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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE MECÂNICA
CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL MECÂNICA
ALEXANDRO GUILHERME JORGE
GLEDSON HILTON VIDAL
ANÁLISE DE FALHA EM TUBO CONDUTOR DE VAPOR DE
CALDEIRA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CURITIBA
2014
ALEXANDRO GUILHERME JORGE
GLEDSON HILTON VIDAL
ANÁLISE DE FALHA EM TUBO CONDUTOR DE VAPOR DE
CALDEIRA
Monografia do Projeto de Pesquisa
apresentada à disciplina de Trabalho de Conclusão
de Curso 2 do curso de Engenharia Industrial
Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do
Paraná, como requisito parcial para aprovação na
disciplina.
Orientador: Prof. Aldo Santos Pereira, Dr.
Coorientador: Prof. Raul Henrique Erthal, MSc.
CURITIBA
2014
TERMO DE APROVAÇÃO
Por meio deste termo, aprovamos a Monografia de Projeto de Pesquisa “ANÁLISE DE FALHA EM TUBO CONDUTOR DE VAPOR DE CALDEIRA”, realizada pelos alunos ALEXANDRO GUILHERME JORGE e GLEDSON HILTON VIDAL, como requisito parcial para aprovação na disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2, do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Prof. Aldo Santos Pereira, Dr. DAMEC, UTFPR Orientador
Prof. Raul Henrique Erthal, MSc. DAMEC, UTFPR Coorientador
Prof. Ossimar Maranho, Dr. DAMEC, UTFPR Avaliador
Prof. Ricardo Fernando dos Reis, Dr. DAMEC, UTFPR Avaliador
Curitiba, 20 de Janeiro de 2014.
RESUMO
Este trabalho trata da análise de falha ocorrida nos tubos de suportação dos
superaquecedores de um gerador de vapor, um dos principais equipamentos em
plantas de processo incumbido de prover vapor para diversos utilizadores. Trata-se
de equipamento complexo, que em sua concepção utiliza diversos materiais e
processos de fabricação para adequar-se às condições de operação. Por ser um
equipamento que historicamente tem um dos maiores índices de acidentes,
acarretando grandes prejuízos materiais e, até óbitos de profissionais da área, deve
ser constantemente monitorado. Em função disto, torna-se vital o diagnóstico e
análise das causas das anomalias a fim de tomar as devidas ações corretivas, que
podem estar relacionadas com as condições operacionais e até com problemas de
projeto. A análise de falha envolve diversas áreas do conhecimento, técnicas de
observação, inspeções e ensaios laboratoriais, necessitando muitas vezes de
formação técnica especializada. Neste contexto, o presente trabalho trata da
identificação e possível mitigação das causas de furos em tubos de feixes tubulares,
condutores de vapor de gerador de vapor, de planta petroquímica da cidade de
Araucária. Com esse intuito foram estudadas técnicas de análise de falha, dentre as
quais foram aplicadas as mais adequadas para a situação. Aplicou-se a metodologia
conhecida por Análise de Causa Raiz, sendo que a Árvore de Falhas juntamente
com utilização de categorias fundamentais mostrou-se realmente eficaz.
Proposições de causas, ensaios, observações e avaliações culminaram por
direcionar a análise a uma causa provável relacionada com a montagem equivocada
de separadores de umidade do tipo ciclone, instalados no interior do tubulão de
vapor, que uma vez identificada, promoveu a aplicação de ações corretivas.
Palavras-chave: Inspeção de equipamentos, Caldeira, Gerador de vapor,
Análise de falhas.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Visão geral da caldeira em que houve a falha dos tubos suspensos.
Jan/2010 ............................................................................................................ 14
Figura 2 – Queima de combustível e aquecimento de água (geração de vapor) ...... 17
Figura 3 – Disposição esquemática dos componentes principais de uma caldeira
aquotubular. ....................................................................................................... 19
Figura 4 – Visão da região de convecção, onde estão os tubos suspensos. ............ 23
Figura 5 – Detalhe da região de convecção, onde estão os tubos suspensos. ......... 24
Figura 6 – Detalhe de montagem dos tubos suspensos e das harpas. ..................... 24
Figura 7 – Detalhe de montagem dos tubos suspensos, ganchos de suportação. ... 25
Figura 8 – Modelo de resolução de problemas. ........................................................ 27
Figura 9 – Gráfico comparando a gravidade de uma condição de serviço com a vida
útil de produtos com uma característica variável. .............................................. 31
Figura 10 – Exemplo de árvore de falhas. ................................................................. 37
Figura 11 – Exemplo de evento e fator causal. ......................................................... 38
Figura 12 – Exemplo do diagrama de Ishikawa. ........................................................ 39
Figura 13 – Fluxograma do GV-5603. ....................................................................... 46
Figura 14 – Visão dos tubos suspensos, região mais afastada da fornalha. ............. 47
Figura 15 – Visão dos tubos suspensos, região mais próxima à fornalha. ................ 48
Figura 16 – Visão dos tubos suspensos, regiões de falha. ....................................... 48
Figura 17 – Ensaio por réplica metalográfica nos tubos da caldeira. ........................ 50
Figura 18 – Detalhe da região do tubo. ..................................................................... 50
Figura 19 – Região limpa. ......................................................................................... 50
Figura 20 – Detalhe da região limpa e isenta de descontinuidades. ......................... 50
Figura 21 – Microestrutura composta por matriz ferrítica com carbonetos dispersos e
em contorno de grão com início de coalescimento dos carbonetos. Ataque
químico: Villela’s. ............................................................................................... 51
Figura 22 – Visão dos tubos suspensos, conforme retirados da caldeira. ................ 52
Figura 23 – Amostras de tubos após preparação (corte). ......................................... 52
Figura 24 – Redução de espessura e acúmulo de depósito no tubo n° 2. ................ 53
Figura 25 – Laranja com destacamento da espessa camada de óxido no tubo n° 6.53
Figura 26 – Camada de óxido no tubo n° 6. ......... ..................................................... 53
Figura 27 – Depósitos nos tubos n° 1 e 2. ......... ....................................................... 53
Figura 28 – Acúmulo de grande quantidade de depósito nos tubos de n° 7 a 12. .... 54
Figura 29 – Estratificação do depósito no tubo n° 1 2. ............................................... 54
Figura 30 – Divisão das causas físicas. .................................................................... 56
Figura 31 – Trecho do tubo de onde foram retiradas amostras para metalografia. ... 57
Figura 32 – Micrografia da amostra 01 retirada de um tubo aparentemente sem
danos. ................................................................................................................ 57
Figura 33 – Localização de retirada das amostras. ................................................... 58
Figura 34 – Amostra embutida. ................................................................................. 59
Figura 35 – Detalhe da região com oxidação severa. Ampliação: 27x. ..................... 59
Figura 36 – Detalhe das regiões de micrografia. ....................................................... 60
Figura 37 – Amostra 1A – Carbonetos esferoidizados. Nital 3%. .............................. 60
Figura 38 – Amostra 1B – Carbonetos esferoidizados. Nital 3%. .............................. 60
Figura 39 – Amostra 2. Detalhe da região de micrografia. ........................................ 61
Figura 40 – Amostra 2. .............................................................................................. 61
Figura 41 – Amostra 2 – Trinca. ................................................................................ 61
Figura 42 – Utilização do analisador de ligas. ........................................................... 61
Figura 43 – Tela de console com variáveis apresentadas de forma esquemática. ... 65
Figura 44 – Gráfico da água de alimentação e vapor produzido. .............................. 66
Figura 45 – Diferença entre a água de alimentação e vapor produzido. ................... 67
Figura 46 – Gráfico mostrando o nível no tubulão e vazão de V-88. ......................... 68
Figura 47 – Exemplo de tubulão com ciclone. ........................................................... 71
Figura 48 – Ilustração do funcionamento de um ciclone. .......................................... 71
Figura 49 – Ciclones danificados. ............................................................................. 72
Figura 50 – Ciclone montado invertido. ..................................................................... 73
Figura 51 – Ciclone montado corretamente. ............................................................. 73
Figura 52 – Diagrama da montagem das aletas. ....................................................... 74
Figura 53 – Árvore da análise de falhas do tubo suspenso. ...................................... 78
Figura 54 – Peças de reposição da caldeira (ciclones). ............................................ 79
Figura 55 – Diagrama mostrando a excitação nas camadas eletrônicas. ................. 88
Figura 56 – Diagrama mostrando o funcionamento do ensaio e suas formas de
exposição dos dados para o usuário. ................................................................. 89
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Composição química conforme ASTM .................................................... 21
Tabela 2 – Temperatura de oxidação severa (Scaling) ............................................. 59
Tabela 3 – Composição química do componente ..................................................... 62
Tabela 4 – Valores de dureza ................................................................................... 63
Tabela 5 – Análise química dos depósitos. ............................................................... 68
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Dados técnicos do tubo. ......................................................................... 21
Quadro 2 – Dados técnicos da caldeira. ................................................................... 22
Quadro 3 – Exemplo de análise de ACR de um vaso de pressão............................. 30
Quadro 4 – Defeitos típicos encontrados em processos de fabricação. .................... 33
LISTA DE SIGLAS
ACR – Análise de causa e raiz.
ASM – American Society for Metals.
ASTM – American Society for Testing and Materials.
ED – Ensaio destrutivo.
END – Ensaio não destrutivo.
MEF – Método dos elementos finitos.
RCA – Root cause analysis (sigla em inglês para ACR).
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO 11
1.1 Contexto do Tema 12
1.2 Caracterização do Problema 13
1.3 Objetivo Geral 13
1.4 Justificativa 13
1.5 Etapas do Trabalho 15
1.6 Conteúdo 15
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 17
2.1 Gerador de vapor 17
2.1.1 Materiais empregados nas caldeiras 20
2.1.2 Mecanismos de degradação em caldeiras 21
2.1.3 GV-5603 - O gerador de vapor em questão 22
2.2 Análise de falhas 25
2.2.1 Metodologia 26
2.2.2 Definição de falha 28
2.2.3 Análise de causa raiz (ACR) 29
2.2.4 Deficiências de projeto 32
2.2.5 Defeitos de material 33
2.2.6 Defeitos de fabricação e/ou instalação 34
2.2.7 Anomalias durante a operação 35
2.2.8 Métodos de aplicação da ACR 36
2.3 Ensaios 42
3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS 44
4 RESULTADOS 47
4.1 Manutenção corretiva 47
4.2 Análise de falha 51
4.2.1 Análise de amostras 51
4.2.2 Método dos 5 porquês 54
4.3 Método da árvore de falhas 55
4.3.1 Verificação do material 56
4.3.2 Acompanhamento operacional 63
4.3.2.1 Análises complementares dos depósitos 68
4.3.3 Verificação de montagem 70
5 CONCLUSÕES 75
5.1 Ações corretivas 75
5.2 Análise de falhas 75
5.2.1 Método dos 5 porquês 75
5.3 Consequências e ações 78
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 81
ANEXO A – Lista de verificação para operador de caldeira 85
APÊNDICE A – Ensaio Visual 86
APÊNDICE B – Planejamento do exame visual 87
APÊNDICE C – Análise da composição química por fluorescência de raios-X 88
11
1 INTRODUÇÃO
Entende-se por planta de processo as indústrias em que materiais sólidos ou
fluidos sofrem transformações físicas ou químicas, são armazenados, manuseados
ou distribuídos. Como principais exemplos têm-se a indústria do petróleo, as
indústrias químicas, petroquímicas e termoelétricas (TELLES, 1996).
Os equipamentos que compõe essas plantas denominam-se equipamentos de
processo. São comumente classificados em três grandes grupos, quais sejam:
estáticos, dinâmicos e tubulações. Os equipamentos estáticos ou de caldeiraria
compreendem os vasos de pressão, tanques e esferas de armazenamento, torres,
reatores, fornos, caldeiras, etc. (TELLES, 2003).
Caldeiras ou geradores de vapor são equipamentos que utilizando energia
química liberada durante um processo de combustão, promovem a mudança de fase
da água do estado líquido para o estado de vapor com pressão superior à
atmosférica (LORA & NASCIMENTO, 2004).
Entre os constituintes de uma caldeira têm-se em maior quantidade os tubos,
os quais possuem funções estruturais, de condução do fluido e de troca térmica
entre fluídos e gases de combustão. Tubos são condutos fechados, normalmente de
seção circular apresentando-se como cilindros ocos (TELLES, 2001).
Nas indústrias de processo existem condições específicas que tornam
necessário um maior grau de confiabilidade. Esse segmento trabalha quase sempre
em regime contínuo e ininterrupto durante longos períodos, normalmente superiores
há 30 meses. Outro fator relevante é o fato de que os equipamentos que a compõe
formam uma cadeia contínua através da qual circulam os fluídos de processo, deste
modo a falha de um componente pode gerar a paralisação ou redução de produção
de toda a instalação. Além disso, existe em grande parte das plantas de processo a
manipulação de produtos inflamáveis, tóxicos, explosivos ou em elevadas pressões
e/ou temperaturas, condições essas para as quais pequenas falhas ou vazamentos
podem resultar em acidentes com dimensões potencialmente catastróficas (TELLES,
2003).
