Vida Residual Inspeção de Equipamentos Geraldo Ferreira Pinto Junior Niteroi, 02 de dezembro de 2014
INTRODUÇÃO Abaixo observamos a fotografia de uma indústria, onde muitos dos seus equipamentos são vasos de pressão. A NR-13 é a norma regulamentadora para caldeira e vasos de pressão. Nos parágrafo a seguir verifica-se o que a NR-13 determina sobre vida residual (remanescente). ANEXO II 13.5.6. Ao completar 25 anos de uso, na sua inspeção subseqüente, as caldeiras devem ser submetidas à rigorosa Avaliação de Integridade para determinar a sua vida remanescente e novos prazos máximos para inspeção, caso ainda estejam em condições de uso. 13.5.6.1. Nos estabelecimentos que possuam Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos citado no Anexo II, o limite de 25 anos pode ser alterado em função do acompanhamento das condições da caldeira, efetuado pelo referido órgão. REQUISITOS PARA CERTIFICAÇÃO DE "SERVIÇO PRÓPRIO DE INSPEÇÃO DE EQUIPAMENTOS" Antes de colocar em prática os períodos especiais entre inspeções, estabelecidos nos subitens 13.5.4 e 13.10.3 desta NR, os "Serviços Próprios de Inspeção de Equipamentos" da empresa, organizados na forma de setor, seção, departamento,
divisão, ou equivalente, devem ser certificados pelo Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (INMETRO) diretamente ou mediante "Organismos de Certificação" por ele credenciados, que verificarão o atendimento aos seguintes requisitos mínimos expressos nas alíneas "a" a "g". Esta certificação pode ser cancelada sempre que for constatado o não atendimento a qualquer destes requisitos: a) existência de pessoal próprio da empresa onde estão instalados caldeira ou vaso de pressão, com dedicação exclusiva a atividades de inspeção, avaliação de integridade e vida residual, com formação, qualificação e treinamento compatíveis com a atividade proposta de preservação da segurança; b) mão-de-obra contratada para ensaios não-destrutivos certificada segundo regulamentação vigente e para outros serviços de caráter eventual, selecionada e avaliada segundo critérios semelhantes ao utilizado para a mão-de-obra própria; c) serviço de inspeção de equipamentos proposto possuir um responsável pelo seu gerenciamento formalmente designado para esta função; d) existência de pelo menos 1 "Profissional Habilitado", conforme definido no subitem 13.1.2; e) existência de condições para manutenção de arquivo técnico atualizado, necessário ao atendimento desta NR, assim como mecanismos para distribuição de informações quando requeridas; f) existência de procedimentos escritos para as principais atividades executadas; existência de aparelhagem condizente com a execução das atividades propostas. CONCEITOS Todos os equipamentos e tubulações estão sujeitos a mecanismos de danos progressivos, estejam eles atuando isoladamente ou em possíveis associações. Estes mecanismos poderão vir a provocar falhas nos equipamentos, gerando várias consequênicas, tais como: Paralisações não programadas (acidentais); Perda da especificação ou contaminação do produto - bota fora ou queima; Perda de eficiência; Perdas patrimoniais Perdas humanas;
Com o objetivo de evitar os cenários mostrados pelas fotografias acima é que a comunidade industrial vem desenvolvendo ações e pesquisas, para a identificação dos mecanismos de danos e as ações necessárias para eliminá-los, ou controlá-los. Vale lembrar, que podemos utilizar diversas técnicas de inspeção para detectar danos/descontinuidades, durante a avaliação dos equipamentos ou tubulações, e cada técnica terá sua efetividade, conforme o quadro a seguir.
As 4 fotografias a seguir nos mostram dois tipos de danos: duas alterações dimensionais (através da deformação nos dois tubos) e duas trincas. Porém elas podem ter sido originadas por mecanismos de danos diferentes. Para a caracterização do mecanismo de danos teremos de realizar uma análise do dano. Em muitos casos é necessário realizar uma análise de causa raiz, que é uma metodologia tem por objetivo encontrar e ajudar a atacar a verdadeira causa de um problema, e não seu efeito. Diagrama do fluxo para a determinação da vida residual de um equipamento.
