Caldeiras-minicurso

1

Risco de Explosão em Caldeiras

Responsáveis:Eng. Mec. Msc. Gleyzer Martins

2

Apresentação Geradores de Vapor

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES Caldeiras Cilíndricas de Retorno de Chama Sistema de Duas Passagens de Gases Sistema de Três Passagens de Gases Caldeiras com Ante Fornalha Sistema de Quatro Passagens de Gases Caldeiras Verticais

CALDEIRAS CALDEIRAS AQUATUBULARES

Caldeiras de Tubos Retos Caldeiras de Tubos Curvos Caldeiras Aquotubulares Compacta Caldeiras de Circulação Positiva

3

Apresentação

PREVENÇÃO CONTRA EXPLOSÕES E OUTROS RISCOS O RISCO DE EXPLOSÕES O SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES

Escolha inadequada de materiais no projeto da caldeira Emprego de material defeituoso Dimensionamentos incorretos Queimadores mal posicionados Incrustações Operação em "marcha forçada“ Falta de água nas regiões de transmissão de calor

4

Apresentação

PREVENÇÃO CONTRA EXPLOSÕES E OUTROS RISCOS CHOQUES TÉRMICOS DEFEITOS DE MANDRILAGEM FALHAS EM JUNTAS SOLDADAS CORROSÃO EXPLOSÕES CAUSADAS POR ELEVAÇÃO DA PRESSÃO EXPLOSÕES NO LADO DOS GASES CONCLUSÕES E MEDIDAS DE SEGURANÇA PARA O

CONTROLE DOS RISCOS

5

Geradores de Vapor

DEFINIÇÃO

Geradores de vapor, são trocadores de calor, complexos que produzem vapor de água sob pressões superiores a atmosférica a partir da energia exotérmica de um combustível e de um elemento comburente, ar. Constituída de equipamentos associados entre si, perfeitamente integrados a fim de permitir o melhor rendimento térmico possível.

Na produção de energia mediante aplicação do calor que desprendem dos combustíveis ao serem queimados nos geradores de vapor desenvolve-se os seguintes processos:

6

Geradores de Vapor

DEFINIÇÃOT

empe

ratu

ra

Calor

Líquido Vapo r SaturadoVapo rSupe raque c ido

C alo r Late nteC a lorS e ns íve l

C a lorS e ns íve l

7

Caldeiras

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES

Os geradores deste tipo carregam uma grande quantidade de água no interior de um invólucro ou casco, dentro do qual encontram-se também as fornalhas, câmaras de combustão e tubos vaporizadores.

Nestes geradores, as fornalhas, as câmaras de combustão e os tubos estão submersos na água contida no interior do casco.

Como já estabelecido, as caldeiras cilíndricas podem ser classificadas conforme o sentido de circulação dos gases no seu interior, em:

1°. Flamotubulares de retorno de chama

2º. Flamotubulares de chama direta

8

Caldeiras

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES DE CHAMA DIRETA

São assim denominadas porque os gases percorrem em um só sentido, as câmaras de combustão, os tubos e as caixas de fumaça até a saída pela chaminé. Esta disposição permite construí-las com menor diâmetro que as do tipo de retorno de chama, já que os tubos estão dispostos a continuação da fornalha, reduzindo-se desta forma a sua altura devido ao aumento do comprimento.

9

Caldeiras


10

Caldeiras


11

Caldeiras


12

Caldeiras


13

Caldeiras

CALDEIRAS FLAMOTUBULARES DE RETORNO DE CHAMA

Denominada comumente de caldeira escocesa, possui um invólucro ou casco de forma Cilíndrica limitada nas suas extremidades por faces planas, denominado espelho.

Instalados no interior do casco, encontram-se a câmara de reversão , a câmara de combustão e tubos de transferência de calor . Os gases da combustão circulam desde a fornalha para a câmara de combustão ; desta câmara retrocedem pelo interior dos tubos até a saída pela chaminé, motivo pelo qual são estas caldeiras denominadas de retomo de chama.

Em condições normais de funcionamento a caldeira contém água até um determinado nível acima do céu da câmara de combustão; o espaço ocupado pela água cobrindo todas as partes da caldeira que estão em contato com o fogo ou gases de combustão, denomina-se de câmara de água.

14

Caldeiras


ATC

15

Caldeiras


16

Caldeiras


17

Caldeiras


E

18

Caldeiras


19

Caldeiras


20

Caldeiras


21

Caldeiras

CALDEIRAS COM ANTE FORNALHA

Caldeiras para queima de lenha e outros resíduos sólidos e mista (lenha ou óleo). Na Foto pode-se observar uma caldeira com ante fornalha totalmente em tubos de água.

Estas ante fornalhas podem ser fabricadas separadamente para adaptação a geradores já existentes queimando outros combustíveis como óleo. A ante fornalha efetuada em tubos de água elimina a utilização de refratários, permite uma maior velocidade de queima e reduzida quantidade de cinzas. A grelha tubular refrigerada dispensa montagem das grelhas convencionais e a fornalha corrugada proporciona uma superfície de aquecimento maior e consequentemente uma excelente absorção de dilatação

22

Caldeiras

CALDEIRAS COM ANTE FORNALHA

23

Caldeiras

CALDEIRAS VERTICAIS

É um projeto de caldeira amplamente popular para determinadas aplicações, devido à necessidade de espaço reduzido para sua instalação. São facilmente transportáveis, exigindo pequenas fundações e mínima despesa com refratários.