12
Quando uma planta de processo é submetida a uma parada emergencial
devido à falha de um único equipamento e/ou componente, o valor de seu reparo é
relativamente baixo quando comparado aos valores de lucros cessantes e dos
danos oriundos desta parada emergencial. Deste modo, entendendo-se os
mecanismos que propiciaram falhas nos componentes, têm-se mais subsídios para a
criação de medidas que aumentem a confiabilidade da planta de processo
(FRENCH, 1993), (TELLES, 2003).
A massificação da utilização desses equipamentos juntamente com a falta de
materiais testados de forma confiável, como conexões e válvulas de segurança
adequadas, culminaram em acidentes envolvendo caldeiras com frequência
assustadora. De meados do século XIX para o século XX esses eventos resultaram
anualmente em 50.000 mortes e 2.000.000 de feridos. Como resposta a isso, em
1915 surge o código ASME Seção I “Regras para construção de caldeiras”, sendo o
primeiro código internacional (NBBI, 2009).
1.1 Contexto do Tema
No dia 10 de janeiro de 2012 realizou-se parada operacional em uma das
caldeiras de unidade petroquímica, com capacidade instalada de 180 toneladas/hora
de geração de vapor, das 670 toneladas/hora de geração de vapor disponíveis na
refinaria, para realização de trabalhos de interligações nos coletores de vapor
superaquecido (aproximadamente 450 ºC e 88 kgf/cm2) e água de alimentação
(aproximadamente 250 ºC e 120kgf/cm2) da respectiva caldeira.
Decidiu-se pela realização de inspeção interna extraordinária por oportunidade,
ou seja, inspeção não programada. Durante a inspeção foram identificados cerca de
25% dos tubos (tubos suspensos) com sinais de superaquecimento e deformações,
sendo que aproximadamente 25% dos tubos identificados encontravam-se rompidos
e com sinal de derramamento de um produto branco desconhecido.
Por tratar-se de uma caldeira relativamente nova (em operação desde 22 de
abril de 2009), com projeto diferenciado das demais existentes na planta de
processo, não há registro de falha similar. Entre as novidades desse projeto,
destaca-se o componente degradado em questão (tubos suspensos) que agrega
13
funções de troca térmica e estruturais, como condução de vapor saturado e
sustentação das harpas do superaquecedor/economizador, características
comumente não observadas em caldeiras convencionais.
1.2 Caracterização do Problema
A partir da constatação da falha realizou-se a substituição dos trechos
comprometidos e os testes necessários de forma a reconstituir as condições
operacionais ao equipamento. Durante esse processo de remoção pode-se observar
que os tubos continham depósitos em seu interior. Porém, tratava-se de manutenção
corretiva com intuito de retornar com o equipamento a operação e com isso manter a
produção da planta operacional.
Dessa forma, para garantia da segurança e da continuidade operacional a
médio e longo prazo, a busca pelos mecanismos que levaram a essa deposição e
falha dos tubos, assim como a mitigação dos mesmos mostrava-se de suma
importância.
1.3 Objetivo Geral
Neste trabalho realizar-se-á análise de falha dos tubos de uma caldeira na
região de superaquecimento (tubos suspensos) com o intuito de estudar e buscar
identificar os mecanismos de degradação funcional do componente do sistema de
circulação de vapor. Para tal será utilizado o conceito de análise de falhas, aplicando
um ou mais métodos de resolução.
Também será abordada uma forma corretiva para retornar com o equipamento
a sua condição operacional de forma rápida e segura.
1.4 Justificativa
Conforme descrito anteriormente, a degradação dos tubos suspensos foi
detectada através de uma inspeção por oportunidade ocasionada por uma demanda
operacional. Neste contexto levantou-se um alerta, pois a caldeira operava em
14
condições normais de geração de vapor, mesmo com vários tubos rompidos, sem
sinais que evidenciassem alguma anormalidade operacional.
Caso não tivesse ocorrido esta parada operacional e a ocasional inspeção, os
demais tubos que foram encontrados com sinais de superaquecimento e
deformações possivelmente teriam a mesma degradação dos anteriores podendo
chegar a romper-se também. Por se tratar de componentes com função, também, de
sustentação, a falha de vários tubos poderia resultar em uma ruptura catastrófica do
conjunto de tubos, com consequente queda das harpas dos superaquecedores e
economizadores de tal forma que comprometeria a caldeira com perdas inestimáveis
de segurança para as pessoas, instalações e ao meio ambiente. Por este mesmo
motivo surgiram os códigos consagrados de projeto, como o ASME (NBBI, 2009).
Com este potencial risco, mostrou-se de suma importância o conhecimento dos
mecanismos de deterioração que ocasionaram o rompimento dos tubos suspensos
sem que houvesse sinais de anomalias, como perdas de rendimento, alteração de
pressão e/ou temperatura. Não obstante, trata-se de equipamento de grande porte e
com uma área de alcance extensa em caso de acidentes, conforme se pode
constatar na Figura 1.
Figura 1 – Visão geral da caldeira em que houve a f alha dos tubos suspensos. Jan/2010 Fonte: Os autores 1
1 Considerar como fonte “Os autores” nos demais casos (quadros, tabelas, figuras, etc.) onde não houver referência.
15
1.5 Etapas do Trabalho
Inicialmente realizou-se estudo para definir uma forma segura de proceder com
a manutenção corretiva do sistema, retornando com condição operacional.
Num segundo momento buscou-se na literatura as técnicas mais consagradas
para análise de falha em tubo condutor de vapor de caldeira, no contexto de uma
planta de processo.
A partir dos conceitos estudados, aplicou-se primeiramente a técnica dos 5
Porquês, que serviu como base dos estudos e remeteu a uma ferramenta mais
robusta, no caso a Análise da Causa Raiz, conjuntamente com a categorização das
causas fundamentais.
Com isso, necessitou-se da realização de diversos ensaios destrutivos e não
destrutivos das amostras retiradas, análises de dados operacionais e verificações de
várias indicações que as referidas técnicas iam apontando com sua aplicação.
Os resultados obtidos foram compilados e analisados e as indicações foram
verificadas para que se obtivesse a causa mais provável e pudesse-se atuar sobre a
mesma.
1.6 Conteúdo
Para apresentação, esse trabalho foi estruturado em seis capítulos e três
apêndices, cujos teores são descritos a seguir.
No capitulo inicial é feita uma introdução a análise de falha proposta e sua
importância para o equipamento e a planta de processo que o mesmo esta inserido,
além de mostrar os objetivos e as justificativas para realização dessa investigação.
No segundo capítulo é feita uma abordagem correlacionando a teoria prévia
necessária, enfatizando, inicialmente, o equipamento estudado e, posteriormente os
principais métodos de análise de falhas. No mesmo capítulo é feita uma breve
abordagem sobre ensaios.
O capítulo seguinte, 3, demonstra os procedimentos metodológicos
selecionados.
16
No capítulo 4, estão demonstrados os resultados obtidos utilizando as técnicas
propostas e a discussão dos mesmos.
O capítulo 5 aborda as conclusões obtidas no presente trabalho
No último capítulo têm-se as considerações sobre trabalhos futuros.
No Apêndice A discorre-se sobre a técnica do ensaio visual.
Complementarmente, no Apêndice B o planejamento do exame visual e o Apêndice
C trata da análise da composição química por fluorescência de raios-X.
Ao final, encontram-se as referências consultadas na literatura, citadas no
texto, precedidas dos dados coletados e os resultados dos ensaios.
17
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Gerador de vapor
Conforme registros, a primeira aplicação de vapor para geração de energia
mecânica (movimento) data de 200 a.C., denominada Eolipila de Heros (The
Babcock & Wilcox 1992).
Apesar da evolução tecnológica o principio de funcionamento de uma caldeira
continua o mesmo. A utilização de energia química liberada durante um processo de
combustão provê a mudança de fase da água de liquido para vapor, conforme
Figura 2.
Figura 2 – Queima de combustível e aquecimento de á gua (geração de vapor) Fonte: Lora & Nascimento (2004)
Nos dias atuais, os principais subsistemas que compõe um gerador de vapor
podem ser visualizados na Figura 3 e descritos abaixo:
a. Câmara de combustão ou fornalha (combustion chamber): Câmara ou
recinto destinado para queima do combustível;
b. Superaquecedor (superheater): Equipamento ou componente destinado
a absorver energia térmica com o objetivo de aumentar a temperatura do
vapor acima de seu ponto de saturação
18
c. Feixe tubular de convecção (boiler convection bank): Grupo de tubos
formando parte de um sistema de circulação de água da caldeira, no
qual a energia térmica dos gases de combustão é transmitida
preponderantemente por convecção. Também conhecido como banco
de convecção;
d. Tubulão de vapor (steam drum): Tubulão/tambor localizado na
extremidade superior de um sistema de circulação de caldeira, na qual o
vapor gerado é separado da água;
e. Tubulão inferior (lower drum): Tubulão/tambor localizado na extremidade
inferior de um feixe tubular de convecção em uma caldeira aquotubular,
onde normalmente é feita a purga intermitente;
f. Economizador (economizer): Equipamento para recuperação de energia
térmica, projetado para transferir energia térmica dos produtos de
combustão exaustos da seção de vaporização da caldeira (boiler bank)
para a água de alimentação da caldeira;
g. Preaquecedor de ar (air preheater): Dispositivo que transfere energia
térmica de um meio de alta temperatura, tal como um gás quente ou
vapor, para uma corrente de ar de combustão.
19
Figura 3 – Disposição esquemática dos componentes p rincipais de uma caldeira aquotubular.
Fonte: Adaptado Eletrobrás (2005)
Compõe o circuito isolado água-vapor tubos da fornalha, superaquecedor, feixe
tubular de convecção, tubulões e economizador, cuja função é o aquecimento da
água, geração e superaquecimento de vapor.
Outro sistema isolado é o de ar-gás de combustão formado por preaquecedor
de ar, câmara de combustão, câmara de convecção e saída dos gases, sendo que o
ar preaquecido é usado na combustão do combustível, gerando os gases que
aquecem os subsistemas que compõe o circuito de água-vapor e depois são
eliminados.
Nesse contexto, componentes como os “tubos suspensos” tem a função de
criar a interface para troca térmica entre os gases de combustão e o fluido a ser
aquecido, nesse caso o vapor saturado.
20
2.1.1 Materiais empregados nas caldeiras
O emprego do material adequado a cada uma das partes de uma caldeira é
uma das prioridades no projeto desses equipamentos. Para tal, alguns fatores têm
de ser levados em consideração:
a. Resistência mecânica do material;
b. Serviço;
c. Métodos de fabricação;
d. Disponibilidade dos materiais;
e. Custos;
f. Experiência prévia de emprego do material;
g. Tempo de vida previsto;
h. Variações toleradas de forma ou de dimensões;
i. Segurança.
Neste caso, a experiência do projetista e/ou do usuário do equipamento é de
suma importância para atribuir maior ou menor valor a cada um dos fatores citados,
de tal forma que para cada componente do equipamento faça-se a melhor seleção e
aplicação de material.
Os materiais metálicos são os mais empregados em equipamento de processo,
sendo que o aço carbono corresponde a mais de 90% de toda a produção mundial
desses materiais. Características como fácil obtenção, boa soldabilidade e o menor
custo em relação a sua resistência mecânica, contribuem para que esse metal
componha 95% em peso no total de equipamentos e tubulações em uma refinaria de
petróleo típica (TELLES, 2003).
Em menor escala e para aplicações especificas utilizam-se os aços-liga e os
aços inoxidáveis. Esses metais são essenciais quando se trabalha com
temperaturas elevadas (acima de 350º C) e/ou em atmosferas com produtos
corrosivos. No caso específico do componente que falhou, tem-se um exemplo de
aplicação do aço-liga tal qual demonstrado no Quadro 1.
21
Quadro 1 – Dados técnicos do tubo. Material: ASTM A-213 T22;
Diâmetro externo: 33,7 mm
Espessura de parede: 4,38 mm
Pressão de projeto: 11,3 MPa (115 kgf/cm2)
Temperatura de projeto: 374°C;
Temperatura de operação: 324°C;
A seguir, a Tabela 1 apresenta a composição química do material conforme norma ASTM
A213/A213M (Standard Specification for Seamless Ferritic and Austenitic Alloy-Steel
Boiler, Superheater, and Heat-Exchanger Tubes).
Tabela 1 – Composição química conforme ASTM
Material / (%) Carbono Manganês Fósforo Enxofre Silício Cromo Molibdênio
A213 T22 0,05 – 0,15 0,30 – 0,60 0,025* 0,025* 0,50* 1,90 – 2,60 0,87 – 1,13
* Valores máximos
2.1.2 Mecanismos de degradação em caldeiras
O estudo das falhas em um gerador de vapor é interessante tanto para o
projetista quanto para o engenheiro responsável pela manutenção. Para o
engenheiro de manutenção o conhecimento apurado dos mecanismos de dano a
que uma caldeira está sujeita é primordial para nortear o programa de manutenção,
reduzindo a probabilidade de ocorrência de paradas não programadas ou acidentes
com estes equipamentos.
