AVALIAÇÃO DE CORROSÃO EM TROCADOR DE CALOR, TIPO DUPLO TUBO, ATRAVÉS DA TÉCNICA DA RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA

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1 AVALIAÇÃO DE CORROSÃO EM TROCADOR DE CALOR, TIPO DUPLO TUBO, ATRAVÉS DA TÉCNICA DA RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA Paulo Sérgio Hugueros de Castro Polietilenos União S.A Walter William Godwin Neto Arctest Serviços Técnicos de Inspeção Ltda. Trabalho apresentado no XXI Congresso Nacional de Ensaios Não Destrutivos, Salvador, agosto, 2002 As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade dos autores.

2 SINOPSE Este trabalho descreve a avaliação preventiva de corrosão de trocadores de calor, do tipo duplo tubo, do processo de produção de polietileno de baixa densidade ( PEBD ), através da técnica da radiografia digital. O objetivo deste trabalho é verificar a corrosão destes trocadores de calor e assim evitar a possibilidade da ocorrência de vazamentos, portanto paradas não programadas de área. 1. INTRODUÇÃO Este trabalho descreve a avaliação preventiva de corrosão de trocadores de calor, do processo de produção de polietileno, através da técnica da radiografia digital. Este trabalho visa verificar a corrosão destes trocadores e assim evitar a possibilidade da ocorrência de vazamentos, portanto paradas não programadas de área. Os objetivos deste trabalho são de verificar: a existência de descontinuidades quanto à fixação do tubo interno com relação ao tubo externo, a integridade dos tubos ( alta pressão, cobre e casco ) e a possível formação de depósitos originários da água de refrigeração. A escolha da técnica de radiografia computadorizada deveu-se à qualidade das imagens, ao pequeno tempo de exposição, não sendo necessário retirar o isolamento térmico e a não necessidade de parada de área. 2. DESCRIÇÃO RESUMIDA DO PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE POLIETILENO DE BAIXA DENSIDADE O gás etileno que é fornecido pela Petroquímica União a uma pressão de 56 kgf/cm², na Polietilenos União é reduzida para 42 kgf/cm² e vai para a alimentação do compressor primário, onde é comprimido até 250 kgf/cm². O gás de descarga do compressor primário une-se com o gás do reciclo do separador de alta pressão e alimenta o compressor secundário, onde finalmente é comprimido até 2200 kgf/cm² em dois estágios, seguindo para o reator. O catalisador (peróxido orgânico) é injetado no interior do reator para se manter a reação de polimerização onde em média, cerca de 18 a 20 % do etileno é convertido em polímero. Após a reação de polimerização o polímero e a mistura de gás passa por uma válvula de controle de pressão, indo em seguida para o separador de alta pressão. Pelo topo do separador de alta pressão, o gás que não reagiu é introduzido no circuito de reciclo para resfriamento, voltando a alimentar a sucção do compressor secundário. Ao mesmo tempo pela parte inferior do separador de alta pressão, o polímero com pequena quantidade de gás alimenta o separador de baixa pressão, mantido a 0,28 kgf/cm². A pequena quantidade de gás etileno contida no fluxo de polímero se desprende pelo topo do separador de baixa pressão e então alimenta o compressor de gás de expansão, pelo qual é pressurizado até 43 kgf/cm² e introduzido na sucção do compressor primário. A parte inferior do separador de baixa pressão, onde são injetados os aditivos, está diretamente conectado com o extrusor de produto, pelo qual o polímero fundido é extrusado através de uma placa perfurada. Tão logo o polímero passe pela placa 2

