Você já se deparou com um vazamento em um tubo de caldeira, resolveu o problema temporariamente, apenas para enfrentar uma nova falha em curto prazo?
Identificar e corrigir a causa raiz das falhas em tubos é crucial para evitar recorrências. Uma avaliação abrangente é o método mais eficiente para determinar a verdadeira origem de uma falha.
É importante lembrar que uma falha em um tubo muitas vezes indica problemas subjacentes. Para uma compreensão completa da causa, é imperativo investigar todos os aspectos da operação da caldeira que levaram à falha, além de analisar a própria falha.
Neste artigo, vamos explorar alguns dos mecanismos de falha mais comuns em tubos de caldeira, com insights valiosos da renomada empresa americana B&W Babcock & Wilcox. Estas são experiências extraídas de décadas de liderança na indústria de caldeiras.
Mecanismos de falha no lado da água
Ataque cáustico
Sintomas: Perda localizada de parede na superfície interna (ID) do tubo, resultando em aumento de estresse e tensão na parede do tubo.
Causas: O ataque cáustico ocorre quando há deposição excessiva nas superfícies internas do tubo. Isso leva a um fluxo reduzido de água de resfriamento em contato com o tubo, o que por sua vez causa ebulição local sob depósito e concentração de produtos químicos da água da caldeira. Se combinado com desequilíbrios na química da água da caldeira com alto pH, resulta em uma condição cáustica que ataca corrosivamente e degrada o magnetite protetor.
Componentes geralmente afetados: Tubos da parede do forno ou qualquer tubo inclinado.
Soluções: Para evitar a recorrência do escavamento cáustico, os operadores devem evitar a acumulação de depósitos excessivos e controlar a química da água para que a água da caldeira não forme localmente cáusticos em áreas onde os produtos químicos se concentram. Em algumas situações, onde o escavamento cáustico ao longo do topo de um tubo inclinado está associado à separação entre vapor e água, tal separação pode ser evitada pelo uso de tubos estriados. O controle da química da água pode ser alcançado garantindo uma química de água de alimentação apropriada com tratamentos de água da caldeira com fosfato.
Corrosão por pite de oxigênio
Sintomas: Corrosão agressiva localizada em tubos de caldeira e perda de parede do tubo. Pites podem funcionar como pontos de concentração de estresse, que podem ser pontos de iniciação para mecanismos de corrosão relacionados ao estresse.
Causas: A corrosão por pite de oxigênio ocorre com a presença excessiva de oxigênio na água da caldeira. Isso pode ocorrer durante a operação como resultado da entrada de ar nas bombas ou falha na operação do equipamento de tratamento de água pré-caldeira. Isso também pode ocorrer durante períodos prolongados fora de serviço, como desligamentos e armazenamento, se procedimentos adequados não forem seguidos na parada.
A oxidação mais generalizada dos tubos durante os períodos de inatividade às vezes é chamada de corrosão fora de serviço. Superfícies umedecidas estão sujeitas à oxidação à medida que a água reage com o ferro para formar óxido de ferro.
Componentes geralmente afetados: Durante períodos de desligamento, superfícies inundadas ou não drenáveis, como circuitos de superaquecedor ou tubos horizontais e linhas de suprimento de superaquecedor e reaquecedor suspensos, são os mais suscetíveis; também, quando a água mal desaerada é usada para inicialização ou para resfriamento acelerado de uma caldeira. Em caldeiras em operação, é mais prevalente próximo aos aquecedores de água de alimentação pré-caldeira e economizadores.
Soluções: Siga os procedimentos adequados de parada durante os desligamentos da caldeira e melhore o controle de oxigênio durante as inicializações e a operação da caldeira.
Danos por Hidrogênio
Sintomas: Microtrincas intergranulares. Perda de ductilidade ou fragilização do material do tubo, levando a rupturas catastróficas e frágeis.
Causas: Geralmente associado ao acúmulo excessivo nas superfícies internas dos tubos, juntamente com uma queda no pH da água da caldeira. Perturbações na química da água, como as que podem ocorrer devido a vazamentos do condensador, especialmente com meio de resfriamento de água salgada. Isso leva a contaminantes ácidos (baixo pH) que podem ser concentrados no depósito. A corrosão sob depósito libera hidrogênio atômico, que migra para o metal da parede do tubo, reage com o carbono no aço (descarburização) e causa a separação intergranular. As falhas geralmente estão, embora não necessariamente, associadas a uma camada espessa de incrustações na superfície do tubo.
Componentes normalmente afetados: Geralmente ocorre em regiões de alto fluxo de calor e geralmente é limitado aos tubos da parede da água.