Os principais mecanismos de danos que podem afetar uma caldeira podem ser
agrupados em:
a) Degradação térmica;
b) Perda de material por oxidação, corrosão ou erosão;
22
c) Falhas em uniões de partes pressurizadas ou em acessórios;
d) Fadiga.
Como uma caldeira é composta de vários subsistemas que operam em
condições diferenciadas, constituídos por ligas metálicas com características
próprias e construídos por variados processos de fabricação, essa gama de
variáveis deve ser devidamente conhecida e levada em consideração na análise de
cada mecanismo de dano (FRENCH, 1993), (NALCO CHEMICAL COMPANY,
1991).
2.1.3 GV-5603 - O gerador de vapor em questão
Com intuito de caracterizar o equipamento e as regiões de interesse, nesse
tópico demonstrar-se-ão os principais conceitos de projeto e montagem do gerador
de vapor GV-5603.
No Quadro 2 pode-se observar os principais dados técnicos referentes ao
projeto do equipamento.
Quadro 2 – Dados técnicos da caldeira. Tipo de caldeira: Aquotubular
Capacidade de geração de vapor: 180 ton/h
Combustível: Gás de refinaria e gás natural
Pressão de projeto: 115 kgf/cm2
Pressão de operação no tubulão: 95 kgf/cm2
Temperatura do vapor superaquecido: 485°C
Data de partida: 22/04/2009
Como se pode observar trata-se de uma caldeira com grande capacidade de
produção de vapor e por isso um equipamento de grande porte, conforme visto na
Figura 1 anteriormente.
23
Para um melhor entendimento da região de interesse usar-se-ão alguns
registros fotográficos da montagem do referido equipamento. Nas Figuras 4 e 5, tem-
se a visão da região de convecção quando da sua montagem, de tal forma que se
podem visualizar os tubos suspensos, as harpas dos superaquecedores,
sustentadas pelos primeiros, e as parede d’água que fazem o fechamento daquela
região.
Figura 4 – Visão da região de convecção, onde estão os tubos suspensos .
24
Figura 5 – Detalhe da região de convecção, onde est ão os tubos suspensos .
Nas Figuras 6 e 7 pode-se notar como é feita a montagem dos tubos
suspensos e como os mesmos são utilizados para sustentar as harpas dos
superaquecedores.
Figura 6 – Detalhe de montagem dos tubos suspensos e das harpas.
Superaquecedores
Tubos suspensos
25
Figura 7 – Detalhe de montagem dos tubos suspensos , ganchos de suportação.
2.2 Análise de falhas
Trata-se de um processo crítico para determinar as causas físicas básicas de
problemas. O processo é complexo, pois se baseia em diversas áreas técnicas e usa
uma variedade de recursos, como observação, inspeção e ensaios.
Torna-se necessário, em certas circunstâncias, para integrar a análise da
evidência com a análise quantitativa dos esforços envolvidos, informações básicas
sobre o projeto, fabricação, história e serviço do produto defeituoso ou sistema (ASM
HANDBOOK 11, 2008).
Apesar do aspecto danoso pela perda de função, as falhas também podem
levar a melhores práticas de engenharia. Os fracassos dos navios Liberty durante a
Segunda Guerra Mundial foram estudados extensivamente em décadas posteriores,
e como resultado desses esforços obteve-se a compreensão mais profunda do
fenômeno da fratura frágil, culminando em parte, com o desenvolvimento na
engenharia da disciplina de mecânica da fratura (WULPI, 1999).
Quando um problema ocorre, a empresa responsável deverá analisá-lo para
determinar a causa e resolvê-lo. No entanto, devido a várias pressões comerciais
26
e/ou culturais, algumas organizações caem nas seguintes armadilhas quando
surgem problemas (ASM HANDBOOK 11, 2008):
a) Solucionar problemas de forma aleatória, ou seja, tentativa e erro;
b) Perseguição de pistas falsas, não identificando a causa raiz, mas sim as
consequências.
2.2.1 Metodologia
Uma ampla gama de métodos de resolução de problemas e modelos está
disponível na literatura, que apresenta os detalhes dos métodos e processos para
resolver as mais variadas dificuldades sobre falhas encontradas na indústria. Todos
esses métodos e modelos estão embasados no método científico (WILSON, 1993),
como se segue brevemente abaixo:
a) Definir a questão;
b) Propor uma hipótese;
c) Coletar dados;
d) Testar a hipótese;
e) Desenvolver conclusões.
O ASM HANDBOOK 11, 2008, propõe um modelo conciso de resolução de
problemas, adaptado de vários autores consagrados, e que tem aplicabilidade
específica para a análise da falha de fato. Este modelo pode ser entendido com
base na Figura 8.
27
Figura 8 – Modelo de resolução de problemas. Fonte: Adaptado de ASM HANDBOOK 11, 2008.
O formato cíclico do gráfico indica que o processo se realimenta com a
identificação de um novo problema ou problemas trazidos à luz como resultado de
uma primeira solução. Note-se a semelhança com o método clássico científico
resumido anteriormente.
As principais etapas no modelo de definir o processo de resolução de
problemas podem ser detalhadas da seguinte forma:
a) Identificar: descrever a situação atual. Definir a falha em termos de
dados e realizar experimentos para determinar qualitativamente e/ou
quantitativamente as evidências;
b) Determinar a causa raiz: analisar o problema para identificar a(s)
causa(s);
c) Desenvolver ações corretivas: lista de possíveis soluções para mitigar
e prevenir a recorrência do problema. Gerar alternativas. Desenvolver
um plano de implementação;
28
d) Validar e verificar as ações corretivas: ações corretivas devem ser
aplicadas como teste em estudo piloto. Medir a eficácia da mudança e
validar as melhorias. Verificar se o problema foi corrigido e melhorar a
satisfação do cliente;
e) Padronizar: Incorporar a ação corretiva no sistema de documentação e
normas da empresa, organização ou indústria para evitar a recorrência
em sistemas semelhantes. Monitorar as mudanças para garantir a
eficácia.
2.2.2 Definição de falha
No sentido geral da palavra, uma falha é definida como um evento indesejável.
Para fins de discussão relacionada com a análise de falhas e prevenção de
acidentes, a falha é um termo geral usado para indicar que um componente está
incapaz de realizar adequadamente a função pretendida.
O segundo nível de falha envolve um sistema ou componente que executa sua
função, mas não é confiável ou é inseguro. Neste tipo de falha, o sistema ou
componente está submetido a uma perda de vida útil. Por exemplo, um cabo de aço
de elevador ao perder a sua vida de serviço, quando submetido a fraturas em alguns
dos fios individuais, devido a irregularidades no enrolamento sobre a roldana.
Mesmo que o cabo continue a funcionar, a presença de fraturas em alguns dos fios
resulta em uma condição insegura e por isso é considerado um fracasso. (ASM
HANDBOOK 10, 2008).
No nível final de gravidade de falha, um sistema ou um componente é
inoperante, tal como uma fratura do eixo de uma bomba que faz com que não seja
transmitida a energia do acionador (motor elétrico ou turbina a vapor, por exemplo)
ao impelidor, originando a perda de capacidade de transporte do fluido devido à
fratura (ASM HANDBOOK 10, 2008).
No presente trabalho o componente objeto de estudo se enquadra no segundo
nível de falha, pois os tubos estavam rompidos, porém o sistema no qual os mesmos
29
estão inseridos, caldeira aquotubular2 com capacidade de geração de 180 toneladas
de vapor por hora à 485º C e pressões da ordem de 88 kgf/cm2, funcionava sem
indícios aparentes de falha. Os componentes degradados foram evidenciados em
parada por oportunidade do equipamento, o que gerou surpresa à equipe que
acompanha a integridade do equipamento.
2.2.3 Análise de causa raiz (ACR)
Os princípios da ACR podem ser aplicados para garantir que a causa seja
compreendida e ações corretivas apropriadas possam ser identificadas. Um exemplo
de ACR pode ser simplesmente um exercício mental momentâneo ou uma extensa
análise, ambos com a intenção de identificar a causa fundamental que se corrigida
irá evitar a recorrência.
Para facilitar a análise, Wulpi (1999) sugere a divisão destas fontes em três
níveis de análise de causa raiz, que são:
a) Raízes físicas ou as raízes de problemas com o equipamento. Tratam
das causas comumente abordadas em análises e onde normalmente o
estudo finaliza. Estas raízes podem ser os resultados que vem a partir
de uma investigação laboratorial ou análise de engenharia.
b) Raízes humanas, isto é, ligadas às pessoas, envolvem fatores humanos
que causaram o fracasso, a exemplo de um erro humano em julgamento
ou interpretação de um resultado de uma metalografia ou outro ensaio
que demande de análise.
c) Raízes latentes, que estão ligadas às questões organizacionais ou
processos, assim como raízes ambientais ou outras que estão fora da
esfera de controle.
Estes três níveis ou causas são melhores definidos pelo Quadro 3.
2 Caldeiras aquotubulares a vapor: caldeiras em cujos tubos circulam água ou vapor, com a energia térmica produzida por combustão, sendo aplicada na superfície externa dos tubos, segundo a NBR 11096 (ASSOCIAÇÃO..., 2000).
30
Quadro 3 – Exemplo de análise de ACR de um vaso de pressão. TIPO DE RAÍZ DESCRIÇÃO
Física Perda de espessura por corrosão.
Humana Realização inadequada da inspeção.
Latente Treinamento inadequado do inspetor.
Fonte: Adaptado de ASM HANDBOOK 11, 2008.
Sistemas de categorização para as causas de falhas de equipamentos variam
entre os profissionais de análise de falha, equipe de qualidade, outros engenheiros e
gerentes, bem como profissionais da área jurídica e de seguros (ASPERGER, 2000).
Agrupar as causas físicas em apenas algumas categorias fundamentais é
vantajoso, pois define qual o aspecto requer uma ação corretiva e estratégias de
prevenção. A análise sistemática de falha em um equipamento revela as causas
físicas que se enquadram em uma das quatro categorias fundamentais (HOSSAIN &
SCUTTI, 1999):
a) Deficiências de projeto;
b) Defeitos de material;
c) Defeitos de fabricação e/ou instalação;
d) Anomalias durante a operação.
Uma representação gráfica eficaz do impacto dos defeitos sobre a vida de um
componente ou sistema de serviço é fornecido na Figura 9 (HOSSAIN & SCUTTI,
2000). O diagrama é construído traçando a vida útil dos componentes tendo
características específicas no projeto, relacionando-as com a gravidade de uma
condição de serviço específico que é prevista para a aplicação.
As características típicas incluem resistência mecânica, resistência à corrosão,
condições de tratamento térmico, o acabamento da superfície, o raio de curvatura,
vazios (como falhas de fundição), entre outros. Exemplos de condições de serviço
incluem a magnitude de tensões (cíclicas ou estáticas), temperatura de exposição,
agressividade do meio, e assim por diante.
31
Figura 9 – Gráfico comparando a gravidade de uma co ndição de serviço com a vida útil de produtos com uma característica variável.
Fonte: Adaptado de HOSSAIN & SCUTTI, 2000.
Por meio da variação das características, uma família de curvas é gerada,
contrastando a vida dos componentes, com várias características e condições de
serviços com a vida útil prevista.
Cada uma das curvas representa uma diferente concepção de
projeto/fabricação, com graus crescentes de durabilidade para as curvas que se
deslocam para cima.
As falhas podem ser evitadas quando a curva para um determinado projeto se
encontra acima da gravidade da linha de serviço e, para a esquerda da linha da vida
de serviço pretendido. No entanto, se a gravidade das condições de serviço
aumenta (degradação não prevista em projeto ou alteração nos parâmetros
operacionais ou como resultado de alguma outra mudança no sistema), a propensão
para a falha pode ser maior, uma vez que as curvas características podem cruzar a
gravidade da linha de condição de serviço.
32
2.2.4 Deficiências de projeto
Referem-se a recursos inaceitáveis de um componente ou equipamento, que
são resultados da etapa de projeto. Esta etapa (ou processo) compreende o
desenvolvimento do conceito original, a definição da configuração geral e, o projeto
detalhado, incluindo a seleção e especificação de materiais e processos de
fabricação.
O projeto envolve a identificação e definição de uma necessidade para o
componente ou equipamento, seguido por definições dos requisitos de desempenho,
conhecimento prévio das condições de serviços, as restrições do projeto, bem como
os riscos associados com falhas.
Alguns exemplos de deficiências de concepção (ou projetos “pobres”) incluem
concentradores de tensões que poderiam ser evitados (KRASHES & SCUTTI, 1996),
como por exemplo, raios insuficientes em regiões de transição de seções (eixos).
Outro fator trata de tensões residuais oriundas de processos de fabricação/
tratamentos térmicos inadequados e/ou condições de operação não previstas,
ambos atrelados à interação com o calor, geometrias complexas, ou montagem de
estruturas excessivamente rígidas (sem graus de liberdade para acomodar
dilatações, por exemplo).
