Run-Out em Sensores de Proximidade

Neste artigo trata-se do tema do Run-Out em Sensores de proximidad.

1. OBJETIVO

Este documento estabelece definições, critérios de aceitação e procedimentos de compensação relativos ao fenômeno de vibraciones relativas (excentricidade de rotação) em sistemas de medição de vibração radial e posição axial de veio baseados em sondas indutivas de proximidade (eddy current probes), conforme os requisitos consolidados na norma API 670 – Machinery Protection Systems e na norma API 541 – Form-Wound Squirrel Cage Induction Motors, aplicáveis a máquinas rotativas críticas (Esta norma se aplica a los engranajes con una potencia nominal de, compresores, motores e geradores de grande porte).

2. Run-Out em Sensores de Proximidade – REFERÊNCIAS NORMATIVAS

• Estándar API 670 - Machinery Protection Systems for Petroleum, Chemical and Gas Industry Services (edição vigente, atualmente 5ª edição);
• Estándar API 541 - Form-Wound Squirrel Cage Induction Motors – 500 Horsepower and Larger;
• YO ASI 21940 (série) – Equilibragem de rotores rígidos;
• YO ASI 20816 (substitui ISO 7919/10816) – Avaliação de vibração mecânica em máquinas por medições em partes não rotativas e rotativas;
• Especificações de compra do usuário final (purchaser specifications), que tipicamente impõem limites de run-out mais restritivos que o mínimo normativo.

3. Run-Out em Sensores de Proximidade – DEFINIÇÕES

3.1 Total Indicated Runout (TIR) — variação total do sinal de gap (tensão/distância) medida pela sonda de proximidade ao longo de uma revolução completa do veio, que não é atribuível a vibração dinâmica real. Também chamado de sin, o, na condição específica de baixa rotação, slow roll runout.

3.2 Run-out mecânico — componente do TIR associada a desvios geométricos físicos, incluyendo:

• Fora de circularidade (out-of-roundness) da trilha da sonda (probe track) e/ou do moente (journal) do mancal;
• Falta de concentricidade entre a trilha da sonda e o moente;
• Defeitos superficiais na área de observação (riscos, corrosión, marcas de usinagem);
• Desalinhamento ou empenamento (bow) del eje.

3.3 Run-out elétrico — componente do TIR associada a variações locais nas propriedades eletromagnéticas do material do veio (condutividade, permeabilidade magnética), decorrentes de heterogeneidade metalúrgica, magnetização residual, tensões residuais ou tratamento térmico não uniforme, mesmo na ausência de qualquer desvio geométrico.

3.4 Slow Roll — segundo a API 541, 52da edición, seção 6.3.3.3, condição na qual o rotor de motores/geradores com chumaceiras de filme de óleo gira em uma faixa tipicamente entre 200 mi 300 RPM, velocidade na qual os efeitos dinâmicos (forças de desEquilibragem, torbellino de aceite, etcétera) são considerados desprezíveis, tornando o sinal 1X medido nessa condição representativo, por definición, do run-out puro.

3.5 Compensação de Run-out (Runout Compensation) — processo de subtração vetorial (amplitud y fase, na frequência 1X) ou por forma de onda completa do sinal de slow roll do sinal medido em velocidade de operação, de forma a isolar a componente de vibração dinâmica real.

4. REQUISITOS NORMATIVOS APLICÁVEIS

4.1 Compensação obrigatória de dados síncronos

Conforme a API 670, seção referente a processamento de dados (N.13.2.3), sistemas de monitoramento de proteção devem prover compensação de run-out para dados amostrados de forma síncrona com a rotação do veio, sendo aceitável a compensação tanto por vetor (amplitude/fase na 1X) quanto por forma de onda completa.

4.2 Discriminação das componentes do TIR

O TIR total observado em uma medição de campo resulta da superposição de, no mínimo, quatro componentes discretas e independentes:

• Fora de circularidade da superfície do moente,
• Fora de circularidade da zona de leitura da sonda de proximidade,
• Falta de concentricidade entre as duas superfícies,
• Run-out elétrico

Os métodos de ensaio em bancada de fábrica permitem discriminar essas quatro componentes individualmente, possibilitando ações corretivas direcionadas antes da montagem final da máquina.

