As usinas hidrelétricas no Brasil e o desafio do envelhecimento dos equipamentos

As usinas hidrelétricas no Brasil desempenham um papel fundamental na geração de energia e são constantemente desafiadas pelo envelhecimento dos seus equipamentos.

A base da matriz elétrica no Brasil provém da energia hidrelétrica, com fornecimento de cerca de 80% da energia consumida no Brasil. O Brasil possui hoje metade das usinas hidrelétricas da América Latina, com mais de 100 Gigawatts (GW) instalados. São 147 centrais hidrelétricas com 667 turbogeradores e potência instalada de 94,6 GW, respondendo pela geração de 60,4% da eletricidade para atender a demanda da população.
Na tabela abaixo apresentamos a distribuição da idade das usinas hidrelétricas. Observamos que 50% das usinas têm mais de 20 anos e 32% delas já ultrapassam os 40 anos.

Tabela – Distribuição das usinas hidrelétricas do Sistema Interligado Nacional (SIN) por idade. Fonte: BID (2019).

A interrupção no funcionamento das usinas, ocasionada por defeitos em equipamentos com mais de 20 anos, são frequentes. Já para equipamentos com mais de 40 anos, a frequência de desligamentos forçados é tão significativa que chega a comprometer a continuidade das operações, o que se torna preocupante, uma vez que 32% das hidrelétricas brasileiras têm mais de 40 anos. Cerca de um terço das usinas já extrapolaram sua vida útil, o que pode impactar na sua operação e nos desligamentos programados e forçados (não programados).

O desgaste natural dos elementos que compõem um turbogerador (turbina, eixo, rotor elétrico, principalmente) é inevitável e ocorre nos equipamentos ao longo do tempo, devido ao atrito entre a água e as superfícies metálicas, abrasão por sedimentos, cavitação e altas temperaturas no caso do rotor elétrico. Consequentemente, a manutenção periódica desses  elementos é voltada principalmente para a conservação dos mancais, a reposição de material erodido por cavitação e/ou abrasão na superfície da turbina; e a verificação e substituição dos níveis de isolamento do gerador.
A principal causa do aumento da frequência e da duração das intervenções de manutenção é o envelhecimento natural dos equipamentos, tanto nas condições de desligamentos programados ou desligamentos forçados, por três motivos:

– A possibilidade de falhas aumenta com o envelhecimento dos equipamentos, ocasionando desligamentos forçados mais frequentes;

– O planejamento da manutenção pode ser impactado pelo envelhecimento dos equipamentos (fator de imprevisibilidade);

– Reposição de peças prejudicada (principalmente em equipamentos cujos fabricantes não mais existem), ampliando o custo e o tempo de intervenções, e impactando diretamente no tempo de desligamentos forçados e nos custos de manutenção (programada ou forçada).

Os turbogeradores, entre outros sistemas, são os que mais sofrem com a operação contínua ao longo dos anos. Eles não podem ser facilmente substituídos, pois exigem desligamento por longos períodos de tempo – superiores a um ano – e, além disso, necessitam de investimento considerável. Estes equipamentos sofrem desgaste por erosão nos anéis, nas buchas do mecanismo de distribuição, na capa e no anel inferior, na vedação do eixo, nas palhetas diretrizes, nos servomotores e nos mancais.

O desgaste por cavitação ocorre no rotor da turbina, gerando uma superfície porosa, prejudicando o fluxo. Todas estas condições reduzem a eficiência da turbina, impactando na geração de energia. A vida útil destes equipamentos determina o tempo dedicado à manutenção − desligamentos rogramados ou forçados. A figura abaixo mostra o consumo de horas de trabalho na manutenção de turbogeradores ao longo da vida útil do equipamento.

Figura − Comportamento típico do consumo de horas de trabalho na manutenção de turbogeradores ao longo da vida útil do equipamento. Fonte: BDI (2009).

Percebemos que o tempo gasto em manutenção geralmente aumenta nos dois primeiros anos, o que ocorre devido aos ajustes de fabricação (cada equipamento hidrelétrico é único e projetado especificamente para a usina). Em seguida, esse tempo é reduzido ao mínimo. Ao longo dos anos esse mínimo permanece quase que constante, com um pequeno aumento a partir dos 30 anos de vida útil. Neste caso, o tempo gasto em manutenção (programada ouforçada) aumenta de forma contínua e irreversível, até a quebra dos equipamentos.

A manutenção como aliada no envelhecimento dos equipamentos

Realizar manutenção corretiva é uma atividade bastante onerosa para uma usina hidrelétrica. Ela envolve custos de manutenção, riscos de segurança e perda de produção na geração de energia elétrica. Os prejuízos são enormes para os investidores. Portanto, aumentar o tempo entre uma intervenção (indicador de MTBF) e outra pode ser uma ótima alternativa para reduzir os custos e aumentar a rentabilidade de uma usina hidrelétrica.

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Mas como tornar essa premissa possível quando os desgastes de peças são muito agressivos? Conhecer e identificar os mecanismos de desgastes em hidrelétricas e selecionar materiais apropriados para a prevenção pode aumentar significativamente a resistência superficial aos desgastes e reduzir as perdas das usinas. Veja abaixo os principais mecanismos de desgaste encontrados e alguns métodos preventivos.

Desgaste por Erosão:

O desgaste por erosão é caracterizado pela remoção de material da superfície a partir do impacto de partículas sólidas (areia, quartzo, entre outros) presentes na água do rio. Quanto menor for o ângulo de incidência da partícula contra a superfície, mais acentuado vai ser o desgaste quando o material da peça for macio. Normalmente os rotores de turbina, quando operam em rios que possuem partículas sólidas, são fabricados em aço inoxidável da série 400. No entanto, essa alternativa nem sempre é suficiente. A aplicação de revestimento de Carboneto de Tungstênio ou Carboneto de Tungstênio com Cromo apresenta uma resistência bastante superior e pode aumentar a vida útil dos rotores em mais de 400%.

Desgaste por Cavitação:

O desgaste por cavitação é diferente do desgaste por erosão. Ele não é ocasionado pelo impacto de partículas sólidas, mas pelo colapso de bolhas com gás ou vapor, dentro de um líquido. Ela ocorre devido à redução localizada da pressão hidrostática gerada pela movimentação de um líquido. A cavitação é considerada um desgaste por fadiga por que o material está fica submetido a forças repetitivas e frequentes produzidas pelos colapsos. Para esse mecanismo de desgaste, os materiais devem ser mais resistentes ao impacto, como é o
caso dos revestimentos de Níquel Cromo, por exemplo.

Temos conhecimento que existem uma quantidade enorme de alternativas pra resolver problemas de desgastes em hidrelétricas. Nós preparamos um documento que apresenta algumas que são bastante eficazes no combate ao desgaste de peças de hidrelétricas, confira logo abaixo.

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Soluções Contra Desgastes para Usinas Hidrelétricas

Peças de Usinas Hidrelétricas como Rotores Kaplan, Francis e Pelton, palhetas diretrizes, tampas, mancais, sofrem desgaste por abrasão e erosão devido à ação de partículas sólidas presentes na água do rio.

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