção não está
sendo eficiente.
Sendo assim os projetos nesta geração, além de ter um ganho na
confiabilidade, disponibilidade e manutenibilidade, houve também uma comunicação
entre as engenharias de produção e manutenção, garantindo assim um sucesso nas
metas. (Id, 2009)
18
2.2 TIPOS DE MANUTENÇÃO
Existem diversos tipos de manutenção, e eles são caracterizados pela
forma de intervenção do equipamento ou sistema. Basicamente o número de tipos
de manutenções são seis e eles foram surgindo em momentos distintos das quatros
gerações vistas anteriormente. Atualmente qualquer atividade de manutenção
realizada, se encaixa em pelo menos um dos tipos de manutenção. Os tipos de
manutenção são: “Manutenção Corretiva Não Planejada, Manutenção Corretiva
Planejada, Manutenção Preventiva, Manutenção Preditiva, Manutenção
Detectiva e Engenharia da Manutenção”. (KARDEC; NASCIF, 2009)
A seguir será abordado mais detalhadamente os seis tipos de manutenção.
2.2.1 Manutenção Corretiva
A manutenção corretiva é quando precisamos intervir em uma falha ou
desempenho menor do que o esperado de uma máquina ou equipamento. Existem
duas condições específicas que direcionam uma manutenção para ser considerada
corretiva: Desempenho inferior apontando pelo acompanhamento das operações
e/ou ocorrência da falha. Deste modo, a manutenção corretiva atua para corrigir ou
restaurar as condições originais do equipamento defeituoso. A manutenção corretiva
pode ser dividida em Manutenção Corretiva Não Planejada e Manutenção Corretiva
Planejada. (VIANA, 2002)
2.2.1.1 Manutenção Corretiva Não Planejada
Manutenção corretiva não planejada é a correção da falha emergencial ou
desempenho menor do que o esperado, onde manutenção atua depois fato já ter
ocorrido. A manutenção corretiva não planejada é infelizmente ainda uma prática
muito comum na indústria, apesar de que sua aplicação possui algumas
consequências graves tanto para o equipamento quanto para a empresa. Ela acaba
gerado altos custo devido paradas de produção e queda de qualidade do produto,
além é claro do custo relacionados a manutenção emergencial. Para o equipamento
os danos podem ocorrer principalmente em processos contínuos, onde se trabalha
19
com elevados parâmetros operacionais, que em tais condições quando o processo é
interrompido inesperadamente, acaba por comprometer a qualidade dos outros
equipamentos, resultando em colapsos após a partida. (Id, 2002)
2.2.1.2 Manutenção Corretiva Planejada
A Manutenção Corretiva Planejada ocorre quando por decisão administrativa
se escolhe efetuar o reparo após a falha ou perda de rendimento. Tal decisão
geralmente é tomada através de informações operacionais obtidas por meio da
manutenção preditiva, portanto, a manutenção corretiva planejada e a manutenção
preditiva, andam juntas. Por ser uma falha já esperada pela equipe de manutenção é
possível, se planejar para o serviço, para que quando ocorra a falha, o reparo posso
ocorrer da forma mais rápida e segura possível, algo que não poderia ocorrer caso
fosse uma falha inesperada, quando nem a manutenção nem a administração tem
ciência da possibilidade de ocorrência. (Id, 2002)
2.2.2 Manutenção Preventiva
É realizada com intuito de reduzir ou evitar a ocorrência falhas, obedecendo
um plano previamente elaborado, baseado em intervalos definidos de tempo.
Existem planos de manutenção que ajudam a controlar de forma eficiente quais os
itens que deverão ser substituídos no equipamento de acordo com a especificação
técnica do fabricante. Além disso, devemos levar em conta as condições
operacionais e ambientais em que o equipamento está operando na hora de
estipular o espaço de tempo em que deve ser realizada a manutenção. Uma
situação indesejada é a ocorrência de falhas entre duas intervenções preventivas, o
que resultara em uma ação corretiva, ação esta, que a manutenção preventiva visa
evitar. Portanto não estaria obtendo sucesso.
Alguns fatores são decisivos na adoção da Manutenção Preventiva em uma
empresa, tais fatores geralmente estão associados a principalmente à segurança e
ao meio ambiente, devido a falhas nessas áreas terem consequências graves. Outro
fator importante é quando não possível implementar a manutenção preditiva. A
20
manutenção também será mais conveniente quando o custo com reparos após a
falha for mais alto. Uma consequência negativa na manutenção preventiva é causar
defeitos não existentes no equipamento devido a falhas humanas, faltas de
sobressalentes, contaminações introduzidas no sistema de óleo e etc. (KARDEC;
NASCIF, 2009)
2.2.3 Manutenção Preditiva
A manutenção preditiva é conceituada como o monitoramento dos
parâmetros operacionais de um sistema ou equipamento, no qual uma ação é
planejada de acordo com as modificações desses parâmetros, ou seja, o máquina
ou sistema será monitorado continuamente, e diferente da manutenção preventiva,
onde se realizaria uma intervenção em algum intervalo de tempo fixo, independente
das condições do equipamento ou sistema, na manutenção preditiva tal intervenção
só ocorrerá quando os parâmetros do equipamento ou sistema começarem a
apresentar resultados negativos. (VIANA, 2002)
A manutenção preditiva oferece uma maior produtividade para a empresa,
pois evita paradas desnecessárias, portanto, oferece uma maior disponibilidade do
equipamento. Não são todos os equipamentos que recebem esse tipo de
manutenção, pois existem algumas condições que o equipamento deve possuir para
receber a manutenção preditiva, a principal deles é permitir o monitoramento. Os
aspectos físicos e operacionais do equipamento devem permitir o contínuo
monitoramento durante sua atividade. Devido ao custo relacionado a instalação da
manutenção preditiva o equipamento tem de merecer o investimento, do ponto de
vista econômico. As causas das falhas devem permitir o monitoramento, caso
contrário a manutenção preditiva não será efetiva. (Id, 2002)
21
2.2.4 Manutenção Detectiva
A Manutenção Detectiva é a atuação da equipe de manutenção em
equipamentos, que identificam a existência de falhas. Tais equipamentos ficariam
normalmente inativos, enquanto a planta estivesse em operação, sua atuação só
deverá ocorrer quando a planta sair da faixa de operação segura, evitando assim
uma falha operacional, que poderia se transformar em um acidente. Devido suas
características operacionais se torna impossível a aplicação de qualquer tipo de
monitoramento continuo, visto que o equipamento está inativo a maior parte do
tempo. A equipe de manutenção então, deve efetuar testes a fim de verificar a
integridade desses equipamentos em um espaço de tempo determinado, evitando
assim falhas em uma condição de perigo onde o equipamento deveria atuar para
prevenir acidentes. (KARDEC; NASCIF;2009)
2.2.5 Engenharia De Manutenção
A engenharia de manutenção segundo Kardec e Nascif (2009) é um suporte
técnico da manutenção que visa consolidar a rotina e implantar melhorias. Entre
suas principais atribuições estão; aumentar a confiabilidade e a disponibilidade,
melhorar a manutenibilidade, fazer análise de falhas, participar de novos projetos
interagindo com outras engenharias, elaborar planos de manutenção e inspeção e
fazer sua análise crítica. Em resumo a engenharia de manutenção é a busca
constante por desenvolvimento, utilizando principalmente os dados colhidos pela
manutenção preditiva, para estudos e implementações.
