DIAGNOSE DAS CONDIÇÕES DAS CHAMINÉS DA USIMINAS

DIAGNOSE DAS CONDIÇÕES DAS CHAMINÉS DA USIMINAS CHIMNEYS OF USIMINAS - DIAGNOSIS OF THE CONDITIONS José Eduardo de Aguiar (1); Roberto Quintana Vieira Marques (2); Juarez Ferraz Milagres Júnior (3); Paulo César de Almeida (4). (1) Engenheiro Civil; Recuperação Serviços Especiais de Engenharia Ltda. (2) Engenheiro Civil; Gerência de Manutenção de Refratários e Civil da Usiminas. (3) Engenheiro Civil/Projetos; Gerência de Projetos, Arquivos e Microfilmagens da Usiminas. (4) Técnico em Edificações; Gerência de Manutenção de Refratários e Civil da Usiminas. Rua Paulo Afonso, nº 225, Bairro Santo Antônio, Cep 30350-060, Belo Horizonte / Minas Gerais. Email: recuperacao@recuperacao.com.br Av. Pedro Linhares Gomes, nº 5431, Bairro Usiminas, Cep 35160-900, Ipatinga / Minas Gerais. Email: rvmarques@usiminas.com.br; jjunior@usiminas.com.br Resumo A queda de materiais dos topos das chaminés causa problemas sérios dentro de uma planta industrial. Os choques térmicos, provocados pelo contato das águas das chuvas sobre as superfícies quentes dos topos das chaminés, causam esfacelamentos nos anéis superiores dessas estruturas, proporcionando quedas de placas de concreto no solo. Além disso, observa-se a deterioração das escadas de acesso às plataformas para manutenção, pára-raios e dos suportes de sinalização, provocadas pela degradação desses elementos pela corrosão. Para evitar o aparecimento destas manifestações patológicas no concreto, a Usiminas preventivamente está realizando uma diagnose das condições das chaminés, visando elaborar projetos para prolongar a vida útil destas estruturas, aumentar a segurança operacional das unidades e reduzir os custos de manutenção. Este trabalho apresenta as tecnologias inovadoras adotadas para a realização das diagnoses, como por exemplo, o estudo das temperaturas externas por termografia com câmera de infravermelho, inspeção por telescópio de alto alcance, inspeção por alpinistas profissionais, etc. São mostrados também os critérios que foram adotados na elaboração de uma escala de prioridades para a realização das obras de recuperação e os principais fundamentos dos projetos, que visam restabelecer a integridade das estruturas e seus acessórios. Palavras-chave: Concreto, Chaminés, Estruturas. Abstract The fall of the material of the top of the chimneys is a serious problem inside of a steel plant. The thermal shocks cause destruction in the superior rings of these structures, and besides it is observed the deterioration in the metallic stairways, platforms and lightning rod. To solve this situation one steel plant (Usiminas) is making a diagnosis of the chimneys and elaborating recovery projects, which will be executed with the chimneys in operation with approximately 200ºC. This work presents the innovative technologies adopted to the accomplishment of the diagnosis, as for instance, the study of the temperatures for thermography with infra-red camera, inspection for telescope and professional alpinists, etc. The base of the projects and the techniques that will be used in the works that will reestablish the integrity of the chimneys are shown. Keywords: Concrete, Chimneys, Structure. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 1

