APLICAÇÕES DE EMISSÃO ACUSTICA EM CALDEIRAS Mauro Duque de Araujo ¹, Arilson Rodrigues da Silva ² Copyright 2006, ABENDE Trabalho apresentado no CONAEND&IEV 2006, em São Paulo/SP. As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do(s) autor(es). 1. SINOPSE São discutidas experiências práticas de aplicações da técnica de emissão acústica em caldeiras fogotubulares e aquotubulares, durante inspeções periódicas e avaliações de integridade. 2. INTRODUÇÃO Este trabalho tem por objetivo discutir alguns benefícios a integridade e segurança destes equipamento obtidos com a aplicação do exame por emissão acústica em inspeções de caldeiras, quanto a sua deterioração por mecanismos que induzam principalmente a formação de trincas. São discutidos aspectos relativos a dificuldades encontradas na prática para a inspeção adequada destes equipamentos por métodos tradicionais, já que frequentemente os locais de interesse apresentam dificuldades tais como a limitações de acesso, dificuldades de preparação de superfície e necessidade de preparação e exame de extensas áreas. São abordados os procedimentos utilizados para a execução destes exames. 3. EMISSÃO ACÚSTICA EM CALDEIRAS Caldeiras são equipamentos destinados a produção de vapor e podem ser divididas em dois tipos principais, caldeiras fogotubulares e aquotubulares. Por gerarem e acumularem vapor apresentam um maior risco intrínseco e um farto histórico de acidentes catastróficos, sendo por este motivo obrigatoriamente submetidas à inspeções periódicas para controle da deterioração e conseqüente minimização dos riscos de falhas. Estas inspeções objetivam detectar prematuramente eventuais danos que surgiram e/ou se propagaram durante a operação. São diversos os mecanismos de deterioração que atuam sobre os componentes das caldeiras, e a detecção dos danos associados é feita através da aplicação de ensaios não destrutivos durante as inspeções. O End s vêm se desenvolvendo continuamente ao longo do tempo, porém ainda hoje não se atingiu um nível técnico que permita caracterizar o estado físico do equipamento com a certeza que todos os danos existentes foram detectados, isto se deve a limitações no atual conhecimento existente sobre os mecanismos de deterioração, de acesso às regiões de interesse, das técnicas de end s, nos dados disponíveis das variáveis que controlam a deterioração, além da necessidade de preparação e exame de extensas áreas, por estes motivos frequentemente nos deparamos com surpresas durante as inspeções e também ocorrem falhas decorrentes da evolução de danos não detectados e muitas vezes nem sequer procurados pelos end s aplicados nas inspeções. Considerando os fatos expostos acima adotamos por filosofia recomendar que sejam aplicados os exames e testes possíveis no seu atual estágio de desenvolvimento, nas inspeções para maximizar a capacidade de detecção de eventuais danos presentes. Neste sentido o exame por emissão acústica tem sido aplicado com êxito na inspeção de tubulões de caldeiras aquotubulares e cascos de caldeiras fogotubulares, que são os componentes mais perigosos desses equipamentos.
A emissão acústica tem sido aplicada para a detecção de trincas nestes componentes, as quais se localizam em diversas regiões; infelizmente muitas destes locais são de difícil acesso ou até mesmo não permitem acesso para a aplicação de técnicas convencionais de ensaios não destrutivos, conforme ilustrado nas figuras abaixo. A preparação de superfície necessária para execução de exame por partículas magnéticas e líquido penetrante também não é aconselhável por danificar a camada de óxidos protetores existentes na superfície interna destes componentes. O exame por emissão acústica apresenta um grande atrativo em relação a este aspecto já que é um exame global que permite detectar eventuais trincas que tenham surgido e/ou se propagado em operação. Um aspecto também importante é que o ensaio pode ser aplicado até com o equipamento em operação, o que é contribui para o aumento da disponibilidade para produção. Figura 1 Ilustração de Corpo de caldeira fogotubular e tubulão Conexões de saída de vapor Sem acesso interno, normalmente encontram-se sob demister e separadores de gotículas Sem acesso externo quando existem aneis de reforço nos bocais Ligamentos entre os furos Não possuem acesso à superfície externa Acesso à superfície interna limitado Não possui acesso para pesquisa de descontinuidades embebidas Figura 2 TUBULÕES - Exemplos de locais com limitações para exame por técnicas convencionais de inspeção e adequadamente examinados por emissão acustica
Figura 3 CASCOS DE CALDEIRAS FOGOTUBULARES - Exemplos de locais com limitações para exame por técnicas convencionais de inspeção e adequadamente examinados por emissão acustica Soldas de Conexões Não possuem acesso pela superfície externa (anel de reforço, isolada e pintada) Acesso pela superfície interna é limitado, é comum não ser possível entrar. Quando é possível normalmente a superfície é de difícil preparação Soldas Espelho X Casco Não possuem acesso pela superfície externa (isolada e pintada) Acesso pela superfície interna é limitado, é comum não ser possível entrar. Quando é possível normalmente a superfície é de difícil preparação 4. PROCEDIMENTOS DE EMISSÃO ACUSTICA 4.1 EM TUBULÕES 4.1.1 EM PARADAS PROGRAMADAS FASE 1 - Monitoramento durante o resfriamento; FASE 2 - Monitoramento durante sobre-pressurização após a parada do equipamento O monitoramento dos tubulões durante o resfriamento da caldeira, FASE 1, permite a detecção de eventuais trincas nucleadas e que estejam em propagação resultante da ação de tensões térmicas, já que é durante o resfriamento da caldeira que ocorrem os maiores diferenças entre a temperatura da água alimentada e o vapor gerado, e portanto as maiores tensões tensões térmicas, sugere-se a monitoração até que a diferença de temperatura entre a água de alimentação e a temperatura do vapor saturado seja de 50ºC. O gráfico abaixo ilustra os resultados de emissão acústica obtido durante o resfriamento de uma caldeira.