Através do conceito de Engenharia de Manutenção, é possível ver
claramente a evolução do pensamento da equipe de manutenção, que no início tinha
apenas o objetivo de consertar as falhas, enquanto na engenharia de manutenção,
não apenas tem o objetivo de evitar as falhas como também introduzir quando
possíveis melhorias no sistema e/ou equipamento. (Id, 2002)
22
3 TURBINAS
3.1 HISTÓRIA DA TURBINA A GÁS
A turbina a gás tal como conhecemos hoje, deriva de uma série de máquinas e
mecanismos que foram surgindo ao decorrer da história. A medida que o
conhecimento humano se expandia, esses projetos iam se tornando cada vez mais
complexos e funcionais. Segundo Bellis (2006) a primeira máquina a usar a energia
do fluido de vapor em trabalho, foi um brinquedo inventado pelo filósofo e
matemático egípcio chamado Hero. Tal brinquedo mostrado na figura 1 consistia de
uma esfera oca na qual o vapor era introduzido sob pressão através de dois tubos
diametricamente opostos e com direções também opostas, a reação do vapor, causa
a rotação da esfera.
Figura 1 – O “brinquedo” de Hero
FONTE: http://modelengines.info/aeolipile/
Ainda de acordo com Bellis (2006) em 1500, Leonardo da Vinci desenhou
um esboço de um mecanismo instalado em uma chaminé, que utilizava o ar quente
que vinha da chaminé para acionar um eixo com paletas que através de um sistema
de transmissão de força fazia rodar um espeto representado na figura 2. Em 1629
Giovanni Branca desenvolveu uma oficina de estampagem que usava jatos a vapor
para girar uma turbina que fornecia trabalho para as máquinas. Em 1687, Sir Isaac
23
Newton anunciava as leis do movimento, e foi baseada nessas leis, mais
especificamente na 3ª Lei de Newton que afirmava “Para cada ação haverá uma
reação na mesma intensidade no sentido oposto”, Newton imaginou um veículo
movido a propulsão utilizando jatos de vapor.
Figura 2 – O mecanismo de Leonardo Da Vinci
FONTE: Martinelli (2002, p. 19)
Segundo Bellis (2006), a primeira concepção de turbina a gás ocorreu no ano
de 1791 pelo Inglês John Barber. Após ele tivemos importantes nomes como o inglês
John Dumbell em 1808 e o francês Bresson em 1837, onde ambos em seus esboços já
consideravam todos os componentes atuais das turbinas com combustão e pressão
constantes. Porém foi em 1872 por J. F. Stolze que foi concebida a primeira turbina com
pressão e combustão constante que viria a ser construída e testada entre os anos de
1900 e 1904, esse modelo se baseava na patente de Fernlhougs.
24
Figura 3 – Turbina a gás construída por Stolze
FONTE: Martinelli (2002, p. 21)
Martinelli (2002) observa que as melhores concepções e arranjos surgiram
no meado do século XIX como resultado de um grande desenvolvimento teórico do
estudo da Termodinâmica, que ocorreu durante este período. Mas foi somente no
século XX que surgiram resultados efetivos. Como já foi dito Stolze construiu a sua
turbina entre os anos de 1900 e 1904, porém, apesar do grande avanço, foi obtido
pouco sucesso devido a limitação de materiais da época. Neste mesmo período,
mais precisamente no ano de 1903, dois homens chamados de Armengaud e
Charles Lemale, construíram e testaram uma Turbina a gás cuja a particularidade
era a injeção de agua para o resfriamento, porém, o resultado também foi
insatisfatório, pois não se conseguiu nenhuma potência útil. Na figura 3, é possível
verificar o modelo da turbina construída por Stolze.
Ainda em 1903 a empresa General Electric, iniciou um projeto de construção
de uma turbina a gás. Quem comandava o projeto era o Dr. Sandford A. Moss, que
fez em seu trabalho de doutorado, o primeiro estudo dos EUA em turbinas a gás.
Porém, a potência fornecida pela turbina construída pela General Electric era menor
que a potência que o compressor necessitava para funcionar.
Ainda segundo Martinelli (2002), o alemão Holzwarth, percebeu que os
fracassos no desenvolvimento das turbinas se dava devido à limitação de temperatura
máxima e de relação de pressão. Então no ano de 1909 Holzwarth mudou o conceito do
projeto, utilizando o volume constante ou invés de pressão constante. Com essa
25
modificação ele eliminou o problema de pressão dos projetos anteriores e para o
problema de temperatura ele utilizou um sistema de resfriamento à água. Em 1913 a
empresa Brown Boveri projetou uma turbina com potência de 1000cv, com base no
projeto de Holzwarth, porém quando testada ela forneceu somente 200cv.