Soluções: Prevenir o acúmulo de incrustações no lado da água dos tubos, bem como controlar rigorosamente a química da água, pode ajudar a evitar danos por hidrogênio.
Ataque ácido
Sintomas: Ataque corrosivo das superfícies metálicas do tubo, resultando em uma aparência irregular de picadas ou “queijo suíço” no ID do tubo.
Causas: Geralmente associado ao controle deficiente do processo durante limpezas químicas da caldeira, limpeza inadequada do ácido residual e/ou passivação insuficiente após a limpeza.
Componentes normalmente afetados: Tubos da parede da água.
Soluções: Controlar a química da água, estar atento à “ocultação” química, manter controles adequados durante as limpezas químicas da caldeira.
Fissuração por corrosão sob tensão
Sintomas: As falhas são caracterizadas por uma rachadura espessa na parede do tubo. Podem ser encontradas em locais com tensões externas mais altas, como perto de conexões. Geralmente associadas a materiais superaquecedores austeníticos (aço inoxidável) e podem levar à propagação de rachaduras transgranulares ou intergranulares na parede do tubo. As rachaduras por corrosão sob tensão são tipicamente ramificadas, com numerosas pequenas rachaduras secundárias associadas à área principal de fratura.
Causas: Ocorre onde há uma combinação de tensões de tração elevadas e um fluido corrosivo. O dano resulta de rachaduras que se propagam a partir do ID. A fonte de fluido corrosivo pode ser a transferência para o superaquecedor do tambor de vapor ou contaminação durante a limpeza ácida da caldeira, se o superaquecedor não estiver adequadamente protegido.
Componentes normalmente afetados: Tubos superaquecedores de aço inoxidável e de reaquecimento.
Soluções: Evitar a transferência de água, controlar os métodos de teste hidrostático, fazer uma lavagem após a limpeza.
Oxidação em alta temperatura
Semelhante na aparência e frequentemente confundida com a corrosão de cinzas de combustível, a oxidação em alta temperatura pode ocorrer localmente em áreas que têm a maior temperatura da superfície externa (OD) em relação ao limite de oxidação do material do tubo. Determinar a causa raiz dos mecanismos de corrosão de cinzas de combustível ou oxidação em alta temperatura é melhor realizado por análise de tubos e avaliação de incrustações e depósitos.
Sintomas: Rachaduras transgranulares largas iniciadas pelo ID que normalmente ocorrem adjacentes a conexões externas. As falhas são catastróficas, com lábios grossos que se iniciam a partir de rachaduras no ID que estão orientadas perpendicularmente à direção do estresse.
Causas: O dano do tubo ocorre devido à combinação de fadiga térmica e corrosão. A fadiga por corrosão é influenciada pelo projeto da caldeira, química da água, teor de oxigênio na água da caldeira e operação da caldeira. Uma combinação desses efeitos leva à deterioração da magnetita protetora na superfície ID do tubo da caldeira. A perda dessa camada protetora expõe o tubo à corrosão. O problema provavelmente progredirá durante os ciclos de inicialização da caldeira.
Componentes normalmente afetados: As localizações de conexões e soldas externas, como conexões de tirantes, placas de vedação e barras de proteção, são as mais suscetíveis.
Soluções: Minimizar o número de ciclos, minimizar as restrições nos tubos, reduzir o oxigênio dissolvido na inicialização.
Mecanismos de falha no lado do fogo
Corrosão de cinzas de combustível
Sintomas: Perda externa da parede do tubo e aumento da tensão do tubo. Os tubos geralmente apresentam uma aparência marcada quando as incrustações e produtos de corrosão são removidos.
Causas: A corrosão de cinzas de combustível é uma função das características das cinzas do combustível e do projeto da caldeira. Geralmente associado à queima de carvão, mas também pode ocorrer para certos tipos de queima de óleo. As características das cinzas são consideradas no projeto da caldeira ao estabelecer o tamanho, a geometria e os materiais utilizados na caldeira. Os gases de combustão e as temperaturas de metal nas passagens de convecção são considerações importantes. O dano ocorre quando certos constituintes das cinzas do carvão permanecem em estado fundido nas superfícies dos tubos do superaquecedor ou do reaquecedor. Isso pode ser altamente corrosivo.
Componentes normalmente afetados: Superaquecedores e reaquecedores.
Soluções: O método mais direto para reduzir a corrosão de cinzas de combustível é usar materiais com concentrações mais altas de cromo. Em geral, materiais com >20% de Cr têm taxas de corrosão por cinzas de combustível significativamente mais baixas do que materiais com <20% de Cr. A instalação de proteções de tubos de aço inoxidável austenítico tem sido implementada com sucesso para reduzir a corrosão de cinzas de combustível em locais da caldeira que apresentam condições muito corrosivas. Adições de cálcio e magnésio ao combustível também podem ajudar a mitigar a corrosão de cinzas de combustível.