VIDA RESIDUAL Vida residual ou remanescente é o tempo máximo estimado pelo Profissional Habilitado para a operação do equipamento em condições seguras, a partir de sua última avaliação de integridade física. Os mecanismos de danos que pode-se calcular a vida residual do equipamento, em função da taxa de progressão do dano, são: Y Perda de espessura por corrosão, erosão ou combinação desses mecanismos; Y Fadiga mecânica ou térmica; Y Fluência. Não se consegue calcular a vida residual em função de uma taxa de progressão Y Mecanismos de danos que provocam o crescimento de descontinuidades quase instantaneamente ou em curto espaço de tempo (poucas horas), tais como: fratura frágil, colapso plástico, stress rupture Y Y Mecanismos de danos cujas taxas de progressão não são conhecidas ou são de difícil avaliação segura, tais como: HIC ( Hydrogen Induced Cracking ), corrosãosob-tensão, fadiga-corrosão, danos metalúrgicos (fragilização do revenido, precipitação de fase sigma, sensitização, grafitização etc). A inspeção deve determinar e mensurar o tipo de dano eventualmente ocorrido. Deve também combinar esses resultados com os dados de operação, históricos anteriores, ocorrências eventuais e, quando necessários, ensaios adicionais. A avaliação de vida residual envolve estudo da relação entre o mecanismo de dano, taxa de progressão, propriedades mecânicas dos materiais na condição atual do ciclo de vida e as tensões atuantes reais ou as tensões nas condições de projeto. Nas avaliações de vida residual deve-se, sempre que possível, seguir as seguintes etapas: Consultar os resultados da inspeção de determinação do tipo de dano e sua mensuração. Consultar na documentação do equipamento dados como: especificações de materiais, detalhes construtivos, folhas de dados, desenhos e cálculos. Obter as condições reais de operação do equipamento. Levantar dados sobre possíveis detalhes que possam afetar a avaliação, como: Alterações realizadas no equipamento ou componente durante sua vida operacional; Desgastes/danos verificados em inspeções anteriores;
Determinar as necessidades de ensaios adicionais e executá-los, se necessário. Executar a avaliação de vida residual. Em campos específicos do relatório de inspeção, registrar o resultado da avaliação da vida residual abordando os seguintes itens: método de avaliação adotado, estimativa de vida residual, recomendações e data da próxima inspeção. COMO DEVE SER ESTIMADO O CÁLCULO DE VIDA RESIDUAL 1.1.1. Perda de espessura A estimativa de vida residual será realizada baseada na taxa de desgaste de acordo com as Normas API 570, API 510 ou API 653, até o limite da espessura mínima requerida pelo código de projeto do equipamento. Em casos especiais onde sejam necessários cálculos alternativos, utilizar preferencialmente o API 579, Seção 4 ou 5 ou 6, ou ainda a BS 7910 parágrafo G.4. 1.1.2. Fadiga mecânica ou térmica Deverá ser estimada a vida residual a partir da detecção de uma trinca de fadiga em propagação. Neste caso, deve-se utilizar o API 579 Seção 9, parágrafo 9.5.1, ou BS 7910 Capítulo 8. 1.1.3. Fluência A estimativa de vida em fluência é assunto ainda em desenvolvimento, todavia, existem técnicas que já são utilizadas para tais estimativas. Deste modo, devem ser seguidas as orientações citadas abaixo: Determinação de vida residual com base na alteração da microestrutura metalúrgica do material, através da utilização de padrões de comparação; Determinação de vida residual com base na evolução de microcavidades de fluência. Neste caso a estimativa poderá ser feita com base nos estudos de Neubauer ou similar; Cálculo da taxa de propagação de uma trinca por fluência. Neste caso poderá ser feita conforme BS 7910 Apêndice T, ou API 579, parágrafo F.7.6.