3 perfurada ele é cortado por lâminas rotativas e simultaneamente, resfriado e solidificado por um fluxo de água. A seguir com auxílio de um soprador e um alimentador rotativo, os grãos de polímero secos são transferidos através do arraste por ar para os silos de estocagem. Após isto, o polietileno de baixa densidade estará pronto para o ensaque, armazenamento e expedição. 30 C 0,5 bar PqU Separador de baixa Pressão 30 C / 42 bar Compressor de Gás de Expansão 250 C / 0,5 bar Compressor Primário 250 C 250 bar 30 C 250 bar Separador de alta Pressão 30 C 250 bar E-216 E C 250 bar Compressor Secundário Peróxido Peróxido E-207 Reator 270 C 2000 bar E C / 2000 bar E-209 polietileno etileno Extrusor Secador Balança Silo Ensaque / Armazém água Figura nº 1 : Fluxograma do Processo de fabricação de PEBD 3. DESCRIÇÃO DOS EQUIPAMENTOS Os trocadores de calor em questão ( E-207, E-208 e E-209 ) são do tipo tubo duplo, de alta pressão, com gás etileno circulando no tubo interno, pressão de operação: 2000 kgf/cm² ( material do tubo SAE 4340 da série de aços de ultra-alta resistência mecânica) sendo este tubo revestido externamente com cobre ASTM B 75 ( para proteger o tubo de alta pressão contra a corrosão proveniente da água de refrigeração ) e água de refrigeração ou vapor saturado circulando no tubo externo casco, pressão de operação: água 07 kgf/cm² / vapor 10 kgf/cm² ( material do casco ASTM A 106 gr B ). O tubo interno é posicionado no casco através de abraçadeiras para a sua melhor centralização. A função dos trocadores de calor é a seguinte: - E-207: Inter resfriador do compressor secundário,p projeto: 1724 kgf/cm²,cat I - E-208: Resfriador de produto, p projeto: 2414 kgf/cm², CAT I - E-209: Pós resfriador do compressor secundário, p projeto: 2760 kgf/cm², CAT I 3

4 4 1 ½ 2 5/8 1,6 mm Abraçadeira Centralizadora Chapa de aço carbono SAE 1020, esp. 1/8 Tubo de aço ASTM A-106 gr B, Dn 4 Tubo de aço AISI 4340, Diâm. Ext. 2 5/8, Diâm. Int. 1 ½ Barra quadrada de aço carbono SAE 1020, ½ Tubo de cobre ASTM B 75, esp. 1,6 mm Figura nº 2 : Croqui do trocador de calor, mostrando os tubos : alta pressão ( interno ), cobre ( revestimento do tubo de alta pressão ), abraçadeiras de centralização dos tubos e tubo externo ( casco ) onde circula água. Saída de àgua Entrada de etileno Saída de etileno Entrada de água 1360 mm 4772 mm Figura nº 3 : Desenho do trocador de calor 4

5 4. MECANISMOS DE DETERIORAÇÃO Os mecanismos de deterioração que encontramos neste trocador de calor, e são descritos a seguir: Corrosão por aeração diferencial: este mecanismo de corrosão é encontrado devido há formação de depósitos, nas regiões em que o tubo interno aproxima-se do tubo externo, região prioritária para esta formação é a região das curvas, pois nesta região não existem abraçadeiras de centralização; nestas regiões temos uma diminuição da velocidade da água favorecendo esta formação. Esta corrosão também ocorre com freqüência em frestas. Assim, o interior da fresta, devido a maior dificuldade de renovação do eletrólito, tende a ser menos concentrado em oxigênio (menos aerado), logo, área anódica. Por sua vez a parte externa do depósito, onde o eletrólito é renovado com facilidade, tende a ser mais concentrada em oxigênio (mais aerada), logo, área catódica. O desgaste se processará no interior do depósito ocasionando perda de espessura do tubo externo. Figura nº 4: Corrosão verificada sob os depósitos - Corrosão eletroquímica: este mecanismo de corrosão é encontrado na abraçadeira centralizadora e no tubo externo (casco), e é decorrente devido a heterogeneidades diversas decorrentes de composição química, textura do material, tensões internas. As causas determinantes são: inclusões, segregações, trincas, acabamento superficial, diferença no tamanho e contornos de grão, tratamentos térmicos diferentes, etc. Figura nº 5: Corrosão verificada nas abraçadeiras centralizadoras 5

