Redução do desgaste e extensão da vida útil da engrenagem em uma caixa de engrenagens do pulverizador de carvão

Uma usina termoelétrica a carvão operando no oeste dos EUA estava experimentando uma vida curta da caixa de engrenagens em sua operação de pulverização de carvão. Após uma inspeção anual da caixa de engrenagens, os resultados da análise de óleo indicaram que o óleo de engrenagem AGMA 6EP (ISO 320) recomendado pelo fabricante do equipamento original falhou em fornecer lubrificação e proteção adequadas com base nos resultados da análise de óleo e na inspeção da caixa de engrenagens após um ano de operação. Isso foi confirmado por metais de desgaste excessivo e níveis de viscosidade mais baixos nos relatórios de óleo usado. Após análises adicionais do óleo de engrenagem EP usado, o acúmulo excessivo de contaminantes particulados no lubrificante e o esgotamento do pacote de aditivos EP foi responsável pelas caixas de engrenagem defeituosas. A contaminação por partículas consistia principalmente em sujeira, pó de carvão e partículas metálicas sendo geradas pelo desgaste dos dentes do rolamento e da engrenagem, resultando em uma reação em cadeia de desgaste excessivo.

Descrição da caixa de engrenagens do pulverizador e custos operacionais

O projeto da caixa de engrenagens do pulverizador da planta remonta ao início dos anos 1960. O projeto da caixa de engrenagens consiste em uma engrenagem helicoidal de aço acionada por um grande motor elétrico de 800 rpm que aciona uma engrenagem principal de bronze conectada diretamente a uma mesa de moagem. O reservatório contém 255 galões de óleo de engrenagem, com temperatura controlada por um trocador de calor resfriado a água integral. O óleo de engrenagem ISO 320 EP não filtrado é recomendado para fornecer lubrificação para as engrenagens e rolamentos de bronze sobre aço.

Embora este projeto de caixa de engrenagens seja robusto e simples, os custos de manutenção estavam se tornando excessivos e os intervalos de interrupção / revisão para manutenção não suportavam os cronogramas de geração de energia na planta. Na verdade, os custos de manutenção típicos e os intervalos para cada caixa de engrenagens do pulverizador eram os seguintes:

• As trocas de óleo eram necessárias a cada 12 meses a um custo de $ 5.000 em material e mão de obra e $ 20.000 a $ 50.000 em perda de produção elétrica, típico da maioria das unidades de geração de energia movidas a carvão dessa época.

• Após 10 anos de operação, a engrenagem principal de bronze foi girada para expor os dentes da engrenagem não desgastada. Isso exigiu quatro semanas de tempo de resposta e incluiu trabalho de manutenção a um custo total de $ 300.000 por unidade.

• Após 20 anos de operação, foi necessária uma reconstrução completa da caixa de engrenagens. As peças e a mão-de-obra para esse esforço ultrapassaram US $ 450.000 por caixa de engrenagens, com perda de produção custando outros US $ 250.000 por pulverizador.

Com 13 pulverizadores de carvão operando na planta, os custos de manutenção e tempo de inatividade aumentaram rapidamente.

Rompendo a reação em cadeia do desgaste

Uma análise preliminar cuidadosa dos componentes desgastados indicou que a face da engrenagem de bronze estava passando por um contato deslizante significativo e fragmentação. Com o passar do tempo, o desgaste da face da engrenagem de bronze tornou-se cada vez mais significativo. O pessoal da fábrica começou a procurar um sistema de lubrificação melhor para interromper a reação em cadeia do desgaste.