Martinelli (2002) observa em seu trabalho, que até o ano de 1937, houve
diversos projetos de turbinas a gás com finalidade industrial, porém todos eles sem
grandes sucessos, pois devido ao seu baixo rendimento (cerca de 20%), não
conseguiam concorrer com os motores alternativos a pistão. Porém um pouco antes da
2ª Guerra Mundial os esforços se voltaram para a utilização das turbinas na aeronáutica,
pois possuía um baixo peso e volume. Em 1930, Frank Whittle, patenteou o uso de
combustão à jato como meio propulsor, e para tal finalidade o uso de turbina a gás era
indispensável. Em 1937 whittle desenvolveu a turbina para esta finalidade,
e podemos verificar na figura 4. No dia 27 de agosto de 1939 o alemão Heinkel fez
voar o primeiro avião utilizando jato propulsor.
Figura 4 – Frank Whittle
FONTE: Martinelli (2002, p.22)
Ainda segundo Martinelli (2002), o uso da turbina como propulsor de avião,
simplificou bastante a sua utilização, pois agora era necessário apenas que a turbina
gerasse potência suficiente para vencer as perdas e acionar o compressor. Após o
término da segunda guerra mundial a turbina a gás passou a ser amplamente usada na
aviação comercial, isto aliado aos novos conhecimentos aerodinâmicos adquiridos com
o tempo, fez com que o desenvolvimento de novos projetos tivesse considerável avanço,
tendo como resultado turbinas de alto rendimento. Estes avanços no desenvolvimento
de projetos tiveram reflexos até mesmo na aplicação industrial, onde
26
a utilização de turbinas a gás com combustão a pressão constante passou a ter
preferência em relação a utilização de turbinas com combustão à volume constante,
pois a primeira era construtivamente mais simples, isto só foi possível devido o
desenvolvimento de compressores com alta relação de pressão e alto rendimento e
o surgimento de novos materiais resistentes a alta temperatura.
3.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Segundo Queiroz e Matias (2003), a turbina a gás é uma máquina que utiliza
os gases de combustão, para gerar energia mecânica, e para realizar tal feito o
compressor admite o ar, e comprimi até chegar na câmara de combustão onde a
mistura ar combustível é queimada, e transmite essa energia para turbina geradora
de gás.
Ainda segundo Queiroz e Matias (2002), uma turbina a gás funciona com
base no ciclo Brayton e este ciclo pode ser divido em 4 etapas que serão
apresentadas a abaixo:
1. Compressão: É a fase onde o ar é admitido e comprimido em um
compressor, aumentando assim sua pressão e temperatura.
2. Combustão: É a fase onde o ar comprimido que sai do compressor é
misturado com combustível a alta pressão e queimado a uma pressão
constante. Durante a partida é necessária uma fonte de ignição para que a
combustão ocorra, tal fonte se dá através dos chamados ignitores, nas fases
de funcionamento posteriores da turbina, a combustão se auto sustenta.
3. Expansão: Após a combustão os gases em alta temperatura se expandem
em uma alta velocidade, essa expansão ocorre através dos estágios da
turbina geradora de gás, convertendo assim 2/3 da energia gerada na
combustão em potência de eixo, acionando assim o compressor.
4. Exaustão: Esta fase ocorre de 2 maneiras distintas dependendo da aplicação da
turbina, então se for uma turbina utilizada na aeronáutica os gases
remanescentes da exaustão irão passar através de um bocal que irá aumentar
sua velocidade e consequentemente irá gerar propulsão para a aeronave
decolar ou também ter uma turbina de potência para girar as hélices. Na
27
aplicação industrial os gases são redirecionados para uma turbina de
potência que irá transformar a energia restante (cerca de 1/3) em potência
de eixo, para acionar um equipamento, como por exemplo, um gerador
elétrico ou uma bomba.
É possível fazer uma comparação do princípio de funcionamento de uma
turbina (ciclo Brayton) com o princípio de funcionamento de um motor convencional
de 4 tempos (ciclo Otto). Em ambos os ciclos ocorrem as etapas de admissão,
combustão, expansão e exaustão. No entanto na turbina a combustão ocorre a uma
pressão constante ao passo que no motor convencional a combustão ocorre a
volume constante. Outra diferença entre os ciclos é que no motor convencional, as
etapas ocorrem no mesmo local (cilindro) em tempos diferentes, sendo, portanto, um
ciclo intermitente. Na turbina as etapas ocorrem simultaneamente em locais
diferentes. (QUEIROZ; MATIAS, 2003)
Na figura 5 vemos o gráfico PxV do ciclo Otto. Ao observar o gráfico, conclui-
se que do ponto 0 ao 1 ocorre a admissão do ar onde a pressão se mantem e o
volume aumenta. Do ponto 1 ao 2 ocorre a compressão onde o pistão se desloca
para cima com as válvulas fechadas ocasionando um aumento de pressão e uma
diminuição de volume. Do ponto 2 ao 3 ocorre a combustão, podemos observar um
grande aumento de pressão, porém o volume se mantém quase constante. Do 3 ao
4 ocorre a expansão com uma perda de pressão e temperatura e aumento de
volume, ocorrendo efetivamente a obtenção de trabalho. Do 4 ao 5 a válvula de
exaustão se abre, resultando em uma queda imediata de pressão a volume
constante. Por fim do 5 ao 0 o pistão se movimenta para cima ainda com a válvula
de exaustão aberta forçando os gases remanescente a sair ocasionado a queda de
volume. (MORAN; SHAPIRO, 2006)
28
Figura 5 - Ciclo Otto
FONTE: https://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_de_Otto#/media/File:Otto_PxV.png
Na figura 6 vemos o gráfico PxV do ciclo Brayton. Analisando o gráfico vimos
que do ponto 1 ao 2 ocorre a compressão com o aumento de pressão e temperatura
e a diminuição do volume. Do ponto 2 ao 3 ocorre a combustão onde a pressão se
mantém constante, porém, ocorre um aumento de volume. Este aumento de volume
se apresenta na forma de aumento de velocidade, pois não ocorre variação da área
desta seção da turbina. Do ponto 3 ao 4 ocorre a expansão dos gases. (MORAN;
SHAPIRO, 2006)
Figura 6 – Ciclo Brayton
FONTE: https://pt.wikipedia.org/wiki/Ciclo_Brayton#/media/File:Ciclo_de_Brayton.png
29
Figura 7 – Comparação do ciclo de funcionamento de uma turbina e um
motor de combustão interna
FONTE: http://www.fem.unicamp.br/~franklin/ES672/pdf/turbina_gas.pdf
3.3 COMPONENTES CONSTRUTIVOS
A turbina a gás pode ser analisada em 3 partes, que são: o Compressor,
Câmara de combustão e a turbina geradora de gás, como demonstrado na figura 8.
