1, ArcelorMittal Tubarão, Engenheira de Confiabilidade em Integridade Estrutural

2 SKF de BRASIL Ltda, Eng. de Simulação Numérica

3 SKF de BRASIL Ltda, Eng. de Simulação Numérica

4 SKF de BRASIL Ltda, Eng. de Aplicação

GARANTIA DA INTEGRIDADE ESTRUTURAL E ESTABILIDADE OPERACIONAL DA TORRE DE CARVÃO TH-211 ATRAVÉS DO ESTUDO DO COMPORTAMENTO DINÂMICO

INSTRUMENTADO

Cinara Piazzarolo Lana¹ Edmilson R. Santos ²

Renato C. Castro³ Everton F. Faria4

Renato C. Castro

Everton F. Faria

Edmilson R. Santos

Resumo A torre de carvão TH-211 em siderúrgica de grande porte apresentava problemas de natureza dinâmica e uma investigação envolvendo outras técnicas de engenharia, que não as técnicas convencionais de detecção de problemas de vibração era necessária na determinação da causa raiz. Portanto, correlacionaram-se três técnicas, sendo a primeira delas a Análise Convencional de Vibração, que destaca as frequências operacionais e os respectivos níveis de energia vibracionais em várias partes dos equipamentos rotativos, e ao longo das estruturas metálicas. Em seguida, as informações de magnitude e fase foram empregadas na análise por ODS, a partir da avaliação das Formas de Deflexão Operacional nas frequências de excitação observadas em destaque nos espectros e por fim correlacionou-se os resultados de vibração e ODS aos obtidos numericamente pelo Método dos Elementos Finitos, obtendo-se assim, soluções definitivas para o problema histórico dinâmico que a estrutura apresentava. Palavras-chave: Vibração, ODS, Elementos Finitos, Modelagem. Abstract The coal transfer tower TH-211 located in a wide steel plant presented problems of a dynamic features and an investigation involving other engineering techniques, other than conventional techniques for detecting vibration problems, was necessary in determining the root cause. Therefore, three techniques were correlated, the first one being the Conventional Vibration Analysis, which highlights the operational frequencies and the respective vibrational energy levels in various parts of the rotating equipment, and along the metallic structures. Next, the magnitude and phase information were used in the ODS analysis, based on the evaluation of the Operational Deflection Shape in the observed frequencies of excitation in the spectra and finally correlated the results of vibration and ODS to those obtained numerically by the Finite Elements Method, thus obtaining definitive solutions to the dynamic historical problem that the structure presented. Key words: Vibration, ODS, Finite Elements, Modeling.

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1. Introdução A ArcelorMittal Tubarão é uma unidade de produção integrada de aços planos, localizada em região litorânea do Sudeste do Brasil, com capacidade de produção anual de 7,5 milhões de toneladas de aço em placas e bobinas. Foi fundada em 1983 e opera desde então ininterruptamente. O processo de produção da siderúrgica inicia-se no recebimento e manuseio de matérias primas para produção do Coque e Sinter, que são combustível e carga metálica respectivamente para os Altos Fornos, onde é produzido o Ferro Gusa. A torre de transferência TH-211 fica localizada na área do Pátio de Carvão, onde são recebidos e manuseados todo o carvão mineral utilizado na produção do coque. Nesta torre estão dispostos equipamentos de processo como a calha de descarga e o sistema de acionamento do transportador de correias BC-211, o qual é responsável pela alimentação e descarga da lança da máquina Empilhadeira e Recuperadora de Carvões - Stacker-Reclaimer SR-205 que forma e remove pilhas de carvão no Pátio da ArcelorMittal Tubarão. Cerca de 1/3 da produção desta planta passa por este sistema.

(a) (b|)

Figura 1. Torre de Transferência TH – 211, ArcelorMittal – Tubarão, Serra - ES. (a): Estrutura da torre e (b): acionamento e correia transportadora

Fonte: autores 2. Caracterização do Problema e Histórico A torre apresentava historicamente um elevado nível de vibração em alta frequência, em especial na região do conjunto de acionamento do transportador BC-211 (motor, redutor e acoplamento hidráulico) conforme observa-se na Figura 2. Esse fato gerava insegurança quanto à Integridade Estrutural do prédio, devido presença de trincas estruturais, queda de contraventamentos e afrouxamento dos parafusos da torre, além de apresentar repetitivos eventos de desalinhamento do conjunto e elevados níveis de vibração do sistema de acionamento.

