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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: [email protected]
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