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ANÁLISE DE PROCEDIMENTOS OPERACIONAIS PARA REALIZAÇÃO DE
INSPEÇÃO TERMOGRÁFICA E DEFINIÇÃO DE LINHAS BASE PARA
CONEXÕES EM MOTORES DE MÉDIA TENSÃO.
Vinicius Sena do Nascimento 1 Ubatan Almeida Miranda 2
RESUMO
A termografia infravermelha é uma das principais técnicas utilizadas na manutenção preditiva de equipamentos e, se corretamente utilizada, torna-se uma ótima ferramenta para realizar inspeções em equipamentos industriais, detectando defeitos em seus estágios iniciais e evitando paradas não programadas. Neste trabalho apresenta-se um estudo de caso de uma manutenção preditiva, a termografia, e que a partir de uma análise crítica, quantitativa e qualitativa, levou de forma assertiva a parada programada de uma planta industrial no Pólo Petroquímico de Camaçari-BA para intervenção corretiva de uma anomalia detectada nas conexões elétricas em uma caixa de ligação de motor de indução trifásico alimentado a 4,16kVac e de potência nominal de 3MW. Este artigo faz também uma análise comparativa do procedimento atual utilizado nesta planta com os procedimentos de empresas especializadas em termografia, empresas do ramo petroquímico e óleo e gás e normas vigentes aplicáveis às inspeções termográficas. Durante a avaliação da instrução de trabalho e execução do serviço de inspeção termográfica, foi identificado a "base line" da temperatura para monitoramento do motor e que servirá para avaliação de equipamentos similares nesta mesma planta industrial.
Palavras-chave: Termografia, Preditiva, Temperatura, Emissividade.
(^1) Graduado em Engenharia Elétrica. UFCG, 2006, PB – Engenheiro de Manutenção e Confiabilidade. E-mail: eng.viniciussena@gmail.com (^2) Me. Eng. Mecânica. UNICAMP, 2002, SP. – Professor Assistente SENAI CIMATEC. E-mail: ubatan.miranda@fieb.org.br
1 INTRODUÇÃO
A termografia se destaca como uma das técnicas mais importantes no diagnóstico de anomalias em dispositivos elétricos. Uma câmara de infravermelho mede e reproduz em imagens a radiação emitida pelos objetos e correlaciona-a com a temperatura da superfície dos equipamentos e conexões que estejam acima do zero absoluto (0K ou -273,15° C). As principais vantagens da inspeção termográfica na manutenção preditiva compreendem: excelente relação custo-benefício, a garantia da segurança humana e da continuidade operacional, agilidade na obtenção da medida e o caráter não destrutivo do método para todos os equipamentos elétricos (ABNT, 2010). Sistematizar o procedimento operacional para realização de inspeção termográfica em equipamentos elétricos de baixa e alta tensão, agregando confiabilidade aos sistemas elétricos é primordial para assertividade nas inspeções e na tomada de decisão quando identificadas anomalias térmicas críticas nos equipamentos do sistema elétrico, ou seja, qualquer padrão térmico que se desvie de uma referência conhecida (ABNT, 2006). Essas anomalias por aquecimento são geradas por diversos motivos, dentre eles conexões mal fixadas, curtos-circuitos, sobrecargas e desequilíbrios (SOUZA, 2016). A seguir, será analisada uma instrução de trabalho de análise preditiva em equipamentos elétricos através de inspeção termográfica elaborado por uma empresa em atividade no setor Petroquímico e comparada com as práticas recomendadas por empresas especializadas na área de termografia, normas vigentes e recomendações dos fabricantes relacionadas às máximas temperaturas admissíveis de operação dos equipamentos ou componentes. O procedimento será analisado apenas quanto a sua efetividade técnica. O que esteja relacionado como item de segurança de pessoas e requisitos legais não farão parte da análise deste artigo. Após nivelamento e padronização das práticas será apresentado o resultado da investigação de uma anomalia detectada durante uma preditiva em campo e definição de uma “ base line” para futuras inspeções em equipamentos equivalentes.