O pessoal da fábrica suspeitou que os padrões de desgaste nas faces da engrenagem principal de bronze foram atribuídos a vários fatores, incluindo alta carga de partículas de pó de carvão e sujeira no óleo da engrenagem e reações catalíticas entre os aditivos do óleo da engrenagem e algumas das partículas geradas. Além disso, o ataque químico do pacote de aditivos EP durante a operação estava criando altos níveis de cobre no óleo da engrenagem, provavelmente devido ao aditivo EP de fósforo-enxofre ativo na engrenagem principal de bronze, resultando em altos níveis de cobre no óleo da engrenagem

Rapidamente ficou claro que essas questões precisavam ser tratadas. O pessoal da fábrica procurou métodos para vedar melhor a caixa de engrenagens contra a ingestão de partículas, principalmente na forma de pó de carvão. Além disso, grandes esforços foram tomados para implementar métodos de filtração e opções para o óleo de engrenagem para capturar rapidamente os particulados e os particulados de desgaste gerados, e a tecnologia aprimorada de lubrificantes (óleo de base e pacotes de aditivos) foi aplicada para fornecer intervalos de manutenção estendidos sem penalidades de uso de energia.

Resolução de problemas

Após um período de tentativa e erro no qual uma variedade de soluções foram testadas quanto à eficácia, o sucesso em quebrar a reação em cadeia do desgaste foi alcançado por meio da entrada de partículas, método de filtração e requisitos do cliente.

A entrada de partículas foi controlada com sucesso através do uso de filtros dessecantes de respiro nas aberturas da caixa de engrenagens e por uma atenção especial às vedações da mesa de moagem. O código de limpeza ISO inicial de 23/21/18 (de acordo com a ISO 4406-1999) foi alcançado com filtragem de respiro agressiva. Antes da implementação da entrada de partículas, os funcionários não conseguiam estabelecer o nível de limpeza ISO desejado devido aos níveis muito altos de partículas. Historicamente, a capacidade de filtrar óleos de engrenagem ISO 320 e 460 em um ambiente de pulverização de carvão provou ser muito difícil.

No entanto, o pessoal da fábrica determinou que um sistema de filtração de circuito de rim seria uma das melhores opções para remover contaminantes particulados da caixa de engrenagens do pulverizador e resolver o problema de desgaste da engrenagem. Um sistema de filtração de circuito renal eficaz deve ter as seguintes características:

• Alta capacidade de retenção de sujeira

• Baixa necessidade de manutenção. (As mudanças de filtro não devem ser necessárias mais do que uma vez por mês em condições normais de operação)

• Melhoria óbvia do óleo da engrenagem dentro de uma semana de manutenção pré-formada

• Limpeza contínua do óleo da engrenagem e manutenção eficaz do código de limpeza alvo 18/15/11 por ISO 4406-1999

• Pontos de amostragem pré e pós-filtração para avaliação da eficácia do filtro

• Instalação de montagem em skid

• Locais de sucção e descarga projetados para eliminar riscos de incêndio e uma rotação de todo o reservatório de óleo da caixa de engrenagens a cada 30 minutos

• Tamanho do skid de filtração que não interfere nas atividades normais de manutenção

Avanços na tecnologia de filtração

A tecnologia de filtragem avançada que atenderia aos requisitos acima para esta aplicação foi determinada como estando prontamente disponível para óleo de engrenagem pesada. Um pacote de filtração em loop de rim off-line usando um meio filtrante sintético de alta eficiência e alta capacidade de retenção de sujeira foi instalado usando duas caixas de filtro montadas em série com um elemento de tamanho comum em ambas as caixas.

Os elementos filtrantes inicialmente recomendados para a instalação experimental foram avaliados em Beta 25 =200 no primeiro estágio e Beta 10 =200 no segundo estágio. O fluxo de óleo foi fornecido por uma bomba de palhetas classificada em 10 GPM para um óleo de engrenagem de 460 cSt (2.500 SUS). As faixas de temperatura do fluido do sistema variaram de um mínimo de 65 graus Fahrenheit (18 Celsius) quando ocioso até 130 F (54 C) durante a operação normal. O pacote de filtração foi instalado com a linha de sucção entrando no banco de filtros diretamente do fundo do reservatório e a saída, ou linha de descarga filtrada, foi canalizada diretamente para o topo do reservatório.

