O ar comprimido é um dos insumos energéticos mais utilizados nas indústrias, em aplicações que possuem componentes pneumáticos é tão fundamental quanto a água, o gás natural e a energia elétrica.
Devido a dependência do ar comprimido para possibilitar a operação desses processos, o compressor é classificado como um ativo de alta criticidade e precisa de uma atenção especial quando se trata de manutenção.
Neste artigo, iremos te ajudar a entender os fundamentos por trás do processo de compressão, as falhas mais comuns dos equipamentos e como montar um plano de manutenção assertivo para evitar as falhas inesperadas.
O compressor de ar nas indústrias
O uso de sistemas pneumáticos apresentam características interessantes quando comparado com outras tecnologias semelhantes que são baseadas em soluções mecânicas, elétricas e eletrônicas.
Esses sistemas proporcionam características interessantes para a operação e manutenção dos processos devido à simplicidade de sua tecnologia.
Dessa forma, o ar comprimido é amplamente utilizado em diversos setores em uma vasta variedade de aplicações nas indústrias devido a sua versatilidade, confiabilidade e segurança.
Os componentes pneumáticos podem ser instalados em quase todos os tipos de processos através de válvulas solenóides, atuadores e PLC ‘s, sendo versáteis nas aplicações e possibilitando uma fácil operabilidade e automatização do sistema.
As operações baseadas em ar comprimido contemplam menos peças móveis do que suas contrapartes elétricas, portanto, requerem menos intervenções da manutenção e apresentam uma chance menor de falha, tornando o sistema mais confiável.
Outra vantagem de utilizar sistemas pneumáticos é o aumento da segurança de todo o processo. O ar comprimido é um gás não tóxico e não inflamável, portanto proporciona uma operação de baixo risco e diminui a chance geral de choques elétricos.
Em indústrias que necessitam de um alto rigor de qualidade, como: indústrias de alimentos, farmacêuticas e de eletrônicos, o ar comprimido é amplamente utilizado devido ao baixo risco de contaminação do processo com partículas estranhas ou com óleo.
Outras aplicações de ar comprimido nas indústrias:
Princípios de funcionamento e tipos de compressores
O compressor é o equipamento cujo objetivo é fornecer ar comprimido na pressão adequada e na quantidade necessária, a fim suprir a demanda dos componentes pneumáticos.
Cada aplicação terá suas necessidades de processo particulares, desse modo cada tipo de compressor com suas variações pode se adaptar melhor a demanda de cada planta.
Existem três tipos de compressores que são amplamente utilizados nas indústrias, cada um dos tipos apresentam variações de topologias, tamanhos e características particulares de sistemas auxiliares.
- Compressor alternativo
A tecnologia desse compressor baseia-se no uso de um pistão, que realiza o processo de compressão de forma alternada e descontínua.
O ar com pressão atmosférica entra na câmara por meio da abertura da válvula de admissão, enquanto o pistão contrai. Então fecha-se a válvula e o pistão. A partir desse momento, começa a avançar e comprimir o ar dentro da câmara, até que a válvula de saída abre e possibilita a retirada do ar com pressão elevada.
Essa ação é proporcionada pelo movimento rotativo de um eixo, o qual pode vir de um motor elétrico ou de um motor a combustão. Desse modo, a biela transforma esse movimento rotativo do eixo em um translado linear, que desloca o pistão verticalmente e realiza esse trabalho de compressão.
Muitos compressores apresentam múltiplos estágios de compressão, ou seja, após o primeiro estágio o ar será comprimido novamente para atingir pressões mais altas.
O sistema de refrigeração é essencial em todos os tipos de compressores, cerca de 80% da energia do processo é transformada em calor e precisa ser administrada. Nos compressores alternativos a refrigeração ocorre através de soluções a ar ou com água.
Os compressores alternativos são utilizados em aplicações menores que demandam de uma vazão de ar baixa e em pressões menores. Para aplicações maiores, recomenda-se o uso de equipamentos rotativos que fornecem uma compressão contínua e portanto conseguem entregar uma quantidade maior de ar.
- Compressor parafuso
O compressor parafuso utiliza dois elementos girantes helicoidais, ou seja no formato de parafuso com lóbulos complementares que os tornam macho e fêmea.
Eles rotacionam em sentidos contrários e podem possuir números de lóbulos distintos, caso isso ocorra eles possuirão velocidades de rotação diferentes. Por exemplo, se o parafuso macho possui 4 lóbulos e o fêmea 6 lóbulos a velocidade de rotação do parafuso fêmea será 4/6 da rotação do macho.