Devem como todo gerador, obedecer a normas construtivas específicas e devem ser submetidos a testes hidrostáticos e de eficiência antes de liberados para funcionamento.

A disposição dos espelhos (placas de tubos) e tubos de fogo deverá permitir que o calor dos gases da combustão seja transferido diretamente à água e não em torno dela para se evitar consideráveis perdas de calor para a atmosfera.

24

Caldeiras

CALDEIRAS VERTICAIS

25

Caldeiras CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS

As Caldeiras Flamotubulares são construídas em base ao invólucro cilíndrico, denominado de constado, e possui alguns equipamentos característicos, tais como:

Dispositivos de Segurança: Válvulas de Segurança

26

Caldeiras CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS

Manômetro

Pressostato

27

CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS

Garrafa de Nível (com Eletrodos de Nível optativo)

Caldeiras

28


Bujão Fusível

Caldeiras

Chumbo Virgem

Cabeça Sextavada

BronzeRosca BSP 14 fios

29

CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS Dispositivos de Operação:

Válvulas de Descarga

Caldeiras

30


Válvulas de Descarga continua de Superfície

Caldeiras

31


Termômetros

Dampers e Abafadores

Caldeiras

32

Caldeiras

CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS Dispositivos de Alimentação:

Bomba de Alimentação Injetor Retenções e Válvulas

33

Caldeiras

CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS Dispositivos de Tiragem:

Chaminé Exaustores Soprador de Fuligem

34

Caldeiras

CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS Dispositivos de Queima

Ventiladores ( primários, secundário e gás quente) Queimadores (Combustíveis líquidos e gasosos)

35

Caldeiras

CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS Dispositivos de Queima

Grelha Espalhadores

36

Caldeiras

CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS Dispositivos Construtivos:

Espelhos Tubos de Fogo

37

Caldeiras


Tubulão Fornalha

ATC

38

Caldeiras


Domo de Vapor Estais

39

Caldeiras


Eliminador de arraste Espalhador de água de alimentação

E

C

R

40


Boca de Visita Boca de Inspeção

Caldeiras

41

Caldeiras

CALDEIRAS AQUOTUBULARES

Somente foi possível a obtenção de maiores produções de vapor, a pressões elevadas e altas temperaturas com o advento das caldeiras de tubos de água.

A circunstância dos tubos estarem situados fora dos corpos das caldeiras, a eles se unindo para constituírem um feixe tubular de água que compõe a parte principal de absorção do calor, permite a obtenção de superfícies de aquecimento praticamente ilimitadas.

No interior dos tubos circula a água; por fora, os gases quentes, através do caminho formado pela alvenaria e chicanas internas.

42

Caldeiras


43

Caldeiras


As produções de vapor nestes tipos principiam pelos menores valares e atingem as capacidades de 600 até 750 tv/h com pressões de 150 a 200 kg/cm2, temperaturas de 450- 500ºC existindo unidades com pressão crítica (226 atm) e supercrítica (350kg/cm2).

Para efeito de estudo destas inúmeras variedades, agruparemos as caldeiras de tubos de água em 3 grandes categoria

Caldeiras aquotubulares de tubos retos; Caldeiras aquotubulares de tubos curvos; Caldeiras aquotubulares de circulação positiva.

44

Caldeiras

CALDEIRAS DE TUBOS RETOS

O feixe de transmissão de calor, inclinado, é definido por uma série de tubos retos paralelos, geralmente de 4”, expandidos em coletores sinuosos (verticais ou inclinados), denominados câmaras onduladas.

Estas caldeiras são as primeiras concepções industriais que se seguiram às multitubulares, preenchendo uma gama de capacidades de 3 até 30 tv/h com pressões limitadas a 45 kg/cm2. Duas firmas, Babcock _ Wilcox e Stein Müller são as responsáveis pela divulgação destes tipos.

45

Caldeiras

CALDEIRAS DE TUBOS RETOS

46

Caldeiras

CALDEIRAS DE TUBOS CURVOS

Paulatinamente, as caldeiras de tubos curvos foram assumindo posição insubstituível pela circunstância de não oferecerem limites na capacidade. São constituídas em essência por tubos curvos unidos a tambores por solda ou mandrilhagem, elementos estes que se dispõe de formas inúmeras, constituindo os diferentes tipos já classificados.

47

Caldeiras


48

Caldeiras


49

Caldeiras


50

Caldeiras


51

Caldeiras


52

Caldeiras


53

Caldeiras


54

Caldeiras CALDEIRAS DE TUBOS CURVOS

O aumento das capacidades e o aproveitamento do calor irradiado foram associados com a aplicação de paredes de água que se incorporam praticamente a todos estes tipos de caldeiras, com excepcionais vantagens, a saber

diminuição da caldeira; queda da temperatura de combustão; eliminação total dos refratários de alta qualidade; maior durabilidade do revestimento das câmaras de

combustão; mais rápida vaporização.

Aliás, na moderna concepção construtiva das caldeiras, a parede de água comparece inevitavelmente. As duas figuras atrás citadas e as que se segue são ótimos exemplos deste detalhe construtivo.

55

Caldeiras


Os característicos favoráveis destes tipos são inúmeros: Garantem acessibilidade a inspecção em todos os

elementos da unidade; Asseguram uma rápida vaporização,'em alguns casos,com

paredes de água integrais, em prazo de meia hora: Obtém maior vaporização específica. Unidades médi as

alcançam 28-30 kg v/m2. Caldeiras de tiragem forçada atingem até 50 Kgv/m2/h.