Corrosão no lado do fogo das paredes da água
Sintomas: Perda externa de metal do tubo (desgaste) levando ao afinamento e aumento da tensão do tubo.
Causas: A corrosão ocorre nas superfícies externas dos tubos das paredes da água quando o processo de combustão produz uma atmosfera redutora (subestequiométrica). Isso é comum na parte inferior do forno de caldeiras de recuperação. Para unidades que queimam carvão, caldeiras com queimadores desajustados ou que utilizam queima escalonada (com aberturas de ar acima do fogo) podem ser mais suscetíveis a regiões localizadas maiores que possuam uma atmosfera redutora, resultando em taxas de corrosão aumentadas.
Componentes normalmente afetados: Tubos das paredes da água.
Soluções: O método principal utilizado para combater a corrosão do tubo da parede do forno é o uso de revestimentos de solda de alto teor de Ni/Alto teor de Cr nos tubos nos locais que estão experimentando a corrosão mais grave. Pulverizações térmicas resistentes à corrosão também podem ser consideradas para esta aplicação.
Fadiga por corrosão no lado do fogo
Sintomas: Os tubos desenvolvem uma série de rachaduras que se iniciam na superfície OD e se propagam para a parede do tubo. Como o dano se desenvolve ao longo de períodos mais longos, as superfícies dos tubos tendem a apresentar aparências descritas como “pele de elefante”, “pele de jacaré” ou “rachaduras em teia”. O dano é mais comumente visto como uma série de rachaduras circunferenciais.
Causas: A iniciação e propagação do dano resultam da corrosão combinada com a fadiga térmica. As superfícies OD do tubo experimentam ciclos de tensão de fadiga térmica, que podem ocorrer devido à remoção normal de escória, sopro de fuligem ou da operação cíclica da caldeira. Além de submeter o material a tensões cíclicas, o ciclo térmico pode iniciar a rachadura das escalas externas do tubo menos elástico e expor o material de base do tubo a corrosões repetidas.
Componentes normalmente afetados: Esse tipo de fadiga por corrosão da caldeira é comumente encontrado em tubos de parede de forno de projetos de caldeiras a carvão operadas uma vez, mas também ocorreu em tubos em caldeiras do tipo tambor.
Soluções: Reduza as taxas de rampa durante a inicialização e desligamento para reduzir as tensões térmicas. Otimize as operações de sopro de fuligem para minimizar as tensões térmicas.
Erosão
Sintomas: O tubo sofre perda de metal no OD do tubo. O dano estará orientado no lado de impacto do tubo. A falha final resulta da ruptura devido ao aumento da tensão à medida que o material do tubo se desgasta.
Causas: A erosão das superfícies do tubo ocorre devido ao impacto nas superfícies externas. A queima de combustíveis com alto teor de cinzas, pode levar a mais erosão, formação de escória e problemas de sujidade. O meio de erosão pode ser qualquer abrasivo no fluxo de gás de combustão, mas está mais comumente associado ao impacto de cinzas voadoras ou vapor de sopro de fuligem. Nos casos em que o vapor de sopro de fuligem é a causa principal, a erosão pode ser acompanhada de fadiga térmica.
Componentes normalmente afetados: Comum perto de sopros de fuligem; nas bordas de economizadores, superaquecedores e reaquecedores; e onde há vórtices ou redemoinhos nos gases de exaustão em mudanças na velocidade ou direção do gás.
Soluções: Para a erosão de cinzas voadoras, distribuir o fluxo uniformemente pela caldeira e considerar a queima de um combustível com menos cinzas. Otimize as operações de sopro de fuligem para minimizar o impacto danoso.
Fadiga mecânica
Sintomas: Os danos ocorrem mais frequentemente em uma rachadura iniciada no OD. As falhas tendem a ser localizadas na área de alta tensão ou restrição.
Causas: A fadiga é o resultado de tensões cíclicas no componente. Distinta dos efeitos da fadiga térmica, a fadiga mecânica está associada a tensões aplicadas externamente. As tensões podem estar associadas à vibração devido ao fluxo de gás de exaustão ou sopros de fuligem (tensões de alta frequência, baixa amplitude), ou com ciclagem da caldeira (mecanismo de estresse de baixa frequência, alta amplitude).
Componentes normalmente afetados: As falhas por fadiga ocorrerão com mais frequência em áreas de restrição, como penetrações de tubos, soldas ou suportes.
Soluções: Identificar e minimizar a fonte de tensões cíclicas térmicas ou mecânicas.