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Figura 2. Níveis de vibração (velocidade- mm/s) no mancal de entrada do Redutor de

Acionamento da BC 211 de 2014 a 2019. Fonte: ArcelorMittal

Os níveis de vibração no sistema de acionamento apresentavam valores de elevada grandeza, chegando a apresentar picos de mais de 30mm/s no mancal de entrada do redutor. Após intervenções de campo como alinhamento do conjunto, balanceamento do acoplamento hidráulico, aperto dos parafusos da base e torre, os níveis caíam, mas seguidamente voltavam a subir. Estas intervenções eram realizadas em Paradas operacionais, gerando além dos custos diretos de manutenção com mão de obra e materiais, custos altíssimos de interrupção da produção para intervenção corretiva. Foram realizados diversos estudos de análise de causas e intervenções no período, inclusive com a simulação numérica computacional da torre e aplicação de reforços em 2016, mas seguidamente os níveis voltavam aos patamares anteriores, até a realização do presente estudo no segundo semestre de 2018 com uma avaliação holística do comportamento dinâmico da torre com empresa especializada e correlacionando-se técnicas de análise convencional, computacional e experimental, propiciando a mudança do comportamento geral da estrutura de foram definitiva e eficaz. 3. Métodos 3.1. Análise Convencional de Vibração A Análise Convencional de Vibração é utilizada na detecção de problemas em máquinas rotativas. Para isso, os dados de vibração coletados em campo são tratados a partir da Transformada Rápida de Fourier (Fast Fourier Transform – FFT), pela qual é possível transformar os movimentos vibratórios coletados no domínio tempo para frequência Charlotte, (1997). Os sinais no domínio de frequência, denominados espectros de frequência são utilizados na detecção dos problemas que ocorrem em máquinas rotativas. A substituição de componentes de uma máquina, que está com elevado nível vibracional, por um novo pode ou não ser a solução para a falha do mesmo. A origem do problema pode ter outra causa, assim é prematuro atribuir a falha ao componente. Onari e Boyadjis (2009) averiguaram que

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na maioria dos casos a causa dos elevados níveis de vibração em bombas pode ser diagnosticada pela análise dos espectros. Tais problemas verificados nesses equipamentos são os cotidianos de uma indústria, como por exemplo: desalinhamentos, folgas ou desbalanceamento, defeitos no rolamento, sendo que, a solução pode ser aplicada imediatamente. Para os problemas de natureza dinâmica, uma investigação envolvendo outras técnicas de engenharia é necessária na determinação da causa raiz. Portanto, correlacionou-se três técnicas, sendo a primeira delas a Análise Convencional de Vibração, que destaca as frequências operacionais e os respectivos níveis de energia vibracionais em várias partes dos equipamentos rotativos, e ao longo das estruturas metálicas. Em seguida, as informações de magnitude e fase foram empregadas na análise por ODS, a partir da avaliação das Formas de Deflexão Operacional do acionamento, base metálica e estruturas do prédio nas frequências de excitação observadas em destaque nos espectros. Na terceira etapa, correlacionou-se os resultados de vibração e ODS aos obtidos numericamente pelo Método dos Elementos Finitos, e assim, soluções foram propostas para o problema dinâmico. 3.2. Análise da Forma de Deflexão Operacional – ODS A Análise da Forma de Deflexão Operacional – ODS é utilizada na identificação experimental dos modos operacionais ou formas de vibração da estrutura. Os modos operacionais podem ser identificados a partir de um conjunto de dados medidos simultaneamente ou por um conjunto de dados, tomando-se medidas de referências fixas e outras medidas móveis de pontos da estrutura, Gevinski (2014). As medições são realizadas nos pontos de fixação, mancais, bases metálicas e na carcaça dos equipamentos, e podem ser em: aceleração, velocidade ou deslocamento. A utilização de respostas de referências é largamente utilizada na análise por ODS e trata-se da utilização das funções de Transmissibilidade. A transmissibilidade é a relação no domínio da frequência entre dois sinais de respostas. Por conceito, a transmissibilidade não depende do conhecimento da força excitadora. Essa é uma das vantagens do uso da transmissibilidade na identificação dos modos operacionais, pois em situações operacionais, nem sempre é possível a medição da força de excitação. O objetivo primordial da análise por ODS é observar o comportamento dinâmico do sistema em operação, observando se o mesmo está trabalhando em fase, ou seja, se não existem movimentos relativos entre eles em direções contrárias. Esses movimentos são definidos pela relação entre amplitude e fase de todos os pontos medidos na estrutura. 3.3. Análise pelo Método dos Elementos Finitos - MEF O MEF proporciona uma descrição matematicamente detalhada do sistema mecânico, que é adequado para o estudo de modificações estruturais. Considere um

