Monitores de vibrações

1 – MONITORES DE VIBRAÇÕES

Os monitores de vibrações são um pilar essencial de uma estratégia de aumento de disponibilidade das máquinas, especialmente quando as avarias evoluem rapidamente.

Na maioria das situações, quando se refere um Sistema de Controlo de Condição, está-se a pensar num sistema baseado em inspeções periódicas com base em análise de vibrações e não em Monitores de vibrações. Contudo, existe outra abordagem, que consiste na vigilância dos níveis de vibrações em permanência, com monitores de vibrações, que também pode desempenhar um papel significativo na gestão de uma máquina. Como o nome sugere, o monitor de vibrações é instalado em permanência numa máquina e vigia continuamente os níveis de vibrações gerados no seu funcionamento e eventuais sintomas de avarias, que originem comportamentos vibratórios anormais.

A monitoragem em permanência é empregada principalmente, para dar um aviso imediato de mudanças súbitas no estado de máquinas, de valor elevado e não duplicadas, cujo serviço é fundamental para o processo de produção. Uma condição de avaria é detectada imediatamente ou minutos depois da sua ocorrência, podendo ser accionados relés de paragem ou alarmes na sala de controlo para se tomarem medidas adequadas antes da ocorrência de uma avaria catastrófica. Estes sistemas são largamente utilizados em centrais eléctricas e na indústria petroquímica em turbinas, geradores, compressores, entre outras.

2 – FILOSOFIAS DE MONITORAGEM

Existem basicamente dois tipos de equipamentos de monitoragem:

• Portáteis – off line; normalmente um analisador de vibrações
• Instalação permanentes – on line

Os monitores de vibrações instalados permanentemente numa máquina podem efectuar a sua vigilância de dois modos:

• Periodicamente
• Em permanência

Normalmente define-se como monitoragem permanente a que ocorre a intervalos inferiores a 0,1 segundos.

Os parâmetros vigiados podem ser de dois tipos:

• Escalares – Parâmetros definidos por um só número (Ex.: Temperatura)
• Matrizes – Parâmetro definido por um conjunto de números (Ex.: Espectro de Frequência)

Os alarmes gerados podem ser de dois tipos:

• De nível
• De tendência

Os alarmes podem ainda ter diversos fins:

• Alerta
• Perigo
• Paragem de máquina

Só se utiliza esta última função em sistemas de monitoragem permanentes.

A monitoragem em si pode ter dois objectivos distintos:

• Monitoragem protectiva
• Monitoragem predictiva

Filosofias de Monitoragem

3 – MONITORES DE VIBRAÇÕES – SISTEMAS PROTECTIVOS

Podem-se distinguir dois tipos de sistemas protectivos:

• Dispositivos mecânicos simples
• Sistemas de vigilância da amplitude das vibrações

3.1 – Dispositivos Simples – Interruptor de vibrações

Este tipo de dispositivos, que são normalmente os mais económicos, quando se trata de proteger uma máquina das vibrações por si geradas, baseia-se num efeito mecânico simples para accionar um relé quando a amplitude das vibrações ultrapassa um determinado nível.

Originalmente estes dispositivos eram baseados em magnetos, em bolas de mercúrio em taça, etc. Mais modernamente surgiram os equipamentos deste tipo, mas eletrónicos.

Interruptor de vibrações

3.2 – Sistemas de vigilância da amplitude das vibrações

Neste tipo de sistemas existe sempre um ou mais sensores de vibrações ligados a equipamentos de medida, com diversas possibilidades, e que em caso de um nível pré-determinado ser excedido, accionam um dispositivo de paragem de uma instalação através dum relé.

3.2.1 O transmissor de vibrações

O sistema deste tipo mais simples e consequentemente mais económico, é baseado em transmissores de vibrações.

Um transmissor de vibrações é um sensor com saída de 4-20 mA e que, portanto, pode ser ligado directamente a um PLC ou uma unidade de aquisição de dados tradicional. Este PLC pode comandar a paragem da máquina e/ou efectuar aquisição de dados de modo a se poder efectuar análise de tendência.

A grande vantagem deste tipo de sensores é a de não necessitar de uma unidade de medida dedicada, que é tradicionalmente utilizada quando os sensores têm uma saída em Volts. O conjunto do sistema é, portanto mais simples dai resultando a redução de custos.