Esse movimento rotativo é possibilitado pelo motor elétrico que, juntamente com conjunto de engrenagens e com rolamentos realizam esse trabalho continuamente.
O ar atmosférico é aspirado até a câmara e será esmagado devido à interação com os parafusos. Ele será reduzido em um volume menor, assim a pressão do ar é elevada e ele é expelido da câmara.
Os compressores parafusos possuem versões que são lubrificadas e que são isentas de óleo. Os isentos de óleo são utilizados nas aplicações que não podem correr risco de contaminação e realizam seu arrefecimento com sistemas à água ou secos.
Outra característica fundamental do compressor parafuso é a variação da sua velocidade de rotação, assim o equipamento consegue adaptar sua entrega de ar comprimido em função da demanda. Isso é interessante em aplicações com turnos de trabalhos diferentes, assim é possível operar com cargas parciais de forma mais eficiente.
- Compressor centrífugo
O funcionamento desse compressor consiste em um elemento girante com pás, chamado de impelidor, que aspira o ar atmosférico e o rotaciona em alta velocidade, forçando-o a se deslocar radialmente devido a força centrífuga.
O impelidor rotaciona o gás aumentando sua velocidade e pressão, então ele flui por meio da câmara circular (difusor) seguindo um caminho espiral onde perde velocidade e aumenta a sua pressão até que chega no próximo estágio.
Os compressores centrífugos possuem modelos múltiplos estágios de compressão, desse modo é possível entregar o ar comprimido em pressões mais altas. Além de produzir grandes volumes por minuto de forma contínua, por se tratar de um equipamento mais robusto.
Pelo fato dos compressores centrífugos possuírem topologias maiores, com múltiplos estágios de compressão sequenciais, eles conseguem entregar o ar em pressões mais altas e são mais eficientes energeticamente.
Entretanto, eles não operam bem em cargas parciais, logo, é comum encontrar nas indústrias arranjos com tipos diferentes tipos de compressores para lidar com as variações de demanda de ar comprimido.
Falhas de compressores de ar
Depois de conhecer os princípios de funcionamento dos compressores e seus componentes fundamentais, é hora de entender quais são as falhas mais comuns que ocorrem nos compressores.
- Vazamentos de ar
Vazamentos de ar são frequentemente a causa de falha dos compressores. Eles podem ocorrer em diversos componentes como: tubulações, mangueiras, câmaras e conexões, tornando o sistema menos eficiente e diminuindo a produção de ar comprimido.
- Filtros de ar entupidos
Os filtros estão entre os componentes mais essenciais para a operação do compressor, pois garantem que o ar chegue para ser processado de uma maneira mais pura, evitando assim que os componentes sejam infligidos por partículas estranhas.
As partículas de poeira e de impurezas se acumulam nos filtros e caso não sejam removidas, restringem a quantidade de ar que é admitida no sistema podendo afetar o desempenho do sistema e potencialmente causar um superaquecimento.
- Lubrificação inadequada
Nos compressores que são lubrificados, a manutenção do óleo possui papel principal para garantir a operação adequada de suas partes móveis.
Com o envelhecimento do óleo, ele perde sua viscosidade devido a exposição aos ciclos de aquecimento e resfriamento. Caso seja excessivamente exposto a umidade ele tende a ficar mais líquido perdendo suas propriedades. Desse modo, as preventivas que realizam as trocas de óleo bem como a troca dos filtros de óleo precisam ser planejadas e realizadas regularmente.
- Problemas nos elementos
Os elementos são os componentes mecânicos que garantem a funcionalidade do sistema. Devido a complexidade dos movimentos e os fenômenos físicos aos quais são submetidos, eles podem apresentar defeitos como: desgaste, sobrecarga e travamentos que podem levar a falha do compressor.
Esses defeitos emitem ruídos e vibrações que indicam a presença de alguma avaria nos componentes mecânicos e necessitam ter sua integridade avaliada.
De forma geral, ocorre o desgaste natural dos componentes devido aos contatos e os movimentos, porém pode ocorrer de forma prematura caso as condições de operação não sejam adequadas.
Algumas causas de desgaste prematuro incluem: superaquecimento, pressão excessiva do sistema, partes soltas ou desalinhadas como parafusos, correias e polias.