Atualmente, a condição do elemento de filtro é monitorada por medidores de pressão diferencial instalados em cada alojamento de filtro, com um alvo de 25 a 28 psig como um indicador de carregamento do elemento; os elementos foram trocados antes de permitir a válvula de desvio interna. Outros recursos do pacote de filtração incluem válvulas de amostragem a montante e a jusante para permitir que amostras de óleo de engrenagem sejam coletadas sem a necessidade de desligar o sistema.

Avanços na tecnologia de lubrificação

Durante a atualização do sistema, foi recomendado que um óleo de engrenagem AGMA 6EP (ISO 320) para a caixa de engrenagem do pulverizador fosse incluído no projeto do sistema. A avaliação dos padrões de desgaste nos dentes da engrenagem indicou que o pacote de aditivos EP neste óleo de engrenagem era muito ativo na engrenagem principal de bronze e em conjunto com os contaminantes na caixa de engrenagens, estava causando desgaste prematuro e falhando em fornecer proteção adequada para as engrenagens . A análise de amostras de óleo de engrenagem usado confirmou que o pacote de aditivos EP estava se esgotando devido ao contato prolongado entre o aço na face de bronze da engrenagem e o desgaste por deslizamento. Imagens termográficas infravermelhas indicaram que esse contato prolongado entre o tempo resultou em temperaturas mais altas da face da engrenagem. Além disso, a carga muito alta de sujeira e partículas foi confirmada pelo Código de Limpeza ISO.

Após consultar o fornecedor do lubrificante, foi determinado por todas as partes que o óleo sintético para engrenagens AGMA 7 R&O (ISO 460) protegeria melhor a caixa de engrenagens nesta aplicação. O maior grau de viscosidade e lubrificação aprimorada deste óleo de engrenagem sintético, juntamente com a química aditiva R&O, foi capaz de fornecer uma resistência de filme de óleo mais alta do que a recomendada pelo OEM e estenderia a vida útil da caixa de engrenagens, levando em consideração os requisitos de temperatura e longevidade da caixa de câmbio. As propriedades físicas do óleo sintético para engrenagens são mostradas na tabela.

No passado, o pessoal da fábrica considerou a viabilidade de usar um óleo de engrenagem sintético na caixa de engrenagens do pulverizador, mas determinou que a alta carga de sujeira na caixa de engrenagens tornava isso antieconômico com frequentes trocas de óleo. No entanto, com as melhorias recentes na filtragem, permitindo uma vida útil potencial do óleo de pelo menos três anos, a economia de usar um óleo de engrenagem sintético pode ser justificada. O óleo de engrenagem sintético ISO 460 R&O ofereceu vários benefícios, incluindo:

• Capacidade de bombeamento aprimorada em temperaturas mais baixas e com capacidade de filtragem aprimorada

• Maior resistência à oxidação e estabilidade térmica

• Maior resistência do filme em altas e baixas temperaturas

• Vida útil estendida em um ambiente limpo e filtrado

Resultados operacionais

No final, a caixa de engrenagens do pulverizador foi revisada e todos os principais componentes rotativos foram substituídos, exceto as engrenagens de aço / sem-fim. A caixa de câmbio foi limpa e seca com trapos sem fiapos como parte do processo de revisão. As engrenagens sem-fim de aço e bronze foram alinhadas com precisão e marcadas em azul. O reservatório foi lavado com óleo mineral ISO 460 e, em seguida, enchido com óleo de engrenagem sintético ISO 460. Uma amostra de óleo de engrenagem de linha de base foi retirada do reservatório e analisada para contagem de partículas de acordo com a ISO 4406-1999, com os resultados do Código de Limpeza ISO chegando em 23/21/18. Finalmente, a caixa de engrenagens do pulverizador foi colocada em serviço junto com o sistema de filtragem. Após três horas de tempo de execução, a contagem de partículas foi reduzida para 21/19/11.