Quando o objectivo do sistema on-line é apenas o de proteger através da vigilância de um nível global esta é a solução mais racional

Transmissor de vibrações

3.2.2 Monitores de vibrações dedicados

Num sistema básico, um único módulo pode controlar a vibração continuamente numa só gama de frequência específica. Se os limites pré-definidos estiverem ligados (por exemplo, Mínimo, Alerta e Alarme) o sistema pode accionar alarmes visuais ou auditivos.

Os monitores de vibrações deste tipo podem dispor de um ou mais canais.

Um monitor de vibrações apresenta tipicamente as seguintes funções:

– Dois níveis de alarme parametrizáveis com temporização com accionamento de rlés

– Saída 4-20 mA para ligação a PLC

– Alimentação de sensor de vibrações (acelerómetro ICP, proximitor, etc.)

Os monitores de vibrações protetivos mais sofisticados são os que cumprem os requisitos da norma API 670 e normalmente são utilizadas em turbomáquinas de grande potência.

4 – SISTEMAS PREDICTIVOS

Os sistemas predictivos mais comuns são baseados em equipamentos portáteis existindo, no entanto, também sistemas preditivos com monitores de vibrações instalados em permanência.

Os sistemas predictivos, hoje em dia, incluem sempre um computador para apresentação e pós-processamento dos resultados das medidas.

4.1 Os sistemas Off line – o coletor de dados e o vibrometro

Qualquer equipamento de medida pode ser a base de um sistema preditivo off-line sendo o exemplo mais comum na indústria de processo, o colector de dados.

Existem inúmeras variantes deste tipo de sistemas, mas no que se refere às vibrações as principais condicionantes são as seguintes:

– Terem ou não memória e estarem associados a um programa de computador (para carga e descarga de percursos de inspecção e apresentação de resultados de medidas eliminado assim a parte mais significativa do trabalho burocrático).

– Terem a capacidade de efectuar análise de espectro de frequência (no equipamento ou em computador para se poder efectuar diagnóstico)

– Serem mais ou menos rápidos a efectuar medidas (muito importante quando têm uma utilização intensiva).

Coletor de Dados da ADASH

Vibrómetro Simples

4.2 Monitores de vibrações instalados em permanência permanentes

Existe uma grande variedade de sistemas predictivos on-line. Tradicionalmente eram soluções de custos elevados em que existia sempre a capacidade de efectuar análise do espectro. Todavia hoje em dia, também existem, soluções de baixo custo.

A par dos sistemas de aplicação genérica encontram-se também sistemas específicos orientados unicamente para a detecção de um tipo de avaria, num tipo de máquina.

Sistemas baseados em transmissores de vibrações

Estes são sistemas tendo como unidade de aquisição um PLC ou uma unidade tradicional, que apresentam como principal limitação o facto de não se poder efectuar uma análise de espectro e, portanto, estarem muito limitados em termos de diagnóstico.

Ligação de monitores de vibrações protetivos a computador

Os monitores de vibrações mais recentes têm frequentemente a capacidade de enviar dados para computador sendo estes aí analisados, constituindo assim um sistema predictivo.

Sistemas baseados em monitores de vibrações multiplexados

Estes são monitores de vibrações que apresentam múltiplos canais de aquisição para cada canal de medida. São exemplos deste tipo de sistema os utilizados normalmente nas máquinas de papel, onde a rapidez de medição não constitui uma característica essencial, e os modernos sistemas sem fio, que se a seguir se apresenta na figura.

Sistemas baseados em monitores de vibrações não multiplexados

Tradicionalmente os sistemas on line preditivos para turbo máquinas constituem os sistemas mais sofisticados de todos. Este facto deriva dos requisitos decorrentes das rápidas variações de velocidade a que estas máquinas estão sujeitas, não permitirem a utilização de sistemas lentos, multiplexados e, portanto, a cada sensor ter de corresponder um canal de medida permanente.

Para além disso, a detecção de alguns tipos de avarias associados a estas máquinas leva à necessidade de seguimento de fenómenos transientes, associados aos arranque e paragens e à implementação técnica de análise de sinal razoavelmente sofisticadas em tempo real (ex.: seguimento de ordens).