Outro problema que também pode aparecer devido a montagem inadequada da fundação e da estrutura de suporte, é o excesso de vibração. Caso o efeito de condensação for severo dentro da máquina, a umidade pode causar deterioração.
- Problemas nos rolamentos
Os rolamentos são essenciais para possibilitar o movimento rotativo do eixo e dos elementos. Assim se torna fundamental garantir sua operação nas condições adequadas com um plano de lubrificação completo.
Leia o guia completo sobre falhas de rolamentos.
Como evitar as falhas ?
Vimos que os compressores são equipamentos críticos para diversos tipos de processos em vários segmentos industriais. Assim, caso ocorra uma falha, inúmeros prejuízos podem aparecer para a empresa.
Dessa forma, o ideal é atuar com as manutenção preventivas e preditivas para garantir a confiabilidade dos ativos e evitar a falha.
A manutenção preventiva irá garantir as condições adequadas de operação dos sistemas e deve ocorrer com frequência, a fim de manter a integridade dos componentes.
Um planejamento de preventivas deve incluir as revisões mais completas como de 1.000, 4.000 e 8.000 horas que vão a fundo nas máquinas, porém as intervenções mais básicas como limpeza de filtros de ar, inspeção de drenos, ventiladores e bombas não podem ser negligenciadas.
Já as manutenções preditivas utilizam da coleta de dados para avaliar os estados dos equipamentos e antecipar a falha antes que elas ocorram.
Os compressores emitem sinais de vibração e temperatura durante sua operação devido a movimentação e atrito dos seus elementos. O movimento do pistão atinge a sede de válvulas, a interação dos parafusos e a rotação dos rolamentos, funcionam como fonte dos sinais que soam como uma “música” que esses equipamentos tocam durante sua operação.
Esses sinais fornecem informações sobre o estado atual do equipamento, de forma que não é necessário parar a máquina para realizar uma inspeção e avaliar suas condições. Esses sinais podem ser captados por meio de sensores que são acoplados à máquina e que monitoram o equipamento de forma contínua e online.
O monitoramento online analisa todos os dados coletados pelos sensores, porém nem todos os sinais são úteis para a avaliação do estado do equipamento. Então, utiliza-se uma técnica chamada de transformada de Fourier que é um artifício matemático utilizado para interpretar sinais em ambientes ruidosos.
Assim, é possível filtrar somente as informações que são úteis para a análise e interpretar os dados de forma precisa. Então, com a transformada de Fourier aplicada, monta-se o gráfico de espectro de frequências que irá auxiliar no diagnóstico do estado atual do equipamento.
Abaixo temos um exemplo na plataforma TRACTIAN de uma análise de aceleração no espectro da frequência nos três eixos realizada em um compressor parafuso. Assim é possível avaliar as frequências de rotação do parafuso macho, do parafuso fêmea e da interação entre eles, também conhecida como frequência de lobesmashing.
Observando a intensidade das frequências harmônicas em relação a intensidade das fundamentais, percebe-se uma baixa vibração relativa, o que configura uma operação regular de ambos os componentes.
Esse gráfico é eficiente em realizar o diagnóstico, pois cada componente possui uma assinatura espectral original. A partir dela, identificamos as características de vibração de cada componente individualmente.
Caso os harmônicos tivessem vibração de alta intensidade, seria possível categorizar o problema, pois cada tipo de avaria possui um perfil diferente de emissão de vibração, de forma que por meio dessa análise, é possível identificar qual o tipo de falha no compressor, como por exemplo: desbalanceamento, desalinhamento e desgaste nos mancais.
A plataforma TRACTIAN é a ferramenta que interpreta esses sinais coletados nas máquinas, transforma os dados em gráficos e mostra as análises de forma simples e intuitiva para que o mantenedor possa ter o máximo de informações sobre seus ativos.
No gráfico acima, já na plataforma TRACTIAN, foi identificada por meio da análise de tendência, uma vibração RMS anômala com uma ruptura de 31% acima do limite máximo ideal de operação. Isso pode ter ocorrido devido a desgaste ou deterioração de rolamentos, redutores e engrenagens.
Assim que alguma anomalia ou uma falha for detectada, o mantenedor recebe um alerta da plataforma de sua ocorrência e pode tomar as devidas providências, evitando assim a falha inesperada.
De posse dos dados coletados e dos diagnósticos do estado atual dos compressores, a atuação da equipe de manutenção fica muito mais ágil, assertiva e a operação dos equipamentos se torna mais confiável.
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