As máquinas rotativas, como turbinas, bombas e compressores, são continuamente submetidas a grandes forças mecânicas. Como a maioria dessas máquinas é essencial para o processo, os sistemas são implementados 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 de velocidade
1. Sobre-velocidade
A construção de máquinas rotativas é projetada para suportar uma determinada velocidade de rotação, conhecida como velocidade de construção. 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 as peças se soltem. Isso pode ter um impacto catastrófico no processo, no pessoal e no meio ambiente. Portanto, as análises de risco mostram que, na maioria dos casos, é obrigatório ter um sistema de proteção contra sobre-velocidade. Por meio de medições de velocidade, a velocidade de rotação (RPM) pode ser medida. 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 será desligada imediatamente (Figura 1). Esses disparos da máquina precisam ocorrer em um período de tempo muito curto. De acordo com as diretrizes atuais da máquina (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 medo de qualquer operador de máquinas rotativas. A falta de resposta em tempo hábil ou o mau funcionamento de um sistema de proteção contra sobre-velocidade pode fazer com que as pás da turbina ou as peças do rotor se soltem. Na pior das hipóteses, essas peças atravessam a carcaça da turbina, comprometendo a segurança da equipe 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 existente, causando uma situação perigosa. Dependendo da velocidade de aceleração, a parada do acionador de uma máquina não levará imediatamente a uma diminuição da velocidade de rotação. Devido a forças maiores, a velocidade pode até aumentar pouco tempo depois de o motorista ter sido parado. Quando um sistema de proteção contra sobre-velocidade dispara quando o valor limite de 110% da velocidade de rotação máxima tolerável é atingido, 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 de rotação crítica, resultando em danos.
Durante a partida de uma máquina rotativa, dependendo da energia disponível, ela deve ser protegida contra aceleração. Diferentemente da proteção contra sobre-velocidade, a proteção contra aceleração não analisa apenas a RPM, mas o aumento da RPM em um intervalo de tempo predeterminado. Quando os sensores de velocidade detectam um aumento excessivo da aceleração, o sistema de proteção dispara a turbina.
Quando a máquina não estiver protegida para 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 de 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 operando. 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 causa danos. A pressão que se acumula como resultado da rotação reversa e a pressão da turbina se contrapõem, o que pode, por exemplo, causar danos ao acoplamento. Isso geralmente implica em prejuízo financeiro, mas não representa um perigo direto para o pessoal e o meio ambiente.
4. Paralisação / Creep
É importante que a turbina esteja realmente parada antes de iniciar o trabalho de manutenção. Afinal de contas, a enorme massa de uma turbina pode causar situações perigosas se o trabalho de manutenção for iniciado enquanto a turbina ainda estiver girando lentamente. Para monitorar isso, as medições de velocidade devem ser feitas durante um período mais longo do que as medições normais de velocidade, pois a turbina está funcionando em uma velocidade muito baixa durante o processo de desligamento.
5. Baixa velocidade
A velocidade baixa é o oposto da velocidade excessiva, mas é uma falha menos crítica. Para manter um processo em funcionamento, uma instalação deve manter uma RPM mínima. O processo não pode mais ser conduzido com uma RPM mais baixa. Embora a velocidade insuficiente seja altamente indesejável devido à interrupção do processo de produção, ela não tem o mesmo impacto catastrófico que a velocidade excessiva. Os valores-limite podem ser definidos de modo que um alarme seja acionado quando a RPM mínima para manter o processo em funcionamento for atingida. Isso permite que o operador evite a ocorrência de velocidade insuficiente. As medições de velocidade insuficiente também podem ser usadas para indicar, por exemplo, que um motor de jog pode ser ligado.
Hardware Istec
O SpeedSys 200 é um sistema de proteção contra sobre-velocidade com certificação SIL2. O design robusto com automonitoramento avançado, entradas e saídas separadas por galvanização e certificação por design formam um produto de alta qualidade que se destaca no mercado. O foco nas principais funções de segurança torna o sistema fácil de usar e de manter, com intervalos de teste de prova muito longos.
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Para testar e verificar os 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.