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elemento de volume V delimitado por uma superfície S com o vetor de tração sobre a superfície S.

𝛿𝑢𝑇 = [∫ 𝐵𝑇𝐷𝐵𝑑𝑉𝑉

] − 𝑢 − 𝛿𝑢𝑇 ∫ 𝑁𝑡̅𝑑𝑆 = 0𝑆

, (1)

A Equação (1) é a equação básica para a discretização por elementos finitos e pode ser convertida para as equações algébricas:

𝐾𝑢 = 𝑓, (2) sendo que, K é a matriz elementar de rigidez, f e u são vetores cargas e deslocamento, respectivamente. Considere que a Equação (2) é um caso estático quando o carregamento não varia com o tempo, ou seja, o período de aplicação do mesmo é suficientemente longo, e as acelerações desenvolvidas pela estrutura são baixas o suficiente para serem desprezadas. Quando a frequência de carregamento não é alta, no sentido de que é da mesma ordem, ou apenas algumas vezes maior que a primeira frequência natural do sistema, o problema é dito de dinâmica estrutural. O mesmo pode ser tratado resolvendo-se numericamente um problema de autovalor (frequências naturais) e auto vetor (modos de vibrar) pelo MEF, Equação (3), Zienkiewicz (1977). Por exemplo, numa situação de projeto, frequentemente interessa que a frequência de carregamento fique abaixo da primeira frequência natural, ou pelo menos interessa evitar que a frequência de excitação fique próxima a uma das frequências naturais do sistema. |K − ω2M| = 0, (3)

sendo que, [K] é a matriz global de rigidez, os frequências naturais (autovalores) e [M] é a matriz global de massa. 4. Materiais A instrumentação e programas computacionais utilizados nas medições, Análise Convencional de Vibração, ODS, bem como na simulação numérica foram os seguintes:

Coletor/Analisador de dados: SKF Microlog GX 70;

Sensores: Acelerômetros: SKF CMSS2200 (sensibilidade 100 mV/g e intervalo de frequência: 0,7 a 10000 Hz);

Programa de análise e gerenciamento: SKF @ptitude Analyst v9.0;

Programa computacional de desenho mecânico: Creo Parametric 2.0;

Programa computacional de ODS e de Elementos Finitos: ME’scopeVES 5.0 e Ansys® 19.2.

Na Tabela 1 estão descritos os dados técnicos do sistema de acionamento do estudo. Tais informações são relativas às condições de operação utilizadas durante a realização das medições de vibração e de ODS. As medições de vibração e de transmissibilidade foram realizadas utilizando-se a seguinte configuração no coletor/analisador de dados: 100 mV/EU; 3200 linhas, frequência final de 1500 Hz,

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janela Hanning. Foram realizados 80 pontos de medição de vibração e ODS ao longo da estrutura da torre TH-211 e no acionamento do tambor (motor, redutor e base metálica).

5. Resultados e Discussão 5.1. Análise de Convencional de Vibração As Figuras 4(a) e 4(b) destacam os níveis de energia ao longo do acionamento e na estrutura da torre TH-211. A região do acionamento, com destaque para o redutor, e o terceiro piso é a que apresenta os níveis de energia mais elevados, sendo que, a mesma propaga-se pelas estruturas da torre até o primeiro, conforme observado na Figura 4(b). A Figura 5 mostra a cascata de espectros referente à todas as medições realizadas na torre de transferência TH-211. A frequência de excitação com o nível de energia vibracional mais elevado é 30 Hz, seguido de harmônicos com amplitudes menores, conforme os dados descritos na Tabela 1.

