Manutenção de trocadores de calor: um guia prático para engenheiros

A manutenção de trocadores de calor é o que diferencia um equipamento que cumpre sua função de projeto por mais de 20 anos de um que perde de 15 a 30 por cento de sua capacidade em poucos ciclos. O trabalho se divide em quatro disciplinas: monitorar o desempenho em relação à linha de base, inspecionar a degradação do material, limpar para restaurar a transferência de calor e decidir entre reparar ou retubar. O plano correto é aquele adequado ao serviço, ao tipo de construção e à liga dos tubos. Planos genéricos tendem a limpar de menos, de mais, ou com produtos químicos que destroem as películas protetoras das ligas de cobre.

Um trocador de calor não falha de forma ruidosa, ele se degrada. As incrustações depositam uma camada isolante sobre a superfície de transferência de calor. A corrosão desgasta as paredes dos tubos um micrômetro por vez. As vibrações afrouxam os suportes dos chicanas. Cada um desses fenômenos é invisível até que o equipamento não consiga mais manter a temperatura de saída, até que um tubo se rompa ou até que a conta de energia suba silenciosamente porque o sistema a montante está compensando a perda de capacidade.

A falha de tubos é uma das causas mais comuns de paradas em trocadores de calor. Os mecanismos estão bem documentados na literatura TEMA, AMPP e da Copper Development Association e são totalmente gerenciáveis com um programa de manutenção adequado às ameaças reais do serviço.

As incrustações são o maior fator. Seis tipos são reconhecidos: particulado (sólidos em suspensão), cristalização ou formação de escamas (precipitação de minerais), biológico (bacteriano, algal, macrofouling), reação química (polimerização ou coqueificação), incrustação por corrosão (oxidação da própria superfície) e congelamento. Equipamentos reais geralmente apresentam mais de um tipo simultaneamente, e cada um responde a um método de limpeza diferente.

A corrosão ataca diretamente o material do tubo. Os mecanismos mais relevantes para tubos de trocadores de calor são: afinamento uniforme, pitting, dezincificação (em ligas de latão não inibidas), fissuramento por tensão-corrosão, ataque galvânico e erosão-corrosão em altas velocidades. Cada liga de tubo tem seu próprio envelope de aplicação, motivo pelo qual a manutenção deve partir da liga.

A degradação mecânica inclui danos por vibração dos tubos nos chicanas, fluência das juntas e afrouxamento das conexões tubo-espelho tubular por ciclos térmicos.

Um programa baseado em intervalos de calendário tenderá a superdimensionar a manutenção de um equipamento limpo ou a chegar tarde demais a um equipamento com incrustações. A base mais sólida é o monitoramento em relação à própria linha de base do equipamento.

Os quatro indicadores que importam:

• O coeficiente global de transferência de calor (U) em queda é o sinal de incrustação mais claro.

• A temperatura de aproximação aumenta à medida que as incrustações se acumulam.

• A queda de pressão crescente no lado dos tubos indica depósitos internos ou obstrução parcial; no lado do casco, incrustações externas ou danos por vibração.

• O desvio da válvula de controle e da velocidade da bomba é um indicador antecipado de que o sistema está compensando a perda de capacidade.

Uma heurística operacional comum é acionar a limpeza com uma perda de 10 a 15 por cento do valor U em relação à linha de base, mas o número correto depende do custo da limpeza, do custo da perda de capacidade e da taxa de degradação no serviço específico. Nota: esse intervalo é uma heurística, não um padrão. Valide com seus próprios dados.

Precisa de ajuda para selecionar o material de tubo correto, desenvolver um protocolo de limpeza adequado à liga ou dimensionar uma reposição de feixe? Compartilhe seu serviço, seu ambiente e o histórico de falhas existente. Recomendaremos um caminho adequado ao serviço real, não adaptado a partir de um modelo genérico.

O monitoramento de desempenho indica que o equipamento está perdendo capacidade. A inspeção indica o motivo.

Verificações visuais em cada oportunidade de parada detectam degradação superficial, condição das juntas e sinais de vazamento. Os testes de pressão conforme ASME Seção VIII verificam a integridade dos tubos a um múltiplo da pressão de operação.

Para feixes de casco e tubo, os ensaios não destrutivos são a fonte dos dados operacionais:

• Teste por correntes parasitas (ECT) para tubos não ferromagnéticos (Cu-Ni, latão almirantado, latão com alumínio, aço inoxidável austenítico, titânio). Rastreamento rápido do feixe completo para pitting, perda de espessura e danos nos chicanas.

• Teste por campo remoto (RFT) para tubos ferromagnéticos (aço carbono, aço inoxidável ferrítico).

• Sistema de inspeção rotativo interno (IRIS), ultrassônico, para mapeamento de alta resolução da espessura da parede. Usado para confirmar e quantificar o que o ECT ou RFT sinaliza.

• Teste por campo próximo (NFT) para feixes de tubos com aletas, onde o ECT padrão é distorcido pela geometria das aletas.

Uma campanha típica usa ECT ou RFT para rastreamento do feixe completo, depois IRIS para confirmar a espessura da parede nos tubos sinalizados.

O método correto depende do tipo de incrustação, da construção (se o feixe é removível) e da liga dos tubos.

A limpeza mecânica (hidrojateamento, escovação, perfuração, limpeza com lança) remove fisicamente os depósitos. Eficaz para foulants duros e aderentes. Em trocadores com espelho tubular fixo, geralmente é aplicável apenas ao lado dos tubos, pois o lado do casco é inacessível sem remover o feixe.