Em aplicações industriais e algumas aplicações na aeronáutica possui também a
turbina de potência.
30
Figura 8 – Esquema Construtivo de uma turbina a gás
FONTE: https://img2.ibxk.com.br/2012/11/materias/3311023183251.jpg?w=700
3.3.1 Admissão de Ar
É responsável pela admissão do ar que irá trabalhar na turbina, sendo
responsável também, quando aplicada a uso industrial, pela filtragem do ar, a fim de
evitar impurezas que podem comprometer o funcionamento da turbina. (PAIXÃO;
VALADÃO; CARDOSO, 2001)
3.3.2 Compressor
De acordo com Valadão (2009) o compressor é o componente da turbina
responsável pela pressurização do fluido, sendo utilizados compressores do tipo
dinâmicos (Axial e/ou Centrífugos). Os compressores axiais apresentam uma vazão
elevada de até 700kg/s, porém, em contrapartida possuem uma taxa de compressão
muito baixa, em torno de 1,1/1 e 1,4/1, devido a isso são utilizados compressores
com múltiplos estágios para que se consiga chegar em taxas compressões elevadas
de até 21/1 utilizadas nas máquinas atuais.
O princípio de funcionamento de um compressor axial é a aceleração do ar
seguido pela transformação dessa energia em pressão. Para produzir este efeito o
compressor é constituído de duas seções, uma estacionária e outra móvel. Na seção
31
estacionária está instalado os anéis de palhetas estatoras, e na seção móvel um
conjunto de rotores com palhetas. Cada estágio do compressor é formado por um
rotor com palhetas rotoras e um anel com palhetas estatoras. O fluxo de ar do rotor
com palhetas rotoras é acelerado de forma semelhante a um ventilador, aumentando
no processo a velocidade, pressão e temperatura. Após passar pelo rotor de
palhetas o ar flui através do anel de palhetas estatoras, onde o ar será direcionando
em um ângulo que ao incidir com as palhetas do estágio seguinte promove uma
desaceleração do ar que transforma assim a energia de velocidade em pressão.
Este processo se repete em todos os estágios do compressor axial, resultando no
aumento da pressão em cada estágio. Este processo é verificado conforme figura 9.
(VALADÃO 2009)
Figura 9 – Diagrama Pressão e velocidade do compressor
FONTE: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAsSgAB/compressores-centifugos?part=4
O ar percorre uma trajetória paralela ao eixo, ou seja, axial de forma helicoidal, onde a
seção na qual ele percorre é reduzida da admissão para a descarga, devido a
necessidade de se manter uma faixa de velocidade constante durante a operação, e
aumento de pressão a cada estágio. O compressor conta com um sistema de controle
do fluxo do ar da turbina. Este sistema é constituído pelo conjunto I.G.V. (Inlet guides
vanes) e pelas válvulas de sangria. O Conjunto I.G.V. é um conjunto de palhetas móveis
guias que são instalados na entrada de ar e tem como função manter o fluxo de ar
estabilizado no compressor à uma baixa rotação alterando automaticamente os ângulos
de ataque das palhetas para o primeiro rotor. As Válvulas de Sangria são válvulas de
alívio instaladas nos últimos estágios e tem como função prevenir oscilações no fluxo ou
fenômenos aerodinâmicos prejudiciais ao compressor, onde as válvulas são abertas
aliviando para a atmosfera durante a aceleração e parada da turbina. (Id, 2009)
32
Figura 10 – Compressor de alta pressão
FONTE: Martinelli (2002, p. 25)
3.3.3 Difusor de Descarga do Compressor
É responsável por fazer a passagem do fluido do compressor para o
combustor, aumentando sua pressão no processo e reduzindo sua velocidade,
sendo inclusive o componente onde a pressão é mais elevada em toda a turbina.
Este aumento de pressão se deve ao seu formato cônico e divergente. (PAIXÃO;
VALADÃO; CARDOSO, 2001)
3.3.4 Câmara de Combustão
Valadão (2009) afirma que o Câmara de combustão é o componente da
turbina responsável por proporcionar a mistura adequada entre o fluido que vem do
compressor e o combustível que é injetado pelos bicos injetores, além disso o
33
componente é responsável também por queimar a mistura de forma completa extraindo
assim a energia esperada da combustão. A combustão ocorre de forma continua, em
um processo realizado a uma pressão constante, onde o ar que vem do compressor se
mistura ao combustível injetado e é queimado, o excesso de ar oriundo da mistura ar-
combustível é responsável por fazer com que a chama produzida pela queima da
mistura não toque a camisa da câmara, modelando e estabilizando a chama, além de
resfriar a camisa da câmara.