6 - Corrosão galvânica: este mecanismo de deterioração é verificado entre o tubo interno e o revestimento de cobre, e entre as abraçadeiras e o tubo externo (casco), quando dois materiais metálicos, com diferentes potenciais, estão em contato em presença de um eletrólito, ocorre uma diferença de potencial, isto é, uma transferência de elétrons. Este tipo de corrosão se caracteriza por apresentar corrosão localizada, próxima a região do acoplamento, ocasionando profundas perfurações no material metálico que funciona como anodo( a corrosão é muito mais acentuada que a corrosão isolada deste material sob ação do mesmo meio corrosivo). A corrosão do material que funciona como catodo é muito mais baixa que a que ocorre quando o material sofre corrosão isolada. Figura nº 6 Corrosão entre o tubo de alta pressão e o revestimento de cobre 5. RISCO DE FALHA / NECESSIDADE DE INSPEÇÃO A inspeção destes equipamentos é necessária para termos confiabilidade e segurança operacional, pois a falha (rompimento ou furo) do tubo ocasiona a mistura de gás com alta pressão (pressão de operação: 2000 kgf/cm 2 ) ao fluxo de água de refrigeração, provocando a abertura das válvulas de segurança, esta mistura iria para a torre de refrigeração, bastando apenas à ignição para termos um principio de incêndio, pois o etileno é inflamável. Outro problema proveniente do risco de falha, é a dificuldade de: localização de vazamentos (8 a 10 passes por equipamento) e a substituição deste passe, provocando com isto uma parada desprogramada de operação por vários dias. Além destes problemas operacionais e de manutenção, temos uma implicação legal que é o cumprimento da NR-13 (Norma Regulamentadora nº 13 do Ministério do Trabalho Caldeiras e Vasos de Pressão) que diz: A inspeção de segurança periódica, constituída por exame externo, interno e teste hidrostático, deve obedecer aos prazos máximos estabelecidos a seguir: Categoria do vaso I Exame externo: 01 ano Exame interno: 03 anos Teste Hidrostático: 06 anos 6

7 Vasos de pressão que não permitam o exame interno ou externo por impossibilidade física devem ser alternativamente submetidos a teste hidrostático Quando for tecnicamente inviável e mediante anotação no Registro de Segurança pelo Profissional habilitado, citado no subitem , o teste hidrostático pode ser substituído por outra técnica de ensaio não destrutivo ou inspeção que permita obter segurança equivalente. Exemplo destas técnicas: ensaio ultrassônico, ensaio radiográfico, ensaio por líquido penetrante, ensaio por correntes parasitas, etc. Portanto substituímos o teste hidrostático, que seria realizado a pressão de 3447 kgf/cm 2, pela radiografia computadorizada, atendendo assim a NR ESCOLHA DA TÉCNICA DE RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA A escolha da técnica da radiografia computadorizada, deveu-se: - há impossibilidade de realização do ensaio de videoscopia, pois existem incrustações provenientes da água de refrigeração, que não permitem a introdução de câmeras para a realização do ensaio; - confecção de 01 ( um ) corpo de prova, com simulação de possíveis defeitos, onde se pode comprovar a qualidade das imagens geradas, nas quais era possível a realização de medição de espessura; - baixo tempo de exposição e raio de isolamento pequeno ( devido à fonte ter baixa atividade ) sendo possível à realização dos ensaios com a fábrica em operação normal; - há não necessidade de retirada de isolamento térmico; - impossibilidade de realização de teste hidrostático; - atendimento a Norma Regulamentadora nº 13 (NR-13). Portanto a escolha da técnica de radiografia computadorizada deveu-se à qualidade das imagens, a possibilidade de medição de espessuras, ao baixo tempo de exposição, não há necessidade de parada de fábrica, há não necessidade de remover o isolamento térmico. 7. TÉCNICA DE RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA A técnica utilizada é pelo método indireto, utilizando-se sensores (telas) de compostos de fósforo que são ativados e lidos através de leitor de imagem (scanner) e processados no computador. Devido à alta sensibilidade das telas de fósforo às radiações o tempo necessário de exposição fica entre 5 a 10% dos tempos para filmes convencionais. Utiliza-se scanners portáteis e o tempo total de leitura (ciclo de processamento) fica entre 2 a 5 minutos. Além da redução do tempo de processamento dispensa-se as tradicionais câmaras escura com toda a sua infra-estrutura de iluminação específica, tanques de processamento, armazenamento de químicos, rejeitos, etc. Possibilitando ainda a medição de espessura através do software WINVIX. Pela excepcional redução do tempo de exposição à radiação necessária para sensibilizar a tela sensora de fósforo, pode-se utilizar baixas atividades de radioisótopos o que proporciona significativa redução nas áreas de balizamento. A técnica escolhida foi a: PD-VD Parede Dupla 7