A limpeza química dissolve os depósitos com produtos químicos em circulação. Os produtos químicos devem ser compatíveis tanto com o depósito quanto com o material do tubo:

• Produtos ácidos (HCl inibido, sulfâmico, cítrico) atuam sobre incrustações de cálcio e produtos de corrosão, mas podem destruir a película protetora do Cu-Ni e do latão se o pacote de inibidores for inadequado.

• Produtos alcalinos com quelantes atuam sobre depósitos orgânicos e oleosos.

• Agentes quelantes (EDTA, cítrico, glucônico) removem incrustações sem a agressividade de ácidos fortes e geralmente são uma boa opção para tubos de ligas de cobre.

• Biocidas (hipoclorito, dióxido de cloro) para incrustações biológicas, com dose de hipoclorito controlada para compatibilidade com ligas de cobre.

A regra geral: consultar a ficha técnica da liga dos tubos e a tabela de compatibilidade do fornecedor de produtos químicos antes de qualquer limpeza química. Remover a película protetora de um tubo Cu-Ni pode causar mais danos em uma única limpeza do que as incrustações causariam em um ano.

Para incrustações pesadas, a abordagem mais eficaz geralmente é o pré-tratamento químico para amolecer os depósitos seguido de remoção mecânica.

A liga define quais produtos químicos, qual pressão mecânica e qual regime de fluxo são seguros.

Cu-Ni 90/10 (C70600) e 70/30 (C71500). Ótimos para água do mar e água salobra. Atenção à remoção da película protetora por ácidos agressivos ou superdosagem de hipoclorito, e ao ataque por sulfetos e amônia. Usar produtos mais suaves quando possível (quelantes em vez de ácidos fortes), cloração controlada, pressão mecânica moderada. Consulte Guia para Tubos de Cobre-Níquel.

Latão almirantado (C44300). Ótimo para água doce com baixo teor de cloretos. Atenção à dezincificação em água estagnada ou poluída e ao ataque por sulfetos e amônia. Evitar produtos ácidos que destroem a película. Consulte Latão Almirantado: Composição, Propriedades e Aplicações.

Latão com alumínio (C68700). Tolera cloretos mais elevados e impingement melhor do que o latão almirantado, mas segue as mesmas regras de compatibilidade química das ligas de cobre.

Aço inoxidável (316L, Duplex). Tolera produtos de limpeza mais agressivos do que as ligas de cobre, mas é vulnerável ao pitting por cloretos e à corrosão em fresta sob os depósitos. Evitar métodos mecânicos que abradam a camada passiva em serviço com cloretos.

Titânio (Grau 2). O tubo mais fácil de manter limpo. As precauções estão relacionadas à compatibilidade química (sensível a certos ácidos redutores), não à resposta às incrustações.

Quando um tubo falha, a primeira resposta padrão é tamponá-lo em ambas as extremidades do espelho tubular. Rápido, econômico e o equipamento volta ao serviço imediatamente. O custo é a perda de área, pois cada tubo tamponado é capacidade perdida.

A maioria dos operadores define um limite de contagem de tamponamentos de 5 a 10 por cento do total de tubos antes de considerar a reposição do feixe. Nota: esta é uma diretriz, não um padrão. O limite correto depende da capacidade de reserva do equipamento e da taxa de novas falhas.

A substituição completa do feixe é a resposta correta quando a taxa de novas falhas está aumentando, quando ECT ou IRIS mostram afinamento generalizado das paredes, ou quando a contagem de tubos tamponados está se aproximando do limite de capacidade de reserva. A substituição do feixe também é o momento certo para atualizar a liga se a especificação original estava errada para o serviço.

Precisa de ajuda para selecionar o material de tubo correto, desenvolver um protocolo de limpeza adequado à liga ou dimensionar uma reposição de feixe? Compartilhe seu serviço, seu ambiente e o histórico de falhas existente. Recomendaremos um caminho adequado ao serviço real, não adaptado a partir de um modelo genérico.

Com que frequência os trocadores de calor devem ser limpos?

Não existe um intervalo único correto. A cadência adequada é definida pela taxa de degradação do desempenho, que depende do serviço. Um gatilho baseado em desempenho (uma queda percentual definida no valor U em relação à linha de base) é mais confiável do que um intervalo fixo de calendário.

Qual é a causa mais comum de falha em trocadores de calor?

A falha de tubos causada por corrosão ou erosão. O mecanismo específico depende da liga e do serviço: pitting e impingement em ligas de cobre em serviço marítimo, pitting por cloretos em aço inoxidável, erosão na entrada e danos por vibração nos chicanas em todas as ligas.

Posso usar qualquer produto químico de limpeza em qualquer material de tubo?

Não. Produtos ácidos podem destruir a película protetora das ligas de cobre (Cu-Ni, latão almirantado, latão com alumínio) e causar mais danos do que as incrustações. Confirme sempre a compatibilidade química com a ficha técnica da liga antes de realizar a limpeza.

Quando é preferível retubar em vez de tamponar?

Quando a taxa de novas falhas está aumentando, quando os ensaios não destrutivos mostram perda de espessura generalizada no feixe, ou quando a contagem de tubos tamponados está se aproximando do limite de capacidade de reserva do equipamento. Falhas isoladas com um feixe saudável: tamponar. Falhas disseminadas ou perda de espessura generalizada: retubar e considerar uma atualização de liga.

As referências mais relevantes para a prática de manutenção de trocadores de calor: TEMA (normas para casco e tubo e boas práticas recomendadas), ASME (Código de Caldeiras e Vasos de Pressão, Seções V e VIII), HEI (condensadores de superfície e aquecedores de água de alimentação), AMPP (controle de corrosão e seleção de materiais), API (660, 661, 662, 510), CDA (ligas de cobre em trocadores de calor) e EPRI (orientações operacionais para geração de energia).