A figura 11 mostra o contexto de trabalho de cada turbina, e demonstra os tipos
de câmaras de combustão. Na aeronáutica são empregados os combustores do tipo
anular e tubo-anular. A câmara de combustão anular é mais compacta, possuindo uma
menor área superficial de camisa e devido a isso necessitam de menos ar de
resfriamento, portanto sendo mais indicado em trabalho com altas temperaturas ou ar
com baixa capacidade calorífica. A câmara de combustão tubular é mais empregada em
turbinas de uso industrial de médio e grande porte, devido principalmente sua
simplicidade de projeto, facilidade de manutenção e uma vida útil longa.
Figura 11 – Tipos de câmaras de combustão
FONTE: Martinelli (2002, p. 26)
3.3.5 Bicos Injetores
O bico injetor é o componente responsável por injetar o combustível na
câmara de combustão de uma turbina a gás. O bico injetor cria um spray de
combustível de forma precisa e altamente atomizada (reduzido a gotículas), no
menor espaço e tempo possíveis O combustível dever ser distribuído uniformemente
e centrado na área da chama prevenindo-a de tocar a camisa da câmara.
34
A figura 12 mostra um exemplo de bico injetor mono-combustívei, ou seja, trabalham
apenas com um tipo de combustível. Na figura 13 o bico injetor bi-combustíveis, ou
seja, trabalham com dois tipos diferentes de combustíveis. (HEISERMAN, 2015)
Figura 12 – Bico injetor Mono-combustível
FONTE: https://imgur.com/a/9rWyi
35
Figura 13 – Bico injetor Bi-combustível
FONTE: https://imgur.com/a/SMKce
Os bicos injetores normalmente utilizados são de dois tipos diferentes: o
Simplex Nozzle e o Duplex Nozzle. A seguir uma descrição mais detalhada de cada
um dos tipos.
3.3.5.1 Bocal Simples (Simplex Nozzle)
Foi utilizado pelas primeiras turbinas a gás. Seu designer é mais simples que
o Duplex Nozzle, e consiste em uma câmara que induz um redemoinho no
combustível e um orifício de atomização. Possui uma boa atomização em altas
pressões, porém sua desvantagem é que um único orifício não é capaz de fornecer
um padrão de pulverização satisfatório com as mudanças de pressão do
combustível, de acordo com a figura 14. (Id, 2015)
36
Figura 14 – Bico injetor do tipo simplex nozzle
FONTE: http://1.bp.blogspot.com/-
0rNzwzvLmDY/UodW2s3AOKI/AAAAAAAABVo/QpmoLxyHucw/s1600/Simplex+airblast+nozzle+cuta
way.jpg
3.3.5.2 Bocal Duplo (Duplex Nozzle)
É amplamente utilizado nas turbinas a gás atualmente. A principal vantagem do
Duplex Nozzle é a habilidade de prover uma boa atomização do combustível e um
padrão de spray apropriado em todas as pressões de combustível. O Duplex Nozzle
deve ter um divisor de fluxo-combustível para separa o suprimento de combustível em
baixa (primária) e alta (secundária) pressão. Este divisor é usualmente uma válvula de
retorno por mola configurada para abrir em uma pressão de combustível específica,
quando a pressão é inferior ao valor pré-estabelecido, o combustível é direcionado para
o coletor primário; quando a pressão é superior, a válvula é ativada fazendo com que
flua em ambos os coletores. Pode-se observar o splay do bico duplex nozzle, na figura
15, e sua parte construtiva na figura 16. (Id, 2015)
37
Figura 15 – Padrão de spray duplex nozzle
FONTE: http://3.bp.blogspot.com/-
IVhXTteHoP8/UodXQMYLGHI/AAAAAAAABVw/QgtTHRYF8Qg/s1600/Duplex+nozzle+spray+pattern.
jpg
Figura 16 – Bico injetor do tipo duplex nozzle
FONTE: http://3.bp.blogspot.com/-
3ZkoXNR68_U/UodXmf5L0LI/AAAAAAAABV4/ea529e1GbGE/s1600/Duplex+fuel+nozzle.jpg
38
3.3.6 Turbina Geradora De Gás
A turbina geradora de gás é a responsável por transformar em trabalho de
eixo a energia contida no fluxo de gás de alta temperatura e pressão que sai do
combustor. Ao escoar pela turbina, o fluido vai perdendo pressão e temperatura
enquanto se expande, transformando assim sua energia em trabalho. O trabalho
obtido pela turbina geradora de gás é utilizado para acionar o compressor através do
eixo que interliga os dois componentes, formando assim um ciclo de funcionamento.
As turbinas empregadas podem ser do tipo axial ou radial, porém, as do tipo
axial são mais utilizadas. Assim como o compressor axial, a turbina axial também
possui estágios formados de palhetas estatoras e rotoras, porém sua construção é
ligeiramente diferente, pois na turbina geradora de gás as palhetas estatoras
antecedem as rotoras, para que assim possa direcionar o fluxo de gás em um ângulo
que proporciona um efeito bocal, aumentando assim a velocidade do fluxo, o número
de estágios vai variar de acordo com a aplicação e o projeto. (VALADÃO, 2009)
3.3.7 Turbina de Potência
A turbina de potência é a responsável por receber o gás que sai da turbina
geradora de gás. Possui a finalidade de extrair a energia de trabalho contida nos
gases para acionar algum equipamento externo (como um compressor ou um
gerador). A turbina de potência tem uma construção semelhante a turbina geradora
de gás, possuindo estágios de palhetas estatoras e rotoras. A energia coletada do
fluxo é transferida para o eixo que por sua vez é interligado ao componente que irá
acionar. Na aviação várias turbinas a gás possuem turbina de potência. (PAIXÃO;
VALADÃO; CARDOSO, 2001)
3.3.8 Exaustor
No uso industrial é responsável por receber os gases que saem da turbina
de potência e redirecioná-los para o duto de exaustão, onde caso seja de interesse,
sua energia pode ser reaproveitada por algum sistema de recuperação de calor para
então ser direcionado para o duto de descarga. (Id, 2001)
39
4 LIMPEZA EM TURBINAS
A limpeza de uma turbina é um processo de extrema importância para a
preservação e manutenção da mesma. Uma rotina de lavagem bem elaborada
levando em considerações as condições operacionais e ambientais do equipamento,
previne o acúmulo de impurezas que podem gerar perda de rendimento e em alguns
casos até levar a falhas. Segundo Diaz e Solis (2001), a falta de limpeza no
equipamento também pode atrapalhar a inspeção, gerando resultados falsos, como
por exemplo a inspeção por líquidos penetrantes onde as impurezas podem se
acumular sobre uma fissura, com isso impedindo o líquido de penetrar na fissura,
tornando-a “invisível” para a inspeção, esta fissura então não será tratada a tempo e
gerará perdas muito maiores, podendo até causar quebra do equipamento. A
limpeza de uma turbina a gás é fundamental durante a operação, afim de manter a
integridade do equipamento durante o processo. A limpeza também se faz
necessária para a preparar para alguns serviços como inspeção durante a
manutenção seja preventiva ou corretiva, para transporte ou estocagem e reparo.
