Inspeção Periódica em Tubos de Caldeiras de Recuperação Química Medição de Espessura Joení Sacramento de Lima Engenheiro de Controle e Automação Técnico em Eletrotécnica Especialista em Docência de Ensino Superior CREA 48050 - BA 1. Introdução Entendendo sua importância no processo numa indústria de papel e celulose, e mais ainda tendo em vista o aspecto segurança, as normas técnicas e legais vigentes no Brasil ditam que caldeiras de qualquer tipo sejam inspecionadas com periodicidade. As diversas condições operativas e sua severidade tem posto a prova a resistência à deterioração dos materiais construtivos, sendo o superaquecedor de vapor um dos componentes sensíveis mais expostos. Existe um consenso em se tratando de caldeiras de recuperação de álcalis, que cuidados específicos de inspeção em se tratando de métodos e tecnologias, ultrapassem procedimentos usuais aplicáveis aos geradores de vapor e conseqüentemente reatores químicos. Os anteriores são complementares ao escopo, de forma coerente com a criticidade do processo, bem como o risco envolvido na operação e manutenção dos periféricos, demandando cuidados acima da média dos equipamentos convencionais. Na tarefa de monitoramento podemos destacar a perda de carga, a temperatura dos gases (ambos com correlação positiva com os depósitos de cinzas). Na parte de detecção, como diagnóstico, existe a necessidade de se isolar as prováveis regiões na caldeira sob possível condição anormal. Podem-se fazer associações entre os demais equipamentos: convector, economizador secundário, economizador primário e precipitador eletrostático respectivamente.
Fig.1: Histograma para perda de carga em cada equipamento (Superaquecedor-SA, Convector-Conv, economizador secundário-eco II, economizador primário-eco I e Precipitador Eletrostático-PE, para Conj1- o conjunto de seqüência de observações de treinamento). Cortesia. Tese: Detecção de situações anormais em caldeiras de recuperação.usp. Almeida. São Paulo, 2006. A restrição para se utilizar a temperatura dos gases é o baixo número de pontos de medição. Para se monitorar a taxa de depósitos de cinzas em superaquecedores, por exemplo, é essencial mensurar a diferença de temperatura entre as sessões de painéis (por exemplo, entre as sessões primárias e secundárias), e a demanda de vazão de água (ou vapor saturado). A correlação destes dois parâmetros com o acúmulo de depósitos de cinzas sobre os tubos é negativa. Além de baseá-las nestas variáveis, ainda é importante considerar a experiência de operadores, engenheiros e profissionais da área (mestres e doutores). Fig. 2: Superaquecedor com depósito de cinzas. Cortesia. ABT CP Unicelpa- Universidade Setorial de Celulose e Papel. Novembro/2007.
As recomendações deste documento podem ser devidamente atualizadas isso porque caldeiras de recuperação constituem um desafio principalmente por se tratar de um equipamento crucial ao processo com inúmeras funções. 2. Procedimentos para inspeção 2.1 Programa de inspeção documentado, detalhado e individual para cada caldeira, levando-se em conta diferenças de concepção, idade, condições de operação e outras particularidades; 2.2 Descrição dos materiais de construção: espessura mínima de tubos, valores de ajuste de válvulas de segurança, parâmetros de teste hidrostático; 2.3 As inspeções de um modo geral devem apresentar uma pré-inspeção ou preparação sendo constituídos de exame interno, exame externo e testes complementares; 2.4 Reparos e modificações advindas das inspeções anteriores devem ser executados em conformidade com as normas e códigos de projeto e construção da caldeira; 2.5 Qualificação e treinamento de soldadores, certificação de materiais e especificações de procedimentos de soldagem (EPSs) devem estar disponíveis no campo por ocasião do início da parada. 3. Preparativos para inspeção Quanto à preparação destaca-se: 3.1 Bloqueio e sinalização dos itens cujo acionamento acidental possa ser perigoso; 3.2 Verificação interna preliminar à limpeza da caldeira, de forma a observar as possíveis incrustações, obstruções e depósitos excessivos, sua natureza e localização, arranjo do fundido remanescente, com precaução especial quanto à possível queda de blocos de sulfato;