A seleção de um material que é incapaz de proporcionar propriedades
mecânicas adequadas para a aplicação (incluindo resistência mecânica, resistência
à fadiga, resistência à ruptura, resistência à corrosão, resistência a temperaturas
elevadas, etc.) também é um tipo de deficiência de projeto.
Os materiais podem apresentar anisotropia nas propriedades ou a
heterogeneidade dentro de um produto, tal como a espessura variada em regiões
finas de uma peça fundida ou entre as propriedades longitudinais e transversais em
um material forjado.
Falhas provocadas por projetos incluem geometrias inapropriadas (tal como
definido no desenho de engenharia), que podem levar a um comprometimento na
função do componente ou equipamento. Como exemplos, pode-se citar
especificação incorreta de juntas para soldagem, com um chanfro delgado ou
inexistente ou alívio de tensões (ASM HANDBOOK 10, 2008).
33
Outras falhas provocadas por geometrias indevidas, ou que deveriam ser
evitadas, podem resultar de insuficiente seção transversal de uma peça fundida ou
uma configuração de fabricação com extremidades excessivamente finas (afiadas),
originando altas tensões residuais que causam uma redução na resistência de vida
em fadiga.
2.2.5 Defeitos de material
Imperfeições ou descontinuidades inaceitáveis em materiais são defeitos e,
alguns tipos de imperfeições podem ser geralmente prejudiciais para o desempenho
ou a aparência de um componente ou equipamento. Alguns dos tipos clássicos de
descontinuidades em materiais que foram identificados como “fator causal” em
falhas são mostrados no Quadro 4.
Quadro 4 – Defeitos típicos encontrados em processo s de fabricação. PROCESSO DE FABRICAÇÃO TIPO DE DESCONTINUIDADE
Forjamento
Dobra (sobreposição)
Fenda
Lascamento
Segregação
Cavidades geradas por contração
Deformações
Inclusões
Fundição
Porosidades
Cavidades geradas por contração
Segregação
Juntas frias
Inclusões
Fonte: Adaptado de ASM HANDBOOK 11, 2008.
Estes defeitos no material podem ser geralmente descritos como
descontinuidades que degradam o desempenho do produto. Apesar das medidas
34
tomadas para controlar, documentar, medir, analisar e melhorar os processos
envolvidos na fabricação do componente ou equipamento, defeitos irão ocorrer.
Produtos muito defeituosos são descartados na própria fábrica, fundição, ou forjaria
através dos controles internos da empresa e sistemas de garantia de qualidade.
No entanto, materiais defeituosos são por vezes entregues. Dependendo da
criticidade do componente, pode ser necessária inspeção periódica para identificar
defeitos não identificados anteriormente.
2.2.6 Defeitos de fabricação e/ou instalação
A fabricação refere-se ao processo de transformação de um produto a partir da
documentação técnica e as matérias-primas. A instalação pode ser considerada de
fabricação ou de campo (no local). Os produtos podem ser projetados
adequadamente com os devidos materiais, no entanto, estar com problemas de
fabricação, devido a imperfeições rejeitáveis (isto é, defeitos), introduzidos durante o
processo de fabricação ou devido a erros na instalação de um sistema. Uma ampla
variedade de defeitos causados durante a fabricação ou instalação pode existir, pois
cada processo de fabricação/instalação tem muitas variáveis de controle e, quando
excedem os limites, podem resultar em um produto defeituoso (SMITH, 1998).
Alguns exemplos de defeitos de fabricação/instalação estão listados abaixo
(BAGGERLY, 2000):
a) Em processos de remoção de metal: trincas devido à remoção de
camadas excessivas, danos microestruturais devido à ferramenta sem
fio, falta de fluído refrigerante (tensões residuais e/ou trincas devido ao
superaquecimento);
b) Processos de conformação: rachaduras ou rasgos devido a geometrias
profundas, dobras (dupla laminação), marcas das ferramentas de
conformação, carepas na superfície devido à má preparação da
superfície, tensões residuais deixadas pelo processo, bandas de Lüders
devido à taxa de deformação:
c) Tratamento térmico: crescimento de grãos, transformações
metalúrgicas incompletas, trincas oriundas do processo (resfriamento
35
durante têmpera, por exemplo), descarbonetação, precipitação
inadequada, heterogeneidades;
d) Soldagem: falta de fusão, região frágil (zona afetada pelo calor - ZAC),
tensão residual pelo aporte térmico, inclusões de escória, mordeduras,
trincas frias, contaminação da poça de fusão pela má preparação da
superfície;
e) Limpeza / Acabamento: corrosão devido à limpeza inadequada antes da
pintura; ataque intergranular ou fragilização por hidrogênio devido à
limpeza ácida, corrosão sob tensão pela utilização de solução cáustica;
f) Montagem na fábrica / instalação: desalinhamento, falta de peças,
peças erradas, sistema de fixação inadequado, torque incorreto,
ferramentas inadequadas, modificação inapropriada, preparação da
superfície inadequada.
2.2.7 Anomalias durante a operação
A vida de um componente ou sistema é fortemente dependente das condições
sob as quais o produto opera em serviço.
A vida de um produto de serviço inclui a sua operação, manutenção, inspeção,
reparo e modificação. Falhas devido a anomalias em qualquer um desses aspectos
da vida de serviço são exclusivos daqueles criados durante o projeto, aquisição de
materiais e, na fabricação de produtos, tal como descrito acima. Exemplos de tipos
de causas de falhas que resultem de condições de serviços não previstos (HOSSAIN
& SCUTTI, 2000) estão resumidos a seguir.
a) Operação do equipamento fora dos parâmetros de projeto do fabricante.
b) A exposição do produto ou sistema aos ambientes mais agressivos do
que os previstos em projetos, como exemplos:
1) Corrosão microbiológica influenciada em um sistema de água de
refrigeração com água de rio em que o ecossistema mudou suas
características;
2) Contendo cloretos orgânicos não previstos em produtos
constituídos por titânio, resultando em corrosão sob tensão;
36
c) Manutenção inadequada, tal como:
Reparação de solda de um material que é sensível a ciclos de calor
elevado, causando trincas e fadiga térmica;
1) Desalinhamento de um rolamento durante a substituição,
causando cargas de flexão sobre o eixo e resultando em falha por
fadiga de flexão;
d) Modificações inadequadas, como:
1) Inserção de concentradores de tensões;
2.2.8 Métodos de aplicação da ACR
Existem muitas ferramentas para auxiliar na realização ACR. A representação
visual de uma ACR é mais facilmente entendida que uma descrição narrativa longa.
Muitos métodos gráficos têm sido desenvolvidos para facilitar a organização
lógica da informação como uma ajuda na realização da análise.
Os tópicos a seguir abordam uma descrição breve e um tanto simplificada de
vários métodos gráficos comuns que poderão ser úteis na realização de um ACR.
a) Análise de árvore de falhas:
Trata-se de uma análise dedutiva que identifica um evento de topo, nesse
caso, uma falha, e, em seguida, avalia todas as maneiras prováveis em que este
evento poderia ter ocorrido, identificando as inter-relações de acontecimentos ou
condições básicas que levam ao fracasso. A árvore é organizada, identificando
todas as cadeias de eventos que levam ao evento principal e conectando-os com um
símbolo que retrate a relação lógica. A Figura 10 mostra uma árvore de falhas
simplificada.
37
Figura 10 – Exemplo de árvore de falhas. Fonte: Adaptado de ASM HANDBOOK 11, 2008.
b) A análise do evento e seus respectivos fatores causais:
Ferramenta muito flexível, que é muito útil para a realização de uma análise
lógica da sequência cronológica dos eventos e fatores causais. A construção
começa com um cronograma básico com a adição de condições relacionadas,
eventos secundários, e presunções. Para construir o gráfico, colocam-se os eventos
em retângulos e em seguida conectam-se em sequência da esquerda para a direita
usando as setas. O evento terminal deve ser listado no final do lado direito dentro de
um círculo. Em elipses, listam-se fatores causais e fatores contribuintes, mostrando
a relação entre os eventos com setas tracejadas. Também podem ser adicionados
ao gráfico os mecanismos de segurança para identificar as barreiras que falharam,
permitindo a ocorrência do evento. A barreira pode assumir muitas formas, incluindo
uma barreira física, como uma porta de armário ou uma barreira processual que não
foi devidamente implementada. O objetivo da análise é identificar as principais falhas
de equipamentos, falhas de processo ou erros humanos que permitiram que o
evento indesejado ocorresse. Uma vez que o problema é modelado, os fatores
38
causais são identificados, conforme exemplificado na Figura 11. Estes são
identificados como os fatores que se eliminados, teriam impedido a ocorrência ou
diminuído a gravidade da perda evento (WILSON, 1993).
Figura 11 – Exemplo de evento e fator causal. Fonte: Adaptado de WILSON, 1993.
c) Análise de causa e efeito:
Análise de causa e efeito ou diagrama de Ishikawa, em homenagem ao seu
idealizador, é uma maneira de se relacionar causas para uma falha na tentativa de
encontrar a causa raiz. As causas podem ser problemas de projeto, desempenho
humano, má fabricação e assim por diante. A análise da causa e efeito simples pode
tomar a forma de um diagrama de espinha de peixe, Figura 12, que pode ser
construído como segue (ANDERSON & FAGERHAUG, 2000):
a. Claramente descrever a insuficiência do lado direito do diagrama.
b. Identificar as principais categorias de causa como ramos
convergentes sobre o fracasso.
c. Brainstorm para listar todas as causas em cada ramo.
d. Analisar os dados até que a causa raiz seja identificada.
39
Figura 12 – Exemplo do diagrama de Ishikawa. Fonte: Adaptado de ANDERSON & FAGERHAUG, 2000.
d) Cinco porquês
É uma técnica simples que se destina a levar o usuário a níveis mais profundos
de identificação da causa. O objetivo geral é perguntar "por que" depois de cada
causa que foi identificada até chegar a verdadeira causa raiz. Comumente a análise
se encerra em aproximadamente cinco "porquês" para atingir o nível desejado de
causa raiz (ANDERSON & FAGERHAUG, 2000). O exemplo a seguir demonstra
este conceito simples.
Evento �Falha de ponte de estrada:
a. Por quê?-Danos de corrosão em aço estrutural;
b. Por quê?- Acúmulo de água;
c. Por quê?- Entupimento de tubos de drenagem por detritos
d. Por quê?- Falta de manutenção para realização de limpeza
e. Por quê?- Redução dos investimentos com manutenção (causa
raiz).
e) Outras ferramentas de análise de falhas
Existem muitas outras ferramentas que devem ser considerados na realização
de uma análise de falhas. Além da ACR propriamente dita, existem técnicas
disponíveis para o analista, tais como:
40
1) Fontes de entrada
Os dados físicos, tais como peças falhadas, as amostras de influências
ambientais, fotografias, registros de coleta de dados (pressão, temperatura,
velocidade, etc.), e os dados de base são uma parte importante do processo de
investigação.
Alguns dos elementos-chave a uma análise incluem:
a) Evidência física: Peças quebradas, amostras, componentes que
apresentaram problemas, posições, configurações e assim por diante.
b) A preservação oportuna, coleta e registro de evidências físicas são
essenciais para qualquer investigação de falha eficaz. A preservação de
dados é feito por restrição do acesso a um local de falha, conservação
de configurações e posições, tendo um registro fotográfico da situação
encontrada, fazendo esboços, a gravação de variáveis de processo
(pressão, temperatura, posição, etc.), a marcação de peças e posições.
c) Dados em segundo plano: os dados de projeto, especificações, dados,
análise e simulação de resultados técnicos e, assim por diante.
d) Pessoas: Testemunhas, operadores, projetistas, pessoal de
manutenção, os participantes, especialistas, entre outros.
2) Ensaios
Depois que os dados pertinentes e as amostras foram coletados, os ensaios
são necessários para avaliar completamente a evidência física e para identificar o
mecanismo de falha. Bons procedimentos começam com uma boa preparação das
amostras coletadas e seu manuseio.
Coletar amostras intactas de componentes semelhantes para comparação
com o danificado, desenhar diagramas para indicar a posição das partes e, coletar
amostras locais, também auxilia na resolução do problema.
Tirar fotos de todos os ângulos relevantes e ter sempre um referencial de
medidas na foto. Adicionar marcações dos níveis de fluidos ou outras posições que
devem ser gravados antes de serem alteradas.
41
As superfícies devem estar livres de impressões digitais ou outras fontes de
contaminação, devendo as amostras ser protegidas, por se tratar de itens
particularmente delicados.
Identificar (ou etiquetar) amostras, a fim de indicar quando e por que foi
coletada. Geralmente, é desejável recolher a maior quantidade de amostras, antes
de corte ou ensaios destrutivos, garantindo que possam ser refeitos os ensaios, caso
necessário.
As amostras recebidas podem variar a partir de um componente grande que
requer um guindaste de alta capacidade para movimentação ou para algo que
apenas pode ser vista sob um microscópio. Os processos de coleta, recebimento,
manuseio, etiquetagem e armazenagem adequada da amostra, são essenciais para
assegurar que as amostras não sejam perdidas ou alteradas.
