2END - 2 Conferncia Nacional em Ensaios no destrutivos

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DETECO DE FUGAS DE ALTA SENSIBILIDADE COM HLIO

VANTAGENS E CASOS DE ESTUDO Flvio Silva1(*) 1A. Jorge Lima, Lda.

(*)Email: flaviosilva@ajorgelima.com

RESUMO

Este trabalho pretende demonstrar as potencialidades e aplicabilidade dos Ensaios de

Estanquidade com a utilizao de Hlio como gs sinalizador. Por forma a comprov-lo, sero

descritos dois casos especficos onde foram utilizadas duas tcnicas diferentes ensaio com

sniffer num Permutador de Calor de uma Central Termosolar que colapsou aps um erro

durante o seu funcionamento e um ensaio em vcuo num Liofilisador de uma farmacutica

que, devido a uma fuga, no passava o Performance Test.

INTRODUO

Na prtica, impossvel produzir um sistema 100% estanque e como tal, tornando-se

relevante especificar qual a taxa de fuga comprovando assim a sua estanquidade. Para tal so

necessrias verificaes durante a sua produo, aps a montagem final e durante o seu

funcionamento. aqui que a deteco de fugas desempenha um papel fundamental porque

garante as condies de presso e composio do gs do sistema (Hilleret, 1999).

A taxa de fuga definida como a quantidade de gs que escapa por um determinado elemento

permevel. O caudal funo do tipo de gs, da diferena de presso e da temperatura. Num

sistema de volume V, a taxe de fuga Q dada por:

t

pVQ

1 (1)

Onde t a variao de presso durante o intervalo de tempo t.

Tabela 1 Factores de converso da taxa de fuga em vrios sistemas de unidades (Lafferty, 1998).

mbar.l/s Torr.1/s Pa.m3/s cm

3/s

*

mbar.l/s 1 0,75 0,1 0,99

Torr.1/s 1,33 1 0,133 1,32

Pa.m3/s 10 7,5 1 10

cm3/s 1,01 0,76 0,101 1

* Condies PTN

Para simplificar e ter uma idia destes valores, assume-se que uma fuga um canal com uma

forma circular. Um dimetro de 0,01 mm corresponde a uma taxa de fuga de 10-2

mbar.l/s, ou

seja, uma fuga com uma taxa de 10-10

mbar.l/s = 10-10

cm3/s, isto , o volume de 1 cm

3 de gs

necessita de 317 anos a escapar-se (Zapfe,2007).

As fugas podem aparecer sob diferentes formas e em diferentes locais:

em ligaes permanentes por soldadura, brasagem ou colagem;

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poros e fissuras devido a esforos mecnicos ou trmicos, que na maioria dos casos esto sempre presentes mas em quantidades e tamanhos de tal forma reduzidos que

no so relevantes;

flanges;

fugas devido a aquecimentos/arrefecimentos bruscos;

fugas virtuais, onde o gs se evapora de rugosidades internas, o que poder eventualmente levar a longos tempos de criao de vcuo.

O objectivo da deteco destas fugas localiz-las e/ou determinar a taxa de fuga e

dependendo do tamanho da fuga, devem ser utilizadas diferentes tcnicas de deteco. Todos

os mtodos se baseiam no princpio da medio de uma determinada propriedade fsica num

dos lados do sistema enquanto a presso ou natureza do gs alterada no lado oposto

(Zapfe,2007).

A norma europeia EN1779:2004 define 17 tcnicas para a realizao de um ensaio de

estanquidade, podendo estas serem agrupadas de uma forma mais sinplificada conforme

mostra a figura 1.

Fig. 1 Tcnicas do Ensaio de Estanquidade

Pode-se ento definir dois grandes grupos ou mtodos de ensaios de estanquidade, os ensaios

de variao de presso onde se incluem os tradicionais ensaios com sabonria em presso ou

vcuo, e os ensaios com gs sinalisador onde se inclui, por exemplo, o ensaio com amonaco e

os ensaios com hlio. Para se poder ter uma noo das ordens de grandeza destas tcnicas, a

norma define que o limite de sensibilidade de um ensaio com sabonria de 1E-3

Pa.m3.s

-1

comparativamente com 1E-7

Pa.m3.s

-1 de um ensaio de hlio com sniffer e 1E

-10Pa.m

3.s

-1 de

um ensaio de hlio em vcuo.