Figura 4 EA x Diferença de Temperatura O monitoramento durante sobre-pressurização com o equipamento parado permite a pesquisa de eventuais trincas orientadas favoravelmente ao campo de tensões primárias resultantes da pressão interna, que são as descontinuidades mais importantes do ponto de vista de segurança da estrutura. Os dois monitoramentos são recomendáveis, pois trincas orientadas pelo campo de tensões térmicas podem não estar favoravelmente orientadas ao campo de tensões resultante da pressurização do equipamento 4.1.2 EM OPERAÇÃO FASE 1 Monitoração durante sobre-pressurização em serviço Uma vez caracterizado o estado físico do equipamento, existe a possibilidade de monitoração do equipamento em operação por sobre-pressurização, o que permite a detecção de eventuais trincas surgidas ou em propagação em serviço e orientadas favoravelmente ao campo de tensões primárias. Este procedimento permite principalmente a monitoração da segurança da estrutura. 4.2 EM CASCOS DE CALDEIRAS FOGOTUBULARES 4.2.1 EM PARADAS PROGRAMADAS FASE 1- MONITORAÇÃO EM OPERAÇÃO COM VARIAÇÃO DE CARGA TÉRMICA FASE 2- MONITORAÇÃO DURANTE O RESFRIAMENTO FASE 3- MONITORAÇÃO DURANTE SOBRE-PRESSURIZAÇÃO A monitoração em operação durante variação de carga térmica, FASE 1, permite a pesquisa da presença de trincas que nucleiam e propagam pelas tensões térmicas decorrentes dos diferenciais de temperatura nos componentes submetidos ao fogo tais como os espelhos Os monitoramento durante o resfriamento, FASE 2, e o monitoramento durante sobrepressurização, FASE 3, produzem resultados análogos aos discutidos nos tubulões. A discussão sobre a aplicação e resultados da MONITORAÇÃO EM SERVIÇO contidas no item anterior também produzem resultados análogos neste componente.
Pressão de Os objetivos das FASES 2 e 3 são análogos ao caso dos tubulões operação Aumento significativo da energia ao ultrapassar a pressão de operação Figura 5 Resultados e Emissão Acústica indicando a presença de trincas de fadiga térmica no espelho durante o teste hidrostático A freqüência de aplicação de cada um dos monitoramento citados acima, deve ser decidida pela análise de diversos fatores entre eles devem ser considerados obrigatoriamente as condições de projeto, operação e histórico de inspeção e manutenção de cada equipamento. Caldeiras de alta pressão e produção possuem componentes maiores e mais rígidos (espessos) e operam em temperaturas mais altas, o que resulta em tensões térmicas maiores. Caldeiras que operam em regime intermitente ou com carga variável também apresentam maior probabilidade de acumulo de danos, e o histórico de danos ou reparos anteriores devem obviamente ser considerados.
Região da replica 15 apresentando falta de fusão e trinca de fadiga térmica. TUBO ESPELHO Foto macrográfica da região analisada apresentando trincas e falta de fusão. Trincas de fadiga térmica paralelas transversal a ZTA da solda existente entre tubo e espelho.
CONCLUSÕES A técnica de emissão acústica é aplicável na inspeção de caldeiras. Ela fornece informações únicas sobre o estado físico principalmente dos componentes mais perigosos destes equipamentos por permitir a inspeção de regiões que seriam dificilmente inspecionadas e até mesmo não permitiriam a inspeção por outras técnicas de ensaios não-destrutivos. Por ser um exame global e não intrusivo apresenta também a vantagem de poder ser aplicado até mesmo com o equipamento em operação. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Pollock, Adrian A., Loading and stress in Acoustic Emission Testing, www. Asnt.org/publications/materialseval/basics/mar04basics.htm [2] ASME V [3] French, N.D., Metallurgical Failures in Fossil Fired Boilers, Wiley Interscience, 2ª Edição, 1993. [4] Stulz, S.C., Kitto, J.B., STEAM its generation and use. 40 Edição, The Babcock & Wilcox Company, Barbeton, Ohia, USA [5] Viswanathan, R., Damage Mechanisms and Life Assessment of High Temperature Componentes, ASM International, 1989 [1] Engenheiro Metalúrgico MSc Araujo Engenharia / EAbrasil [2] Técnico de Inspeção Sr. - Araujo Engenharia / EAbrasil