1 Introdução A planta industrial da siderúrgica Usiminas, localizada no município de Ipatinga/MG, é constituída, em sua grande parte, por estruturas de concreto armado construídas a partir de 1960. As estruturas por serem antigas, e estarem localizadas dentro de um ambiente atmosférico industrial, vêm sofrendo deteriorações ao longo dos anos, com a degradação do concreto. Dentre as diversas estruturas existentes sobressaem-se as chaminés, não só devido às suas alturas, algumas chegam até 120 metros, mas por serem foco de grandes problemas, sendo o maior deles, a possibilidade de queda de blocos de concreto do topo. Além disto observa-se à deterioração das partes metálicas como escadas de acesso, plataformas, pára-raios e suportes das luzes de balizamento (sinalização). Com o objetivo de evitar riscos de acidentes em chaminés, a Usiminas realizou um diagnóstico de suas estruturas, visando elaborar os projetos de recuperação e proteção, dentro de uma escala de prioridades em função do nível de risco, destacando-se como fator crítico à queda de blocos do topo. Ressalta-se que os trabalhos serão executados com as chaminés em funcionamento, com incidência de temperatura no topo acima de 200 C, além da emanação dos gases provenientes do processo industrial. 2 Relação das Chaminés em Estudo Dentre as diversas chaminés de concreto existentes dentro da área industrial da siderúrgica, foram selecionadas 20 (vinte) para serem estudadas, a saber: Coqueria 1...(Baterias 1 e 2) Coqueria 2......(Baterias 3 e 4) Sinterização...(Sinter 1 e 2) Altos-Fornos...(Fornos 1 e 2 e Forno 3) Laminação de Tiras a Quente...(Fornos 1, 2, 3 e 4) Laminação de Chapas Grossas...(Fornos 1 e 2) Laminação de Placas...(Fornos 1, 2, 3, 4, 5 e 6) Nesta relação encontram-se oito chaminés que estão desativadas (Laminação de Tiras a Quente: Fornos 1 e 2 e da Laminação de Placas: Fornos 1, 2, 3, 4, 5 e 6), mas não estão imunes as patologias. Cabe-nos ressaltar que realizamos a recuperação da parede de concreto do topo da chaminé dos Altos-Fornos, Fornos 1 e 2, em 1995. 3 Tecnologias Utilizadas na Inspeção Para inspecionar as chaminés, diversas técnicas (1) foram utilizadas na obtenção de informações referentes às condições das áreas externas e internas, além da situação do ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 2

topo. Nesta etapa, não foram utilizados andaimes devido ao alto custo dos equipamentos. Foram utilizados vôos de helicóptero com o objetivo de registrar através de fotografias a situação em que se encontravam as estruturas, do topo das chaminés, conforme podemos observar na figura 1. Figura 1 Foto aérea tirada em vôo de helicóptero. Outras técnicas utilizadas foram através de aparelhos óticos, como binóculos e telescópio de grande potência, com aumento de 660 vezes, mostrado na figura 2. Figura 2 - Telescópio de 660 x de aumento. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 3

Através destes aparelhos foi possível realizar um rastreamento e cadastramento das anomalias existentes nas áreas externas das chaminés, obtendo-se à distância, uma visão das patologias, como fissuras, destacamentos de concreto, armaduras expostas, além da corrosão das partes metálicas, como escadas, plataformas, pára-raios e suportes de sinalização. Para inspecionar o topo das chaminés foi necessário utilizar os serviços de uma empresa especializada em trabalhos em altura. Este serviço foi realizado por um alpinista profissional, equipado com todos os acessórios de segurança, como cintos de segurança especiais, medidores de gases, etc. Na figura 3 podemos constatar a ocasião em que o profissional subia pela escada metálica existente, com o objetivo de atingir o topo da estrutura, para fotografar e registrar as situações encontradas. Figura 3 - Inspeção por alpinista na chaminé dos Altos-Fornos 1 e 2. Faz parte do seu trabalho verificar também o nível de segurança dos degraus e plataformas, paralisando a inspeção, caso estas condições não sejam satisfatórias. Para completar o trabalho de inspeção foi preciso estudar as superfícies internas das chaminés. Como a grande maioria delas está em operação e não podem ser desativadas, impossibilitando qualquer acesso ao seu interior, foi utilizada a técnica da termografia. Esta técnica utiliza uma câmera termográfica, figura 4, de medição e captação de imagens, que permite medir a energia térmica emitida pelas superfícies externas das chaminés, através de um padrão de cores. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 4

Figura 04 - Câmera termográfica. A partir deste estudo foi possível identificar falhas na proteção que possam levar à degradação do concreto devido às altas temperaturas. A câmera de termografia é um dispositivo que detecta emissão de onda de calor, converte em sinal eletrônico, produzindo imagens digitais e executa cálculos de temperatura. O calor detectado é medido de forma precisa, monitorando o comportamento térmico das estruturas e identificando problemas de aquecimentos anormais. As imagens externas das chaminés são mostradas em um mapa de temperaturas, no qual as suas variações, num nível de cor cinza até imagens coloridas, correspondem às diferenças de energias radiantes. Este mapeamento térmico é chamado de termograma, e foi realizado nas 20 chaminés. A seguir alguns exemplos de termogramas obtidos. O primeiro mostra a chaminé da Coqueria 2, Bateria 3, onde se verifica uma homogeneidade de temperatura ao longo de todo o corpo da estrutura, denotando não haver problemas com os refratários, conforme podemos observar na figura 5. Figura 5 Chaminé da Bateria 3, Coqueria 2, apresenta homogeneidade de temperatura. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 5