Mecanismos de falha gerais
Superaquecimento de curto prazo
Sintomas: As falhas resultam em ruptura dúctil do metal do tubo e são normalmente caracterizadas pela abertura em forma de boca de peixe no tubo, onde a superfície de fratura é uma borda fina.
Causas: As falhas por superaquecimento de curto prazo são mais comuns durante a partida da caldeira. As falhas ocorrem quando a temperatura do metal do tubo está extremamente elevada devido à falta de vapor de resfriamento ou fluxo de água. Um exemplo típico é quando os tubos do superaquecedor não foram limpos da condensação durante a partida da caldeira, obstruindo o fluxo de vapor. As temperaturas do metal do tubo atingem temperaturas dos gases de combustão de 1600F (870C) ou mais, o que leva à falha do tubo.
Componentes normalmente afetados: Tubos da parede do forno, superaquecedores, reaquecedores.
Soluções: Garanta que não existam obstruções dentro dos tubos e curvas. Siga os procedimentos de desligamento e inicialização prescritos para eliminar qualquer condensado.
Superaquecimento de longo prazo
Sintomas: O tubo falhado tem um inchaço mínimo e uma rachadura longitudinal estreita em comparação com o superaquecimento de curto prazo. O metal do tubo muitas vezes tem um acúmulo externo pesado de incrustações e rachaduras secundárias.
Causas: O superaquecimento de longo prazo ocorre ao longo de meses ou anos. Os tubos de superaquecimento e reaquecimento geralmente falham após muitos anos de serviço devido à fluência. Durante a operação normal, os tubos de superaquecimento de liga experimentarão um aumento de temperatura e tensão ao longo da vida do tubo até que a vida útil de fluência seja esgotada. Os tubos da parede da água do forno também podem falhar devido a superaquecimento de longo prazo. No caso dos tubos das paredes da água, a temperatura do tubo aumenta anormalmente, mais comumente devido a problemas no lado da água, como depósitos, incrustações ou fluxo restrito. No caso de tubos de superaquecimento ou paredes da água, a falha eventual é por ruptura de fluência.
Componentes normalmente afetados: Tubos da parede do forno, superaquecedores, reaquecedores.
Soluções: Corrija problemas de impacto das chamas nos tubos das paredes da água. Corrija problemas de distribuição de água/vapor. Limpe quimicamente os tubos para melhorar a transferência de calor. Equilibre as temperaturas do forno/gás de exaustão com a circulação para reduzir as temperaturas dos tubos.
Falha em solda de metal dissimilar (DMW)
Sintomas: A falha é precedida por pouco ou nenhum aviso de degradação do tubo. O material falha no lado ferrítico da solda, ao longo da linha de fusão da solda. Uma falha tende a ser catastrófica, pois todo o tubo falhará na circunferência da seção do tubo.
Causas: DMW descreve a solda de topo onde um material autênico (aço inoxidável) se une a um material de liga ferrítica (como o SA213T22). As falhas nas localizações de DMW ocorrem no lado ferrítico da solda de topo. Essas falhas são atribuídas a vários fatores: altas tensões na interface autênica-ferrítica devido a diferenças nas propriedades de expansão dos dois materiais, tensões de carga externa excessivas e ciclagem térmica, e fluência do material ferrítico. As falhas são uma função das temperaturas de operação e do projeto da unidade.
Componentes normalmente afetados: Conexões dos bancos de saída de superaquecedores e reaquecedores aos cabeçotes de saída.
Soluções: Substitua DMWs por um “Dutchman” soldado em oficina ou por uma solda de campo que utilize um metal de solda à base de Ni. Assegure-se de que as localizações onde DMWs estão presentes não estão sendo superaquecidas durante a operação.
Grafitação
Sintomas: A falha é frágil, com uma rachadura de borda espessa.
Causas: A operação de longo prazo em temperaturas relativamente altas do metal pode resultar em danos em aços carbono com maior teor de carbono ou aço carbono-molibdênio, especialmente nas zonas afetadas pelo calor da solda (HAZ), e resultar em uma degradação única do material. Esses materiais, se expostos a temperaturas excessivas, experimentarão a dissolução do carbeto de ferro no aço e a formação de nódulos de grafite, resultando na perda de resistência e eventual falha. Falhas súbitas nos tubos podem ocorrer sem aviso prévio.
Componentes normalmente afetados: Mais prevalente nas partes do superaquecedor e reaquecedor que operam em temperaturas relativamente baixas (como tubulações).
Soluções: Use curvas de previsão de grafitação disponíveis para determinar os locais com maior risco. Avalie amostras de locais com maior risco. Substitua os componentes que apresentam evidências de grafitação.
Fonte: https://www.babcock.com/home/about/resources/learning-center/finding-the-root-cause-of-boiler-tube-failure