(a) (b)

Figura 4. Níveis globais de vibração nas seguintes regiões: (a): do acionamento (motor, redutor, base metálica e mancais do tambor) e (b): estrutura da torre TH-211

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Figura 5. Cascata de espectro com destaque para a frequência operacional de 30

Hz, que é a rotação do motor 5.2. Análise da Forma de Deflexão Operacional - ODS Para a técnica de ODS observou-se que a forma de deflexão operacional na frequência de 30 Hz apresenta movimentos (deflexões) na parte superior da estrutura da torre de transferência TH-211. A região da base metálica, estrutura onde estão fixados os mancais do tambor de acionamento da correia transportador e

vigas do 3 piso da torre, concentram as deflexões. Este comportamento dinâmico causa desalinhamento no acionamento, e consequentemente esforços adicionais que reduz a vida útil dos elementos de máquinas (rolamentos e engrenagens), bem como estruturas de sustentação da torre. As Figuras 6(a) e 6(b) apresentam a forma de deflexão operacional na frequência de 30 Hz, obtida a partir da técnica de ODS. Os dados de vibração coletados em campo, tais como: magnitude e fase, foram inseridos no modelo 3D da torre e animado na frequência de 30 Hz. Também, observou-se nas Figuras 6(a) e

6(b) que o 3 piso da torre apresenta movimentos na direção vertical, causando o desalinhamento do acionamento do tambor da esteira transportadora.

(a) (b)

Figura 6. (a) e (b): Forma de deflexão operacional na frequência de 30 Hz, obtida a partir da técnica de ODS

30 Hz

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4.3. Simulação Numérica pelo Método dos Elementos Finitos – Torre de Transferência TH-211 O objetivo da Análise Modal foi determinar o comportamento dinâmico da estrutura referente à torre de transferência TH-211. Desta forma, avaliou-se a existência de frequências naturais e os respectivos modos de vibrar da mesma. Para a realização da modelagem da geometria, que representa a estrutura real, utilizou-se o programa computacional Creo Parametric 2.0. O modelo foi construído com base nas informações fornecidas pela ArcelorMittal – unidade Serra – ES. A Figura 7 apresenta a geometria 3D da torre de transferência TH-211.

Figura 7. Geometria 3D da estrutura da torre de transferência TH-211 Para a modelagem deste sistema foi considerado o aço ASTM A-36 e ASTM A-572. O modelo do sistema foi então discretizado em uma malha de 853.173 nós e 411.312 elementos, como mostra a Figura 8.

Figura 8. Discretização da malha de elementos finitos

Para a realização da Análise Modal da estrutura foram aplicadas as seguintes condições de contorno: massa do motor, do redutor e a Massa estrutural da correia interligada na estrutura. Na avaliação por meio de simulação numérica (MEF) da estrutura da torre de transferência TH-211, verificou-se que existem modos de vibrar na região da

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frequência operacional 30 Hz. Tais modos de vibrar foram comparados a forma de deflexão operacional obtido por ODS em 30 Hz, conforme as Figuras 10(a), 10(b), 10(c) e 10(d). Assim, observou-se que há similaridades entre o modo de vibrar em 29,585 Hz e 28,101 Hz com o operacional em 30 Hz. Portanto, combinando-se as seguintes técnicas: Análise por Vibração, ODS e Método dos Elementos Finitos verificou-se que os elevados níveis de vibração na torre de transferência TH-211 são decorrentes da condição ressonante da estrutura. Assim, realizou-se uma proposta de solução para que a frequência natural na região da rotação (30 Hz) seja deslocada desta região, evitando o comportamento dinâmico ressonante da estrutura da torre de transferência TH-211.

(a) (b)

(c) (d) Figura 10. Comparação do modo de vibrar em 29,585 Hz e 28,101 Hz com a forma

de deflexão operacional em 30 Hz. (c) e (d): forma de deflexão operacional em 30 Hz A Figura 11(a) apresenta a geometria referente a proposta de solução 1 aplicada à torre de transferência TH-211. Para essa proposta concentrou-se os reforços (vigas) na parte superior (segundo piso). As Figuras 11(b) e 11 (c) apresentam as modificações estruturais instaladas na torre TH-211.