No segundo caso (Altos-Fornos 1 e 2), podemos verificar na figura 6, um acréscimo localizado de temperatura no topo, denotando haver falhas no revestimento naquela região. Figura 6 - Aumento de temperatura no topo onde há falha nos refratários. A inspeção visual feita pelo alpinista no topo desta chaminé confirmou a queda do revestimento refratário na parte interna da estrutura registrada na figura 7. Figura 7 Queda de refratários. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 6

Na figura 8 são apresentadas as variações das temperaturas máximas e mínimas registradas: Temperatura (ºC) 120 100 80 60 40 20 0 Coqueria 2 - B.4 52,5 40 Coqueria 1- B1 73,4 68,8 50 55 Coqueria 1 - B 2 (*) Desativadas Coqueria 2 - B.3 44,7 45,849,4 33 Sinterização 1 38 40 35 Sinterização 2 Alto Forno 1 e 2 84,6 Alto forno 3 115,9 54,6 105 45 Tiras a quente F3 Tiras a quente F1 e F2 * 35,3 33 Tiras a quente F4 79,7 83,4 40 Chapas Grossas F1 60 Chapas Grossas F2 98,3 50 Laminação de PlacasF6 * 26 27,1 27,427,2 26,926,4 25 25 26 26 25 25 Laminação de PlacasF5 * Laminação de PlacasF4 * Laminação de PlacasF3 * Figura 8 Variação da Temperatura nas Chaminés Laminação de PlacasF2 * Laminação de PlacasF1 * As chaminés de concreto que apresentaram as maiores variações de temperatura são aquelas onde foram constatados problemas localizados nos revestimentos refratários. Não se deve esquecer que existem partes enterradas das chaminés, que podem esconder sérias patologias, devido a dificuldades de acessibilidade e da realização de levantamentos ou ensaios destas estruturas. Em função disto foi recomendado que se fizessem poços de inspeção ao lado das estruturas, para se investigar situações não visíveis. Outros ensaios serão realizados ao longo dos corpos das chaminés para confirmar as condições de conservação de cada estrutura. Este trabalho somente poderá ser executado durante a realização das obras de reparo, aproveitando a montagem das plataformas. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 7

4 Principais Diagnósticos Cada chaminé possui suas particularidades, mas de um modo geral o principal problema é a queda de material do topo. A principal causa deste problema é o choque térmico que ocorre devido ao contato das águas das chuvas com as superfícies quentes dos anéis superiores, que esfacelam o concreto do topo das chaminés, levando à queda de blocos. Pela termografia foi possível observar que em algumas chaminés existem falhas localizadas no revestimento refratário interno, principalmente devido à queda dos tijolos, o que proporciona um aumento de temperatura na face interna das chaminés, conforme podemos observar na figura 9. Figura 9 - Falha no revestimento interno da chaminé do Forno 4, Laminação de Tiras a Quente. Quando isto acontece, as altas temperaturas incidem diretamente no concreto, que passa a trabalhar de forma inadequada, em condição de sacrifício, com conseqüente redução de sua vida útil e surgimento de patologias. A inspeção visual feita por aparelhos óticos (binóculos e telescópio) mostra que, de um modo geral, as superfícies externas do concreto apresentam poucas patologias, como fissuras, armaduras expostas e nichos de pedra, denotando que as estruturas foram construídas com técnicas e materiais adequados. A inspeção feita pelo alpinista mostrou que, apesar do estado de corrosão, as escadas existentes são aproveitáveis, desde que recebam um tratamento anticorrosivo adequado. Algumas chaminés foram projetadas com chapas de proteção do topo, conforme apresentado na figura 10, que mostraram ser eficientes, sendo recomendado a sua instalação em todas as estruturas que serão reparadas. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 8

Figura 10 - Chapa de proteção do topo da chaminé da Bateria 4, Coqueria 2. A partir da execução de poços de inspeção ao lado das chaminés foram identificadas patologias não percebidas anteriormente, situadas em áreas enterradas. Na figura 11, é apresentada a situação registrada da chaminé do Forno 4 da Laminação de Tiras à Quente, com forte corrosão nas armaduras e destacamento da camada de cobrimento em todo o perímetro da base da chaminé. Figura 11 Destacamento de concreto na região abaixo do nível do piso (aterrada). ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 9