8 Vista Dupla Técnica Radiográfica em que a radiação atravessa as duas paredes e proporciona, para efeito de análise a imagem em ambas as paredes. Exposição Simples - PDVD 600 mm Placa Placa Figura n 7: Técnica utilizada para a realização das radiografias PDVD Parede Dupla Vista Dupla 8. DESCRIÇÃO DOS ENSAIOS REALIZADOS 8.1. CORPO DE PROVA Iniciamos o trabalho com a confecção de 01 (um) corpo de prova, com simulação de possíveis defeitos: perda de espessura externa no tubo externo, perda de espessura interna no tubo externo, perda de espessura no revestimento de cobre, perda de espessura nas abraçadeiras de centralização e perda de espessura do tubo interno; para podermos ter parâmetros para avaliar possíveis descontinuidades há serem encontradas. Neste corpo de prova além dos defeitos simulados, isolamos o mesmo termicamente, confeccionamos tampas para permitir que o mesmo fosse radiografado com água no seu interior (pois a água é uma barreira para radiação ionizante) e simulamos depósitos em seu interior (depósitos feitos com concreto) para com isto podermos verificar a qualidade das imagens. Foto nº 1: Corpo de prova Radiografia nº 1 Radiografia do corpo de prova 8

9 8.2. TRABALHOS DE CAMPO Radiografia n 2 : Usinagem realizada nos tubos : externo e de alta pressão, e no revestimento de cobre Para a realização dos trabalhos de campo confeccionamos 02 (dois) suportes: sendo 01 (um) para fixação do colimador e o outro para apoio da fonte, estes suportes foram confeccionados para dar segurança aos trabalhos, pois com eles evitamos a colocação da fonte e do colimador em andaimes. Começamos os serviços de campo radiografando todas as curvas dos 14 (quatorze) trocadores de calor existentes, pois radiografando as curvas temos noção : da perda de espessura no casco e do tubo interno, do estado do revestimento de cobre e da centralização do tubo interno em relação ao tubo externo Foto nº 2 : Trabalho de campo, onde verificamos os suportes confeccionados para termos maior segurança ao ensaio. 9

10 8.3. DETERIORAÇÕES VERIFICADAS PELAS RADIOGRAFIAS Pudemos verificar através das radiografias que alguns dos passes dos trocadores de calor encontravam-se com os tubos internos descentralizados em relação aos tubos externos, com esta informação verificamos se esta falha era proveniente de defeito de fabricação (estes equipamentos estão em operação há aproximadamente trinta anos, portanto não há histórico de fabricação) ou da corrosão das abraçadeiras centralizadoras. Nestes mesmos passes verificamos a formação de depósitos e abaixo destes depósitos perda de espessura, esta perda de espessura é ocasionada por corrosão por aeração diferencial e os depósitos formam-se devido à diminuição da velocidade da água de refrigeração. O número de radiografias realizadas foi de aproximadamente : 250 radiografias. Radiografia n 3 : Verifica-se a descentralização do tubo interno em relação ao tubo externo Radiografia n 4 : Verifica-se a descentralização do tubo interno em relação ao tubo externo e corrosão sob depósito 10