4.1 DECAPAGEM QUÍMICA DAS LINHAS DE PROCESSO
De acordo com Diaz e Solis (2001), este processo de limpeza é realizado
durante o comissionamento da máquina, visando remover das linhas, impurezas
como óleo, graxa, produtos de corrosão entre outros, que poderiam ser arrastadas
para dentro do compressor quando a máquina realizasse a partida. Este processo
também se torna necessário caso a linha tenha permanecido aberta sem a devido
preservação durante uma parada muito longa.
A decapagem é realizada utilizando produtos alcalinos e ácidos direto nas
linhas, sendo necessário uma inertização das mesmas com nitrogênio após o
processo de decapagem.
40
4.2 LIMPEZA DO SISTEMA DE ÓLEO LUBRIFICANTE
Segundo Boyce (2002) sérios problemas mecânicos podem ser causados
pela operação da turbina com um sistema de óleo lubrificante sujo. Os primeiros
passo para realizar a limpeza é inspecionar o interior do reservatório de óleo a
procura de ferrugem e outros depósitos, logo em seguida remover qualquer
impureza encontrada.
Antes de iniciar o processo deve-se desconectar todos os pontos de
alimentação de óleo para os mancais. Para esta limpeza, pode-se usar um sistema
externo ou também utilizar os equipamentos instalados na própria máquina.
Normalmente é utilizado o mesmo óleo da operação, em uma temperatura ideal.
Durante a limpeza deve-se instalar novos papeis filtro. Deve-se instalar
também jumpers em pontos críticos para evitar danos causados por detritos durante
a limpeza, instalando telas de filtragem em cada jumper. Todas as válvulas devem
ser ajustadas para a posição de completamente aberta para permitir o máximo de
vazão de bombeamento. A efetividade da limpeza irá depender da alta velocidade
alcançada no sistema para carregar os detritos.
A limpeza inicia sem as telas de filtragem para prover a maior vazão
possível. Após um ciclo de bombeamento completo, deve-se instalar as telas de
filtragem e então bombear por um adicional de 30 minutos. Após este tempo as telas
devem ser removidas para checar os resultados e os tipos de detritos. O
procedimento deve ser repetido até que as telas estejam limpas depois de duas
inspeções consecutivas.
De acordo com Diaz e Solis (2001) após concluída a limpeza do sistema de
óleo lubrificante e selagem, recomenda-se a instalação de filtros de tela na entrada
de cada mancal. Estes filtros têm como finalidade reter qualquer partícula que tenha
permanecido no sistema mesmo após a lavagem. Os filtros são inspecionados após
as primeiras 100hrs de operação da máquina e caso não apresentem nenhuma
partícula os filtros então poderão ser retirados.
41
4.3 LIMPEZA NO COMPRESSOR DE AR DA TURBINA
A lavagem do compressor tem como objetivo restaurar o desempenho da
turbina por meio da remoção da sujeira que acumula com o decorrer do tempo de
funcionamento. Segundo Escobar (2007) contaminações no compressor afetam a
eficiência térmica da turbina e por consequência o seu desempenho, além de causar
danos nas palhetas que podem levar a falha. Esta sujeira pode se apresentar na
forma de depósitos de materiais como sal, óleo, poeira e fuligem. Alguns sintomas
podem indicar que o compressor necessita de limpeza, como os listados abaixo:
• Falhas na aceleração da turbina até a velocidade máxima
• Estagnação durante a aceleração
• Surge no compressor
• Impossibilidade de desenvolver potência máxima
• Aumento da Temperatura do gás na entrada da turbina
• Diminuição da pressão de descarga do compressor de ar
Para limpeza é importante utilizar água destilada ou que atenda as
especificações exigidas pelo fabricante da turbina, tanto na solução de limpeza
quanto no enxágue, afim de evitar contaminações e danos ao material do
compressor. Além da água deve-se também estar atento aos produtos utilizados
durante a limpeza, estes devem ser aprovados pelo fabricante e utilizados nas
quantidades recomendadas. A limpeza é executada em ciclos, e a quantidade ciclos
necessários para se obter a limpeza completa será determinado pelo nível de
contaminação do compressor.
De acordo com Diaz e Solis (2001) por questões de segurança as linhas de
combustível e óleo da turbina devem ser bloqueadas e desconectadas antes de
efetuar a limpeza. Após a limpeza deve-se reconectar e desbloquear as linhas e
operar a turbina por um tempo mesmo que sem finalidade operacional.
42
4.3.1 Métodos de Limpeza do Compressor de Ar da Turbina
Diaz e Solis (2001) afirmam que existem três métodos de limpeza do
compressor da turbina sendo cada um aplicado em uma circunstância específica.