É também um requisito comum a este tipo de sistemas a sua ligação, em rede, a sistemas de controlo de processo tornando o conjunto bastante complexo e sofisticado.

Nos monitores de vibrações mais sofisticados, do tipo API670, as funções preditivas são conseguidas juntando mais uma carta ao monitor de vibrações dos sistemas protetivos.

A seguir pode-se ver um esquema de um sistema deste tipo.

As funções protetivas e de controlo de condição estão separadas no monitor de vibrações por este ser um dos requisitos da norma API670.

Sistemas específicos para determinados tipos de máquinas

A necessidade de detecção de sintomas de avarias específicos de alguns tipos de máquinas levou à existência de numerosos sistemas on-line dedicados unicamente a um tipo de máquina.

A seguir referem-se alguns tipos.

• Grandes máquinas elétricas

Nos grandes geradores hidroeléctricos também existem sistemas para:

• Monitorar a folga entre o estator e o rotor;
• As vibrações nos barramentos;
• Descargas parciais nos alternadores.

A seguir pode-se ver um esquema da cadeia de medida e apresentação de um sistema para monitorar a folga entre o estator e o rotor de grandes alternadores em máquinas hídricas.

• Turbinas a gás

Nestas máquinas é comum ser monitorada a pressão dinâmica na camara de combustão. A seguir pode-se ver a fotografia de um sensor deste tipo.

EXEMPLOS DE SELECÇÃO DE UM SISTEMA

Genericamente a aproximação a efectuar é a que se vê na figura, a seguir apresentada.

O primeiro passo consiste em definir quais as máquinas que vão ser controladas. Esta escolha é feita de acordo com critérios técnico-económicos. Normalmente a escolha recai sobre equipamentos cuja avaria tem forte impacto económico ou é relevante para a segurança. Outro factor que normalmente também pesa na escolha é a viabilidade do controle a ser efectuado.

Seleccionados os equipamentos que se vão controlar, listam-se as avarias a detectar. As avarias mais comuns estão obrigatoriamente incluídas. Avarias mais raras poderão estar ou não, conforme a importância da máquina, consequências da avaria e custos adicionais para o seu controle.

Para vigiar as avarias procuram-se detectar os seus sintomas. Cada avaria pode apresentar um ou mais sintomas. A escolha do sintoma a controlar depende de diversos factores. Normalmente procura-se vigiar sintomas comuns às diversas avarias, de modo a minimizar o número de técnicas de detecção a implementar.

Outro parâmetro muito importante a influenciar a escolha é o objectivo da vigilância.

A vigilância de uma máquina pode ter dois objectivos distintos: pode servir para a proteger e/ou para predizer o seu comportamento futuro. Esta escolha tem consequências relevantes, principalmente quando se trata de vigiar avarias que evoluam rapidamente, em que pode ser requerido um sistema permanente.

As técnicas a implementar dependem dos sintomas que se seleccionou controlar. Normalmente, procuram-se seleccionar as técnicas que detectem o maior número de sintomas, com uma sensibilidade adequada.

Feitas as escolhas precedentes está-se em condições de elaborar a especificação técnica dos equipamentos ou sistemas de controlo. Nesta fase para além dos aspectos atrás referidos, podem pesar outros relacionados com informatização, organização, etc.

Exemplo 1: bomba centrifuga

Considere-se o caso de uma máquina muito comum; uma bomba centrífuga, com cerca de 30 KW e a rodar a 1500 rpm, por exemplo. As avarias mais comuns são as que se vêm na Figura.

No quadro a seguir apresentado, vêm-se as avarias mais comuns e os respectivos sintomas.

Torna-se aqui evidente que o parametro singular onde se manifestam mais sintomas de avarias é a vibração. É assim o parametro mais indicado para seguir.

Para escolher as técnicas de detecção há que ter em conta o modo como surgem as vibrações. No quadro podem-se ver as suas características.

Sendo esta bomba relativamente pequena, o objectivo fundamental do controle é prever o seu comportamento futuro, de modo a apoiar as decisões da Gestão da Manutenção. Por outro lado, as avarias em causa têm uma evolução lenta, fácil de seguir.

A aplicação de um equipamento portátil, a permitir a realização de medições regulares deve, portanto, fornecer resultados satisfatórios.