As amostras devem, sempre, ser mantidas em local seguro, seco e, possuir um
registro de armazenamento.
Medidas tomadas após a recepção adequada das amostras podem incluir:
a) Exame inicial;
b) Documentação (fotos);
c) Ensaios não destrutivos;
d) Verificação do material (composição química);
e) Exame das fraturas;
f) Análise Metalográfica;
g) Determinação das propriedades mecânicas (ensaios destrutivos);
h) Análise dos resultados;
i) Elaboração de um relatório.
3) Análise de tensões
A realização de uma análise de tensão é muitas vezes uma parte crítica de
uma análise de falha estrutural. As técnicas são tipicamente usadas para determinar
o estado de tensão, como resultado das cargas externas ou outras fontes de
tensões, tais como transientes térmicos ou acelerações aplicadas.
42
As técnicas de análise disponíveis incluem cálculos manuais utilizando teorias
de resistência dos materiais, aproximações derivadas de fontes de referência
conceituadas, fontes testadas empiricamente e métodos e técnicas computacionais,
como o método dos elementos finitos (MEF). O MEF é amplamente usado como
uma ferramenta de projeto e um instrumento de investigação de análise de falhas.
A simulação pode ser aplicada a muitas áreas úteis na análise de falhas,
podendo a aplicação ser individualmente ou em conjunto, como por exemplo: no
cálculo das tensões, na transferência de calor, no fluxo de fluidos e nas
propriedades eletromagnéticas, entre outros.
A análise de elementos finitos é capaz de modelar situações complexas e lidar
com condições transitórias e não lineares que normalmente são demasiadamente
complexas para executar usando cálculos manuais ou outras aproximações
analíticos.
O uso de MEF em análise de falha é diferente da sua utilização na qualidade
de concepção do produto. Em uma análise de falhas especial atenção é direcionada
para o local fracasso. Esta área do modelo pode ter uma malha mais fina para
capturar as concentrações de tensões localizadas ou outros efeitos localizados.
Cargas aplicadas devem incluir cargas reais históricas que estão associadas com o
funcionamento do equipamento, incluindo eventos que não estão associados com
considerações do projeto.
2.3 Ensaios
Os ensaios são destinados a avaliar as variações físicas, químicas, mecânicas
e/ou metalúrgicas de determinados materiais/componentes, podendo ou não
inviabilizar sua utilização posterior. Deste modo os ensaios são comumente divididos
em dois grandes grupos:
a) Ensaios destrutivos (ED);
b) Ensaios não destrutivos (END);
43
Como o próprio nome já sugere (item “b” anteriormente citado), alguns ensaios
não afetam ou não alteram significativamente as propriedades do material e/ou
componente, de modo que ele pode ser utilizado novamente.
Dentre os ensaios destrutivos, podemos citar a macrografia, micrografia,
ensaios de dureza, tração, compressão, flexão, entre outros, onde se torna
necessário a utilização de parte do material que não será reaproveitado
posteriormente.
Já os END´s possuem a característica de não comprometer a utilização
posterior do material e/ou componente utilizado. Pode-se citar como exemplos a
inspeção visual, ensaio de dureza, por líquidos penetrantes, réplica metalográfica,
inspeções por ultrassom, entre outros.
Nota-se que o ensaio de dureza aparece tanto na lista dos END´s, quanto nos
ED´s. Isso se deve ao tipo de aplicação que o componente está sujeito. Por
exemplo, em uma peça retificada, a marca de impressão residual de um ensaio de
dureza pode inviabilizar sua utilização em decorrência da necessidade de
acabamento superficial e/ou restrita faixa de tolerância dimensional, caracterizando o
ensaio como destrutivo. Por outro lado, o mesmo ensaio aplicado em uma peça
fundida de grandes dimensões, pode ser considerado como não destrutivo, uma vez
que a impressão deixada pelo ensaio não restringe a utilização do componente.
Em virtude da grande quantidade de ensaios disponíveis nas literaturas, os
ensaios abordados farão jus especificamente aos ensaios que foram adotados na
análise de falhas em questão e na ordem que foram realizados.
44
3 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Como já citado a análise de falha é um processo crítico que dispões de muitas
ferramentas e técnicas de abordagem, pois podem tratar de qualquer tipo de
problemas causadores das mais diversas formas de anomalias. Não obstante, a
Sociedade Americana para Metais (ASM International) dedicou um volume inteiro
(ASM HANDBOOK 11, 2008) para tratar do assunto, sendo que este, ainda faz
menção a vários outros volumes que abordam de maneira mais minuciosa temas
como soldagem, materiais, ensaios, metalografia, etc.
De tal forma, que com base nessa extensa bibliografia optou-se pela aplicação
conforme se segue: após a constatação das anormalidades nos tubos suspensos e
a ruptura de alguns destes, duas medidas foram tomadas: a) condução de ações
para a manutenção corretiva do equipamento, de forma que se restabelecessem as
condições de operação do mesmo e, b) análise da falha ocorrida para que se
validassem essas ações corretivas e atuasse-se na(s) causa(s) básica(s) que
poderia(m) ser identificada(s).
Nas ações corretivas, além da avaliação visual serão realizadas réplicas
metalográficas para determinação de quais tubos perderam suas propriedades,
norteando os reparos necessários.
Na questão da análise da falha será realizada uma primeira abordagem pelo
método dos 5 Porquês, através da análise visual e caso necessário será realizada a
análise por árvore de falhas, seguida pela: 1) verificação do material, 2)
acompanhamento operacional, 3) verificação de montagem do equipamento a que
este componente está atrelado e, 4) verificação de projeto, nesta ordem
respectivamente e não necessariamente até o último item, até que uma solução
aceitável seja encontrada.
45
Serão realizados diversos ensaios, normalizados, tais quais, inspeção visual,
medição de dureza, determinação da composição através da fluorescência de raios -
X3, análise de microestrutura, réplica metalográfica, entre outros métodos aplicados.
Paralelamente, aos serviços corretivos, se iniciará a coleta de informações
pertinentes ao evento ocorrido para subsidiar e dar um melhor direcionamento do
modo com que a análise da falha será conduzida posteriormente. Para tal, realizar-
se-á um estudo preliminar do projeto da caldeira de forma a conhecer melhor o
componente estudado e uma inspeção visual4 prévia no local e, posteriormente, nas
amostras retiradas dos trechos de tubos substituídos.
Os tubos que falharam são conhecidos como tubos suspensos e têm a função
de conduzir o vapor saturado do tubulão aos superaquecedores e, também, suportar
parte do peso dos superaquecedores e economizador. Localizam-se na região dos
superaquecedores (2° passe) e estão dispostos verti calmente, conforme Figura 13.
Todas as falhas ocorrem na região de passagem dos gases de combustão da
fornalha para o 2° passe, na face dos tubos voltada para a fornalha.
3 Ver Apêndice C com as noções pertinentes sobre análise da composição química por fluorescência de raios-X.
4 Ver Apêndices A e B com as noções pertinentes sobre o ensaio visual e a preparação para o ensaio.
46
Figura 13 – Fluxograma do GV-5603.
Com base nesta estrutura apresentada, os resultados obtidos seguiram
conforme capítulo 4.
47
4 RESULTADOS
Neste capítulo, são apresentadas as análises dos resultados obtidos nos testes
experimentais, verificações e observações realizadas ao longo do trabalho.
4.1 Manutenção corretiva
A manutenção corretiva consistiu em substituir os trechos de tubos com avaria
por tubos novos. Posteriormente realizarem-se ensaios para garantia da qualidade
das soldas de junção e liberou-se o equipamento para retornar a operação.
Na inspeção inicial, que constatou as falhas, observaram-se alguns aspectos
que serão de extrema importância na análise da falha, como visualizado nas Figuras
14, 15 e 16.
Figura 14 – Visão dos tubos suspensos , região mais afastada da fornalha.
Fornalha
48
Figura 15 – Visão dos tubos suspensos , região mais próxima à fornalha.
Figura 16 – Visão dos tubos suspensos , regiões de falha.
Primeiramente, o fato mais relevante, o rompimento de vários tubos. Condição
totalmente inesperada e que causou estranheza, tanto pela prematura degradação
de um componente projetado para 20 anos e que até então operara 2 anos e 8
meses, quanto pela quantidade de tubos com sinais de algum tipo de anomalia.
Fornalha
49
Não obstante, observou-se um depósito de material esbranquiçado, que
parecia ter escorrido de dentro dos tubos pelos pontos de ruptura (Figura 16). Outro
sinal de alerta e ponto de dúvida, pois por esses tubos deveria fluir tão e somente
vapor saturado a pressão de 88 kgf/cm2.
Além do já citado, outro ponto a destacar é o fato de determinadas regiões de
vários tubos, rompidos ou não, apresentarem manchamentos que iam de um tom
alaranjado ao enegrecido, sendo que esta última coloração era comum em todas as
regiões de ruptura.
Esta foi a primeira etapa de inspeção visual e que juntamente com o ensaio de
réplica metalográfica5, conforme norma ASTM E1351 – 01 (Standard Practice for
Production and Evaluation of Field Metallographic Replicas) serviram de base para a
decisão de quais tubos substituir, com base na integridade ou degradação da
microestrutura original, para garantir a continuidade operacional, conforme Figuras
17, 18, 19, 20 e 21.
Os tubos com coloração diferente do padrão da caldeira, tubos
esbranquiçados, sofreram réplicas metalográficas nas regiões intermediárias aos
manchamentos, e 50 cm em ambas as extremidades para garantir que fora destas
regiões as microestruturas estavam integras.
5 Procedimento, não destrutivo, que registra e preserva o relevo de uma amostra metalográfica em negativo sobre um filme plástico (PETROBRÁS, 2011).
50
Figura 17 – Ensaio por réplica metalográfica nos tubos da caldeira.
Figura 18 – Detalhe da região do tubo.
Figura 19 – Região limpa.
Figura 20 – Detalhe da região limpa e isenta de descontinuidades.
51
Figura 21 – Microestrutura composta por matriz ferr ítica com carbonetos dispersos e em contorno de grão com início de coalescimento 6 dos carbonetos. Ataque químico: Villela’s.
4.2 Análise de falha
Com a realização das ações corretivas, iniciou-se a análise de falha.
4.2.1 Análise de amostras
Depois de definidos os tubos que seriam substituídos, foram realizados os
cortes de trechos de aproximadamente 3 m, sendo 25 tubos com indícios de danos e
01 tubo sem indício algum.
Na Figura 22 pode-se verificar alguns dos tubos que foram retirados da
caldeira.
6 Esferoidização ou coalescimento – alteração na microestrutura gerado por aquecimento prolongado, a uma temperatura ligeiramente inferior a linha da zona crítica, ou aquecimento e resfriamento logo acima e logo abaixo respectivamente da zona crítica, formando esferoiditas, resultando em baixa dureza (Chiaverini, 1988).
52
Figura 22 – Visão dos tubos suspensos , conforme retirados da caldeira.
Com o intuito de avaliar mais detalhadamente esses tubos, principalmente os
que apresentavam deformações, oxidação severa ou ruptura, foi realizado o corte de
trechos representativos e mais fáceis de manusear. Além disso, posteriormente,
algumas amostras foram seccionadas longitudinalmente, conforme Figura 23.
Figura 23 – Amostras de tubos após preparação (cort e).
53
A Figura 23 mostra os trechos dos tubos que falharam ou que apresentaram
sinais de superaquecimento. Os tubos numerados de 1 a 6 apresentam formação de
“laranja7”, com redução de espessura e ruptura do tubo no sentido longitudinal,
conforme Figuras 24, 25 e 26. Principalmente na região de ruptura nota-se espessa
camada de óxido externa que se destaca com facilidade (Figura 26) e, grande
acúmulo de depósito interno causando a obstrução parcial e, em alguns casos,
obstrução total do tubo (Figura 27).
Figura 24 – Redução de espessura e
acúmulo de depósito no tubo n° 2.
Figura 25 – Laranja com
destacamento da espessa camada de óxido no tubo n° 6.
Figura 26 – Camada de óxido no
tubo n° 6.
Figura 27 – Depósitos nos tubos n° 1 e 2.
7 Descontinuidade gerada pelo aquecimento excessivo do material, ocasionando perda de resistência mecânica localizada (NALCO CHEMICAL COMPANY, 1991).
54
Os trechos de tubos numerados de 7 a 12 não sofreram ruptura, porém
apresentam algum sinal de superaquecimento. Nestes tubos nota-se grande
acúmulo de depósitos (Figuras 28 e 29). Na Figura 29, nota-se que o depósito
apresenta-se estratificado com diferentes colorações, bem compactos e são
relativamente duros.
Figura 28 – Acúmulo de grande quantidade de depósito nos tubos de n° 7 a 12.
Figura 29 – Estratificação do depósito no tubo n° 1 2.