4.3 Área de observação da sonda (probe track)

A norma exige que a área da superfície do veio observada pela sonda (probe track) atenda a requisitos de acabamento superficial e ausência de defeitos, de forma consistente com os limites de runout especificados pelo comprador. Especificações de compra tipicamente buscam reduzir o slow roll runout ao mínimo praticável, sendo esse um dos requisitos reconhecidamente mais difíceis de atender de forma consistente durante o teste final de fábrica, ser capaz, quando não atendido, gerar atrasos críticos de entrega do equipamento.

4.4 Limites de aceitação

Os limites numéricos de TIR admissível (tipicamente expressos em mils ou µm pico a pico, ou como percentual do valor de alarme de vibração) não são fixados de forma universal pela API 670, sendo definidos contratualmente pelo comprador/especificador com base em:

• Criticidade da máquina;
• Amplitude dos limites de alarme e trip de vibração adotados (tipicamente na ordem de 10–15 mils / 250–380 µm p-p para alarme e 25 mils / 635 µm p-p para trip em grandes máquinas críticas, conforme prática usual API);
• Rotação nominal e folga diametral do mancal.

Como prática geral de engenharia, recomenda-se que o TIR não exceda uma fração pequena (tipicamente citada na faixa de 25% o menos) do valor de alarme de vibração estabelecido, de forma que o erro de medição não comprometa a margem de detecção de falhas reais.

5. PROCEDIMENTO NORMATIVO DE COMPENSAÇÃO (SLOW ROLL COMPENSATION)

1. Preparação: girar o veio por meio de virador (turning gear) ou partida controlada até atingir a faixa de rotação de slow roll (tipicamente 200–300 RPM conforme API 541, ou outra faixa definida pelo fabricante onde as forças dinâmicas sejam desprezíveis).
2. Aquisição do vetor de referência: registrar amplitude e fase do sinal 1X (ou a forma de onda completa) em cada plano de medição, nessa condição de rotação lenta.
3. Armazenamento: o vetor (ou forma de onda) de slow roll é armazenado no sistema de monitoramento como referência de compensação.
4. Compensação em operação: durante a operação em velocidade nominal, o sistema subtrai vetorialmente o valor de slow roll do sinal medido em tempo real, entregando o valor de vibração dinâmica compensado, tanto para fins de proteção (alarme/trip) quanto para análise diagnóstica.
5. Revalidação periódica: a compensação deve ser reavaliada sempre que houver intervenção mecânica no veio (usinagem, solda, desmontagem de chumaceiras), alteração de material na região da trilha de sonda, ou indícios de não repetibilidade do padrão de run-out entre partidas.

5.1 Condição de validade da compensação

A compensação de slow roll é válida somente enquanto o run-out for repetitível partida após partida. Caso o padrão de TIR varie entre medições de slow roll sucessivas (nova magnetização residual, desgaste progressivo da trilha, deformação térmica permanente), a compensação armazenada deixa de representar corretamente o erro sistemático e deve ser refeita, sob risco de introduzir erro adicional ao invés de corrigi-lo.

6. MÉTODOS DE VERIFICAÇÃO E MITIGAÇÃO

Acción	Finalidade normativa
Inspeção visual e dimensional da trilha da sonda	Identificar run-out mecânico por defeito superficial
Medição de campo magnético residual (gaussímetro) na trilha	Identificar run-out elétrico
Ensaio de discriminação das 4 componentes em bancada de fábrica	Isolar causa raiz (moente, trilha, concentricidade, eléctrico) antes da montagem
Verificação de acabamento superficial (rugosidade) conforme especificação do fabricante da sonda	Reduzir run-out mecânico de origem em usinagem
Desmagnetização da região da trilha após usinagem/solda	Reduzir run-out elétrico
Uso de par de sondas X-Y a 90° por plano de medição (conforme prática API 670 para máquinas críticas)	Permitir análise orbital e discriminação entre run-out e vibração real

7. CONSEQUÊNCIAS DA NÃO CONFORMIDADE

O não tratamento adequado do run-out, em desacordo com os requisitos de compensação da API 670, pode resultar em:

• Falsos alarmes/trips do sistema de proteção, com parada não programada da máquina;
• Mascaramento de vibração real (por cancelamento vetorial parcial), retardando a deteção de falhas incipientes como desequilibragem, desalinhamento ou fendas em veio;
• Não conformidade contratual frente às especificações de compra do usuário final, com possíveis impactos em cronograma de entrega e aceitação de teste de fábrica (FAT).