Como decorrência do tipo, exigem controle sistemático da água de alimentação, tanto mais rigoroso quanto maior a pressão da caldeira, pois são mais sensíveis aos efeitos de águas inadequadas.

56

Caldeiras


57

Caldeiras

CALDEIRAS AQUOTUBULARES COMPACTA

Dentro desta categoria de tubos curvos, foram concebidas caldeiras compactas.

58

Caldeiras


59

Caldeiras


60

Caldeiras


61

Caldeiras


As Caldeiras aquotubulares são construídas em base a feixes tubulares conectados por coletores, denominados de coletores superiores e coletores de barro, no entanto somente os depósitos de alimentação e construtivos sofre significativa variação das caldeiras flamotubulares.

62

Caldeiras


Feixe Tubular Coletores Fornalha Parede de água

63

Caldeiras


Feixe Tubular Coletores Fornalha Parede de água

64

Caldeiras

CALDEIRAS MISTA

65

Caldeiras

CALDEIRAS MISTA

66

Caldeiras

CALDEIRAS MISTA

67

Caldeiras

CALDEIRAS MISTA

68

PREVENÇÃO CONTRA EXPLOSÕES O RISCO DE EXPLOSÕES

A utilização de caldeiras implica a existência de riscos de natureza diversificada, tais como: de explosões, incêndios, choques elétricos, intoxicações,quedas, ferimentos diversos etc.

Deve-se, no entanto, destacar a importância do risco de explosões, por quatro motivos principais:

Por se encontrar presente durante todo o tempo de operação, sendo necessário o seu controle continuo, sem interrupção;

Em razão da violência com que as explosões se manifestam - na maioria dos casos suas conseqüências são catastróficas, em face da grande quantidade de energia liberada instantaneamente;

Por envolver não só o pessoal de operação, como também os que trabalham nas proximidades, podendo atingir ate mesmo a comunidade (vizinhos e vias publicas) e a clientela, quando se trata de empresas de serviços (hospitais e hotéis, principalmente);

69

PREVENÇÃO CONTRA EXPLOSÕES

O RISCO DE EXPLOSÕES Porque sua prevenção deve ser considerada em todas as fases:

projeto, fabricação, operação, manutenção, inspeção e outras.

O risco de explosão do lado água está presente em todas as caldeiras, uma vez que a pressão nesse lado e sempre superior a atmosférica. Qualquer quantidade de um fluido compressível, não importa qual, quando comprimida a uma pressão de 10 atmosferas (por exemplo), estará ocupando um espaço 10 vezes menor do que ocuparia se estivesse submetida a pressão atmosférica.

No caso de caldeiras, outro fator importante a ser considerado para avaliarem-se as conseqüências de uma explosão é a grande quantidade de calor encerrada no processo de vaporização de água.

70


O RISCO DE EXPLOSÕES FABRICA DE SAPATOS

71


O RISCO DE EXPLOSÕES

72



73



74


O RISCO DE EXPLOSÕESCom a finalidade única de analisar o comportamento das curvas de cálculo de espessuras, é válido simplificar a expressão aplicável a equipamentos submetidos a pressões internas, eliminando-se os termos que exercem pequena influência, obtendo-se:

s

PRt

Considerando-se determinado diâmetro D, constante, observemos na Figura o comportamento das curvas t em função de S e de P.

75



Risco de explosão pode, portanto, ser originado pela combinação de três causas:

Diminuição de resistência, que pode ser decorrente do superaquecimento ou da modificação da estrutura do material

76


O RISCO DE EXPLOSÕES Diminuição da espessura, que pode advir da corrosão

ou da erosão Aumento da pressão, que pode ser decorrente de

falhas diversas, operacionais ou não

77


O SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES Superaquecimento é a exposição do aço, material com que é construída a caldeira, a temperaturas superiores às admissíveis, o que causa a diminuição da resistência do material e cria o risco de explosões. Pode causar danos intermediários antes da ocorrência de explosões, tais como o empenamento, o envergamento, o abaulamento de tubos e outros.

Nas caldeiras aquotubulares é muito freqüente a ocorrência do abaulamento (defeito usualmente denominado "laranja" ou "joelho", dada sua forma esferóidica,com a superfície convexa voltada para o lado dos gases), decorrente da deformação plástica do aço em temperatura da ordem de 400 a 540ºC, sob a ação prolongada da pressão interna do vapor.

O superaquecimento contribui também para a oxidação das superfícies expostas, se o meio for oxidante, ou para a carbonetação (formação de carbonetos ou carbetos de ferro), se o meio for redutor. Diminuição da espessura, que pode advir da corrosão ou da erosão

78


O SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES

O superaquecimento pode ser causado por:

1. Escolha inadequada de materiais no projeto da caldeira.

Conforme a localização de um tubo no interior da caldeira, ele receberá calor de uma forma qualitativa e quantitativamente peculiar; em caldeiras aquotubulares, por exemplo, tubos de fornalha poderão estar expostos a calor radiante e, portanto, a condições mais severas que os tubos do feixe gerador, devendo, dessa forma, ser constituídos de materiais que possuam características condizentes com a solicitação.

Nas caldeiras flamotubulares, o calor e distribuído de forma não homogênea, caracterizando uma carga térmica maior nas regiões próximas ao queimador, conforme a Figura.

79



Distribuição de calor e de temperaturas ao longo da fornalha de Caldeira Flamotubular

80



Se no projeto da caldeira essas condições de escolha de materiais não forem convenientemente consideradas, haverá o risco de fluência e/ou ruptura de partes submetidas a pressão, em razão do emprego de materiais não resistentes às solicitações impostas.