4.2.2 Método dos 5 porquês
Com base nas informações levantadas decidiu-se iniciar pela aplicação da
técnica mais simples de Analise da Causa Raiz. Sendo assim, utilizou-se o método
dos cinco porquês, ficando a análise do evento da seguinte forma:
55
Evento �Falha do tubo suspenso, rompimento:
a. Por quê?- Perdeu resistência mecânica;
b. Por quê?- Sofreu sobreaquecimento e corrosão;
c. Por quê?- Teve sua capacidade de troca térmica diminuída,
sofreu com uma corrosão acentuada e inesperada;
d. Por quê?- Acúmulo de depósito em seu interior, falha na
distribuição de vapor.
e. Por quê?-?
Todavia, nota-se que este levantamento prévio não foi suficiente para se
chegar a raiz do problema. Uma vez que as respostas obtidas a partir de dado
momento não eram mais objetivas e começaram a levantar novos questionamentos.
Sendo assim, optou-se por um segundo modelo de análise de falha, mais robusto,
porém com maior complexidade devido ao nível de detalhamento que se pode
chegar. Utilizou-se então da análise por árvore de falhas.
4.3 Método da árvore de falhas
A partir dessa definição de metodologia, buscou-se para cada categoria,
enumerar as maneiras prováveis de ocorrência do evento de topo, suas inter-
relações e a validação das mesmas, como causas possíveis. Consequentemente,
foram sendo excluídas as hipóteses que se mostraram não aceitáveis, quer seja
pelos resultados de ensaios, observações ou cruzamento de informações.
A estrutura básica da árvore de falhas ficou da seguinte forma: 1) verificação
do material, 2) acompanhamento operacional, 3) verificação de montagem do
equipamento a que este componente está atrelado e, 4) verificação de projeto, nesta
ordem respectivamente e não necessariamente até o último item, até que uma
solução aceitável seja encontrada. Deste modo, a análise ficou dividida conforme a
Figura 30.
56
Figura 30 – Divisão das causas físicas.
4.3.1 Verificação do material
Para avaliar se o material está conforme ou não, deve-se introduzir o conceito
que será utilizado para designar defeito. Trataremos como defeitos as imperfeições
inaceitáveis ou descontinuidades nos materiais que, de alguma forma, podem
prejudicar o desempenho ou a aparência de um produto ou sistema (ASM
HANDBOOK 11, 2008).
Foram realizadas medições no diâmetro externo e espessura de parede em um
trecho de tubo aparentemente sem danos, para verificar se o dimensional dos tubos
suspensos está de acordo com o projeto. Os valores médios obtidos foram de 33,4 ±
0,1 mm para o diâmetro externo e 5,0 ± 0,1 mm para a espessura, convergindo para
o especificado pelo fabricante.
O tubo de n° 5 foi cortado (Figura 31) visando a re tirada de amostras de
material para posterior análise metalográfica. Esse trecho de tubo contém uma
“laranja” com ruptura na direção longitudinal. Visando ter-se uma ideia da expansão
localizada, sofrida pelo tubo, foi medida a circunferência do tubo no ponto de maior
deformação (linha vermelha). A medida encontrada foi de 116 mm enquanto que a
circunferência de um tubo novo, considerando um diâmetro externo de 33,4 mm, é
de 104,93 mm. Neste caso houve uma expansão aproximada de 10,5%, contudo,
observa-se que a medida da circunferência foi realizada sobre a camada de óxido e
na região de dilatação do tubo, ou seja, a variabilidade dimensional restringe-se as
regiões que sofreram por dilatação térmica acentuada por sobretemperatura.
57
Figura 31 – Trecho do tubo de onde foram retiradas amostras para metalografia.
Foram utilizadas 04 amostras de material dos tubos para exame macro e
microestrutural. Uma das amostras foi retirada do trecho de tubo que aparentemente
não sofreu danos, o mesmo que foi realizada a análise dimensional.
Na micrografia ilustrada na Figura 32, a microestrutura mostra-se composta de
grãos equiaxiais ferríticos e perlíticos, considerada como sendo a microestrutura
original, sem alterações metalúrgicas.
Figura 32 – Micrografia da amostra 01 retirada de u m tubo aparentemente sem danos.
As outras amostras foram retiradas da região de fratura do tubo de n°5
conforme indicado na Figura 33. As linhas vermelhas mostram duas seções de corte
de onde as amostras foram retiradas. O corte para obtenção das amostras 1A e 1B
foi realizado no ponto mais alto da “laranja”, onde houve fratura em toda a espessura
58
de parede do tubo. Na amostra 1A tem-se material adjacente a fratura, enquanto
que na amostra 1B tem-se material a 180° da fratura .
A amostra 2 foi intencionalmente realizada em uma seção próxima da
anterior, porém em uma seção onde não houve a perfuração do tubo.
Figura 33 – Localização de retirada das amostras.
Nas Figuras 34 e 35, amostra 1A, pode-se ver que o metal sofreu
considerável redução de espessura e intensa oxidação a alta temperatura. A
espessura da camada de óxido externa na face do tubo, que sofreu
superaquecimento mais intenso, ficou próxima de 2 mm. Na superfície interna nota-
se presença de uma camada de magnetita variando entre 0,5 a 0,75 mm nas regiões
próximas a ruptura.
A amostra de material distante 180° do local da fra tura, amostra 1B, sofreu
menos os efeitos do superaquecimento. Ao microscópio, verificou-se uma espessura
da camada interna de óxido inferior a 0,1mm, camada de óxido externa pouco
relevante e espessura de parede remanescente de aproximadamente 4,3 mm.
Amostra 2
Amostra 1A
Amostra 1B
59
Figura 34 – Amostra embutida. Figura 35 – Detalhe d a região com
oxidação severa. Ampliação: 27x.
Com base nessa oxidação intensa e pelas quantidades dos elementos de liga
do material (2,25% de cromo e 1% de molibdênio), pode-se estimar um
superaquecimento superior a 600 °C, conforme correl ação com a Tabela 2.
Tabela 2 – Temperatura de oxidação severa (Scaling)
Material Temperatura (°C)
Aço Carbono 550
½ Mo 570
½ Cr – ½ Mo 580
1 Cr – ½ Mo 600
2 Cr – ½ Mo 600
2 ¼ Cr – 1 Mo 600
3 Cr – ½ Mo – 1 ¼ Si 760
Fonte: Adaptado de NALCO, 1991.
As Figuras 37 e 38 mostram as microestruturas das amostras 1A e 1B,
respectivamente, nas regiões indicadas (Figura 36). Por meio destas micrografias
observa-se que o material sofreu esferoidização dos carbonetos, exemplificada nas
regiões demarcadas em azul.
Camada de óxido
Metal
Camada de magnetita
1A
1B
60
Figura 36 – Detalhe das regiões de micrografia.
Figura 37 – Amostra 1A – Carbonetos esferoidizados. Nital 3%.
Figura 38 – Amostra 1B – Carbonetos esferoidizados. Nital 3%.
Na Figura 40, conforme descrito anteriormente, não ocorreu a abertura do
tubo, entretanto é interessante notar nesta amostra a presença de uma trinca que se
iniciou na superfície interna devido a deformação plástica, orientada a
aproximadamente 45° em relação a espessura do tubo. Tal fato condiz com a teoria
da tensão de cisalhamento máxima, responsável pela deformação plástica e
orientada à 45° em relação a tensão principal, no c aso a tensão circunferencial que
age na parede do tubo.
A Figura 41 mostra a trinca, antes mencionada, vista ao microscópio. Nesta
imagem pode-se notar que os grãos estão deformados, na direção paralela a trinca
e, em torno desta, nota-se também presença de inúmeros vazios, alguns
circundados em azul para elucidação.
61
Figura 39 – Amostra 2. Detalhe da
região de micrografia. Figura 40 – Amostra 2.
Figura 41 – Amostra 2 – Trinca. Nital 3%.
A identificação do material foi realizada com o analisador de ligas Innov-X-
Systems (Figura 42). A composição química obtida (Tabela 2) corresponde ao
material esperado, ou seja, o ASTM A-213 T22.
Figura 42 – Utilização do analisador de ligas.
Trinca
62
Utilizando o aparelho Novex, que usa a técnica de análise da composição
química por fluorescência de raios-X, obtiveram-se os valores listados na Tabela 3,
na qual se compara a composição do material conforme especificação da norma
ASTM A213/A213M, com os obtidos no ensaio.
Tabela 3 – Composição química do componente
Material / %
Carbono Manganês Fósforo Enxofre Silício Cromo Molibdênio
ASTM A213 T22
0,05 – 0,15 0,30 – 0,60 0,025* 0,025* 0,50* 1,90 – 2,60 0,87 – 1,13
Amostra ** 0,53 ± 0,05 0,06 ± 0,01 0,15 ± 0,02 0,47 ± 0,04 2,32 ± 0,05 1,01 ± 0,02
* Valores máximos
** Limitação da técnica. Não identifica elementos de baixo peso molecular. Avaliação complementar
realizada pela dureza do material.
Como se pode notar, as composições químicas são equivalentes. Segundo
Chiaverini (1988), as extrapolações nos valores de fósforo e enxofre não se tornam
danosas ao material, uma vez que o teor de carbono é baixo. Não obstante, como
essa técnica tem a limitação quanto à verificação da quantidade de carbono,
realizaram-se medições de dureza8 com o intuito de verificar compatibilidade com o
material especificado9.
Os resultados da aplicação desta técnica estão listados na Tabela 4, que
convergiram para valores muito próximos para os esperados para o referido material,
que conforme o ASTM A213 estabelece como máxima dureza para o material 163
HV.
8 Ensaio de dureza realizado em durômetro Reicherter, modelo BVR 187,5 H, fabricado em 1976, devidamente calibrado.
9 A dureza decresce com o aumento da temperatura e do tempo de exposição em função do coalescimento dos carbetos. Furtado, 2004, relaciona a variação da dureza das ligas de 2,25% Cr e 1,0% Mo, como é o caso do T-22, com o parâmetro de Larson-Miller para avaliar a degradação em estruturas que operam a altas temperaturas, deste modo concluiu que a medição de dureza é um método confiável para a avaliação da integridade estrutural desse aço liga.
63
Tabela 4 – Valores de dureza
Amostra Dureza (HV)
Ponto 01 Ponto 02 Ponto 03 Desvio Padrão
01 155 163 158 4,0
02 147 159 166 9,6
03 161 156 160 2,6
Considerando-se a avaliação da composição química e a dureza encontrada,
conclui-se que o material analisado corresponde ao especificado, de tal forma que a
hipótese de aplicação incorreta de material pode ser descartada.
4.3.2 Acompanhamento operacional
Na sequência de verificação das possíveis causas de falha, verificou-se a
hipótese de ter havido anomalias operacionais.
Para tal, faz-se necessário conhecer as particularidades que envolvem a
operação das caldeiras da referida unidade operacional. Desde o conhecimento do
corpo técnico responsável, suas rotinas, ferramentas de controle, até os dispositivos
de segurança que informam anomalias ou em último caso agem para prever
acidentes. Não obstante, demonstrar-se-ão as condições operacionais que
precederam a parada de manutenção na qual a falha no componente tubo suspenso
foi observada.
A equipe que opera as caldeiras da unidade operacional é composta por
profissionais treinados, capacitados e com experiência mínima, conforme prevê a
norma regulamentadora NR-13, assim como as normas e padrões da referida
refinaria.
Este corpo técnico opera de forma ininterrupta esses equipamentos, sendo
formado por cinco grupos de operadores que se alternam em uma rotina de
revezamento, seguindo uma carga horária pré-definida. Além disso, cada grupo se
divide em operadores de console, técnicos de operação de campo e supervisor de
grupo.
64
No console ou painel de controle ficam os profissionais com maior experiência
e devidamente treinados para tal. Atuam acompanhando as principais variáveis de
controle e possíveis alarmes de segurança. Também somam a função de alterar
parâmetros de operação, de forma a mitigar as causas desses alarmes quando
necessário.
Em campo ficam os menos experientes, porém devidamente treinados e
responsáveis por realizar a rotina operacional, inspeção operacional do equipamento
e manobras em campo, como abertura e fechamento de válvulas não automatizadas
quando demandado pelo operador do console, além da correta execução da lista de
verificação para operador de caldeira (Anexo A).
Além desses, um operador de reconhecida vivência na operação do
equipamento, conhecedor das rotinas e com bons conhecimentos do projeto e da
manutenção do equipamento, atua como consultor e acompanha as manobras mais
críticas como partidas e paradas operacionais, assim como manutenções não
rotineiras.
A rotina do operador de console consiste na passagem de turno com seu par,
de forma a conhecer todas as condições sob as quais o equipamento operou e
possíveis mudanças em variáveis nos turnos antecedentes. Após isso, segue-se o
acompanhamento dos equipamentos sob sua responsabilidade até a próxima troca
de turno.
Já o operador de campo, após passagem de turno com seu par, realiza a
leitura de instrumentos e segue a rotina de verificações, sendo necessário o
preenchimento das folhas de leitura e a lista de verificação (Anexo A). Além disso,
também é o responsável pela liberação de equipamentos e tubulações adjacentes
as caldeiras, para manutenções de rotina, o acompanhamento desses serviços e,
posteriormente, a normalização desses equipamentos e sistemas.