TAXA DE CORROSÃO Quando utilizar peso Quando utilizar medição de espessura
SOBRE AS NORMAS API RP 571 - Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry. Mecanismos de danos que afetam o equipamento estático na indústria de refinação BS 7910-99 Amendment 2000 - Guide on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures Guia de Métodos de avaliação da aceitabilidade de falhas em estruturas metálicas API RP 579 - Recommended Practices For Fitness-For-Service Avaliação para os diversos tipos de danos que podem ser esperados em equipamento pressurizado na refinaria e indústria química. A atividade de adequação ao uso de equipamentos depende da capacidade de resposta a diversos questionamentos relacionados ao problema a ser resolvido, como por exemplo : Quais os limites para uma região com perda de espessura por corrosão?; Qual o intervalo entre inspeções recomendado para equipamentos que operam sujeitos a trincamento pelo meio (CST)?; Como determinar a probabilidade de falha de um equipamento?; Como definir propriedades de material para uma avaliação de integridade de uma estrutura? Como avaliar o projeto e materiais empregados em equipamentos sujeitos a baixas temperaturas (fratura frágil)? Quais os fatores de segurança adequados para um equipamento com alto risco operacional e danos acumulados? Como registrar uma descontinuidade de forma a permitir uma avaliação posterior pela Mecânica da Fratura? A filosofia empregada para equipamentos novos é baseada na aplicação de códigos tradicionais de projeto e fabricação. Tais códigos definem as regras básicas envolvendo a especificação dos materiais, fatores de segurança, critérios de dimensionamento, processos e detalhes de fabricação, exigências de inspeção e testes de fabricação, ensaios a serem empregados, etc... Filosofia e qualidade exigida pelos códigos de projeto tradicionais (ASME Code - BPVC, Ad-Merkblatter, BS-5500, ANSI B31.3, ANSI B31.8, API-1104,..); Qualificação da mão de obra de inspeção direcionada para discernir e registrar o que interessa a um sistema ligado à fabricação;
Objetivo principal é detectar e indicar regiões de reparo comparando-se padrões de aceitação definidos pelos códigos. Para equipamentos em operação, não existem regras tão definidas como no caso de equipamentos novos. A responsabilidade pela definição de critérios e propriedades de material a serem empregadas em uma avaliação de integridade é suportada por publicações oficiais e reconhecidas, mas que não estabelecem todas as regras e exigências para realização do trabalho. Torna-se necessário, em muitos casos conviver com o dano, identificar sua extensão e acompanhar sua progressão. Não existem padrões para reparo e sim critérios que permitem avaliar o dano e sua influência no risco operacional do equipamento. A atividade de avaliação de integridade exige mais engenharia x menor intervenção. Fatos : Equipamentos e tubulações em meia vida acumulam danos inerentes e dependentes da operação; Códigos de projeto tradicionais não consideram esse acúmulo de danos e suas conseqüências no risco operacional. A operação do equipamento é muitas vezes responsável pela iniciação e/ou propagação de descontinuidades, redução de espessura através de processos corrosivos, desvios deforma relacionados a ciclos térmicos, etc,.. Tais ocorrências apesar de inaceitáveis pelo código de projeto podem não ser relevante para o equipamento; Muitas vezes o dano presente no equipamento é oriundo das fases da fabricação, não sendo um resultado da operação e o tempo de uso. Equipamentos em meia vida ¹ Equipamentos novos. É impraticável, técnica e economicamente, a volta ao passado. O reparo em equipamentos é a ferramenta para mantê-lo operacional, dentro de um risco admitido, não para torná-lo novamente um equipamento recém fabricado. Como principal objetivo da atividade de Adequação ao Uso, temos : Manter a integridade estrutural e quantificar o risco associado à operação de equipamentos com danos. Análise de: mecanismos de danos + condição física do equipamento + detalhes de projeto + segurança no dimensionamento + nível de atendimento aos requisitos de códigos de projeto + qualidade da fabricação = AVALIAÇÃO DE INTEGRIDADE ESTRUTURAL. As etapas identificadas para a realização da tarefa de Adequação ao Uso são as seguintes.