4.3.1.1 Limpeza com Água
É um método mais frequente, sendo utilizado para limpezas mais simples,
onde as palhetas não estejam contaminadas com nenhuma substância gordurosa ou
óleo. (Id., 2001)
4.3.1.2 Limpeza com Detergente
Este método é aplicado quando as palhetas do compressor estão
contaminadas com substâncias gordurosas, portanto a lavagem com água não se
mostra eficiente. A limpeza é feita utilizando uma mistura de água com solvente,
onde dependendo do tipo de solvente utilizado, mostra-se necessário também a
adição de querosene.
Devido a utilização do solvente, depois da limpeza torna-se necessário
efetuar um enxágue. Este enxágue, tem a função de remover qualquer resíduo de
solvente proveniente da limpeza, antes de colocar o compressor em operação. O
enxágue é executado utilizando somente água. (Id., 2001)
4.3.1.3 Limpeza Sólida
Este tipo de limpeza é mais restritivo e só deve ser utilizado após uma
análise profunda do estado da máquina, levando em consideração o custo benefício,
pois por utilizar produtos sólidos, estes podem causar danos consideráveis as
palhetas. Este método somente deve ser aplicado em casos que os métodos
anteriores se mostrem ineficiente. (Id., 2001)
43
4.3.2 Modos de Limpeza do Compressor
4.3.2.1 Com o Sistema de Partida (On-Crank)
A limpeza é realizada com a máquina fria, onde o sistema de ignição e
combustão estão desativados e devido a isso torna-se impossível da turbina
sustentar seu próprio giro, portanto a rotação do compressor é sustentada pelo
motor de partida. Neste modo a turbina deve estar com uma temperatura de carcaça
menor que 65°C, portanto caso a turbina esteja em operação deve-se esperar o seu
resfriamento antes de iniciar a lavagem. O resfriamento de uma turbina demora em
torno de 8 horas para ser concluído. (Id., 2001)
4.3.2.2 Em Operação (On-line)
A limpeza pode ser realizada com a máquina em operação,
independentemente do nível de carga, ou seja, pode ser realizada tanto sem carga,
tanto com o máximo de carga. Este modo de lavagem tende a ser menos eficiente
que o modo On-Crank, porém a sua vantagem é que ele pode ser executado sem
afetar a produtividade da máquina. (Id., 2001)
4.4 LIMPEZA DE FILTROS
A lavagem de filtros ocorre somente nos filtros que são compostos por tela
metálicas, sendo o processo realizado com um solvente recomendado pelo fabricante.
Os filtros que em sua composição apresente algum tipo de papel não devem ser
lavados, sendo então substituídos durante as intervenções programadas. (CLINER;
2018)
44
5 LIMPEZA DE BICOS INJETORES
Normalmente uma turbina a gás possui vários bicos injetores, que através dos
quais o combustível é injetado na zona de combustão. O fluxo de combustível deve ser
igual em todos os bicos injetores, assim como mistura de ar-combustível deve ser
igualmente efetiva. Em caso de combustíveis líquidos, a atomização das gotículas de
combustível também deverá ser igual para cada bico. (PLUNKETT, 2015)
Uma das principais causas de defeitos de componentes da seção quente de
uma turbina a gás é o desbalanceamento de distribuição de combustível devido a
sujeira ou defeitos nos bicos injetores. Por causa de um maior fluxo de combustível
em um bico do que em outro, ocorrerá uma maior emissão de NO (Óxido nítrico) e
CO (Monóxido de carbono) causada pela existência simultânea de regiões quentes e
frias na seção de combustão. (PHILLIPS; SIMAS, 2004)
O desbalanceamento de fluxo gera uma grande diferença entre as leituras
dos termóstatos localizados radialmente envolta da exaustão de gases da turbina,
sendo a diferença entre a temperatura máxima e a mínima registrada através dos
termostatos chamada no meio industrial de exhaust temperature spread. Se esse
diferencial de temperatura dos gases não for corrigido a tempo, resultará na redução
da vida útil das componentes da seção quente em contato. Os casos mais graves
ocorrem quando a região com a maior temperatura registrada e a região com a
menor temperatura registrada na câmara de combustão estão, muito próximas
ocasionando um desequilíbrio térmico. O spread de temperatura é um indicativo de
problemas de combustão que podem acarretar falhas catastróficas, onde até mesmo
partes quebradas do combustor podem passar para a seção de expansão de gases
causando danos severos nas palhetas da turbina. (SAHU, 2017)
A figura 17 apresenta exemplos hipotéticos de leituras de termostatos. No
primeiro gráfico é possível observar que todos termostatos apresentaram uma leitura
semelhante dentro da linha indicada, sendo essa linha a temperatura ideal de trabalho,
sendo assim é possível concluir que há um fluxo de combustível balanceado. Em
contrapartida no segundo gráfico, ocorre leituras com grandes diferenças de
temperaturas, onde alguns termostatos apresentam leituras com temperatura bem acima
do ideal e algumas bem abaixo, a situação mais preocupante é a leitura dos
45
termostatos 4-5-6-7 onde as regiões mais quentes e frias estão muito próximas entre
si, colocando em risco a integridade dos componentes da seção quente da turbina.
Figura 17 – Leitura de temperatura dos gases de exaustão ideal
x desbalanceamento de fluxo de combustível
FONTE: Elaborado pelos próprios autores
Os gases quentes provenientes dos combustores se misturam muito pouco
uns com os outros antes de entrarem no exaustor da turbina. Isso ocorre pois eles
sofrem efeito do fenômeno conhecido como redemoinho, ou seja, não viajam de
forma axial direta através dos estágios da turbina. Permitindo assim que os
termostatos localizados na exaustão possam registrar as regiões quentes e frias que
irão indicar o desbalanceamento de fluxo através dos bicos injetores individuais. Na
figura 18 é possível observar uma representação do fenômeno redemoinho que
ocorre nos gases da combustão como também é possível observar a posição dos
termostatos que efetuarão a leitura de temperatura desses gases. (SAHU, 2017)
46
Figura 18 – Análise do redemoinho
FONTE: https://media.licdn.com/dms/image/C4E12AQHsc3RWtLVRng/article-inline_image-
shrink_1500_2232/0?e=2120252400&v=alpha&t=fBWodEv1GyJi2loht5_uE2GjpINAslcVsBDdzvLbSes (com
modificações)
O monitoramento continuou da temperatura dos gases de exaustão da
turbina a gás é uma técnica de manutenção preditiva. Quando através da inspeção é
identificado que o problema de desbalanceamento de fluxo de combustível é
ocasionado por sujeira no bico injetor torna-se necessário efetuar um procedimento
de limpeza.