O operador mais experiente dá apoio técnico em todas essas rotinas e faz o
acompanhamento das manobras mais críticas. No caso específico do gerador de
vapor em questão, foi esse profissional que participou de toda a fase de instalação,
pré-operação, operação assistida e por fim a transição das responsabilidades do
fabricante para o cliente. Como essa caldeira havia operado por curto período de
65
tempo, até a falha, o depoimento desse profissional foi considerado de grande valia
para o melhor entendimento sobre a operação deste equipamento.
A indústria petroquímica é fortemente preocupada com segurança. Para tal, faz
uso de diversas ferramentas que possibilitem operar suas instalações minimizando
os riscos envolvidos. Dentre elas, podem-se citar rigorosos procedimentos
operacionais, constante treinamento do seu corpo técnico e alta tecnologia em
controle operacional (automatização).
Essa última, composta por válvulas de controle, instrumentos de medição de
variáveis operacionais, sistemas de controle e painéis de controle.
Os sistemas de controle fazem uso de malhas de controle pré-definidas, que a
partir da leitura dos indicadores operacionais comparam com os valores de projeto
(ou set-point) e fazem a correção automática e contínua dessas variáveis, conforme
lógica pré-determinada.
Em casos de descontrole, não previstos nessas malhas, alarmes são
acionados nos painéis de controle demandando a atuação do operador.
Essas grandezas, além do acompanhamento remoto necessário a operação,
tem suas variações ao longo do tempo armazenadas, podendo ser consultadas a
qualquer momento fazendo uso de software especifico.
Figura 43 – Tela de console com variáveis apresenta das de forma esquemática.
66
A Figura 43 exemplifica a visualização do operador de console, quanto às
variáveis do processo (vazões, concentrações, quantidades relativas, temperaturas,
pressões, entre outros) que são visualizadas e/ou controladas, podendo agir sobre
elas quando de algum evento inesperado.
As Figuras 44, 45 e 46 referem-se aos dados retirados do sistema de
monitoramento contínuo das principais variáveis de controle, conhecido por PI (Plant
Information), em um intervalo de 90 dias que antecederam a parada da caldeira.
A Figura 44 apresenta a média diária da vazão de água de alimentação e vapor
produzido pela caldeira em questão. Nota-se que as curvas estão praticamente
sobrepostas, logo, a diferença entre a entrada de água e a saída de vapor (Figura
45) é pequena e praticamente constante, pois flutua em torno do ponto zero,
indicando que os furos nos tubos não poderiam ter sido identificados simplesmente
pelo acompanhamento destas variáveis.
Figura 44 – Gráfico da água de alimentação e vapor produzido.
67
Figura 45 – Diferença entre a água de alimentação e vapor produzido.
Na Figura 45, a linha de tendência linear (linha preta) apresenta leve
inclinação, o que pode ser desconsiderado em função da incerteza de medição do
instrumento de vapor.
No gráfico da Figura 46 tem-se a vazão de vapor e nível de água no tubulão
indicados por instrumento. Nota-se que a produção de V-88 variou bastante neste
período em função das sopragens das tubulações10 novas e, que o nível no tubulão
sofreu uma leve alteração (subida de aproximadamente 60 mm) no dia 7/12/2011,
contudo, tais condições, a princípio, não são consideradas anormalidades.
10 Entende-se por “sopragem de tubulação” o processo de passagem de vapor a alta pressão, com o intuito de remover eventuais resíduos remanescentes de construção ou manutenção da tubulação, de modo que estes resíduos sejam destinados de modo correto e não dificultem ou impossibilitem o funcionamento dos equipamentos conectados a esta malha de tubos, tais como filtros, instrumentos, ou outros equipamentos de qualquer natureza.
68
Figura 46 – Gráfico mostrando o nível no tubulão e vazão de V-88.
4.3.2.1 Análises complementares dos depósitos
Os tubos que falharam sofreram superaquecimento devido ao acúmulo de
depósitos nas suas superfícies internas, que obstruíram a passagem de vapor e com
isso diminuíram drasticamente a troca térmica. Por isso a determinação da
composição e origem desses depósitos é fundamental na compreensão e
determinação das causas da falha.
Com esse intuito, realizaram-se análises de algumas amostras retiradas do
interior dos tubos, conforme orienta Babcock & Wilcox (1992), utilizando-se
novamente o aparelho Novex. Obtiveram-se composições químicas nas quais os
elementos preponderantes eram Fe, S, Cu, Zn, Cr, Mo e P, conforme Tabela 5.
Tabela 5 – Análise química dos depósitos.
Elemento químico Ferro Fósforo Enxofre Cobre Zinco Cromo Molibdênio
Quantidade (%) 54,37 ± 0,46
36,71 ± 0,40
7,95 ± 0,22
0,44 ± 0,05
0,26 ± 0,03
0,14 ± 0,04
0,13 ± 0,01
A maioria desses elementos atribui-se ao produto da corrosão do tubo, todavia
o elemento Fósforo (P) não fazendo parte da composição do tubo, atribuiu-se a sua
presença ao arraste pelo fluido transportado nos tubos.
69
De posse dessa informação, buscou-se pela análise do fluxograma da água de
caldeira, os pontos onde poderia existir a contaminação (com algum composto que
levasse Fósforo em sua composição química) ou alguma falha no tratamento de
água.
Qualquer falha no tratamento da água de caldeira foi descarta, pois a mesma
sofre um rígido controle tento varias amostras analisadas durante o dia.
Seguindo-se com a análise do fluxograma observou-se que existe um ponto de
injeção de fosfato, para proteção dos tubos, de onde se definiu como ponto de
partida para análise dos sistemas seguintes, de modo a identificar a causa dos
depósitos. Todavia, isso não se faz suficiente para explicar como esse produto
chegou até a região afetada, pois segundo The Babcock & Wilcox, 1992, estes
componentes são severamente carregados pelos líquidos nos tubos e a região
afetada possui apenas vapor saturado.
Conforme NALCO CHEMICAL COMPANY, 1991, depósitos nos
superaquecedores11 são causados pelo arraste de água de caldeira que ao
vaporizar deixa o sólido suspenso. Comumente associados à geração de espuma,
nível excessivo de água no reservatório de água-vapor (tubulão) ou devido à falha
do sistema de separação e retenção de gotículas (separação líquido/vapor).
Ocorre geração de espuma quando há um excesso de produtos químicos
acumulados no tubulão, de tal forma, que o turbilhonamento natural do processo de
chegada das fases água/vapor gere cada vez mais espuma e a mesma se desloque
em direção ao sistema de superaquecimento.
Os valores limites para, principalmente de Sílica e Fosfato, potenciais
formadores de depósitos, são delimitados pelo manual de operação do
equipamento. Estes componentes, assim como quantidades de Ferro e Cloretos, são
analisados periodicamente, de segunda à sexta-feira, conforme padrão de execução
dos operadores de caldeira da empresa. Deste modo, a hipótese de geração de
espuma por excesso de produtos químicos foi descartada.
11 Pode-se entender o tubo suspenso como um superaquecedor, pois na verdade se trata de um suporte refrigerado dos aquecedores, podendo ser chamado também de pré-superaquecedor.
70
Outra possibilidade para o arraste de água da caldeira, o nível alto de água no
tubulão (ou atolamento do tubulão), que se dá quando o nível de líquido ultrapassa o
valor de projeto determinado, comumente 50% do diâmetro interno mais uma faixa
de 200 mm.
O controle desse parâmetro é feito por instrumentos, que indicam o nível e
acionam as válvulas de controle de entrada de água e saída de vapor. Além disso,
mesmo que essa malha de controle apresente algum tipo de falha, o operador é
avisado por meio de sinal visual e sonoro no painel de controle de tal forma, que
poderá acionar manualmente os controles para que se restabeleça a condição ideal
de projeto.
Verificando as variações de nível dos três meses que antecederam as falhas,
pode-se notar que não houve em nenhum momento a sobreposição do limite
superior do mesmo.
A terceira possibilidade trata-se da falha do sistema de separação de gotículas
do vapor. Deste modo, avaliou-se a possibilidade de erro na montagem do conjunto,
conforme item 4.3.3 a seguir.
4.3.3 Verificação de montagem
A caldeira em questão utiliza ciclones para fazer essa separação da fase
líquida da fase vapor. Esses componentes utilizam-se da força centrifuga para
separar o vapor saturado das gotículas de água e, estão dispostos conforme Figura
47.
71
Figura 47 – Exemplo de tubulão com ciclone. Fonte: Babcock & Wilcox (1992).
Os ciclones para essa caldeira são em um total de 26, localizam-se no interior
do tubulão, cada um possuindo uma tampa individual e a cada par um tampo em
comum, conforme exemplificado na Figura 48.
Figura 48 – Ilustração do funcionamento de um ciclo ne.
VaporVapor +água
Água
Tampo
Direcionadores de fluxo
72
Durante a inspeção do tubulão, Figura 49, um dos tampos individuais (seta
azul) foi encontrado solto no fundo do tubulão e, um dos tampos duplos (seta
vermelha) fora de posição.
Figura 49 – Ciclones danificados.
Primeiramente, associou-se essa condição a um recente histórico de vibração
do equipamento. Não obstante, a condição encontrada poderia ser suficiente para o
arraste de água e os seus malefícios.
Como essa condição não era esperada e o tempo para retorno do equipamento
era reduzido, optou-se por recompor os tampos a condição de projeto e, realizar o
travamento complementar dos componentes de fixação por meio de soldagem.
73
Apesar dos reparos executados, naquele dado momento não se tinha
resultados conclusivos quanto às causas da falha dos tubos suspensos, fato que
levou a equipe de inspeção a realizar registro fotográfico complementar de todos os
componentes.
No entanto, como os tampos dos ciclones estavam fora de posição, foi possível
visualizar a sua região interior, sobre os quais se levantou a possibilidade de
possuírem algum erro de montagem, pois apenas um par de ciclones com avaria nas
tampas (7,7%) provavelmente não teria sido capaz de gerar a deposição em 25%
dos tubos suspensos.
Em decorrência desta inspeção interna, os registros fotográficos foram
encaminhados ao fabricante do equipamento, com a prerrogativa de verificar se
havia alguma anormalidade na montagem dos ciclones. O parecer do fabricante foi
de que os direcionadores de fluxo daquele par de ciclones estavam montados de
forma invertida, o que possibilitou a passagem de líquido para os tubos dos
superaquecedores e também contribuiu para o arrancamento dos tampos, uma vez
que impunha um fluxo mais intenso do que o de projeto.
Figura 50 – Ciclone montado invertido.
Figura 51 – Ciclone montado corretamente.
Com base no fato das palhetas daquele par de ciclones, parcialmente mostrado
nas Figuras 50 e 51, estar montado invertido, iniciou-se o procedimento de
verificação nos demais ciclones, onde se constatou que 19 dos 26 (mais de 73%)
ciclones estavam com os direcionadores de fluxo montados invertidos.
74
De forma a elucidar a consequência das aletas montadas invertidas, a Figura
52 mostra em azul as aletas montadas de forma correta e em vermelho as aletas
montadas de forma indevida. Nota-se que na região A, o fluxo de gotículas de água
e vapor se torna concordante com o ângulo de montagem das aletas, fazendo com
que a água (mais densa que o vapor) seja direcionada para a parte inferior do
sistema. Na situação B, pelo fato da inversão de montagem, o fluxo de água incide
na parte posterior dos direcionadores de fluxo, fazendo com que parte da água
incidente se espalhe, formando gotículas menores, sendo projetadas para cima e
posteriormente carregadas pelo vapor.
Figura 52 – Diagrama da montagem das aletas.
75
5 CONCLUSÕES
Nesse trabalho foi apresentada uma falha em tubos de caldeira. Foram
levantadas técnicas de análise de falha, utilizando as mais adequadas ao problema.
Como foram realizadas várias etapas de análise, as conclusões se dividem da
mesma forma.
5.1 Ações corretivas
Com base nas réplicas metalográficas foi possível a determinação de quais
tubos e seus respectivos comprimentos deveriam ser substituídos. Essa técnica de
análise de campo se mostrou bastante eficaz.
5.2 Análise de falhas
5.2.1 Método dos 5 porquês
O ensaio visual possibilitou a elaboração da análise através da metodologia
dos “5 Porquês”. Porém esta técnica não se mostrou suficiente para a resolução do
problema em questão, devido a sua complexidade de possibilidades da origem da
falha. Partiu-se então para uma metodologia complementar, através da árvore de
falhas.
Primeiramente, buscou-se a confirmação da aplicação do material correto,
conforme projeto do fabricante. A verificação dimensional constatou que o tubo tinha
as dimensões requeridas. A análise química demonstrou que o material continha os
elementos de liga esperados. E os resultados do ensaio de dureza convergiram para
concluir que o material aplicado foi exatamente o material solicitado pelo projetista.
Posteriormente, realizaram-se análises metalográfica das regiões com danos
para verificar se eram condizentes com o material aplicado e a condição que o
mesmo estava sendo submetido. Inferiu-se que o material operara em temperatura
acima da de projeto, vindo a falhar em consequência dessa situação indesejada.