f. Avaliar as condições das instalações elétricas que facilite as medições elétricas reduzindo os fatores de influências (item 2.3) g. Interpretar, avaliar e diagnosticar anomalias térmicas; h. Conhecer e aplicar os critérios de avaliação e aceitação para equipamentos; i. Recomendar ações corretivas/preventivas apropriadas
2.2 Avaliação Comparativa e Referencial
A Termografia Comparativa é utilizada pelos inspetores para que componentes semelhantes sob condições semelhantes sejam avaliados além da condição do equipamento que está sendo testado (FLUKE, 2009). Analisa padrões térmicos diferenciais sem considerar os valores de temperatura medidos como critério (ABNT, 2010), ou seja, realiza uma termografia comparativa qualitativa. A Termografia Referencial tem como objetivo estabelecer um ponto de referência ( base line ) mostrando as diferenças na temperatura aparente de áreas contidas no campo de visão considerando os valores específicos de temperatura como critérios de avaliação da anomalia (FLIR, 2016) (FLUKE, 2009) (PETROBRAS, 2013), ou seja, realiza uma termografia referencial quantitativa.
2.3 Fatores de Influência
As variáveis que mais contribuem para a incerteza na medição são: emissividade, transmissividade, ângulo de visão, radiação refletiva e influências atmosféricas.
Emissividade (ε)
A emissividade representa a capacidade de uma superfície de emitir mais ou menos radiação. A emissividade varia entre 0 (zero) e 1. As Instalações Elétricas são projetadas com um número muito grande de materiais, alumínio, cobre, aço, etc. Esta composição de diferentes materiais em um inviabiliza a programação de emissividade no equipamento de termografia (SANTOS, 2006). Esta é a maior fonte de incerteza de medição. Muitas vezes, as
medições são executadas com configurações fixas de emissividade e distância (TEIXEIRA, 2012). Baixos valores de emissividade elevam a contribuição da irradiação refletida falseando os valores lidos de temperatura conforme visto Figura
- Observa-se na Figura 2 a influência da cor das superfícies na incerteza de medição de temperatura.
Transmitância (τ)
Transmitância é a porção da energia incidente sobre um corpo, que é transmitida por este, em um dado comprimento de onda. Quando utilizado janelas de inspeção a correção deste parâmetro, se não for seguramente informado pelo fornecedor do produto, deve ser obtida pelo termografista através de testes com corpos-de-prova de temperatura e emissividade conhecidas. Qualquer negligência neste sentido ocasionará erro na análise quantitativa. O pior cenário ocorre quando são usados valores de emissividade e transmitância errados. Ver Figura 3.
Figura 3 – Valores da Temperatura com variação da Transmitância (ROBISON, 2008).
Figura 1 – Efeito da variação da Emissividade com a Temperatura (ROBISON, 2008).
Figura 2 – Influência da cor na incerteza da medição de Temperatura (TEIXEIRA,2012).
As Tabelas 1 e 2 servem como referência para fator de correção em função da velocidade do vento. Fatores de correção são calculados empiricamente em estudos e técnicos e disponibilizado por fabricantes de câmeras termovisoras.
Tabela 1 – Fator de Correção em Função da velocidade do vento. Velocidade do Vento (^) FATOR DE CORREÇÃO m/s km/h^ (KAPLAN, 2007)(FLIR, 2016) < 1 < 3,6 1, 2 7,2 1, 3 10,8 1, 4 14,4 1, 5 18,0 2, 6 21,6 2, 7 25,2 2, 8 28,8 2,
Tabela 2 – Estimativa da Velocidade do Ar (MORAN, 2005).
Velocidade do ar m/s Descrição^ Efeito Apreciável < 1 Calmo Fumaça/Vapor indica velocidade do ar ou sobe verticalmente 2 – 3 Brisa Leve O vento é sentido no rosto, movem-se as bandeiras, movementam-se asfolhas 3 – 5 Vento Fresco Folhas e ramos em movimentos constantes; Estendem-se as bandeiras 5 – 8 Moderado Arrasta a terra e ramos; Trepidam as bandeiras.
8 Regular Arbustos e folhas se inclinam. Vapor e fumaças totalmente arrastados.
2.4 Identificação de Anomalias e Critérios de Severidade
Máxima Temperatura Admissível (MTA)
A MTA refere-se ao valor absoluto da temperatura máxima corrigida aceitável para o componente. É informada pelo fabricante, colhidas durante sua vida útil ou de normas técnicas referenciais aplicáveis (ABNT, 2006). Recomenda-se que cada usuário determine seus critérios de aceitação com base em procedimentos internos, histórico de falhas e criticidade dos equipamentos.