As Figuras contêm as faixas de temperaturas em que os aços constituintes de chapas e de tubos, respectivamente, resistem às solicitações impostas pela geração de vapor.

81



82



2. Emprego de material defeituoso

Dos processos utilizados para a produção de chapas e de tubos, a laminação é destacável pela possibilidade de inclusão de defeitos. É freqüente ocorrer em chapas o defeito denominado "dupla laminação", que consiste em vazios no interior do material, que, após sucessivas passagens em laminadores, adquirem um formato longitudinal ao longo da chapa, fazendo com que esta se comporte como se fosse um par de chapas sobrepostas.

Defeitos dessa natureza fazem com que as chapas não resistam às cargas térmicas e/ou mecânicas previstas no projeto.

83



3. Dimensionamentos incorretos

Ainda em conseqüência de erro de projeto ou de construção, podem surgir riscos de superaquecimentos localizados, que potencializam os riscos de explosão. Uma falha dessa natureza, bastante conhecida, que ocorre nas caldeiras flamotubulares, são os prolongamentos excessivos dos tubos expandidos em espelhos de câmaras de reversão. Esses prolongamentos, indicados em perspectiva e em visão lateral na Figura 1, impedem a trajetória livre dos gases quentes à reversão, causando o superaquecimento localizado nos prolongamentos e, consequentemente, fissuras nos tubos e/ou no espelho nas regiões entre os furos (ver Figura 2).

84




Figura 1

Figura 2

85




86

PREVENÇÃO CONTRA EXPLOSÕES O SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES

4. Queimadores mal posicionados.

Os materiais com que são fabricados os tubos e as chapas admitem aquecimentos a até algumas centenas de graus Celsius, sem perderem suas propriedades mecânicas.

As chamas dos queimadores a óleo atingem valores da ordem de l000ºC. Se ocorrer, portanto, a incidência direta das chamas sobre o aço, haverá o risco de superaquecimento e fluência do material, com conseqüências que podem ir desde a deformação lenta e gradual da caldeira até sua explosão, dependendo da concorrência de outros fatores.

Quando os queimadores se encontram instalados fora do seu alinhamento longitudinal, as chamas "lambem" a fornalha, potencializando, portanto, o risco desse tipo de superaquecimento.

A questão do posicionamento dos queimadores e muito mais complexa quando estes são do tipo tangenciais, que produzem o turbilhonamento dos gases, no centro da câmara de combustão

87



5. IncrustaçõesUm problema clássico da segurança das caldeiras e o da incrustação. Consiste na deposição e agregação de sólidos junto ao aço de que se constitui a caldeira, no lado da água, em razão da presença de impurezas tais como sulfato, carbonatos (de cálcio e/ou de magnésio), silicatos complexos, contendo, ferro, alumínio, cálcio e sódio, sólidos em suspensão e, ainda, em virtude da presença dos precipitados resultantes de tratamentos inadequados da água da caldeira (borras de fosfato de cálcio ou magnésio) e de óxidos de ferro não protetores.

Uma vez que a incrustação se comporta como isolante térmico (a condutividade térmica dos depósitos minerais e muito baixa: aproximadamente 45 vezes inferior a do aço), ela não permite que a água, "refrigere" o aço, ou seja, há menor transferência de calor do aço para a água,e, com isso, o aço absorve calor sensível, isto e, sua temperatura se eleva proporcionalmente a quantidade de calor recebida.

88



Em casos de incrustações generalizadas, essa situação agrava-se ainda mais, com o aumento operacional do fornecimento de calor no lado dos gases, para manter-se a água na temperatura de ebulição .

Com esse aumento de temperatura, alem das perdas de energia, do ponto de vista da segurança, podem ocorrer as seguintes conseqüências indesejáveis:

O aço previsto para trabalhar em temperatura da ordem de 300ºC fica exposto a temperaturas da ordem de 500ºC fora dos limites de resistência e, portanto, em condições de riscos de explosão acentuados.

89



90


O SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES Sendo quebradiça, uma parte da camada incrustante pode

soltar-se, fazendo a água entrar em contato direto com as paredes do tubo em alta temperatura, o que provoca a expansão repentina da água e, conseqüentemente, a explosão

formam-se áreas propícias a corrosão, dadas a porosidade da incrustação e a possibilidade da migração de agentes corrosivos para a sua interface com o aço.

Nas caldeiras flamotubulares, camadas de lama depositam-se e impregnam na parte superior da fornalha, principalmente nas paradas da caldeira. Com o acumulo, escorregam em volta da fornalha e bloqueiam o espaço entre a parte inferior da fornalha e os tubos vizinhos, trazendo para essa região os riscos decorrentes do isolamento térmico.

91



92



93



94



95


O SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES Nas caldeiras aquotubulares,os tubos expostos a calor radiante sofrem, particularmente, conseqüências mais graves nos casos de incrustações, uma vez que recebem maior carga calorífica. Além disso, esse tipo de caldeira e muito sensível aos erros de tratamento de água, tornando, assim, muito mais importante a questão do controle de incrustações.

96



6. Operação em "marcha forçada".Quando uma caldeira possui potência baixa em relação às necessidades das áreas servidas pela sua produção de vapor, há o risco de operação em "marcha forçada": na expectativa de atender a demanda, intensifica-se o fornecimento de energia à fornalha e, dadas às limitações da caldeira, em vez de se alcançar a produção desejada, o que se consegue é a ruptura ou, pelo menos, a deformação dos tubos, potencializando-se,assim, os riscos de explosão.