8. EJEMPLO – RUN-OUT A PROVOCAR DISPARO DE TURBINA A VAPOR

Na figura a seguir apresentada pode-se ver a evolução do nível de vibrações, durante la parada, nos sensores de vibração relativa da chumaceira de uma turbina. Vê-se que quando a máquina roda abaixo de 4650 RPM, o nível de vibração não baixa abaixo de 45μm p-p, que é o run-out do veio da máquina.

Figura 2 – Evolução do nível de vibrações durante a paragem, nos sensores de vibração relativa da chumaceira da turbina

Este run-out pode também ser visto na forma de onda dos mesmos sensores de deslocamento, na figura a seguir apresentada.

Figura 3 – Forma de onda dos nos sensores de vibração relativa da chumaceira da turbina durante a paragem a 3858 rpm, onde se pode ver o run-out do veio de 45 μm p-p.

Este run-out também é muito visível na órbita medida por estes mesmos sensores a 7017 rpm, como se vê na figura a seguir apresentada.

Figura 4 – Órbita medida por sensores de vibração relativa da chumaceira da turbina, una 7017 rpm.

O risco que se vê na órbita na figura anterior é responsável por parte significativa da subida das vibrações na fase final do arranque da máquina e que gerava um disparo, e que se vê no gráfico a seguir apresentado.

Figura 5 – Subida das vibrações na fase final do arranque da máquina na sonda Y e que gera o disparo.

Na sonda X, por lo contrario, ocorre uma descida do nível de vibrações.

Comparando a órbita a 7018 RPM com a mesma medida a 6388 rpm, que se vêm na figura a seguir apresentada, percebe-se a razão disto ocorrer.

Órbita a 6481 rpm	Órbita a 7017 rpm

Figura 6 – Comparação da órbita a 6481 rpm (eixo maior na vertical) está en 7018 rpm (eixo maior inclinado 45º para a esquerda)

A “pseudo elipse”, descrita pela orbita quando a máquina roda a 6481 rpm, tem o eixo maior na direção vertical. Vista pela sonda X e Y (com as posições assinalas no canto superior direito e esquerdo respetivamente, ambas a 45º da vertical, cada uma para seu lado) a amplitude pico -pico medida pelas duas, é aproximadamente igual.

Órbita a 6481 rpm	Órbita a 7017 rpm

Figura 8 – Comparação das medidas na órbita a 6481 rpm (eixo maior na vertical) está en 7018 rpm (eixo maior inclinado 45º para a esquerda)

Por otro lado, a “pseudo elipse”, descrita pela órbita quando a máquina roda a 7018 rpm, tem o eixo maior na direção da sonda Y. Además, o efeito do risco (vibraciones relativas) também alinha com o eixo da sonda Y, somando-se os dois efeitos. Por otro lado, a órbita apresenta o seu eixo menor à sonda X. Assim a 7018 rpm a amplitude pico-pico na direção X é muito menor que na direção Y.

O sea, a órbita descrita pelo centro geométrico do veio da máquina, vai rodando no sentido contrário aos dos ponteiros do relógio, durante este aumento de velocidade, e este efeito gera o crescimento das vibrações segundo Y e a sua diminuição, segundo X.

Assim o valor da vibração pico-pico real, do veio da turbina do lado do redutor, sem o efeito do risco, é inferior em cerca de 40 μm pico-pico ao valor medido pela sonda Y e estará próximo do limite superior da zona C. De esta forma, subtraindo-se este valor, ao valor medido de 143 μm pico-pico, o valor real da vibração desta chumaceira, deve ser na ordem dos 100 μm pico-pico, encontrando-se dentro do que se considerava adequado a serviço de longa duração.

9. CONCLUSIÓN

O tratamento normativo do run-out em sondas indutivas de proximidade não é um refinamento opcional, mas um requisito explícito de projeto e de operação de sistemas de proteção de máquinas segundo a API 670. A correta discriminação entre run-out mecânico e elétrico, aliada à compensação vetorial de slow roll conforme API 541/670 e à revalidação periódica dessa compensação, é condição necessária para garantir a integridade dos dados de vibração utilizados tanto em proteção (alarme/trip) quanto em diagnóstico de condição de máquinas rotativas críticas.