5 Metodologia Utilizada para Classificação dos Níveis de Risco. A partir das inspeções e dos diagnósticos foi elaborada uma escala de prioridades, de forma que a Usiminas possa planejar as intervenções de acordo com os níveis de riscos existentes. As chaminés foram classificadas em 5 níveis de risco (1), de acordo com um padrão de cores, dependendo do estado de cada estrutura e de seus elementos metálicos e particularmente da probabilidade de queda de material apresentado a seguir: Nível 5 : Crítico Nível 4 : Alto Nível 3 : Médio Nível 2 : Baixo Nível 1 : Mínimo das das das das das Foram levantados e avaliados todos os acessórios periféricos que compõem as chaminés como pára-raios (considerando-se 4 hastes por unidade), escadas metálicas, plataformas metálicas, luz de balizamento (sinalização), pintura de identificação e ponto de amostragem isocinética. Para a elaboração da escala de prioridades foram considerados os diversos problemas existentes e atribuídas notas e pesos (1) diferentes em função da relevância do risco apresentado por cada anormalidade, descritas abaixo: Risco de queda de material Peso 5; Estado das paredes externas Peso 3; Pára-raios / Escadas metálicas / Plataforma 1 / Ponto Isocinético Peso 1. A tabela 1 apresenta a escala de prioridades para as intervenções de reparo. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 10

Tabela 1 - Escala de prioridades para reparo. Prioridade Risco Área Equip. Situação 1 Das Coqueria 1 Bateria 1 Operando 2 Das Coqueria 2 Bateria 4 Operando 3 Das Coqueria 1 Bateria 2 Operando 4 Das Sinterização Sinter 2 Operando 5 Das Coqueria 2 Bateria 3 Operando 6 Das Tiras a Quente Forno 4 Operando 7 Das Chapas Grossas Forno 1 Operando 8 Das Tiras a Quente Forno 3 Operando 9 Das Alto Forno AF 3 Operando 10 Das Tiras a Quente Forno 2 Desativado 11 Das Laminação de Placas Forno 6 Desativado 12 Das Laminação de Placas Forno 4 Desativado 13 Das Laminação de Placas Forno 1 Desativado 14 Das Tiras a Quente Forno 1 Desativado 15 Das Laminação de Placas Forno 5 Desativado 16 Das Sinterização Sinter 1 Operando 17 Das Chapas Grossas Forno 2 Operando 18 Das Laminação de Placas Forno 2 Desativado 19 Das Laminação de Placas Forno 3 Desativado 20 Das Alto Forno AF 1 e 2 Operando Devemos observar que a escala de prioridades não coincide necessariamente com as maiores diferenças de temperatura verificadas no estudo de termografia, visto que as variações ocorreram em pontos localizados, sem causar patologias significativas nas estruturas. 6 Principais Procedimentos a Serem Adotados na Recuperação e Proteção das Chaminés Deterioradas Apresentamos a seguir as atividades e técnicas a serem utilizadas para restabelecer a funcionalidade e durabilidade das chaminés. 6.1 Instalação de Plataformas Metálicas Está prevista a instalação de duas plataformas metálicas para uso permanente, com largura de 1 m, fixadas nas superfícies externas da estrutura de concreto. A primeira será instalada no topo da chaminé, servindo como plataforma de trabalho para os serviços de recomposição do concreto e instalação de pára-raios e luz de sinalização. Após o término dos reparos ela permanecerá na estrutura, sendo utilizada para manutenção. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 11

A segunda será instalada na parte central da estrutura de concreto, sendo utilizada para monitoramento da emissão de particulados na atmosfera. 6.2 Acessos para a Execução dos Trabalhos Para a execução da recuperação do topo e demais serviços ao longo do corpo das chaminés, serão instalados duas plataformas de elevação elétrica por cremalheiras (tipo HEK), colocadas em lados opostos da chaminé, abrangendo toda a sua extensão. Na figura 12, podemos observar estes detalhes. Figura 12 - Plataforma de elevação por cremalheira (HEK) que será utilizada nos trabalhos de reparo. Para alcançar as áreas fora da projeção das plataformas e acessar as demais áreas de trabalho, serão instalados balancins elétricos, fixados na estrutura. 6.3 Recuperação dos Topos das Chaminés Após a instalação dos equipamentos de acesso, deverá ser instalada a plataforma metálica de manutenção permanente no topo, que servirá também como plataforma de trabalho. Como as chaminés não podem ser desativadas, os reparos devem ser feitos com elas em operação. Os funcionários deverão utilizar roupas especiais para suportar as temperaturas elevadas e máscaras de linha, com ar comprimido, devido aos gases emanados pelo processo industrial. O concreto dos anéis superiores comprometidos pelos choques térmicos devem ser demolidos e reconstituídos com concreto aluminoso, material que além de suportar altas temperaturas, resiste a choques térmicos. As armaduras devem ser preservadas e tratadas e os refratários danificados corrigidos. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 12