Grau de Intervenção
A avaliação da severidade da anomalia térmica deve ser realizada seguindo os critérios próprios do usuário final, requisitos normativos ou recomendações do fabricante (ABNT, 2013). A anomalia pode ser referenciada em relação a: a. um valor estabelecido pelo fabricante nas condições nominais (MTA); b. um elemento similar adjacente (ΔT); c. um valor estabelecido pelo usuário com base no histórico operacional;
A maioria das normas e orientações internacionais baseia seus critérios de avaliação da severidade das anomalias térmicas no aumento de temperatura acima de uma temperatura de referência (componente similar e sob mesma carga, ΔTref ) ou acima da temperatura ambiente ( ΔTamb ) (SANTOS, 2006). Ver Tabela 3.
Tabela 3 – Comparativo de critérios de severidade de algumas Normas Internacionais (SANTOS, 2006) (EPRI, 2001).
Severidade Ref.ºC NETA US NAVY NMAC Nuclear CES MIL–STD2194-SH
Baixa (^) ΔΔTambTref^ 1 – 101 – 3^ 10 – 24^ 0,5 – 8^ 5 – 15^ 14 – 20 10 – 24
Média (^) ΔΔTambTref^ 11 – 204 – 15^ 25 – 39^ 9 – 28^ 21 – 60 25 – 39
Alta (^) ΔΔTambTref^ 21 – 40NA^ 40 – 69^ 29 – 56^ 36 – 75 40 – 69
Crítica (^) ΔΔTambTref^ > 15> 40^ > 70^ > 56^ > 75^ > 61 > 70
A ação a ser tomada e o prazo para executá-la são definidos como escrito a seguir conforme sugerida pela NETA MTS-1997.:
Baixa: Possível indicativo de falha Média : Provável indicativo de falha; Alta: Monitorar enquanto não se inicie a correção; Crítica: Reparo imediato;
reinspeção, considerando melhores condições de carga e ambientais (ABNT, 2013) (OLIVEIRA, 2012).
3 AVALIAÇÃO DO PROCEDIMENTO
A partir de agora será analisado uma instrução de trabalho de inspeção termográfica utilizada em uma empresa do Pólo Petroquímico de Camaçari-BA. As inspeções são realizadas trimestralmente. Na instrução abaixo – Figura 7 – o primeiro quesito observado é que em seus primeiros tópicos não apresentam referências bibliográficas, definições ou conceitos sobre inspeção termográfica. A periodicidade das medições também não é evidenciada. Definições teóricas básicas e utilização de padrões normativos enriquecem o conteúdo do procedimento ao mesmo tempo que assegura ao executante confiança e assertividade nas inspeções preditivas.
Figura 7 – Página 1 da Instrução de Trabalho Analisada.
Pela Figura 8 verifica-se que não há critérios ou recomendações para orientar o inspetor durante as medições. Os fatores de influencias devem estar contidos na instrução de trabalho como itens em destaque. Recomenda-se que a IT contenha:
- distância limite de medição; - ângulo limite de medição;
- determinação da emissividade; - correção da temperatura refletida;
- critérios para avaliação referencial; - cálculo da correção temperatura pela carga;
- ajuste da transmitância (atmosférica e janelas de inspeção);
- fatores de correção para influências climáticas
Figura 8 – Página 2 da Instrução de Trabalho Analisada.
A IT toma t (^) ref como sendo a temperatura medida em um ponto qualquer próximo ao componente, mas que não esteja sendo influenciado pela corrente do circuito. Esta recomendação pode ser o primeiro erro da medição, pois a lateral
deste artigo não sofreria modificações. Os critérios de severidade e ações a serem tomadas estão em consonância com os critérios aplicados nas Normas Internacionais conforme mostrado na Tabela 3.
Figura 10 – Página 4 da Instrução de Trabalho Analisada.
4 ESTUDO DE CASO
Os termogramas a seguir mostram uma anomalia detectada nas conexões elétrica em uma caixa de ligação de motor de 4,16kV com potência nominal de 3000kW. As medições termográficas foram realizadas por uma empresa parceira contratada, a câmera é uma FLIR T-400 e a preditiva tem acompanhamento de um eletricista da empresa contratante. A medição foi realizada através de uma janela de inspeção termográfica localizada na tampa da caixa de ligação do motor, em dia seco e ensolarado. Como
são conexões internas não há influência do vento. A temperatura ambiente foi ajustada sem algum instrumento auxiliar. O ajuste é feito pelo inspetor e em alguns casos padronizado em 30ºC. O valor de emissividade ajustado é ε = 0,85, conforme instrução da contratada. O ajuste de transmitância da janela também não foi ajustado ou corrigido. O valor das correntes das fases para correção da temperatura para I nom não foi verificado durante as inspeções.