Para alm de obedecer as premissas de um bom gs sinalisador:

Sinal inequvoco no espectrmetro de massa; Inerte qumica e fsicamente, no explosivo e barato; Quantidade pouco significativa no ar; Facilmente retirado por bombas e que no contamine o sistema.

O hlio tem um tamanho que lhe permite detectar fugas muito pequenas.

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A forma de detectar este hlio, prende-se no recurso

a um detector equipado com um espectrmetro de

massa optimizado para a deteco do hlio (fig. 2).

Portanto, quando se pretende realizar um ensaio de

estanquidade, dever ser:

definida a taxa de fuga admisvel para o sistema a ensaiar;

definidas as condies de servio do sistema;

definido o tipo de ensaio: Quantitativo/Qualitativo Global/Local Com ou sem localizao

As aplicaes para este tipo de ensaios so

inmeras. As indstrias mais exigentes so aquelas

que mais procuram este gnero de soluo, com as

indstrias aeronutica, automvel, nuclear,

farmacutica, qumica e petroqumica e energias

renovveis. Exemplos de aplicaes:

Verificao da estanquidade de permutadores de calor ou de autoclaves durante o seu fabrico;

Deteco de fugas em depsitos de combustvel em avies; Deteco de fugas em sistemas de refrigerao nos automveis; Verificao da estanquidade de liofilisadores para a indstria farmacutica.

De seguida sero abordados dois casos de estudo onde o ensaio de hlio foi empregue com

sucesso para resolver dois problemas completamente distintos: um permutador de calor de

uma central termosoldar e um liofilisador de uma farmacutica.

CASO DE ESTUDO 1 PERMUTADOR DE CALOR

Este caso ocorreu numa central termosolar espanhola onde, durante o funcionamento do

permutador, uma falha no controlo fez com que o sal fundido solidificasse nas paredes

exteriores do feixe tubular fazendo com que alguns desses tubos partissem. O permutador

tinha um feixe tubular com cerca 6100 tubos, cada um com 22,2m de comprimento.

As falhas foram detectadas durante o ensaio hidrosttico pelo lado exterior aos tubos,

comeando os referidos tubos a verter gua. Os tubos foram identificados e tamponados.

Quando se voltou a repetir o ensaio hidroesttico, mas pelo lado dos tubos, voltou-se a

verificar a existncia de fuga muito mais pequena e impossvel de localizar uma vez que no

existia acesso possvel a parte exterior do feixe tubular.

A nica soluo vivel para detectar estas fugas era recorrer a um gs sinalisador que pudesse

indicar qual ou quais dos tubos fugavam ensaio qualitativo. O uso de amonaco no

contribuia com nada uma vez que as fugas estavam no interior dos tubos, hidrognio no era

Fig. 2 Espectrmetro de massa com

campo magntico de 180o, optimizado para

o 4He.

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Figura 3 Esquema do ensaio de hlio com sniffer

realizado no permutador.

de todo a melhor opo sendo a verificao realizada num espao confinado, como tal, o hlio

surgiu como a soluo mais vivel.

A tcnica selecionada, sem dvida alguma a mais adequada, foi a do sniffer com acumulao.

Nesta tcnica pressuriza-se a parte externa dos tubos e deixa-se acumular, durante um

intervalo de tempo definido (ver fig.3). Quanto maior o tempo de acumulao mais

sensibilidade se obtm.

Atendendo que se tratava de um espelho

com 6100 tubos comeou-se por dividir

em 8 partes o espelho (4 em cima e 4 em

baixo). Esta operao permitiu, no s

localizar as fugas mais significativas,

como tambm excluir as zonas do feixe

tubular que ficaram intactas aps o

acidente foram detectadas fugas nesta

fase 4.

As fugas foram reparadas e voltou a repetir-se o mesmo procedimento, mas agora com a

denominada zona crtica tamponada tubo a tubo ( 500 tubos). Aps este ensaio foram

detectadas duas novas fugas e todas as outras zonas passaram sem qualquer indicao de

presena de hlio.

Os prejuzos da central estar parcialmente inoperacional rondavam os 200K dirios e a

problema j perdurava cerca de 1 ms. Estes dois ensaios duraram 5 dias (contando com

todo o tempo de preparao) e permitiram de uma forma fcil e rpida localizar as fugas

existentes.

CASO DE ESTUDO 2 LIOFILIZADOR

Este caso passa-se numa farmacutica que aps a interveno de manuteno a um dos seus

liofilizadores, verifica que este apresenta uma fuga superior ao limite estabelecido (12bar.l.s-1).