3.3 As cinzas remanescentes devem ser removidas por lavagem a alta pressão com água quente. A lavagem deve ser estendida, inundando-se a fornalha com água através dos sopradores de fuligem e queimadores de licor (bocais spray têm que ser removidos). Especial atenção deve ser dada à remoção de formações de sulfato que eventualmente ficam presas ao teto, paredes e painéis após a lavagem, evitando acidentes com sua queda durante os trabalhos internos; 3.4 Todas as portas de visitas e outras aberturas da caldeira precisam ser abertas. Após a abertura das portas dos balões, ar frio deve ser insuflado em seu interior para promover um resfriamento mais rápido; 3.5 Iluminação geral interna de baixa voltagem deve ser providenciada, bem como luminárias manuais para todas as partes a serem localmente examinadas; 3.6 O teto de segurança precisa obrigatoriamente ser montado antes que qualquer trabalho seja iniciado na fornalha baixa. Deve ser observada a perfeita vedação entre as partes do teto de segurança e as paredes da caldeira, garantindo que não haja aberturas que possam permitir a queda de materiais na fornalha. É essencial proceder-se a uma cuidadosa inspeção das vigas e demais elementos que compõem o teto de segurança, antes de cada montagem e utilização do mesmo. Fig.3: Sobre Screen. ABTCP Unicelpa- Universidade Setorial de Celulose e Papel. Novembro/2007.
3.7 Um andaime rígido e seguro devem ser erguidos para possibilitar a inspeção em toda a altura da fornalha, bem como em todas as linhas de sopragem nos superaquecedores, até o teto, de fácil acesso entre os diferentes níveis dos superaquecedores, e nunca obstrua bocas de visita. Plataformas devem ser montadas nos funis de cinzas sob a bancada e economizador; 3.8 A limpeza mecânica e preparação das superfícies para inspeção e ensaios devem ser feitas pelos meios adequados e com máximo cuidado, a fim de se evitar a abrasão excessiva dos tubos e conseqüentes perdas de espessura. Precauções especiais se aplicam ao uso de jato de areia, pelas razões expostas. 4. Ensaios não destrutivos Medições ultrassônicas de espessura periódicas são essenciais para controlar a vida útil dos tubos, detectarem desgastes anormais e confirmar a Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA) da unidade. Abaixo são recomendadas linhas gerais para um plano de prospecção ultrassônica para medição de espessura. Ressaltam-se aqui mais uma vez que o plano deve ser individualizado para cada caldeira, levando-se em conta sua concepção, idade, histórico de corrosão, etc. As medições de espessura devem ser sempre complementadas com uma cuidadosa inspeção visual quanto a perdas de material dos tubos, por exemplo, com o uso de uma lanterna em ângulo. A técnica de inspeção utilizando eletromagnetismo é uma ferramenta de avaliação rápida para a determinação de perdas de espessura em tubos metálicos. Existe a necessidade de uma acoplante (Comparativo de informação de perda de massa em relação a um padrão) e dispensa uma limpeza muito rigorosa da superfície interna do tubo que para caldeiras pode ser aplicável a partes com reduzida variação de temperatura e pressão. Para partes críticas e com grande variação de parâmetros (Sendo esta questão crítica) de operação a técnica recomendável é a de ultra-som por imersão, que é uma ferramenta alta precisão na avaliação perda de espessura de tubos metálicos. Um dos
objetivos deste trabalho é sugerir a utilização de duas técnicas, com a Iris (Ultra-som) complementando a inspeção com campo remoto (Eletromagnetismo), de forma a se conseguir aumentar a amostragem de inspeção em trocadores de calor e caldeiras. 4.1 Técnica IRIS e Campo remoto conjugadas O sistema IRIS 9000 B- Scan utiliza tecnologia ultrassônica de pulso e eco por imersão. Através da análise dos sinais, o sistema apresenta na tela uma seção transversal do tubo, possibilitando assim a caracterização dos defeitos e obtenção de medida de espessura com precisão de centésimos de milímetros. Esta precisão irá variar para os diversos materiais construtivos nas diversas partes da caldeira e em função de parâmetros de operação de periféricos, sendo definida de acordo com o tipo de liga e/ou defeito apresentado. No sistema Ferroscope 204 (Campo Remoto) analisamos as alterações na fase e amplitude do sinal eletromagnético. A análise do gráfico de cada tubo inspecionado permite a caracterização do tipo de defeito e da perda de massa sofrida. Elabora-se um plano de inspeção que permita uma avaliação rápida e precisa de tubos de trocadores de calor e de caldeiras de recuperação. Material: aço-carbono Diâmetro externo: 19,05mm Espessura nominal: 2,11mm Defeito: luva Fig. 4: Croqui do Tubo Teste T-1. Inspeção de tubos e trocadores de calor e de caldeiras. Figueiredo. SGS do Brasil. Rio de Janeiro.2003.