A contenção do concreto de reconstituição deve ser feita com fôrmas metálicas préfabricadas em aço, divididas em módulos, que serão transportados até o topo nas plataformas elétricas. Para proteger o concreto da alta temperatura interna da chaminé, particularmente no estado ainda plástico, evitando a rápida evaporação da água de amassamento, devem ser colados tecidos de fibras cerâmicas nas faces internas das fôrmas. Depois da concretagem serão instaladas as chapas de proteção do topo da chaminé, fixadas por chumbadores. Serão executadas perfurações de 2 logo abaixo das áreas reconstituídas para saída de gases do colchão de ar, formado entre as paredes de concreto e de tijolos refratários. Na figura 13, é apresentado o desenho esquemático de uma das recuperações projetadas. CONCRETO ALUMINOSO CONCRETO COMPROMETIDO (DEMOLIR) CHUMBADOR 9 18 9 18 CHAPA DE PROTEÇÃO FORMAS METÁLICAS 26 20 TUBOS DE GÁS Ø 2" EXISTENTES 40 4 50 10 16 ADEQUAR NO CAMPO NOVOS TUBOS DE GÁS Ø 2" 18 5 Figura 13 - Projeto de recuperação do topo da chaminé da Bateria 4, Coqueria 2. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 13

6.4 Recuperação do Corpo e Pintura das Chaminés Toda as superfícies externas receberão hidrojateamento abrasivo, padrão Sa 2 ½ (2), para remover as sujeiras e restos de tinta, evidenciando as demais imperfeições como armaduras expostas e segregação do concreto. Ressalta-se que as inspeções foram feitas à distância, com telescópio, necessitando de uma pesquisa mais detalhada, junto com outros ensaios não destrutivos, para determinar a real extensão das patologias. As áreas com patologias devem ser removidas, recuperadas com argamassa polimérica ou graute de cimento, e toda a superfície deve ser estucada (estuque industrial), tamponando todos os poros e imperfeições. A metade superior da chaminé deverá ser pintada com tinta de sinalização, utilizando um primer (mastique epóxi) e duas demãos de acabamento com tinta de poliuretano alifático, em anéis vermelhos e brancos, enquanto a metade inferior será pintada na cor concreto com reparo mineral. 6.5 Instalação de Elevador para Acesso à Plataforma de Monitoramento Para acesso dos funcionários e equipamentos nas chaminés onde serão monitoradas a emissão de particulados, será instalado um elevador de cremalheira, que ficará definitivamente fixado na estrutura. 6.6 Escadas de Acesso e Demais Equipamentos Além da instalação do elevador de acesso até a primeira plataforma (monitoramento), todas as escadas de marinheiro existentes serão recuperadas e adequadas, com a construção de plataformas de descanso a cada 10 metros, uma vez que esta escada irá até a plataforma de manutenção do topo. Novos pára-raios e luzes de sinalização serão instalados. A figura 14 apresenta o novo aspecto das chaminés, após concluídos os serviços de reparo. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 14

Pára-raios e luzes de sinalização Plataforma de manutenção Escada com plataforma de descanso Pintura de sinalização Opacímetro Isocinética Plataforma de monitoramento Elevador de cremalheira Pintura de proteção do concreto Figura 14 - Aspecto final das chaminés após os trabalhos de recuperação e proteção. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 15

7 Conclusão Após as inspeções detalhadas realizadas nas chaminés, utilizando métodos visuais na parte externa e termografia na parte interna, concluímos que não há problemas quanto à estabilidade das estruturas, mas a funcionalidade e durabilidade estão comprometidas devido à queda de material do topo. Dentre estes problemas citamos o concreto, por causa do choque térmico e corrosão das armaduras, os elementos metálicos, como plataformas e escadas, por causa da degradação provocada pela corrosão dos metais e queda interna dos refratários. Os projetos para a recuperação das anomalias foram elaborados prevendo que os trabalhos serão executados com as chaminés em operação, impondo elevado nível de dificuldades de execução. As técnicas a serem utilizadas restabelecerão a funcionalidade e durabilidades das chaminés, que são estruturas importantes no complexo industrial de qualquer planta, particularmente as siderúrgicas. 8 Referências 1 - AGUIAR, José Eduardo de. Diagnóstico das condições das chaminés de concreto de uma siderúrgica. In: 6º Simpósio EPUSP sobre Estruturas de Concreto. São Paulo, EPUSP, 2006. 2 - Norma SIS 05 59 00, da Swedish Standards Institution, 1995. ANAIS DO 48º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2006 48CBC0261 16