Nas caldeiras flamotubulares, esse fenômeno pode também causar fissuras no espelho traseiro, nas regiões entre os furos, da mesma forma que os prolongamentos excessivos comentados no item 3.

97



7. Falta de água nas regiões de transmissão de calor.O contato da água com o aço é fundamental para a "refrigeração“. Há necessidade rigorosa de que o calor recebido pelos tubos e pelas chapas seja transferido para a água, pois somente assim será mantido o processo de transferência de calor sem que haja aumento de temperatura - todo o calor recebido pela água será empregado para a sua vaporização a temperatura constante, determinada pela pressão. O calor latente de vaporização será a quantidade de calor que, fornecido a massa unitária da água, provocará sua vaporização.

Havendo, portanto, falta de água em determinada região, cessará nesse local o processo a temperatura constante e terá inicio um processo de transferência de calor sensível (com elevação da temperatura), que provocará o superaquecimento do aço, e sua conseqüente perda de resistência.

98


O SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES A maioria absoluta dos acidentes com caldeiras e composta de explosões que ocorrem em razão de falta de água nas regiões de transmissão de calor.

Os motivos que levam a falta de água são vários, dos quais vale ressaltar a má circulação de água no interior da caldeira e a falha operacional, que são expostos a seguir:

Circulação deficiente de água

A circulação de água nas caldeiras e, na grande maioria dos casos, "natural", isto e, a diferença de densidade entre a água nas partes mais quentes e a água nas partes menos quentes e que coloca a água em circulação. As moléculas mais quentes dilatam-se e proporcionalmente a esse aumento de volume, decresce a densidade.

99



Circulação deficiente de água

100


O SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES Circulação deficiente de água

101


O SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES A carga motriz de circulação diminui a medida que a pressão de serviço aumenta, uma vez que os pesos específicos da água e do vapor se aproximam, sendo, finalmente, iguais quando a pressão atinge a denominada "pressão critica", de aproximadamente 217 kgf/cm2.

Na prática, a circulação natural e utilizável ate a pressões em torno de 150 kgf/cm2. De fato, a potência de vaporização das caldeiras de pressões da ordem de 100 kgf/cm2 e tal que justifica a utilização de bombas para forçar a circulação.

Nas caldeiras aquotubulares, a circulação natural necessita do emprego de tubos de diâmetros bastante grandes para reduzir as perdas de carga no circuito. Diâmetros de 50mm e espessuras de 4mm são freqüentemente encontrados em caldeiras de media e pequena potência.

102


O SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES A intensidade da circulação natural depende dois fatores de efeitos contrários:

maior proporção de vapor nos tubos vaporizadores aumenta a carga motriz por diminuição da densidade do fluido nessa coluna, aumentando, portanto, a velocidade de circulação ascensional.

maior proporção de vapor nos tubos vaporizadores aumenta a vazão em volume,aumentando as perdas de carga e a tendência de reduzir a velocidade.

103


O SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES Nas caldeiras flamotublares estabelece-se em regime normal uma circulação de água como mostra a Figura.

104


Falha operacional

As caldeiras modernas podem trabalhar basicamente de dois modos: automática ou manualmente, bastando para isso que o operador selecione, por meio de chaves de contato, as posições "automático" ou "manual”.

Na posição "automático" a caldeira tem suas variáveis controladas por meio de malhas de instrumentação. Graças a essas malhas, as caldeiras trabalham atualmente com em grau de automatismo cada vez mais elevado, exigindo menor quantidade de intervenções dos operadores, porem, maior qualificação de pessoal e maior precisão nas decisões.

A Figura contem um esquema que representa a lógica do automatismo das caldeiras, obtido por meio de pressostatos e de instrumentos de controle de nível de água que comandam, respectivamente, o funcionamento dos queimadores e dos dispositivos de alimentação de água.

105


O SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES Falha operacional

106


O SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES Falha operacional

107


O SUPERAQUECIMENTO COMO CAUSA DE EXPLOSÕES Destaque especial deve ser dado aos dispositivos de segurança, que são indispensáveis às caldeiras. A atuação desses elementos rompe abruptamente o ciclo normal de funcionamento da caldeira, seja por meio do desligamento total dos queimadores obtido pelas válvulas solenóide que bloqueiam o suprimento de combustível seja em função da descarga de vapor obtida com a abertura das válvulas de segurança.

Na maioria dos casos, a posição "manual" é necessária para o acendimento e para o desligamento da caldeira, pois se para acendê-la fosse utilizada a posição "automático", os controles admitiriam o máximo fornecimento de energia, uma vez que usualmente são comandados pela pressão de vapor, levando a conseqüências desastrosas. Nessa posição, o risco de falta de água está associado a procedimentos inadequados do operador, ou seja, especificamente, não aumentar a vazão de fornecimento de água quando o nível tende a descer. Falhas dessa natureza geralmente decorrem de falsas indicações de nível ou de imperícia na condução do equipamento.

108


Quando a limpeza ou a manutenção preventiva ou o tratamento da água não são convenientemente praticados, há o risco de obstruções, ou de acumulo de lama na coluna de nível, o que fornecerá indicações incorretas para o operador ou para os instrumentos responsáveis pelo suprimento de água. De modo semelhante, obstruções em tubulações de suprimento de água podem levar a acidentes de graves conseqüências uma vez que a vazão de entrada de água será menor que a vazão de saída de vapor.