O equipamento de medida deve assim ser portátil e poder medir a amplitude das vibrações à velocidade de rotação e suas harmónicas para detectar desequilíbrios, desalinhamentos, veios empenados, folgas e desapertos, e simultaneamente, medir as amplitudes das vibrações a frequências superiores a 1 KHz para detectar os primeiros indícios da degradação dos rolamentos.

As primeiras devem ser feitas em Velocidade Eficaz para serem facilmente comparáveis com as Normas mais divulgadas e as segundas em Aceleração para maior sensibilidade da técnica.

Complementarmente ao que já foi referido, há agora que definir alguns parâmetros que não tendo a ver directamente com a detecção de avarias em bombas, são também relevantes. São estes os requisitos a nível de capacidades de diagnóstico e informatização do sistema de medida.

Exemplo 2: Turbo compressor de processo

Considere-se agora um compressor de gás de processo, com múltiplos andares de compressão centrífugos. Tipicamente, será uma máquina com chumaceiras de metal anti-fricção, a rodar a alta velocidade, accionada por uma turbina a vapor ou um motor eléctrico. A potência accionante será, por exemplo, de 2 MW.

Na Figura a seguir apresentada podem-se ver avarias típicas e a sua velocidade de evolução.

A maioria destas avarias apresenta múltiplos sintomas. Assim tendo em conta a importância que esta máquina assume no ciclo produtivo e os custos de manutenção envolvidos vigiam-se os sintomas que a seguir se listam:

1. Vibrações Radiais
2. Posição Axial do veio
3. Temperatura das chumaceiras
4. Pressões, Temperaturas, Caudais
5. Velocidade de rotação

As consequências económicas de uma avaria inesperada e a velocidade de evolução de muitas delas impõem que a máquina esteja protegida em permanência. Assim os sensores para medir as grandezas atrás referidas são montados em permanência e accionam automaticamente alertas e relés de paragem quando os valores medidos ultrapassarem valores pré-definidos.

Deste modo a instrumentação a instalar no compressor seria a que se pode ver na figura.

Deste modo a máquina encontra-se protegida dos danos provocados por avarias inesperadas. Todavia para a boa gestão técnico-económica deste tipo de máquinas é essencial que exista informação fiável, prontamente disponível, fácil de compreender, sobre o que aconteceu ou se está a passar, de modo a que se possa prever o seu comportamento futuro e tomar as decisões mais adequadas.

Para este fim o sistema protectivo atrás descrito não fornece informação suficiente; é necessário que os resultados das medidas dos diversos sensores sejam adquiridos por um computador e adequadamente tratados e apresentados.

As funções a desempenhar por este sistema são:

• Aquisição de Dados
• Compressão de Dados
• Geração Automática de Alertas
• Implementação de Técnicas de Diagnóstico
• Arranque e paragens

Os valores medidos serão adquiridos por um computador que permitirá ver:

• Múltiplos parâmetros ao longo do tempo
• Espectros de Frequência
• Posição dos Moentes
• Bodé
• Diagrama Polar
• Mapa Espectral
• Análise por Ordens
• Vector
• Órbita
• Qualquer parâmetro em função de outro
• Alarmes Automáticos

Para cada estado da máquina:

• Em serviço, dependentes da carga
• Em Paragem e Arranque
• Em rotação lenta

– Relatórios com formato definido pelo utilizador

Quando houver ocorrências, segundo critérios definidos pelo utilizador, a aquisição de cada parâmetro deverá ser efectuada com intervalos de poucos segundos de modo a se poder, posteriormente, compreender os fenómenos transientes mais rápidos. Consequentemente é necessário também que o sistema disponha de um sistema de compressão de dados de modo a não sobrecarregar o disco do computador com dados inúteis.

Conclusão – Porquê monitores de vibrações em permanência?

São as seguintes a razões que podem levar à instalação de monitores de vibrações em permanência:

1. Para proteger
2. Para apoiar a tomada de decisão
3. Para criar acessibilidade
4. Para detetar avarias que evoluem rapidamente
5. Para implementar técnicas impossíveis de outra forma
6. Para reduzir custos de inspeção
7. Para garantir qualidade do produto

Monitores de Vibração D4Vib