Modos comuns de falha em tubos de trocadores de calor: corrosão, vazamentos e seleção de materiais

As falhas em tubos de trocadores de calor são mais comumente causadas por corrosão, erosão e seleção incorreta de materiais. Compreender modos de falha como a dezincificação, a corrosão galvânica e o afinamento da parede ajuda engenheiros e compradores a escolher o material de tubo adequado e a evitar vazamentos, paradas não planejadas e substituições onerosas.

Os tubos de trocadores de calor operam na interseção entre pressão, temperatura, química do fluido e velocidade. Quando ocorrem falhas, elas raramente resultam de um único fator. Em geral, são consequência de uma incompatibilidade entre material e ambiente, combinada com condições operacionais que aceleram a degradação ao longo do tempo.

Entender como e por que os tubos de trocadores de calor falham é essencial para engenheiros, equipes de manutenção e profissionais de compras que buscam reduzir o tempo de indisponibilidade, prolongar a vida útil dos equipamentos e evitar substituições prematuras.

Este artigo examina os modos de falha mais comuns em tubos de trocadores de calor e explica como a seleção correta de materiais desempenha um papel central na sua prevenção.

As falhas de tubos não são eventos aleatórios. Elas são resultados previsíveis de decisões de projeto e especificação tomadas nas fases iniciais de um projeto.

Os fatores contribuintes mais comuns incluem:

• química do fluido agressiva ou mal controlada

• alta velocidade de fluxo e turbulência

• temperaturas elevadas e ciclos térmicos

• metalurgia mista entre tubos e placas tubulares

• requisitos insuficientes de inspeção ou ensaio

Quando as propriedades do material do tubo não estão alinhadas com essas condições, os mecanismos de degradação começam a atuar muito antes do surgimento de vazamentos visíveis.

A corrosão é a principal causa de falhas de tubos em sistemas de geração de energia, aplicações marítimas, refinarias e dessalinização.

Ela ocorre quando o material do tubo reage química ou eletroquimicamente com o fluido ao redor ou com depósitos na superfície do tubo. Com o tempo, isso leva ao afinamento da parede, à perda de resistência mecânica e, por fim, a vazamentos.

Diferentes ligas resistem à corrosão de maneiras distintas, razão pela qual uma seleção genérica de materiais frequentemente resulta em desempenho insatisfatório no longo prazo.

A erosão-corrosão é um mecanismo de falha combinado, de natureza mecânica e química.

A alta velocidade do fluido, especialmente quando transporta sólidos em suspensão ou bolhas de ar, remove as camadas protetoras de óxido da superfície do tubo. Uma vez exposto, o metal base se corrói rapidamente.

Esse modo de falha é comum em:

• sistemas de água de resfriamento

• condensadores

• trocadores de calor de alto fluxo

Materiais com resistência insuficiente à erosão apresentam afinamento localizado, geralmente nas entradas dos tubos ou em áreas de perturbação do fluxo.

A dezincificação é um mecanismo de corrosão seletiva que afeta determinadas ligas de latão.

Em condições de água agressiva ou estagnada, o zinco é preferencialmente lixiviado da liga, deixando uma estrutura enfraquecida e porosa, rica em cobre. Embora os tubos possam parecer intactos externamente, sua resistência mecânica é severamente reduzida.

Esse fenômeno é particularmente relevante quando:

• latão padrão é utilizado em vez de ligas inibidas

• a química da água é mal controlada

• o serviço envolve água quente ou levemente ácida

A seleção correta da liga é fundamental para evitar esse modo de falha silencioso, porém destrutivo.

A corrosão galvânica ocorre quando dois metais dissimilares estão eletricamente conectados na presença de um eletrólito.

Em trocadores de calor, isso frequentemente acontece entre:

• tubos e placas tubulares

• tubos e suportes de tubos

• reparos realizados com materiais incompatíveis

O metal menos nobre se corrói preferencialmente, levando a um ataque acelerado nos pontos de contato. Mesmo ligas com boa resistência à corrosão isoladamente podem falhar rapidamente se combinadas de forma inadequada.

Os vazamentos de tubos geralmente são o sintoma final, não a causa raiz.

Eles resultam de uma perda progressiva de espessura causada por corrosão, erosão ou ataque localizado sob depósitos. Quando os vazamentos são detectados, uma degradação significativa do material já ocorreu.

O afinamento da parede em estágios iniciais frequentemente passa despercebido sem métodos de inspeção adequados, tornando a seleção de materiais e os requisitos de ensaio ainda mais importantes.

Escolher o material de tubo correto é a forma mais eficaz de mitigar o risco de falha.

A seleção de materiais deve ser baseada em:

• composição do fluido

• temperatura de operação

• velocidade e turbulência

• vida útil esperada

• compatibilidade com os componentes adjacentes

A seguir estão estratégias de materiais normalmente utilizadas para prevenir modos de falha comuns.

As ligas de latão almirantado são amplamente utilizadas em aplicações de água de resfriamento e condensadores devido à sua combinação equilibrada de resistência, condutividade térmica e resistência à corrosão.

Quando corretamente especificado, o latão almirantado inibido oferece boa resistência à corrosão geral e à dezincificação em condições de água controladas.

O latão ao alumínio proporciona maior resistência à erosão-corrosão e ao biofouling em comparação com os latões padrão.

Seu filme protetor de óxido de alumínio melhora o desempenho em sistemas de maior velocidade e em águas moderadamente agressivas, tornando-o uma escolha frequente para usinas de energia e grandes condensadores.

As ligas de cobre-níquel são especificamente projetadas para serviço em água do mar.

Sua excelente resistência ao biofouling, à corrosão induzida por cloretos e à erosão as torna a solução preferida em ambientes marítimos e de dessalinização, onde outras ligas sofrem degradação rápida.

Aqui, a escolha do material determina diretamente a vida útil.

Muitas falhas de tubos têm origem em decisões motivadas pelo custo inicial, em vez da realidade operacional.

O uso de uma liga de menor custo em um ambiente agressivo pode reduzir o investimento inicial, mas frequentemente resulta em:

• vida útil reduzida

• manutenção frequente

• paradas não planejadas

• maior custo ao longo do ciclo de vida

A seleção de materiais deve, portanto, ser tratada como uma decisão de gerenciamento de riscos, e não como uma simples compra de commodity.

Para reduzir o risco de falhas, engenheiros e compradores devem seguir estes princípios:

• adequar a liga do tubo à química do fluido e à temperatura

• controlar a velocidade do fluxo para evitar erosão

• evitar metalurgias mistas sem isolamento adequado

• especificar métodos de inspeção, como ensaios por correntes parasitas

• exigir rastreabilidade e certificação para serviços críticos

Essas etapas ampliam significativamente a vida útil dos tubos e melhoram a confiabilidade do sistema.

As falhas em tubos de trocadores de calor raramente são inevitáveis. Na maioria dos casos, elas resultam de interações previsíveis entre propriedades dos materiais e condições operacionais.

Ao compreender os modos de falha mais comuns e selecionar os materiais de tubo de forma adequada, equipes de engenharia e compras podem prevenir a corrosão, minimizar vazamentos e evitar tempos de parada dispendiosos.

Se você está avaliando materiais de tubos para uma aplicação crítica de trocador de calor, trabalhar com um fornecedor que compreenda tanto os materiais quanto os ambientes operacionais é essencial. Entre em contato com a Admiralty Industries para discutir estratégias de seleção de materiais adaptadas aos requisitos do seu sistema.

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