A instrumentação pode ainda ser "responsável" por falta de água quando, em casos de variações no consumo, ocorrer um aumento muito brusco na vazão de vapor. Nesses casos, em razão da queda brusca da pressão, bolhas de vapor que se formam sob a superfície da água se expandem, dando origem a uma falsa indicação de nível alto, que,como conseqüência, diminui a vazão de entrada de água. Note-se que, como a pressão encontra-se baixa, o sinal que o pressostato envia aos dispositivos de combustão irá solicitar aumento do fornecimento de energia, agravando-se ainda mais a situação.

109


CHOQUES TÉRMICOS Há registros de explosões de caldeiras e de incidentes menos significantes, causados por choques térmicos muito freqüentes que provocam a fadiga (tendência a ruptura sob carga considerável inferior ao limite de resistência a tração) e o envelhecimento do metal nas extremidades de tubos.

Os choques térmicos ocorrem em razão de freqüentes paradas e recolocações em marcha de queimadores. São suscetíveis a essas condições as caldeiras que possuem queimadores "ON-OFF", que não modulam a chama ou queimadores com potência excessiva.

As incrustações das superfícies geralmente potencializam os efeitos dos choques térmicos.

Choques térmicos também podem ocorrer se a alimentação da caldeira e feita com água fria (temperatura inferior a 80ºC), em condições descontínuas e com a entrada de água nas regiões mais frias da caldeira.

110


CHOQUES TÉRMICOS Constata-se com mais freqüência esse tipo de incidente em caldeiras flamotubulares e, particularmente, naquelas que possuem câmara de reversão traseira seca.

São registradas também ocorrências de choques térmicos em virtude de falha operacional, quando após um rebaixamento excessivo de nível, por uma razão qualquer, o operador injeta água fria, tentando restabelecer o nível normal. (Nesses casos, a medida correta a ser adotada é a cessação imediata do suprimento de energia à caldeira)..

111


DEFEITOS DE MANDRILAGEM A nível internacional, denomina-se mandrilagem a operação de expansão de tubos utilizada na fabricação de caldeiras. Uma vez, porem, que essa denominação pode causar confusões com as operações de usinagem de ajustar ou de calibrar dimensões de furos, alguns fabricantes de caldeiras preferem empregar o termo expansão de tubos.

Essa operação consiste na introdução do tubo no furo devidamente dimensionado para recebê-lo e, em seguida, na expansão da extremidade do tubo por meio de um mandril (dispositivo cônico que gira em torno de um eixo axial). Tem a finalidade de ancorar o tubo no espelho (caldeiras flamotubulares) ou no tubulão (caldeiras aquotubulares), com a devida estanqueidade.

112


DEFEITOS DE MANDRILAGEM A figura 16 contém a ilustração das situações de um tubo no processo de expansão.

113


FALHAS EM JUNTAS SOLDADASOperações de soldagem são numerosas na fabricação de caldeiras: soldagem de virolas para a confecção de tubulões, solda de tubos, solda de costados, de estais etc.

Falhas em juntas soldadas potencializam os riscos de explosão da caldeira, uma vez que podem representar áreas de menores resistências.

Grupo nº 1 - Fissuras (ou trincas)

Grupo nº 2 - Cavidades

Grupo nº 3 - Inclusão de escória

Grupo nº 4 - Falta de fusão e de penetração

Grupo nº 5 - Defeitos de forma

114

PREVENÇÃO CONTRA EXPLOSÕES CORROSÃO

A corrosão constitui um dos mais importantes fatores de deterioração de caldeiras.

Como causa de explosões, ela atua principalmente como fator de diminuição da espessura das partes sujeitas a pressão. Essa atuação é "silenciosa" e não detectável pelos instrumentos de operação da caldeira - os pressostatos e as válvulas de segurança não impedem essas explosões, uma vez que elas não são necessariamente acompanhadas de elevação de pressão de operação; podem até mesmo ocorrer em pressões inferiores à MPTA (máxima pressão de trabalho admissível).

A detecção dessa causa de explosões só pode, portanto, ser obtida de uma única forma: por meio das inspeções internas, dai a importância dessa medida, obrigatória não só por lei, mas também como prática recomendada pela boa técnica.

Nas caldeiras, a corrosão está presente não só no lado da água, como igualmente no lado do gás (também denominados interior e exterior, respectivamente), e, embora seu mecanismo seja bem conhecido nos dias de hoje, seu controle ainda é razoavelmente difícil em certos casos.

115


CORROSÃOa) Corrosão interna

A corrosão interna das caldeiras processa-se sob diversas formas, segundo diversos mecanismos, porem é sempre conseqüência direta da presença da água: de sua característica, de suas impurezas e de seu comportamento, quando em contato com o ferro, nas diversas faixas de temperaturas.

Oxidação generalizada do ferro Aeração diferencial Corrosão Alveolar e por pite Corrosão por gases dissolvidos

116


CORROSÃO Corrosão Alveolar e por pite

117

PREVENÇÃO CONTRA EXPLOSÕES CORROSÃO

b) Corrosão externaOs fenômenos de corrosão que se exercem sobre a face exposta aos gases de combustão dependem dos combustíveis empregados e das temperaturas.

As zonas mais quentes das caldeiras ocorrem nos superaquecedores e nos ressuperaquecedores. Corrosões nessas áreas podem ocorrer não só nas caldeiras a óleo, como também nas caldeiras a carvão; os mecanismos de corrosão dependem do combustível, mas em todos os casos os depósitos fluidos de cinzas que se formam sobre os tubos desempenham um papel essencial na propagação da corrosão.