Fig. 5: Imagem do tubo T-1 do aparelho IRIS. Esquerda para direita: Espessura nominal /Defeito1/Defeito2. Fig. 6: Imagem do tubo T-1 do aparelho IRIS do Aparelho campo remoto. Para o tubo 1 temos a determinação de dois defeitos: Defeito 1 Perda de massa: 23% Defeito 2 Perda de massa: 44% Tipo de análise: Short Tipo de análise: Short Tipo de defeito: Luva Tipo de defeito: Luva
5. Quanto aos métodos e locais: Locais Tubos fornalha Superaquecedores Economizadores Tubos de cortina (Screen) Tubos de bancada Abertura das bicas de smelt Painéis de screen Fornalha de tubos compostos Partes pressurizadas Tubos do banco de convecção Procedimento para Inspeção Medidos entre 3 e 6 níveis de elevação. Prioridade em partes curvas, e em trechos retos, nas linhas de centro dos sopradores de fuligem. Prioridade nas partes inferiores, mais frias, e nas linhas de sopragem. Verificar corrosão no lado frio, próxima ao invólucro, com medições ultrasônicas nestes locais se necessário. Medidos de 2 a 5 níveis (dependendo das características da cortina) com foco principal nos trechos retos nas regiões de sopragem. Medição próxima aos balões se for o caso, em partes curvadas e nas linhas de sopragem. Líquidos penetrantes ao redor das aberturas. Líquidos penetrantes com deformação por queda de blocos de sulfato. Ensaio de líquidos penetrantes em todos os locais de concentração de tensões e regiões de contato direto com o fluxo de Smelt. Radiografar 100% das soldas em tubos de água na região da fornalha ou onde possam originar vazamentos. (Procedimento utilizado para controle de qualidade). Ensaio IRIS e Campo remoto quando houver suspeita de redução de espessura. Tab. 1 Seqüência para inspeção de acordo com locais da caldeira.guia para inspeção periódica de caldeira de recuperação. 2004-2007. 5. Cantos de Fornalhas Recomenda-se uma verificação amostral das condições dos tubos do fundo da caldeira a cada cinco anos em caldeiras de fundo plano. Para tanto podem ser abertas uma ou mais janelas pequenas (1m x 1 m, por exemplo) no refratário do piso, de forma a permitir uma verificação visual dos tubos que compõem o fundo, e a sua medição de espessura. Para unidades com fundo inclinado a inspeção nesta região deve ser anual. Dada a diversidade de materiais, tipos de tubos e formas construtivas de fundos de caldeiras de recuperação, esta recomendação, aqui dada de forma genérica, devem
ser cuidadosamente adaptados pelo engenheiro inspetor às condições particulares da caldeira em questão. Atenção especial deve ser dada aos tubos do fundo, nos cantos, em caldeiras que tenham sofrido redimensionamentos importantes de capacidade, devido a possíveis alterações de circulação (estas, verificáveis por tubos Pitot). Atenção especial deve ser dispensada a pisos em tubos compostos, que têm apresentado susceptibilidade ao surgimento de trincas na camada austenítica. Neste tipo de material recomenda-se a realização de inspeção por líquidos penetrantes, integral ou por amostragem, dependendo do histórico da caldeira. Nota: extremo cuidado deve ser exercido na remoção do refratário do piso, para evitar danos mecânicos aos tubos. Fig. 7: Projeto Fundo fornalha. Unicelpa-Universidade Setorial de Celulose e Papel. Novembro/2006. Fig. 8: Cantos seguros da fornalha. Unicelpa- Universidade Setorial de Celulose e Papel. Novembro/2006.