76
Dentre as possíveis causas elencadas, não poderia descartar-se alguma
variação nas condições de operação para o qual o equipamento foi projetado. Sendo
que as levadas a estudo foram: a condição de operação efetiva do equipamento e a
deposição que se originou no tubo do equipamento.
Para entender as condições operacionais a que o gerador de vapor estava
sujeito, primeiramente, buscou-se entender a operação desde as ferramentas de
controle, até o corpo técnico e suas rotinas. Desses estudos, pode-se obter como
resultados práticos a identificação de um corpo técnico altamente qualificado e a
certeza de um acompanhamento rigoroso das principais variáveis de processo. Isso
foi melhor evidenciado com a observação da lista de verificação para operador de
caldeira (Anexo A) e as telas do sistema PI, que não demonstraram haver qualquer
anomalia que pudesse ser origem dos danos encontrados.
Não obstante, a análise mais minuciosa de algumas das principais variáveis de
controle e a busca de correlações dessas variáveis, que pudessem, de alguma
forma, ter identificado alguma anormalidade na caldeira, se mostraram ineficazes.
Por isso, desconsiderou-se a condição operacional da caldeira como motivadora dos
danos e depósitos verificados.
Inicialmente, buscou-se, através da análise química desses depósitos,
identificar componentes que pudessem ligar o depositado analisado com sua
origem. Dentre os vários compostos identificados chamou à atenção a quantidade
de Fósforo (P), na ordem de 37% da composição em massa total.
A partir dessa constatação, procurou-se, pela análise dos fluxogramas de água
de caldeira, os pontos de injeção de produtos químicos. Verificando-se que essa
origem se dava por uma injeção de fosfato utilizada como tratamento da água, que
possui um controle rigoroso, esta informação ajudou a servir como base para
descartar outras possibilidades referente a existência desse material.
De posse da análise química e dos controles realizados periodicamente na
água, mais uma vez buscou-se na bibliografia principalmente de The Babcock &
Wilcox, 1992, pode-se propor três causas para esse material se alojar nos referidos
tubos. A primeira, geração de espuma, foi rebatida com base nos procedimentos e
rotinas de controle da água. O nível excessivo de água no tubulão foi facilmente
77
conferido, pois o mesmo tem controle e registro contínuo, no qual não se observou
essa anormalidade ao longo do tempo. Por fim, restava avaliar o sistema de
separação de gotículas.
Como já dito, esse sistema é composto por ciclones que apresentaram um
indicio de problemas por ter uma de suas tampas fora de posição. Todavia
considerou-se uma pequena variação para ser sozinha a causa básica de todos os
problemas até então identificados. Como a caldeira já havia retornado a operação no
decorrer desta análise optou-se por consultar o fabricante. Para tal, enviou-se o
relatório fotográfico inicial para o fabricante do equipamento, questionando-os sobre
o que poderia causar algum tipo de falha na separação de gotículas. A resposta do
fabricante veio de encontro ao, até então, determinado por esta análise: houve uma
falha na montagem nas palhetas do ciclone, de tal forma, que direcionavam o fluxo
de gotículas em direção a saída de vapor.
Embora advindo da análise operacional, a identificação de anomalias nos
ciclones remete a uma falha de fabricação, reforçando a ideia de inter-relação entre
acontecimentos que a ACR propõe identificar.
Outra consequência da verificação anterior é a de que a vibração outrora
visualizada na caldeira, que remeteria outra linha de análise, pôde ser descartada
nesse momento, pois mesmo que pudesse interferir de alguma forma, avaliou-se
como irrelevante e possivelmente até consequência do erro de fabricação
constatado.
Decidiu-se por parar a análise ao final do ultimo item devido aos resultados já
obtidos e o desfecho que já se encaminhava. Por isso, o item deficiência de projeto
foi previamente descartado, devendo ser retomado em caso da não observância da
validação das correções a serem propostas.
Com isso, pode-se constituir a árvore de falhas em sua totalidade como pode
ser visualizado na Figura 53.
78
Figura 53 – Árvore da análise de falhas do tubo suspenso.
5.3 Consequências e ações
A partir da aplicação dessas ferramentas, obtiveram-se respostas para as
muitas questões levantadas ao longo do processo. Os tubos que falharam possuíam
acúmulo de depósitos nas suas superfícies internas, que impediram o fluxo de vapor.
A deposição excessiva foi provocada provavelmente devido às deficiências no
sistema de separação água/vapor, que permitiu o arraste de água pelo vapor
saturado a partir do tubulão. Na primeira região de transferência de calor após o
tubulão, a água passou ao estado vapor e os sólidos e minerais nela diluídos ficaram
depositados nas paredes dos tubos. Os depósitos aderidos às superfícies internas
dos tubos diminuíram a capacidade de resfriamento destes pelo vapor. À medida
que o acúmulo de depósito crescia a temperatura do metal aumentava, reduzindo a
resistência mecânica e acelerando transformações metalúrgicas, no caso a
esferoidização, contribuindo para reduzir as propriedades do material ainda mais.
Com as propriedades mecânicas reduzidas e a pressão interna do vapor, as regiões
mais quentes dos tubos (acima de 600°C) sofreram pr ogressiva deformação plástica
(formação de “laranja”), além de intensa oxidação que culminou com a ruptura dos
tubos. Este mecanismo de falha é conhecido na literatura como superaquecimento
79
de longa duração. Conclui-se desta forma que a causa básica foi a inoperância dos
ciclones devido a um erro de fabricação/montagem dos mesmos.
A partir dessa constatação e a corroboração do fabricante, realizaram-se os
tramites necessários para a substituição dos componentes defeituosos. Para tal,
programou-se para a Parada Geral da caldeira, em atendimento as normas, que se
efetuasse também, essa manutenção. Como o fabricante já havia assumido a
responsabilidade pelo ocorrido, enviou equipe própria especializada de modo a
acompanhar os trabalhos de substituição, assegurando a correta instalação dos
ciclones, que vieram parcialmente montados de fábrica (região de direcionamento de
fluxo). Na data programada realizou-se a troca completa dos 26 componentes, que
foram recebidos conforme se pode visualizar na Figura 54.
Figura 54 – Peças de reposição da caldeira (ciclone s).
Não obstante, inferiu-se que o modelo de análise de falha que melhor se
adéqua ao problema está relacionado com a profundidade que se deseja obter como
resultado. Numa primeira análise, o modelo utilizado conduziu o resultado até um
nível superficial (cinco porquês), porém não menos importante, pois serviu de base
para o aprofundamento da análise e utilização do método de árvore de falhas. Deste
modo, pode-se observar que as técnicas de análise de falhas são complementares e
devem ser utilizadas em concordância quando necessário.
80
O resultado desse trabalho foi fundamental para a correção da falha de
montagem e com isso retornar com o equipamento a condição de projeto, podendo
operar com segurança para a planta industrial e para as pessoas. Além disso, todas
as informações levantadas serviram para que o fabricante identificasse seu erro de
montagem nos ciclones e assumisse sua responsabilidade pela correção. De tal
forma, espera-se que todos os geradores de vapor com mesmo projeto e fabricação
similares sejam verificados e as correções necessárias sejam realizadas.
Como ganhos desse trabalho, pode-se salientar ainda, a assertividade da
realização da inspeção extraordinária desse equipamento, sem a qual não seria
possível estimar quando a anormalidade seria identificada e em que circunstancias.
Por isso, apresentações para toda força de trabalho envolvida na área de inspeção e
manutenção foi mais uma das ações resultantes deste trabalho.
81
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Por fim, para trabalhos futuros, sugere-se:
• A avaliação da eficácia da troca dos ciclones, importante etapa para o
fechamento do ciclo da análise de falha, durante manutenção
programada futura da caldeira em questão;
• Para o fabricante, aconselha-se estudar uma alternativa de projeto de
montagem que evite este tipo de erro identificado. Como proposição
dessa equipe, fica a aplicação das técnicas de poke-yoke, que se
entende por ideal para o caso de componentes que tem intervenção
humana em sua montagem conjuntamente com formas que
impossibilitem posicionamento equivocado.
.
82
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85
ANEXO A – LISTA DE VERIFICAÇÃO PARA OPERADOR DE
CALDEIRA
86
APÊNDICE A – ENSAIO VISUAL
Ensaio não destrutivo que emprega a radiação eletromagnética em frequências
visíveis, podendo ser direto, remoto ou translúcido, com aumento de até 10 vezes
(ASSOCIAÇÃO..., 2011).
Foi o primeiro método de ensaio não destrutivo aplicado pelo homem. É
certamente o ensaio mais usado de todos, em todos os ramos da indústria. Por este
motivo trata-se de um ensaio mais simples, entretanto, apesar dos avanços
tecnológicos em outros métodos de ensaios, a inspeção visual ainda se faz
fundamental (OLIVEIRA, 2013).
Apesar de ter simples aplicação e fácil aprendizado, este ensaio não é
suficiente para uma análise completa, sendo necessário sempre o auxílio de ensaios
complementares.
Em uma boa inspeção visual observa-se a aparência da superfície, formatos,
dimensões e descontinuidades grosseiras, gerando-se um ponto de partida para os
ensaios complementares.
Como o método de ensaio visual baseia-se fortemente na utilização da visão,
se torna necessária a acuidade visual12 do responsável por conduzir este trabalho.
Os ensaios em que o observador (pessoa responsável) tem acesso ao
componente e/ou local são denominados ensaio direto. Quando há necessidade de
se utilizar de recursos adicionais como, por exemplo, boroscópio, fibroscópio,
videoscópio, entre outros, a inspeção se torna remota (ASSOCIAÇÃO..., 2007).
Além da utilização da visão, o responsável por conduzir uma inspeção visual
pode portar ferramentas que o auxiliem, tais como lupa, microscópio, lanterna,
espelho, câmera fotográfica, instrumentos de medição (trena, nível, paquímetro,
micrômetro, calibres, etc.).
12 Acuidade visual: capacidade de distinguir pequenos detalhes segundo a ABNT NBR MN 329 (ASSOCIAÇÃO..., 2011).
87
APÊNDICE B – PLANEJAMENTO DO EXAME VISUAL
Trata-se do levantamento das informações pertinentes ao que se deseja
inspecionar, de modo a garantir a qualidade da execução do ensaio. É
recomendável que o profissional tenha acesso aos aspectos do equipamento que
possam interferir na integridade física, tais como (OLIVEIRA, 2013):
a) Detalhes construtivos;
b) Acessórios existentes;
c) Condições de trabalho (pressão, temperatura, etc.);
d) Mecanismos de dano a que o componente está sujeito;
e) Regiões definidas para ensaio;
f) Motivo e objetivo da inspeção.
Deste modo, cria-se previamente um melhor entendimento de como o
componente e/ou equipamento deve estar em seu local de funcionamento, sendo
mais fácil a observação de anomalias.
Assim como os demais, o ensaio visual deve ser registrado em formato de
relatório, de modo que possa ser consultado se necessário.
88
APÊNDICE C – ANÁLISE DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA POR
FLUORESCÊNCIA DE RAIOS-X
Cada um dos elementos químicos presentes numa amostra gera um conjunto
de raios-X característico e específico. Os analisadores determinam a composição
química de uma amostra medindo o espectro de raios-X emitidos pelos diferentes
elementos na amostra quando é “bombardeada” por raios-X.
A fluorescência de raios-X é criada quando um raio de energia suficiente
atinge um átomo na amostra, deslocando um elétron de uma das camadas internas
do átomo. O átomo recupera a estabilidade, preenchendo a lacuna deixada na
camada orbital interior, com um elétron de uma camada mais afastada do núcleo. O
elétron cai para o estado de energia mais baixo, liberando um raio-X fluorescente, e
a energia desse raio-X é igual à diferença específica de energia entre dois estados
quânticos do elétron.
Este processo pode ser mostrado na Figura 55.
Figura 55 – Diagrama mostrando a excitação nas cama das eletrônicas. Fonte: NITON (2007)
89
Ao medir simultaneamente a fluorescência de raios-X emitidos pelos diferentes
elementos da amostra, o analisador pode determinar rapidamente os elementos
presentes na a amostra e as suas concentrações relativas, comparando a
fluorescência recebida com sua respectiva biblioteca interna (química elementar da
amostra). Para amostras com composição química especificamente definida, tal
como os tipos mais comuns de ligas utilizadas industrialmente, estes instrumentos
também identificam a maioria dos tipos de amostras por nome, normalmente em
poucos segundos, conforme exemplificado na Figura 56.
Figura 56 – Diagrama mostrando o funcionamento do e nsaio e suas formas de exposição dos dados para o usuário.
Fonte: NITON (2007)
Para a preparação da superfície, recomenda-se que sejam removidas todas as
substâncias que não compõem o aço em seu estado de fornecimento, como por
exemplo, poeiras, umidade, produtos de corrosão, entre outros. Para tal, sugere-se
limpar a superfície primeiramente com lixamento da área em questão, com lixa
própria para metais grana 80 e/ou grana 120, em seguida, limpando os detritos com
álcool isopropílico (ASM HANDBOOK 10, 2008).