A corrosão nas zonas de baixas temperaturas são conseqüência direta da presença de enxofre nos combustíveis. Esse tipo de corrosão vem assumindo grande importância após sucessivas crises que fizerem com que os óleos de baixo teor de enxofre tivessem seus preços vertiginosamente aumentados.

118


EXPLOSÕES CAUSADAS POR ELEVAÇÃO DA PRESSÃO

A pressão do vapor contido em uma caldeira é função direta da quantidade de calor transferida ao sistema água-vapor, uma vez que a energia cedida em forma de calor aumentará a energia cinética média das moléculas que constituem o vapor.

Dessa forma, entende-se que a pressão interna da caldeira depende fundamentalmente da atuação dos queimadores.

O queimador porem, não e o único responsável pela elevação da pressão no interior da caldeira, uma vez que o sistema de alimentação injeta água no interior da caldeira com pressão superior à pressão de operação. é possível notar que, se a vazão de entrada de água for muito maior que a vazão de saída de vapor, além da subida do nível de água no interior da caldeira ocorrerá também o aumento da pressão interna.

119



Durante a operação normal da caldeira, a pressão é mantida dentro de seus limites pelos seguintes sistemas:

Sistema de modulação de chama

Esse sistema é constituído por um pressostato de modulação de chama, um servo-motor e um conjunto de "dampers". O pressostato possui um diafragma ou fole que se estende com o aumento da pressão e que aciona contatos emitindo sinais elétricos para o servo-motor. Os movimentos do motor são transmitidos a um jogo de alavancas que movimenta lâminas adequadamente instaladas (dampers) para modificar a vazão de combustível e a vazão de ar, que, por sua vez, alimentam o queimador, obtendo dessa forma, a modulação da chama, ou seja, sua redução nos momentos de pressões elevadas e sua intensificação nos momentos de pressões baixas.

120


EXPLOSÕES CAUSADAS POR ELEVAÇÃO DA PRESSÃO Sistema de pressão máxima

Esse é um dos sistemas de segurança das caldeiras e, como tal, age abruptamente. é composto por um pressostato e uma válvula solenóide. Quando o pressostato é pressionado, a alimentação elétrica da bobina da válvula solenóide é cortada, seu campo magnético é desfeito e, por gravidade, a haste ferro-magnética cai ,fechando a válvula que dá passagem ao combustível para o queimador. Quando a pressão normal se restabelece, o pressostato fecha novamente o circuito, a bobina é energizada e o campo magnético criado atrai a haste ferromagnética, abrindo a válvula.

121


EXPLOSÕES CAUSADAS POR ELEVAÇÃO DA PRESSÃO Válvula de Segurança

As válvulas de segurança de caldeiras, como dispositivo de proteção, têm a função de dar saída ao vapor quando a pressão ultrapassa a MPTA, fazendo diminuir a pressão interna.

Sistema manual

Com base na indicação do manômetro, o operador aciona os diversos dispositivos da caldeira, tendo condições de interferir onde for necessário para manter a pressão interna da caldeira: nos queimadores, na alimentação ou mesmo na válvula de segurança, liberando vapor à atmosfera por meio do acionamento da alavanca da válvula.

Com todas essas possibilidades, conjugadas ou não, é de se esperar que as caldeiras tenham grande chance de ser operadas com segurança, porem, mesmo assim, há inúmeros casos de explosões, causadas por falhas.

122



A possibilidade de falhas em pressostatos pode ser de natureza mecânica, como o bloqueio de sua comunicação com a caldeira ou a deterioração do diafragma ou de natureza elétrica, pelo colamento dos platinados.

Falhas nas válvulas solenóides oferecem risco quando impedem o bloqueio do combustível, ou seja, quando param na posição aberta. Há possibilidades da ocorrência desse defeito por falha mecânica de fabricação ou pela instalação incorreta, fora da vertical, ou, de cabeça para baixo.

123


EXPLOSÕES NO LADO DOS GASES As explosões no lado dos gases de combustão possuem características peculiares uma vez que são originadas por uma reação química - a combustão. Trata-se de uma reação de oxidação especifica, que,alem de ser exotérmica, se processa em um intervalo de tempo muito curto,da ordem de milissegundos, cuja consequência é o aumento rápido e violento da pressão em um espaço restrito.

São freqüentes em caldeiras que trabalham com combustíveis gasosos ou combustíveis líquidos. As névoas de líquidos inflamáveis ou de óleos combustíveis aquecidos têm comportamento semelhante a dispersões gasosas inflamáveis. Quando em contato com o ar, formam uma mistura que entra em combustão instantânea, se houver uma pequena fonte de calor para a ignição.

As caldeiras aquotubulares, em face da complexa disposição do circuito dos gases, favorecem a existência de zonas mortas, onde pode ocorrer acumulo de gases não queimados.

124

PREVENÇÃO CONTRA EXPLOSÕES EXPLOSÕES NO LADO DOS GASES

Há tipos de sopradores de fuligem que contribuem como causadores de explosões também no lado dos gases, uma vez que há possibilidade de a fuligem formar uma nuvem de poeira explosiva quando suficientemente misturada com o ar. Daí a recomendação de que nunca se deve dar a partida em uma caldeira logo após o acionamento de sopradores de fuligem.