4.1 Identificação da Anomalia
Na avaliação qualitativa da Figura 11 as temperaturas das conexões das Fases ABC possuem valores de temperatura diferentes. Além de todos os desvios relacionados anteriormente e ainda com o ângulo de medição para as fases A e C é maior que 60º as temperaturas encontradas nas Fases A e C conforme as Tabelas I e II da IT são consideradas anomalias críticas.
Anomalia e Monitoramento
Figura 11 – Termogramas das conexões do motor. Mesmo com todos os desvios de medição os valores elevados de temperatura medidos foram reais e já anunciavam uma atuação corretiva. A capacitação do
DATAS FASE A FASE B FASE C
19/06/
29/06/
30/06/
Figura 13 – Imagem interna da caixa de ligação do motor.
4.3 Custos evitados
Segue custos evitados com correção da anomalia antes da ocorrência da falha:
Manutenção Motor (serviços e rebobinagem) R$ 125.000,00 TOTAL Perda de Produção (15 dias sem produzir) R$ 432.000,00 R$ 557.000,
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
No presente artigo foram apresentadas as principais influências negativas em inspeções termográficas e proposto boas práticas a serem consideradas em revisões futuras do procedimento avaliado. Uma tabela completa com os valores máximos de temperatura admissível (MTA) é um item indispensável que deve compor um procedimento. Percebeu-se que a qualificação da equipe técnica e melhoria no procedimento pode minimizar riscos envolvidos na validação das medições e tomadas de ações assertivas. O estudo de caso apresentado comprova a eficácia da realização de inspeção termográfica. Uma avaliação tardia pode acarretar em elevadas perdas industriais e redução da integridade dos equipamentos, por isso é recomendável uma auditoria da qualificação da empresa contratada e treinamento da equipe interna para que se tenha assertividade nas medições das inspeções preditivas. Uma instrução de trabalho define uma metodologia de trabalho, orienta e recomenda melhores práticas na execução do serviço e estabelece critérios nas tomadas de decisão.
ANALYSIS OF OPERATING PROCEDURES FOR THERMOGRAPHIC
INSPECTION AND DEFINITION OF BASELINES FOR CONNECTIONS IN
MEDIUM VOLTAGE MOTORS
Vinicius Sena do Nascimento Ubatan Almeida Miranda ABSTRACT
Infrared thermography is one of the main techniques used in predictive maintenance and, if properly used, it is a great tool for performing inspections in industrial equipment by detecting defects in its early stages and avoiding unscheduled shutdowns. This paper presents a case of a predictive maintenance, thermography, which from a critical analysis, quantitative and qualitative, enabled assertively an scheduled shutdown of an industrial plant in Camaçari Petrochemical Complex-BA for corrective intervention of an anomaly detected in the electrical connections at the induction motor terminal box power supplied at 4,16kV with 3MW electrical power. This article will also make a comparative analysis between the current procedure used in this plant and the procedures of thermography specialized companies, besides petrochemical and oil and gas industry companies, also involving applicable current standards to thermographic inspections. During the evaluation of the work instruction and execution of thermographic inspection service, the "baseline " temperature has been identified for engine monitoring and will be used for evaluation of similar products in the same industrial plant.
Keywords : Thermography, Predictive, Temperature, Emissivity
TEIXEIRA, G.G.D.; Confiabilidade Metrológica Em Termografia Aplicada Em Sistemas Elétricos. [S.I.] Universidade Federal de Belo Horizonte. Belo Horizonte,
OLIVEIRA, T.M.D.; Análise de Sistemas de Energia e Máquinas Elétricas com recurso a termografia. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Portugal, 2012.
MADDING, R; LYON, JR. BERNARD; “Wind Effects on Electrical Hot Spots – Some Expemerimental IR Data”; Infrared Training Center 2000.
KAPLAN, H., “Practical Applications of Infrared Thermal Sensing and Imaging Equipment” ; 3ª Edition SPIE Press Vol TT75, 2007.