ID Tarefa D TAREFAS 1 Identificação do dano; 2 Definição da extensão do dano; 3 Definição do mecanismo de falha associado ao dano presente; 4 Levantamento dos dados do equipamento; 5 Verificação do critério de avaliação mais adequado, sua aplicabilidade e limitações; 6 Definição de F.S. para a operação dentro dos níveis de risco assumidos; 7 Utilização dos critérios de avaliação e aceitação; 8 Avaliação da vida remanescente do equipamento; 9 Definição do intervalo entre inspeções e/ou tempo de campanha; 10 Definição de medidas para reduzir a taxa de progressão do dano (remediação); 11 Definir meios de monitorar a extensão do dano e sua taxa de propagação 12 Documentação. As especialidades envolvidas para a completa caracterização de um problema, análise de falhas, avaliação da integridade estrutural e proposição de soluções são variadas e com funções definidas. ESPECIALIDADES ID Metalurgia ou Materiais 1, 3, 4, 5, 8, 9, 10 Mecânico estrutural 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Inspeção 1, 2, 4, 5, 9, 11 Mecânica da Fratura 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 Processo 4, 9, 10, 11 A Prática Recomendada API-579 : 2000 foi definida para utilização em equipamentos projetados e fabricados conforme os códigos a seguir citados: 1 ASME B&PV Code, Section VIII, Division 1 2 ASME B&PV Code, Section VIII, Division 2
3 ASME B&PV Code, Section 1 4 ASME B31.3 Piping Code 5 ASME B31.1 Piping Code 6 - API-650 7 API-620 API RP 581, classifica os danos em: - TIPOS DE DANOS THINNING (PERDA DE ESPESSURA - PE) SURFACE CONNECTED CRACKING (TRINCAS SUPERFICIAIS - TS) SUBSURFACE CRACKING (TRINCAS EMBEBIDAS - TE) MICROVOID FORMATION ( FORMAÇÃO DE MICROCAVIDADES MC) MICROFISSURING (MICRO TRINCAS MT) METALLURGICAL CHANGES (ALTERAÇÕES ESTRUTURAIS - AE) DIMENSIONAL CHANGES (ALTER. DIMENSIONAIS - AD) BLISTERING (EMPOLAMENTO - EM) MATERIAL PROPERTIES CHANGES (ALTERAÇÕES DE PROPRIEDADES - AP) - MECANISMOS DE DANOS Mecânicos por Corrosão por CST por H2 Metalúrgicos 1) Mecanismos de Danos Mecânicos Erosão Sólidos Erosão Gotículas Cavitação PE PE PE Elaboração: Raimundo Sampaio Página 11 de 15
Desgaste PE Fadiga TS, TE Fadiga Térmica Fadiga Corrosão Fluência e Stress Rupture TS TS MT/MC, TE, TS, AE, AD (ruptura devido a tensão em alta temperatura) Trincamento por Fluência Thermal Ratcheting Sobrecarga (colapso plástico) Fratura Frágil MT/MC, TE, TS TS, AD AD, AE 2) Mecanismos de Danos Por Corrosão (PE) 3) Mecanismos de Danos por CST (TS) Aminas Amônia Elaboração: Raimundo Sampaio Página 12 de 15
Caustica Carbonatos Cloretos Ácidos Politiônicos Ácido Fluorídrico 4) Mecanismos de Danos Induzidos por Hidrogênio Empolamento HIC (Trincamento induzido -interno ) SOHIC (orientado pela Tensão) SSC (Trincamento pelo H2S) HCN (Trincamento pelo Cianeto) Hidretação Ataque por Hidrogênio (metanização) Fragilização por Hidrogênio EM, TE, TS, AD TE, TS MT/MC, TE, TS TS TS TE, TS, AE MT/MC, AE, TE TE, AP 5) Mecanismos de Danos Metalúrgicos Fusão Incipiente Esferoidização e Grafitização Endurecimento (Têmpera) Fases Sigma e CHI Fragilização de 480 ºC Fragilização de Revenido MT/MC, TE, TS, MT/MC, TE, TS, Trincas de Re-Aquecimento (Al. Tens) TS, PPT de Carbonetos Cementação Descarbonetação Metal Dusting (fornos de pirólise) PE
Nitretação Envelhecimento Amolecimento por Super-envelh. Envelhecimento a Alta Temperatura Fragilização por Metal Líquido A metodologia de Inspeção Baseada em Risco (RBI) se baseia no API 580 e API 581. É uma ferramenta sistemática que fornece informação essencial para a tomada de decisões relativas a ações de inspeção, visando a racionalização dos recursos em função do risco existente. O principal objetivo da metodologia é a otimização dos recursos de inspeção de modo a atingir elevados índices de integridade e confiabilidade, estabelecendo uma base que permita obter um plano geral de inspeção válido para dois ciclos de parada. A correta aplicação da metodologia RBI conduz a uma otimização de toda a atividade de inspeção. Direciona as inspeções para os equipamentos identificados com níveis de risco mais elevados e permite uma efetiva compreensão dos mecanismos de degradação atuantes em cada equipamento / tubulação do processo. Aplicações da técnica O RBI pode ser aplicado aos equipamentos estáticos de refinarias de petróleo e petroquímicas. Benefícios Obtidos Definição de futuros planos de inspeção, detalhando para cada equipamento:
método de inspeção a ser utilizado; extensão da inspeção; data ideal para a realização da inspeção; Avaliação do impacto de alterações às condições de operação na integridade dos equipamentos; Identificação de todos os contributos para o risco, que de outra forma poderiam ser negligenciados; Determinação do nível de risco atingido após a implementação da estratégia de inspeção e de outras ações de mitigação do risco; Otimização das atividades de inspeção - focadas nos equipamentos de maior risco; Eliminação das atividades de inspeção desnecessárias e que não trazem valor agregado; Aumento da flexibilidade dos intervalos de inspeção sem comprometer a integridade dos equipamentos; Possibilidade de controle da degradação em tempo real - janelas de operação; Aumento da confiabilidade e disponibilidade dos equipamentos minimização de paradas não programadas; Aumento global da segurança.