11 9. MEDIDAS TOMADAS PARA REPARAR OS EQUIPAMENTOS Os equipamentos que tem passes com o tubo de alta pressão encostado no casco, irão ter os seus passes substituídos, e estes passes serão recuperados, pois apenas o casco está com corrosão, às abraçadeiras corroídas serão substituídas. Foram calculadas as espessuras mínimas, de acordo com tabela n 1 anexa, nas quais os equipamentos podem operar sem risco de vazamentos e a partir destes cálculos definimos os reparos. Os passes que tem corrosão sob depósitos sem descentralização dos tubos, receberão reforço estrutural soldado pelo lado externo, reparo empregado para reforçar áreas com perdas de materiais em tubulações devido ao desgaste interno ou externo, fazendo uso de chapas calandradas ou tubos. Neste tipo de reparo são executadas somente as soldas, longitudinais conforme mostra a figura n 9. Este tipo de reparo não é empregado para restringir vazamento ou conter pressão, tendo apenas como função à de reforço estrutural. Este serviços serão realizados durante a Parada Geral de agosto de Sem uso de Mata-Junta Detalhe Fig. Nº9 Uso de Mata-Junta Sobre Posta Detalhe Fig. Nº9 Figura n 8 : Reforço estrutural soldado aos cascos Espessuras mínimas calculadas Casco Tubo E-207 1,75mm 18,22 mm E-208 1,65 mm 23,89 mm E-209 1,65 mm 26,28 mm Tabela n 1 : Valores das espessuras mínimas admissíveis, calculadas de acordo com ANSI B

12 10. CONCLUSÕES O trabalho realizado atendeu todas as expectativas. A escolha da técnica de radiografia computadorizada para inspeção destes equipamentos foi adequada, pois pudemos verificar através das radiografias : - corrosão dos tubos externos; - formação de depósitos, provenientes da água de refrigeração; - integridade dos tubos internos; - integridade do revestimento de cobre; - corrosão das abraçadeiras centralizadoras; - defeitos de montagem; - solda de junção das curvas, pois as mesmas são em partes. Com isto podemos trabalhar com maior confiabilidade operacional e segurança, sem o risco de vazamento de gás com alta pressão ( 2000 kgf/cm 2 ) para o fluxo de água de refrigeração, e assim planejar as substituições e reparos dos trocadores. 11. AGRADECIMENTOS A direção da Polietilenos União S.A pelo apoio necessário à execução deste trabalho, aos profissionais do Departamento de Manutenção que se empenharam na construção do corpo de prova e dos dispositivos especiais, em especial aos srs. José Romão Araújo, Ademar de Mendonça Feitosa e José Francisco dos Santos, ao pessoal da Inspeção de Equipamentos os srs. Vagner Sidney Greco e Tito Rubens Daniele pela colaboração na execução dos serviços de campo, ao Gerente da Manutenção Eduardo T. Sato pela confiança demonstrada e disposição para revisar este artigo, e ao pessoal da Arctest que tiveram paciência para radiografar o corpo de prova e realizar os serviços de campo, em especial aos srs. Diogo Ribeiro Chagas e Eliseu Almir Oliveira Paes. 12. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA (a) Vicente Gentil, Corrosão, n da edição, local da publicação, Guanabara Dois, (b) William F. Smith, Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais, 3 edição, Lisboa-Portugal, McGraw-Hill, 1998, (c) Drew Produtos Químicos, traduzido por Thomas J. Buchard, Princípios de tratamento de águas industriais, São Paulo, Drew Produtos Químicos, 1979, (d) ASME SEC VIII, Division 1, (e) ASME SEC V, (f) Norma Regulamentadora n 13 NR 13, Ministério do Trabalho e Bem Estar Social, DOU 04/95. (g) ANSI B

13 (h) Ricardo B. Caldeira e Augusto R. de Amorim Magalhães, Falha em tubo de trocador de calor de super alta pressão, ABENDE, 6 Conferência de Tecnologia de Equipamentos, São Paulo, (i) N-1595 ver. D, Ensaio não destrutivo Radiografia, Petrobrás,1998 (j) N-2344 ver. A, Segurança em trabalhos de radiografia industrial, Petrobrás,2001 (k) IT-001-RC ver 2, Radiografia Computadorizada em Tubulações, seus acessórios e Equipamentos de Processo para verificação do Estado Físico, Arctest. Serviços Técnicos de Inspeção Ltda, (l) Manual de treinamento básico de operadores, Polietilenos União S.A. 13