(a) (b)

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(c)

Figura 11. (a):Proposta de solução aplicada à parte superior da estrutura - Torre de transferência TH-211. (b) (c): Modificações estruturais referentes à proposta de solução instaladas na torre Para a condição de operação da torre de transferência TH-211 após a aplicação das recomendações, conforme as Figuras 11(b) e 10(c), verificou-se uma redução dos níveis vibracionais na mesma. O espectro coletado no redutor antes da aplicação da proposta de solução apresenta um nível global de energia de 30 mm/s, e após a mesma região apresenta 7 mm/s que é abaixo do nível de pré-alarme para este equipamento conforme Figura 12 (a) e (b), e Figura 13, além da redução dos níveis de vibração na estrutura conforme Figuras 14 e 15.

(a)

(b)

Figura 12. Espectro de vibração coletado no redutor, antes e após a aplicação das modificações estruturais. (a): antes 30 Hz apresenta um nível global de 34,6 mm/ e (b): após com 7 mm/s

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Figura 13. Histórico de vibração (velocidade – mm/s) do redutor – eixo de entrada. Estabilização em 7 mm/s após reforços.

Figura 14. Espectro de vibração da estrutura do 3º piso após aplicação dos reforços

com máxima em 30 Hz. Antes: 23mm/s , após: 2,5 mm/s.

Espectro Região 3º piso com máx. em 30 Hz. Antes: 23 mm/s Depois: 2,5 mm/s

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5. Conclusões

Os níveis vibracionais estavam elevados na estrutura da torre TH-211 antes

da aplicação da proposta de solução, gerando problemas de integridade estrutural e falhas mecânicas com interrupções frequentes na produção a custos elevados de manutenção e operacionais.

Ao avaliar a torre TH-211 por Análise Convencional de Vibração, Análise da Forma de Deflexão Operacional (ODS) e o Método dos Elementos Finitos (MEF) verificou-se uma condição ressonante em 30 Hz, sendo esta a principal frequência de excitação (30 Hz - rotação do motor). Como consequência desta energia vibracional, mesmo após intervenções corretivas para alinhamento do conjunto de acionamento, havia novo desbalanceamento do sistema e elevação da condição de vibração, com aparecimento de trincas na base do acionamento e o afrouxamentos dos parafusos de fixação da vigas metálicas.

Os resultados obtidos através da medição por ODS permitiram a validação do modelo numérico de elementos finitos, e consequentemente a realização de uma proposta de solução, a qual deslocou as frequências naturais da região de 30 Hz. Assim, após a aplicação das modificações estruturais e também alinhamento do conjunto, verificou-se uma redução de 34,6 mm/s para 7 mm/s nos níveis de vibração e na estrutura da torre para cerca de 2,5 mm/s, eliminando-se esse condição ressonante na estrutura da torre TH-211.

A Engenharia Assistida por Computador e a utilização de ensaios e técnicas não destrututivas de medição instrumentada são ferramentas que auxiliam as empresas do setor de engenharia no desenvolvimento e aperfeiçoamento de produtos e que nos permite a realização de um procedimento numérico capaz de analisar sistemas complexos industriais em que soluções analíticas triviais se tornariam inviáveis. Através da realização de uma análise estrutural e modal pelo Método de Elementos Finitos aliada a técnica ODS foi possível neste estudo avaliar o comportamento de uma estrutura com geometrias e condições de contorno complexas, podendo-se promover uma solução eficaz para o problema.

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8. Referências Technical Associates of Charlotte, Use of Vibration Signature Analysis to Diagnose Machine

Problems, 1997;

Onari, M. M., Boyadjis, Solving Structural Vibration Problems Using Operating Deflection

Shape And Finite Element Analysis, Proceedings of Twenty-Fifth International Pump User

Symposium - Houston, Texas, pp. 85-102, February 2009;

Gevinski, J. R., Determinação da Deformação Dinâmica em Superfícies Utilizando

Parâmetros Vibracionais, Tese de Doutorado – Campinas -SP, UNICAMP- Departamento

de Projetos Mecânicos, 2014, p. 258;

Zienkiewicz, O. C. The Finite Element Method. 3rd ed. McGraw-Hill, 1977.

Ansys Workbench 19.2, Banco de dados de materiais, 2018.