7. Recomendações Operacionais Uma das alternativas para prevenir a corrosão é a seleção criteriosa de materiais, sendo fundamental que o ambiente de corrosão tenha sido caracterizado. As referências padrão de corrosão são úteis nesse sentido. Aqui o custo pode ser significativo. Nem sempre é economicamente viável empregar o material que proporciona uma condição ótima de resistência a corrosão; algumas vezes, outra liga e/ou alguma outra medida precisa ser empregada. A alteração da natureza do ambiente, se possível, também pode influenciar a corrosão de natureza significativa. Para caldeiras de recuperação química, em especial, a redução da temperatura do fluido e/ou velocidade do mesmo produz geralmente uma redução na taxa segundo o qual a corrosão de processa. Observar a tendência de parâmetros é um importante indicativo no encontro de soluções, sejam elas definitivas ou apenas como estágio secundário. Em algumas oportunidades o aumento ou a diminuição da concentração de algum componente na solução terá efeito positivo ou paliativa que pode ser efetivo quando executado com uma medida significativa. É recomendável que uma ação específica de make up seja efetuada com a finalidade de equilibrar componentes químicos e prevenir possíveis anormalidades. O local, freqüência e forma, dependem do processo e espécies químicas envolvidas, porém o bom senso diz que o ponto de projeto seja flexível a mudanças nas possíveis configurações. Esta ação associada à utilização de inibidores que nada mais são substâncias que, quando adicionadas ao ambiente em concentração relativamente baixas, diminuem a sua corrosividade. Obviamente o inibidor específico depende tanto da liga como do ambiente corrosivo. Existem vários mecanismos que podem ser responsáveis pela eficácia dos inibidores. Alguns reagem e virtualmente eliminam um componente quimicamente ativo presente na solução (como o oxigênio dissolvido). Outras moléculas inibidoras se fixam a superfície que está sofrendo corrosão e interferem ou na reação de oxidação ou na de redução, ou formam um revestimento protetor muito fino. Os inibidores são utilizados normalmente em sistemas fechados, e especialmente em caldeiras para geração de vapor. A determinação do balanço de massa é um forte indicativo em estágio intermediários como por exemplo: tanque de dissolução, composição do Smelt e eficiência de
periféricos da caldeira. Pode-se plotar gráficos de funcionamento dos anteriores em função da composição de espécies químicas, como estudo de possíveis variações. Isto é de grande valia em se tratando de um licor Kraft com características diversas em função de sua densidade básica e madeira plantada. Vários aspectos relacionados à consideração de projeto, especialmente os relacionados à corrosão galvânica e em frestas e á erosão-corrosão. Além disso, devese existir uma drenagem eficiente e completa no caso de uma parada, além de uma fácil lavagem do material. Já o oxigênio dissolvido pode aumentar a corrosividade de muitas soluções, sendo necessária a existência de recursos eficientes e continuamente monitorados para a exclusão do ar. Barreiras físicas á corrosão são aplicadas sobre as superfícies na forma de películas e de revestimentos. Uma grande diversidade de materiais de revestimento metálico e não metálicos está disponível. É essencial que o revestimento mantenha um alto grau de adesão á superfície, o que sem dúvida exige um tratamento de superfície anteriormente a aplicação. Na maioria dos casos, o revestimento deve ser virtualmente não reativo no ambiente corrosivo. Todos os três tipos de materiais metais, cerâmicos e polímeros são usados como revestimentos para os metais e/ou ligas. A aplicação depende do processo e da viabilidade econômica, porém um estudo de caso e recomendável. 8. Bibliografia Mikell P. Groover, Automation, Production Systems and Computer Integrated Manufacturing, Englewood Cliffs:Prentice-Hall, 1987. Ibrahim Zeid, CAD/CAM Theory and Practice, New York, McGraw-Hill, 1991. Kunwoo Lee, Principles of CAD/CAM/CAE Systems, Addison Wesley Longman Inc., California, 1999.