Esta fuga detectada durante o Performance Test que no mais que um ensaio de

estanquidade de variao de presso ensaio global.

O liofilizador composto, por uma cmara, um condensador e, generalizando, por um sistema

de tubagem com flanges, vlvulas e soldadura. Ou seja, os pontos possveis de fuga existentes

so vrios.

A seleco da tcnica, atendendo taxa de fuga admissvel, podera ter recado num ensaio

com sabonria, mas para isso sera necessrio pressurizar o sistema o que, apesar de ser

possvel, no era a condio real de servio. Para alm disto, a estanquidade das vlulas

necessitava ser testada e o acesso para aplicao de sabonria no existia. Posto isto, a nica

alternativa era o hlio. Para alm da sensibilidade ser mais do que suficiente, realizava-se o

ensaio nas condies reais de funcionamento vcuo.

Foi ento conectado o detector junto s bombas do sistema de forma a que o hlio viesse

sempre na direco do detector e para minimizar o tempo de resposta do mesmo (ver fig.4).

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Aps colocar todo o sistema em

vcuo, inicia-se o spraying de

hlio em todos os pontos

possveis de fuga. Ao contrrio

do ensaio com o sniffer,

importante quando se realiza este

tipo de teste que a verificao

seja realizada de cima para baixo

uma vez que o hlio, devido

sua densidade, sobe.

Devido grande sensibilidade

deste tipo de tcnica, o facto de existirem fugas demasiado grandes faz com que todo o

sistema fique poludo e quando assim , torna-se necessrio limpar todo o sistema e reiniciar o

ensaio. Foi exactamente isto que aconteceu. Durante o primeiro teste e aps terem sido

detectadas algumas fugas, verificou-se a existncia de uma fuga considervel na porta o que

fez com que todo o sistema ficasse contaminado e no pudessemos continuar o ensaio.

Aproveitou-se a descompresso do sistema para reparar as fugas detectadas e substituir o

vedante da porta para voltar a ser testado.

O cliente arriscou realizar um novo Performance Test aps as reparaes e verificou que a

taxa de fuga tinha realmente descido para cerca de 10x menos mas continuava acima dos

12bar.l.s-1

.

Decidiu-se, antes de se iniciar um novo teste com hlio, verificar se a cmara, isolada do

condensador, passava o Performance Test. Passou. Esta operao, permitiu-nos focar somente

no condensador. Voltou-se a testar todos os pontos de fuga incluindo agora as borboletas das

vlvulas e detectou-se novamente que existia realmente fuga nas vlvulas de vapor.

Aps a substituio destas vlvulas o Performance Test apresentou resultados satisfatrios e

bastante abaixo do valor que apresentava antes de ser realizada a manuteno do

equipamento.

Foram novamente gastos cerca de 4 dias para realizar os ensaios contando com tempos de

compresso/descompresso. Se no tivesse sido realizado este teste e o equipamento no

fosse reparado a tempo da data prevista de arraque, a empresa corria riscos de prejuzos na

ordem dos 20K por turno.

CONLUSES

Os ensaios de estanquidade podem ser realizados tanto na fase de fabrico dos equipamentos

como na fase de funcionamento conforme os dois casos de estudo demonstram.

Os diferentes ensaios de estanquidade existentes tm diferentes sensibilidades, estando os

ensaios de hlio entre os mais sensveis 1E-10

Pa.m3s

-1 para as tcnicas A1 e A2 (EN1779).

Para alm da sensibilidade, outros factores deve ser levados em conta, nomeadamente:

Necesidade de localizao das fugas; Limites de resistncia presso/vcuo Condies de funcionamento do sistema

Fig. 4 Esquema de montagem do detector no liofilisador.

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Os ensaios de hlio tm a versatilidade de poderem detectar fugas desde uma gama muito alta

1E-2

Pa.m3s

-1 a uma gama muito baixo 1E

-10 Pa.m

3s

-1 e poderem ser realizados quer com

presso quer em vazio.

AGRADECIMENTOS

Queria aproveitar para deixar uma palavra de agradecimento ao Eng. Accio Lima pela

oportunidade que me deu para me formar neste tipo de ensaios e por continuar a apostar em

mim.

REFERNCIAS

Vacuum Technology Helium leak detection, p. 349-361.

Zapfe K. Leak Detection. Technical Note, 2007.

Hilleret N. Leak Detection. CERN, 1999, p. 203-212.

Hodot C. Formation des Contrleur dtanchit de Niveau 2, Cegelec, 2009