Após 48 horas de funcionamento, a planta instalou um conjunto de elementos de filtro Beta 5 =200 em cada alojamento para reduzir ainda mais a contaminação do sistema e atingir a meta do Código de Limpeza ISO 18/15/11 mais rapidamente. A caixa de engrenagens do pulverizador e o sistema de filtragem continuaram funcionando por mais duas semanas, com a condição do elemento sendo monitorada usando medidores de pressão diferencial. Como resultado do uso do meio de 5 mícrons durante essas duas semanas, a meta do Código de Limpeza ISO 18/15/11 foi alcançada.

A vida útil do elemento filtrante também foi monitorada durante a instalação experimental; os resultados mostraram que a mídia de alta capacidade de sujeira excedeu as expectativas devido à limpeza inicial do sistema. Além disso, a vida útil durante o uso contínuo foi além das expectativas. De fato, durante a instalação experimental, amostras de óleo foram coletadas e analisadas quanto às propriedades físicas e químicas, contagem de partículas e ferrografia analítica. Os resultados mostraram que os metais de desgaste foram reduzidos significativamente e a limpeza do óleo foi mantida.

Conclusões

Dado o sucesso desta instalação inicial, a usina continua a obter os seguintes benefícios usando o óleo de engrenagem sintético ISO 460 R&O e um novo sistema de filtragem:

• Lubrificação de engrenagens e rolamentos significativamente melhorada

• Metais de desgaste mínimo ou inexistentes na caixa de engrenagens com base nos relatórios de análise de óleo

• Nenhum aumento no consumo de energia do motor de acionamento graças a um óleo de engrenagem sintético de maior viscosidade (algumas medições de instrumentação da planta indicaram uma queda de 1 por cento na amperagem do motor com motores 4160 VAC)

• Manutenção preditiva / proativa precisa usando contagem de partículas e ferrografia analítica

• Vida útil prolongada do óleo de engrenagem que fornece os benefícios adicionais de custos de descarte reduzidos e impacto ambiental reduzido / geração de óleo residual

• Vida útil da caixa de engrenagens significativamente prolongada

• Eliminou o tempo de inatividade relacionado à contaminação

• Intervalos de manutenção prolongados

Desde a aplicação da atualização do lubrificante e do pacote de filtração e monitorando de perto os resultados, a usina adquiriu e instalou sua segunda unidade no outono de 2005.

Agradecimentos

• John Kinion and Maintenance staff, Pacificorp Naughton Plant, South U.S. Highway 189, Kemmerer, WY 83101

• Chris Tully, Engenheiro de Projeto, Pacificorp Naughton Plant, South U.S. Highway 189, Kemmerer, WY 83101

• Ken Knochel, Serviços Técnicos, Schroeder Industries LLC, 580 West Park Road, Leetsdale, PA 15056

Mecanismo para reduzir partículas de desgaste e prolongar a vida útil da engrenagem em uma caixa de engrenagens do pulverizador de carvão Página 6 de 7 Winslow, Naman, Nicholas

Referências

1. ISO 4406:1999. Potência do fluido hidráulico. Fluidos. Método para codificar o nível de contaminação por partículas sólidas

2. ISO 16889:1999 Filtros de potência do fluido hidráulico. Método multi-passagem para avaliar o desempenho de filtração de um elemento de filtro

3. Sheffield, Schroeder Industries, "Changes in Filtration and Contamination - Switching Directions for the Filtration Industry". Revista de lubrificação de máquinas, janeiro de 2005

Apêndice I

8120-3Feb05.pdf

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Sobre os autores

Ken Nicholas é o diretor de serviços do mercado de lubrificação da Schroeder Industries. Richard Winslow é engenheiro chefe sênior da usina Naughton da PacifiCorp em Kemmerer, Wyoming. Ted Naman é o coordenador técnico de lubrificantes e graxas industriais na ConocoPhillips.