Existem "válvulas de alívio", instaladas nas tampas dianteiras de caldeiras flamotubulares que se mantêm fechadas por meio da pressão de molas durante o funcionamento normal da caldeira, e que abrem para fora, quando a pressão da fornalha supera a pressão exercida pelas molas. São previstas para abrir às pressões das explosões no lado dos gases e dar alivio, minimizando seus efeitos; porem esse resultado nem sempre é alcançado, dada a violência com que as explosões ocorrem, fazendo voar ate as tampas, em certos casos. Há casos também de pequenas explosões em que essas válvulas são lançadas fora, e,como se localizam geralmente à altura do corpo ou da cabeça dos operadores,criam riscos adicionais

125


EXPLOSÕES NO LADO DOS GASES

126


CONCLUSÕES E MEDIDAS DE SEGURANÇA PARA O CONTROLE DOS RISCOS Os riscos de acidentes na operação de caldeiras são caracterizados por grande quantidade de variáveis, não só de operação, como também de fabricação e de conservação do equipamento.

A sintetização mais objetiva desses riscos é aquela que os contrapõe às medidas com as quais podem ser controlados ,entendendo-se, em suma, que os riscos existem quando a segurança da caldeira não é convenientemente imposta na operação ou em alguma das fases que a ante cede.

De fato a segurança da operação, independentemente do . tamanho ou do modelo da caldeira, começa no projeto de sua construção. O controle dos riscos é intrinsecamente considerado em normas técnicas especificas sobre materiais, procedimentos de fabricação, métodos de controle de qualidade etc.

127


CONCLUSÕES E MEDIDAS DE SEGURANÇA PARA O CONTROLE DOS RISCOS Essas normas, usualmente denominadas "códigos", são internacionalmente reconhecidas, tais como o código ASME (American Society of Mechanical Engineers), as "British Standards", as normas AFNOR (Association Française de Normalization), o CODAP (Code d'Ap. pareils à Pression), normas soviéticas, alemãs, japonesas e outras. No Brasil, a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) elaborou e edita, entre outras, a NB 227 - Código para projeto e construção de caldeiras estacionárias. Norma esta cancelada, através de informações por telefone a ABNT está elaborando uma norma de construção de caldeira brasileira,

A construção das partes de uma caldeira e a sua montagem devem ser realizadas com atenção especial, visando a garantia da qualidade do equipamento. Dessa forma, cada série de operações de fabricação deve ser sucedida de inspeções de controle de qualidade, que variam desde o exame visual até a radiografia das juntas soldadas.

128

PREVENÇÃO CONTRA EXPLOSÕES CONCLUSÕES E MEDIDAS DE SEGURANÇA PARA O

CONTROLE DOS RISCOS A instrumentação deve ter características funcionais e qualidade adequadas para que sejam fornecidas informações corretas,aos sistemas de controle e estes devem ser devidamente dimensionados para que atuem com precisão sobre as variáveis de funcionamento da caldeira.

Os dispositivos de segurança requerem fabricação rigorosamente dentro das normas de controle de qualidade. é pratica comum que as válvulas de segurança sejam fabricadas sob controle de qualidade não só de seu fabricante, como também dos consumidores, sendo igualmente aconselhável o envolvimento de entidades neutras como participantes desse sistema de Garantia de Qualidade.

O tratamento da água é de fundamental importância para a operação segura das caldeiras. é certo e seguro que a água, como é encontrada na natureza ou como é fornecida em redes urbanas de abastecimento, ainda que potável, não é normalmente, adequada para a alimentação de caldeiras.

129

PREVENÇÃO CONTRA EXPLOSÕES CONCLUSÕES E MEDIDAS DE SEGURANÇA PARA O

CONTROLE DOS RISCOS Os “sais minerais” indispensáveis à água que bebemos, podem levar caldeiras à explosão. Projetos de tratamento de água devem, portanto, ser concebidos e implantados para que os agentes. incrustantes, corrosivos, fragilizantes e outros sejam controlados com o rigor necessário ao funcionamento da caldeira.

Quando não aplicados corretamente os princípios de manutenção preventiva e quando a manutenção corretiva das caldeiras não segue os mesmos rigores das normas de construção, os riscos de acidentes de operação são fortemente agravados.

Em face da obrigatoriedade legal e das recomendações exaradas pelas normas técnicas, como medida de controle de riscos de acidentes, as caldeiras devem ser inspecionadas, por engenheiros habilitados. Essas inspeções, único método possível para a detecção de inúmeras causas de acidentes,devem ser realizadas pelo menos uma vez ao ano,e ainda, antes da entrada em funcionamento nas caldeiras novas, após intervalos de inatividade e após a ocorrência de acidentes ou de reparações de grande vulto.

130


CONCLUSÕES E MEDIDAS DE SEGURANÇA PARA O CONTROLE DOS RISCOS Para finalizar, é necessário ressaltar a importância do elemento humano na segurança de operações de caldeiras, não só como responsável pelo projeto, pelas especificações de materiais na construção de caldeira,pela escolha de instrumentos, mas também na condução do equipamento, ou seja, na operação propriamente dita.

É fundamental que os operadores e seus supervisores sejam treinados para o desenvolvimento de suas atividades rotineiras, porem a habilidade, a prática, a harmonia homem-máquina têm sido considerados como os fatores mais importantes nessa questão.

Os riscos de acidentes na operação de caldeiras, portanto, são controláveis pela prática da técnica correta em todas essas fases: projeto,construção, inspeção de qualidade, operação, manutenção e inspeção.

Caldeiras-minicurso

Documents

Transcript of Caldeiras-minicurso