A limpeza de bicos injetores ocorre durante a manutenção preventiva ou
quando constatado a necessidade de limpeza dos mesmos visando a eliminação de
sujeiras, principalmente os depósitos de carvão que podem prejudicar a capacidade
de fluxo dos bicos ou até mesmo causar entupimento. Este processo também se faz
necessário quando há uma necessidade de fazer teste de fluxo dos bicos injetores.
Este trabalho se baseia no processo da Petrobras de limpeza dos bicos
injetores de uma turbina modelo Tauros 60 do fabricante Solar Turbines.
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Este processo deve ser executado por um inspetor especializado e com os
equipamentos específicos para este serviço. Os equipamentos necessários para a
execução desta limpeza são:
• Uma banheira ultrassónica para a imersão dos bicos
• Uma bancada de teste de fluxo
• Uma banheira de preservação.
São necessários também alguns produtos como um removedor de ferrugem,
como por exemplo Ardrox 185 para a imersão na banheira ultrassónica e um óleo de
preservação para a banheira de preservação.
Antes de efetuar a limpeza alguns procedimentos devem ser tomados. O
inspetor deve conferir algumas informações dos bicos injetores como: número de
série; números de horas em operação; qual é o equipamento de origem seu local de
instalação; e o histórico.
Algumas medidas de segurança devem ser tomadas afim de preservar a
integridade física do inspetor, tais como a utilização de equipamento de proteção
individual (EPI). O inspetor deve utilizar luvas e máscara química durante o
manuseio dos bicos enquanto os mesmos estiverem imersos nas banheiras, e
também o inspetor deverá utilizar óculos de proteção e protetores auriculares
durante o teste de fluido dos bicos.
5.1 PROCEDIMENTO DO TESTE DE RECEBIMENTO DOS BICOS INJETORES
Os bicos devem ser instalados individualmente na bancada de teste. A
pressão de ar vinda do compressor deve ser ajustada através do manômetro para
um valor mínimo específico. Assim como deve ser regulada também o valor de
pressão na conexão de entrada do bico para um valor máximo especifico.
Ao iniciar o teste, os valores de fluxo do bico injetor serão demonstrados na
coluna de água da bancada, este valor deve ser anotado e comparado com os
valores limites. Após a realização do teste o bico injetor deve obrigatoriamente
prosseguir para o procedimento de limpeza, independente dos valores encontrados.
48
5.2 PROCEDIMENTO DE LIMPEZA DE BICOS INJETORES
Após o procedimento de teste, inicia-se o procedimento de limpeza, onde os
bicos devem ser emergidos no equipamento de limpeza ultrassônica que deve
conter o removedor de ferrugem. Os bicos devem ficar pendurados através de um
arame de freno em uma barra de aço que ficará suspensa sobre o equipamento, de
modo que os bicos fiquem completamente submersos no descarbonizante. É
importante que a ponta tip nozzle fique posicionada para cima.
O equipamento de ultrassom deve ser regulado para uma temperatura entre
80ºC à 90ºC, e então acionado, atuando sobre os bicos durante todo um expediente
de trabalho. Após o período de tempo determinado os bicos devem ser retirados da
banheira e encaminhados para uma limpeza com hidrojato, como demonstrado na
figura 19, onde a temperatura da água deve estar em torno de 80ºC e a pressão
deve ser a máxima obtida no equipamento, finalizando assim o ciclo de limpeza dos
bicos injetores.
Figura 19 – Limpeza com hidrojato
FONTE: https://imgur.com/a/BK70l
Caso após o processo de limpeza, ainda haja vestígios de carvão em algum
bico, deve-se reiniciar o ciclo de limpeza para aquele bico especificamente.
49
5.3 TESTE DE ACEITAÇÃO
Após o procedimento de limpeza os bicos seguirão para um teste de
aceitação. O teste de aceitação nada mais é que o teste de recebimento dos bicos
injetores, onde no teste de aceitação os bicos injetores devem apresentar resultados
desejados pelo inspetor na coluna de água. Caso o bico injetor não apresente o
resultado desejado o mesmo deve reiniciar o processo de limpeza e refazer o teste
de aceitação, até que se obtenha o resultado esperado.
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8 CONCLUSÃO
Concluimos através deste trabalho que a manutenção preditiva em bicos
injetores por limpeza é de extrema importância para um correto funcionamento da
câmara de combustão, e por consequência resulta em uma maior confiabilidade e
disponibilidade para a turbina a gás como um todo, atributos indispensáveis para o
seu correto funcionamento. Evitando principalmente o desgaste prematuro de
componentes internos da turbina geradora de gás, ou danos catastrófico por conta
do desequilíbrio termodinâmico na câmara de combustão causado pela injeção de
combustível inadequada.
Este trabalho propôs também salientar a importância da limpeza nos
processos industriais, que por muita das vezes é pouco valorizada. O processo de
limpeza do compressor da turbina a gas é importante pois restabelece a sua
eficiência, e o bom funcionamento do conjunto. De modo a compreender
importância das manutenção preventiva e preditiva, pela preditiva é possível detectar
irregularidades nos bicos injetores em operação, com a perda de performance nas
turbinas a gás. Já na manutenção preventiva é realizado a limpeza e teste dos bicos
injetores, para restabelecer o funcionamento adequado dos bico injetor.
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